丁醇-柴油雙燃料發動機的燃燒和排放特性試驗研究

李鑫，董超，韓偉強，劉興文，李博侖

(1.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039；2.國家汽車質量監督檢驗中心，湖北 襄陽 441004)

近年來，采用缸內直噴高活性燃料+氣道噴射低活性燃料的雙燃料(或RCCI)燃燒模式已成為國內外的研究熱點。該模式能夠通過調節缸內工質的活性分布和梯度有效地控制燃燒相位、放熱規律并降低壓力升高率，可在全工況范圍內實現穩定燃燒[1-2]。相關研究表明[3-7]雙燃料燃燒模式在提高熱效率和降低污染物排放方面極具潛力。Kokjoh[8]等研究發現，與傳統柴油燃燒相比，采用汽油-柴油雙燃料燃燒模式能使指示熱效率提高約16.4%。Splitter[9]等也指出，汽油-柴油雙燃料燃燒模式可使指示熱效率達到約60%。此外，Benajes[10]、堯命發[11]等研究發現，采用雙燃料燃燒模式可在不使用后處理技術條件下使NOx和Soot排放接近于0。

目前，醇類燃料(如甲醇、乙醇、丁醇等)作為低活性燃料已被廣泛應用于雙燃料燃燒模式。與甲醇、乙醇相比，丁醇具有較高熱值、較高能量密度、較高閃點、密度與柴油接近、對燃油管路無腐蝕性等優異的物理化學性質，已被認為是一種更具潛力的應用于雙燃料燃燒模式的低活性燃料[12-13]。針對采用丁醇作為低活性燃料的雙燃料燃燒模式，國內外學者已開展了大量的研究工作。Chen[14]等對正丁醇-柴油雙燃料燃燒的研究結果表明，在低EGR率(15%)時，正丁醇比例的增加將增大缸壓峰值和放熱率峰值，減小燃燒持續期；而在高EGR率(45%)時，正丁醇比例的增加降低了缸壓峰值和放熱率峰值，并使著火始點推遲、燃燒持續期增加。Soloiu[15]等指出正丁醇-生物柴油雙燃料燃燒可通過控制燃燒相位改變NOx-Soot的折中關系，同時使NOx和Soot分別降低74%和98%。Ruiz[16]等還研究了正丁醇-柴油雙燃料燃燒模式對顆粒物物理化學性質的影響。結果表明，與傳統柴油燃燒相比，正丁醇-柴油雙燃料燃燒能夠增強顆粒物的氧化反應活性，并使其活性表面積和可溶性有機成分增加。此外，Lopez[17]等還指出正丁醇-柴油或乙醇-柴油雙燃料燃燒均可提高發動機的有效熱效率；相比于乙醇，正丁醇是一種更加優異的低活性燃料，能夠更好地改變污染物排放之間的折中關系。

丁醇有正丁醇、仲丁醇、異丁醇和叔丁醇4種同分異構體。它們雖然均具有OH基官能團，但分子結構(羥基位置和碳鏈結構)存在明顯差異。大量的研究表明，4種同分異構體分子結構上的差異將引起不同的燃燒與排放行為。Moss[18]等利用詳細化學反應動力學模型通過反應通量和敏感性分析發現，由于正丁醇和異丁醇在化學反應過程中主要發生脫氫和熱分解反應，產生高活性的H原子和羥基自由基，為高反應活性的異構體；而叔丁醇和仲丁醇在化學反應過程中主要發生脫水反應，產生較穩定的低活性自由基，為低反應活性的異構體。Gu[19]等在定容燃燒彈上研究了4種丁醇同分異構體的層流燃燒速度。結果表明，分子結構對層流燃燒速度有較大影響，4種同分異構體的層流燃燒速度從大到小依次為正丁醇，仲丁醇，異丁醇，叔丁醇。Stranic[20]等在激波管中測量了4種丁醇同分異構體的著火延遲時間。他們發現4種同分異構體的著火延遲時間從小到大依次為正丁醇，仲丁醇和異丁醇，叔丁醇。此外，Viteri[21]等在管流反應器中研究發現，4種丁醇同分異構體在高溫分解反應中生成的Soot濃度從高到低依次為叔丁醇，仲丁醇，正丁醇，異丁醇。Singh[22]等在逆流擴散火焰的研究中也指出，在多環芳香烴(PAHs)的生長階段，仲丁醇生成的PAHs最少，叔丁醇生成的PAHs最多，正丁醇和異丁醇生成的PAHs介于兩者之間。

綜上所述，丁醇-柴油雙燃料發動機燃燒與排放的研究主要集中于正丁醇，而針對異丁醇-柴油的雙燃料發動機燃燒和排放的研究卻鮮有報道，已有的關于異丁醇的研究均是與柴油摻燒開展的[23-25]。正丁醇、異丁醇兩種同分異構體的燃燒與排放行為的差異性研究也主要是在定容燃燒彈、激波管等裝置上基于單一燃料燃燒的基礎研究，而對雙燃料發動機燃燒和排放的影響差異性卻鮮有報道。鑒于此，本研究在1臺雙燃料發動機上，分別以正丁醇和異丁醇作為低活性燃料，柴油作為高活性燃料開展了燃燒試驗，分析了正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的燃燒和排放特性，并比較了兩種丁醇同分異構體在燃燒和排放方面的差異。

1 試驗設備和方法

1.1 試驗發動機與設備

試驗發動機為1臺排量8.4 L、6缸、直列渦輪增壓柴油機，其基本參數見表1。為了實現雙燃料燃燒，在進氣管上增加一套丁醇供給系統，其噴射壓力和噴射時刻分別為0.5 MPa和0°ATDC。丁醇供給系統和原機柴油供給系統均由課題組自行開發的電控單元(ECU)進行控制，可實現對丁醇和柴油噴射時刻和噴油脈寬的靈活柔性調節。丁醇和柴油的消耗量分別由ToCeiL-CMFD015型和ET2500型智能油耗儀進行測量。缸內燃燒參數采用課題組自行開發的燃燒參數采集與分析系統進行測量。該系統由Kistler 6125C型缸壓傳感器、Kistler 5011B10型電荷放大器、NI USB6353型采集卡和E6C2-CWZ3E型光電編碼器等組成。氣體排放(CO,NOx,HC)測量采用HORIBA MEXA-7100DEGR型氣體排放分析儀；顆粒物測量采用Cambustion DMS500 MKII快速型微粒光譜儀，粒徑測量范圍為5～1 000 nm，帶有兩級稀釋系統，試驗設定稀釋比分別為4∶1和150∶1，稀釋氣體為高純空氣。圖1示出試驗臺架示意。

表1 試驗發動機基本參數

圖1 試驗臺架示意

1.2 試驗燃料

試驗用柴油為0號國五柴油，正丁醇和異丁醇為純度99.9%的分析醇，其理化性質見表2。

表2 試驗用燃料理化性質[12-13]

1.3 試驗方法

試驗過程中，保持冷卻水出水溫度和機油溫度分別為(80±1)℃和(85±1)℃，進氣溫度保持為(30±1)℃。在轉速1 500 r/min、缸內循環總能量1 280 J/cycle、不同柴油噴射定時和丁醇替代比條件下，研究進氣道噴射不同分子結構丁醇(正丁醇和異丁醇)對雙燃料發動機燃燒和排放的影響規律。試驗工況見表3。

表3 試驗工況

丁醇替代比定義如下：

(1)

式中：mD為柴油的質量流量；HuD為柴油的低熱值；mx為進氣道噴射燃料的質量流量；Hux為進氣道噴射燃料的低熱值；rx為丁醇替代比；下標x為n或iso，分別代表正丁醇或異丁醇。

2 結果與分析

2.1 燃燒特性

圖2示出轉速1 500 r/min、缸內循環總能量1 280 J/cycle工況，當丁醇替代比為50%和60%時，柴油噴射定時分別為-8°，-18°，-35°ATDC的缸內壓力和瞬時放熱率曲線。由圖2可知，隨著柴油噴射定時的提前，最大缸內壓力和瞬時放熱率峰值所對應的曲軸轉角均提前，最大缸內壓力逐漸增加，瞬時放熱率峰值先增大后減小。這主要是由于隨著柴油噴射定時的提前，缸內形成可燃混合氣的時刻提前且缸內工質的混合時間增長，致使缸內工質更早地發生燃燒反應，并使預混燃燒比例增加，因此，最大缸內壓力和瞬時放熱率峰值所對應的曲軸轉角提前，最大缸內壓力增加。然而，柴油噴射定時提前雖然能夠增大預混燃燒比例，促進瞬時放熱率峰值增加，但也降低了缸內工質著火時刻所對應的缸內壓力和溫度，并使局部空燃比增大，可燃混合氣活性降低，從而抑制可燃混合氣的燃燒反應速率。因此，在上述因素的綜合作用下，瞬時放熱率峰值隨柴油噴射定時的提前而呈現先增大后減小的趨勢。

圖2 不同柴油噴射定時下缸內壓力和瞬時放熱率

圖3示出不同柴油噴射定時下的缸內最高平均溫度。由圖3可知，隨著柴油噴射定時的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的缸內最高平均溫度均呈現逐漸升高的趨勢；而隨著丁醇替代比的增加，兩者缸內最高平均溫度均降低。 這是由于隨著柴油噴射定時的提前，燃燒始點提前，相同曲軸轉角下的累計放熱量增加，導致缸內最高燃燒溫度增加；而隨著替代比的增加，缸內工質的汽化潛熱增加，冷卻作用增強，導致缸內最高燃燒溫度降低。

圖4示出不同柴油噴射定時下燃燒參數(θCA10,θCA50和θCA90)的變化情況。隨著柴油噴射定時的提前，缸內形成可燃混合氣提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的燃燒始點θCA10逐漸提前；但柴油噴射得越早，著火時刻所對應的缸內壓力和溫度越低，且增長了柴油的混合時間，降低了局部燃空當量比，使燃燒速度下降，從而導致兩種燃燒的燃燒持續期(記為θCD，θCD=θCA90-θCA10)逐漸增長。此外，隨著柴油噴射定時的提前，丁醇替代比為50%時，θCA50和θCA90逐漸提前，而丁醇替代比為60%時，θCA50和θCA90先提前后延遲。通常，柴油噴射時刻提前，燃燒始點θCA10提前，也將促使θCA50和θCA90提前。然而，在雙燃料燃燒模式下，隨著丁醇替代比的增加，缸內工質總體活性降低，同時過早的柴油噴射也促進了柴油分布得更加均勻，從而使燃燒速度明顯下降，進而導致了丁醇替代比為60%、柴油噴射定時為-35°ATDC時的θCA50和θCA90有所延遲。

圖3 不同柴油噴射定時下缸內最高平均溫度

圖4 不同柴油噴射定時下燃燒參數(θCA10,θCA50和θCA90)

另外，由圖4還可發現，在相同丁醇替代比和柴油噴射定時條件下，相比于正丁醇-柴油，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的θCA10,θCA50和θCA90均提前，燃燒持續期更短。這主要是由于在丁醇-柴油雙燃料燃燒反應過程中，異丁醇對OH基的爭奪能力弱于正丁醇，從而使異丁醇-柴油雙燃料燃燒反應過程中的可用OH基濃度更高，促使其燃燒始點提前，燃燒速度增加，進而使其θCA10，θCA50和θCA90提前，燃燒持續期縮短。

圖5示出不同柴油噴射定時下的最大壓力升高率。由圖5可知，隨著柴油噴射定時的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的最大壓力升高率均呈現先增加后減小的趨勢，在柴油噴射定時為-18°ATDC時達到最大。在相同丁醇替代比和柴油噴射定時下，相比于異丁醇-柴油，正丁醇-柴油雙燃料燃燒的滯燃期較長，預混燃燒比例較大，也導致了正丁醇-柴油雙燃料燃燒的最大壓力升高率高于異丁醇-柴油。

圖5 不同柴油噴射定時下最大壓力升高率

2.2 排放特性

圖6和圖7示出轉速1 500 r/min、缸內循環總能量1 280 J/cycle工況，當丁醇替代比為50%和60%時，柴油噴射定時分別為-8°，-18°，-35°ATDC的HC和CO排放變化情況。

圖6 不同柴油噴射定時下HC排放

圖7 不同柴油噴射定時下CO排放

在雙燃料燃燒模式下，HC和CO主要生成于溫度較低且缺少高活性燃料的近氣缸壁面區域[34]。隨著柴油噴射定時的提前，柴油混合時間增長，預混燃燒比例增加，缸內燃燒溫度以及柴油的分布均得到改善，使燃燒更加充分，從而導致正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的HC和CO排放均逐漸降低。另外，由圖6和圖7還可發現，在相同的丁醇替代比和柴油噴射定時條件下，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的HC排放高于正丁醇-柴油，而CO排放低于正丁醇-柴油。這可能是由于異丁醇-柴油雙燃料燃燒的滯燃期相對較短，高活性燃料的分布較差，燃燒溫度也較低，降低了HC向CO的轉化速率，從而使其HC排放高于正丁醇-柴油雙燃料燃燒。同時， 由于HC向CO轉化速率的降低，也促使異丁醇-柴油雙燃料燃燒的CO排放相對低于正丁醇-柴油。

圖8示出不同柴油噴射定時下的NOx排放情況。由圖8可見，隨著柴油噴射定時的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的NOx排放均呈現先增加后降低的趨勢。這可能是由于隨著柴油噴射定時的提前，柴油混合時間增加，一方面增加了預混燃燒比例，使高溫反應區域增大，另一方面，也降低了預混燃燒區域的高活性燃料濃度，降低了絕熱火焰溫度[34-35]。因此，在兩者的綜合作用下導致了NOx排放隨柴油噴射定時提前所呈現的變化規律。另外還可發現，在相同的丁醇替代比和柴油噴射定時條件下，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的NOx排放高于正丁醇-柴油。相比于正丁醇-柴油，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的滯燃期較短，盡管使預混燃燒的高溫區域有所縮小，但卻使預混燃燒區域內的絕熱火焰溫度有所升高，絕熱火焰溫度的升高可能成為了主導因素，從而促使異丁醇-柴油雙燃料燃燒的NOx排放較高。

圖8 不同柴油噴射定時下NOx排放

圖9示出不同柴油噴射定時下的顆粒物粒徑(Dp)分布。由圖9可知，隨著柴油噴射定時的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的核態顆粒物峰值和聚積態顆粒物峰值均呈現逐漸降低的趨勢。其主要原因是隨著柴油噴射定時的提前，柴油混合時間增長，柴油分布得更加均勻，局部過濃區域減小，同時也降低了絕熱火焰溫度，兩方面的共同作用抑制了顆粒物的生成，從而導致了正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒顆粒物排放隨柴油噴射定時提前的變化規律。

圖9 不同柴油噴射定時下顆粒物粒徑分布

此外，由圖9還可發現，在相同的丁醇替代比和柴油噴射定時條件下，相比于正丁醇-柴油，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的核態顆粒物峰值和聚積態顆粒物峰值較低，且核態顆粒物峰值粒徑有減小的趨勢，而聚積態顆粒物的峰值粒徑有增大的趨勢。雖然正丁醇-柴油雙燃料燃燒的滯燃期較長，缸內工質的混合時間較長，能夠減小缸內局部過濃區域和降低絕熱火焰溫度，有利于減少燃燒過程中顆粒物的生成，但是正丁醇和異丁醇的分子結構明顯不同，其化學反應過程也將存在顯著的差異，從而造成不同的顆粒物排放行為。Viteri[21]等在進行丁醇同分異構體高溫分解反應的研究中指出，炭煙(Soot)的形成與丁醇同分異構體分子中的β-H原子數量密切相關，β-H原子數量越多炭煙生成量越大；正丁醇分子中存在2個β-H原子，異丁醇分子中存在1個β-H原子，正丁醇在燃燒過程中生成的炭煙量明顯高于異丁醇。Singh[36]等在丁醇同分異構體炭煙形成過程的研究中證實，相比于異丁醇，正丁醇在燃燒過程中生成了更多的炭煙。因此，正丁醇和異丁醇分子結構差異導致的不同化學反應過程，可能是在相同燃燒組織條件下異丁醇-柴油雙燃料燃燒顆粒物排放低于正丁醇-柴油的主要因素。

3 結論

a) 隨著柴油噴射定時的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的最大缸內壓力相位、瞬時放熱率峰值相位和燃燒始點θCA10逐漸提前，最大缸內壓力、缸內最高平均溫度和燃燒持續期逐漸增加，瞬時放熱率峰值和最大壓力升高率先增大后減小；

b) 在相同的柴油噴射定時和丁醇替代比條件下，相比于正丁醇-柴油雙燃料燃燒，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的θCA10，θCA50和θCA90均提前，滯燃期和燃燒持續期變短，最大缸內壓力、瞬時放熱率峰值和最大壓力升高率降低；

c) 隨著柴油噴射定時的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的HC，CO，核態顆粒物峰值和聚積態顆粒物峰值均呈現逐漸降低的趨勢，而NOx呈現先增加后降低的趨勢；

d) 在相同的丁醇替代比和柴油噴射定時條件下，相比于正丁醇-柴油雙燃料燃燒，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的HC和NOx排放較高，而CO、核態顆粒物峰值和聚積態顆粒物峰值較低。