丁醇同分異構體-柴油混合燃料噴霧燃燒特性的試驗研究

李婕，宋建桐,，朱春紅，吳晗

(1.北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176；2.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064)

環境污染與能源危機日益嚴重，人們對可再生的生物燃料越來越重視。目前柴油機代用燃料中常用的生物燃料主要有生物柴油、二甲醚、甲醇、乙醇和丁醇等，其中以甲醇、乙醇和丁醇等為代表的醇類燃料被認為是很有前景的代用燃料。大量研究表明，醇類燃料因分子中含有氧元素，有利于完全燃燒，在發動機中應用醇類燃料可以有效地減少CO，CH和炭煙的排放。

短鏈醇類燃料甲醇和乙醇在交通行業早已經有了一定規模的應用[1-2]，甲醇在二十世紀八九十年代就已經開始應用于柴油機，乙醇的應用更廣泛，在生物燃料中占有更大的份額。甲醇和乙醇與柴油摻燒的研究成果也比較豐富。在柴油中摻燒乙醇和正丁醇可以減少生命周期溫室氣體排放，但乙醇具有熱值低、與柴油的相容性差、潛熱高、容易汽化、閃點低、蒸氣壓力高和十六烷值低等缺點。而具有更長碳鏈的丁醇能量密度和十六烷值更高，具有和傳統柴油更相似的性質，而且與柴油相容性更好，能溶解一定的水分，非常有利于與柴油摻燒，其被認為是比甲醇和乙醇更有潛力的生物燃料。丁醇可以兼容現有的燃料運輸設施，并不需要對發動機進行大的改動[3]，而且丁醇可通過微生物發酵，利用可再生的農作物制取[4]。

丁醇是包括4個碳原子的飽和醇類，其包括正丁醇、異丁醇、仲丁醇和叔丁醇4種同分異構體，4種異構體均可通過化學催化和發酵制取。在發動機代用燃料方面，目前研究較多的是直鏈正丁醇。Chen等[5]發現柴油摻混正丁醇后，發動機油耗略有增加，但其熱效率比燃用柴油有一定程度的提高。Yamamoto等[6]在柴油機上的研究發現，柴油摻混正丁醇的炭煙排放比摻混乙醇的炭煙排放量更低，也證明了丁醇作為柴油替代燃料的潛力。

目前，針對丁醇同分異構體作為柴油替代燃料的研究較少[7]，從燃料燃燒放熱的角度并不能確定何種丁醇同分異構體更適合應用于發動機。因此，本研究在定容燃燒彈系統上，利用光學測試的方法,研究了4種丁醇同分異構體與柴油混合燃料噴霧燃燒過程中的火焰發展特性、火焰舉升高度、火焰瞬時強度、累計火焰強度、不同環境溫度和氧濃度下的燃燒壓力和放熱速率、燃燒滯燃期、燃燒持續期等規律，為丁醇作為柴油機代用燃料的應用技術提供一定的理論基礎。

1 試驗系統

1.1 試驗設備

試驗在一個內腔直徑為110 mm、高為65 mm的定容燃燒彈中進行。燃燒彈頂部安裝了一塊熔融石英玻璃視窗，可在低至190 nm的光譜范圍里保持較高的透過率。噴油器安裝在燃燒彈底部，方向正對著石英視窗(見圖1)。試驗前將腔體壁面加熱到105 ℃，以模擬真實發動機的壁面溫度條件，同時可以防止燃燒后產生的水蒸氣在石英視窗上凝結。在腔體上安裝了一個壓力傳感器來記錄缸壓數據，并采用高能等離子點火系統點燃預先充入的可燃混合氣。

圖1 定容燃燒彈裝置示意

試驗時，先通過點燃預先充入的乙炔、氧氣、空氣和氮氣的可燃混合氣，在燃燒室內預先建立高溫、高壓的環境。隨著壁面的熱量散失，燃燒室內溫度和壓力逐漸降低，當壓力降到試驗設定值時，電控系統控制噴油器噴油，同時高速攝像機和缸壓傳感器開始記錄數據。噴油器為液力驅動電控式噴油器，共有6孔，高速攝像機僅記錄其中一束的燃燒過程。

1.2 數據處理方法

通過缸內壓力采集系統獲得壓力曲線后，根據熱力學第一定律，可以由缸壓數據計算出燃燒放熱規律。其中，著火時刻定義為累計放熱量達到總放熱量10%的時刻，著火延遲時間則定義為噴射時刻與著火時刻之間的間隔；燃燒持續期定義為累計放熱量達到總放熱量10%與90%的時間間隔。

通過高速攝像機透過燃燒彈頂部的玻璃視窗拍攝的噴霧著火圖像，可以反映燃燒火焰的發展過程。火焰舉升高度為有自然發光區域距噴油器的最近距離。對火焰自然發光圖像的所有像素點強度值進行積分，得到火焰瞬態發光強度(Spaced integrating natural luminosity，SINL)，對噴射過程中不同時刻的SINL進行積分則可以得到火焰累計發光強度(Time integrating natural luminosity，TINL)[8]。

1.3 測試工況

燃料噴射時，定容燃燒彈內環境氣體的氧濃度和密度可通過預噴入混合氣體組分的壓力來控制，環境氣體的壓力和溫度則可根據噴油等待的時間控制。試驗測試的環境氣體密度控制為14.8 kg/m3，該值為一般柴油機上止點附近缸內氣體的典型密度。試驗測試的環境溫度分別為800 K，1 000 K和1 200 K，環境氧體積分數分別為21%，16%和11%。4種丁醇同分異構體分別以20%的體積比與柴油混合形成混合燃料，分別用n-B20，iso-B20，sec-B20和tert-B20來表示含有20%正丁醇、異丁醇、仲丁醇、叔丁醇的柴油混合燃料。丁醇同分異構體的理化性質見表1，它們與丁醇性質相近。試驗測試工況見表2。

表1 丁醇同分異構體的理化性質[8-9]

表2 試驗測試工況

2 試驗結果與分析

2.1 燃燒放熱

不同環境溫度和氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料的燃燒壓力和放熱速率對比見圖2。當環境溫度為1 200 K和1 000 K時，放熱率峰值較低，曲線較平坦。這是因為溫度較高時，燃料的滯燃期縮短，燃燒前期累積的可燃混合氣減少，因而放熱峰值降低。同一溫度下，隨著氧濃度的降低，放熱率峰值下降。同一環境溫度下，隨著氧濃度的降低，滯燃期變長，預混合燃燒增加，放熱率峰值增大。當環境溫度為1 200 K和1 000 K時，不同氧濃度下，不同丁醇同分異構體-柴油混合燃料的放熱率曲線區別不大，幾乎重合。

當環境溫度為800 K時，溫度的降低導致噴霧蒸發速率降低，燃料化學反應速率減慢，不同燃料的放熱率曲線差異較大。當環境溫度為800 K時，隨氧濃度的減小，n-B20的放熱率明顯減小，在丁醇同分異構體與柴油混合燃料中，當氧體積分數為21%時，n-B20的放熱率峰值最大，而當氧體積分數為16%和11%時則最低。正丁醇對環境氧濃度最敏感，iso-B20和sec-B20的放熱率峰值隨著氧濃度的降低而逐漸降低，降幅沒有n-B20明顯，而tert-B20的放熱率峰值隨著氧濃度的降低略有降低，降幅最小，且燃燒相位推遲，與其他燃料相比，其最穩定。

不同環境溫度和氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料的燃燒持續期見圖4。隨著環境溫度的降低，燃燒持續期縮短，這是因為環境溫度降低，滯燃期增長，預混燃燒的強度增大，導致燃燒速率明顯增大。隨著氧濃度的降低，化學反應速率降低，所以燃燒持續期明顯變長。對比不同丁醇同分異構體和柴油的混合燃料可以發現，在所有測試條件下，n-B20，iso-B20和sec-B20的燃燒持續期依次降低，這主要是因為n-B20，iso-B20和sec-B20 3種混合燃料的汽化潛熱依次降低。而在丁醇同分異構體和柴油的混合燃料中，tert-B20的汽化潛熱最低，但其自燃溫度最高，因此與sec-B20相比，在低溫低氧濃度條件下，其燃燒持續期變化不大，而在高溫高氧濃度時，其燃燒持續期略長。

2.2 燃燒火焰

當環境溫度為1 000 K且含氧體積分數為21%時，丁醇-柴油混合燃料的自然火焰發展過程見圖5。從火焰的總體發展過程可以發現，與其他噴霧燃燒相比，丁醇-柴油混合燃料的火焰發展過程相近，火焰都是首先在距噴油器頂端一定距離處生成，然后向四周擴散，當其與燃燒室壁面相撞擊時，形成明顯的扇形燃燒形狀。各丁醇同分異構體與柴油混合燃料的噴霧燃燒火焰的形狀非常相似。由1.71 ms時高速攝像機拍下的各混合燃料出現火焰的第一幀圖片可見，它們均為錐形火焰形狀，火焰強度也比較接近，均低于之后幾幀的燃燒火焰強度；因為不同丁醇同分異構體與柴油混合燃料燃燒相位不同，導致其火焰尺寸略有差別。

當環境溫度為1 200 K和1 000 K時，不同環境氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料燃燒火焰舉升高度的變化趨勢見圖6。與其他燃料相似，隨著燃燒的持續，丁醇-柴油混合燃料的火焰舉升高度逐漸降低。隨溫度的升高、氧濃度的增大，火焰舉升高度明顯降低。丁醇-柴油混合燃料的燃燒火焰沒有表現出明顯的準穩態燃燒現象，火焰舉升高度隨燃燒的進行持續穩定下降。

在環境氧濃度和環境溫度都較高(21%，1 200 K)時，不同丁醇-柴油混合燃料的燃燒火焰的舉升高度較為接近且均較低；而當環境溫度及氧濃度降低時，特別是環境氧濃度降低時，火焰舉升高度明顯升高。隨環境溫度和氧濃度的降低，iso-B20，sec-B20和tert-B20 3種混合燃料的火焰舉升高度差別不大，而n-B20的總體火焰舉升高度明顯增加，在1 000 K，11%時，n-B20的火焰舉升高度為其他混合燃料的1.3倍左右。這有助于燃油在噴霧過程中與空氣混合，提高混合氣質量，降低燃燒區域混合氣濃度，從而減少炭煙的生成。

圖6 不同環境溫度和氧濃度下的火焰舉升高度

不同環境溫度和氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料的燃燒室內瞬時火焰強度(SINL)的變化趨勢見圖7。隨著環境溫度的降低 ，SINL的持續期明顯變短，峰值顯著降低，SINL曲線的形狀逐漸由梯形變為底部更小的三角形。這主要是因為溫度的降低顯著減少了炭煙的生成量。隨著氧濃度的降低，混合燃料的SINL曲線峰值降低，其存在的持續期逐漸變長。這主要是因為隨氧濃度的降低，可燃混合氣的形成速率降低，炭煙的生成速率下降，導致SINL峰值下降，但其燃燒持續期的增加導致了火焰存在的時間變長。除n-B20外，其他丁醇同分異構體與柴油混合燃料的SINL較為相近。當環境溫度較高時(1 200 K和1 000 K)，所有丁醇同分異構體與柴油混合燃料的火焰幾乎同時出現，但n-B20的燃燒火焰結束時間最晚。在800 K時，n-B20的燃燒火焰強度SINL峰值與持續期低于其他燃料，在氧體積分數為11%時，丁醇-柴油混合燃料的火焰強度SINL為0。

圖7 不同環境溫度和氧濃度下的瞬時火焰強度

不同環境溫度和氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料的累計火焰強度(TINL)對比見圖8。隨溫度的降低，丁醇-柴油混合燃料的TINL明顯降低。在環境溫度為1 200 K時，隨氧濃度的降低，TINL值略有升高，但在1 000 K和800 K時，TINL值降低。這主要是因為在環境溫度較高時，隨著氧濃度的降低，SINL的峰值沒有明顯降低，但持續期增長，因此TINL值略有增大；而當環境溫度較低時，隨氧濃度的降低，SINL的峰值和存在持續期均大幅減小，導致TINL值降低。

圖8 不同環境溫度和氧濃度下的累計火焰強度

當環境溫度為1 200 K時，在丁醇同分異構體和柴油混合燃料中，n-B20的TINL值均最大，當環境溫度為1 000 K時，與其他混合燃料接近，而在環境溫度為800 K時，其明顯低于其他混合燃料，這說明n-B20在高溫時炭煙生成量最高，而在低溫時，其炭煙生成量最低。

3 結論

a) 在環境溫度為1 200 K和1 000 K時，不同丁醇同分異構體與柴油混合燃料的燃燒放熱規律幾乎相同，但當溫度降低至800 K時，差異較明顯；

b) 在環境溫度較低時，氧濃度對正丁醇-柴油混合燃料的燃燒效率影響較大，當氧濃度較高時，燃燒相位更靠前，燃燒放熱率峰值更高，而當氧濃度較低時則變化趨勢相反；

c) 不同丁醇同分異構體與柴油混合燃料的燃燒火焰形狀相似，燃燒發生時刻略有差異；

d) 當環境溫度與氧濃度較高時，不同丁醇同分異構體與柴油混合燃料的燃燒火焰舉升高度接近，但當溫度較低時，正丁醇的燃燒火焰舉升高度升高，也因此導致其火焰強度降低，從而有利于降低其炭煙排放；

e) 不同丁醇同分異構體與柴油混合燃料的燃燒放熱和火焰發光特性相近，但當環境溫度較低時，正丁醇-柴油混合燃料的炭煙排放最低。