不同噴射策略下CRDI柴油機燃用柴油-桐油-乙醇混合燃料的燃燒與排放特性

張丹，祁東輝，沈言錦，劉助春

(1.湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412000；2.長安大學，陜西 西安 710000)

在能源危機與環境污染的雙重背景下，世界各國均在努力開發節能、環保及可再生的生物燃料。植物油因其可再生、環保及來源廣泛等特點，被認為是最具有發展潛力的代用燃料之一。在當前大的環境背景下，食用植物油的應用可能與我國現行的能源政策背道而馳。而桐油是一種天然的非食用植物油，廣泛種植于中國南方的非種植邊緣區域，被認為是不影響食用油市場的最佳原料之一。桐油中的脂肪酸含有大量的α桐酸，使其氧化穩定性降低的同時引起縮合反應，導致其運動黏度變大。為改善其高黏度、低揮發性的問題，柴油機燃用桐油簡單而又經濟的方法是對其進行微乳化。

當前，國內外大多以一定摻混比(體積百分比)的植物油-柴油混合燃料為基礎油，并加入一定體積分數的醇類配制微乳化燃料。乙醇是一種具有良好發展前景的可再生生物質能源，具有高的含氧量、低的密度和黏度、好的揮發性等優點，但其十六烷值相對較低，因此不適合單獨在柴油機上燃用。已有研究表明，乙醇和柴油混合使用能夠延長滯燃期，使得預混燃燒比例提高，進而提升發動機熱效率，減少炭煙排放。但是乙醇與柴油的互溶性不好，需要在柴油中添加表面活性劑以提高混合燃料中乙醇的溶解度和穩定性，改善混合燃料的理化性質。

本研究的目的是制備一種由桐油、柴油和乙醇組成的三元混合燃料，并評估桐油和乙醇體積分數對混合燃料性能、發動機性能、尾氣排放及燃燒特性的影響。

1 混合燃料制備及性能

在室溫20 ℃下，以桐油-柴油的混合液為油相(O)，以低碳醇(乙醇)為水相(W)，配制3種W/O型微乳化燃料，分別記為D60T20E20、D40T40E20和D40T20E40(D代表柴油，T代表桐油，E代表乙醇，其后的數字表示在混合燃料中所占的體積百分比)。根據溶液的相似相溶原理，選擇親油性強于親水性的油酸作為表面活性劑，亦可選擇正丁醇作為助表面活性劑，利用相界法研究不同配比對微乳化燃料穩定性的影響。從表1可以看出，當乙醇體積分數增加時，需要更多的表面活性劑來維持微乳化燃料的穩定狀態。相較于混合燃料各組分的體積分數，表面活性劑(油酸/正丁醇)的體積分數相對較小，可以忽略不計。

表1 混合燃料組成成分

鑒于混合燃料理化特性對燃油霧化、發動機燃燒和排放特性的影響，有必要對其主要性能進行測試。表2示出了混合燃料和各組成部分的主要特性。與柴油相比，3種混合燃料的黏度較高，其中D40T40E20黏度最高。桐油分子量大，化學結構復雜，黏度是柴油的近42倍，而乙醇的黏度較低，使得混合燃料的黏度接近于柴油。桐油和乙醇的熱值分別比柴油低16.73%和37.9%，使得混合燃料的熱值較低。因此，有必要增加注入燃燒室的噴油量，用以產生相同的功率。

表2 混合燃料和各組成部分理化特性

2 試驗裝置和步驟

本研究以6缸增壓中冷四沖程CRDI柴油機為研究對象，表3示出了試驗所用發動機的技術規格。試驗采用裝有壓力噴嘴控制閥的高速電控噴油器(LRB T023 11B)，通過控制高速電磁閥的開閉，定時定量地控制噴油量，確保霧化質量的同時使空燃比處于最佳狀態。

表3 試驗發動機參數

在發動機轉速為1 000 r/min時，中、低負荷時采用兩級噴射策略，即預噴射和主噴射相結合，而在高負荷時采用單級噴射策略(見圖1)。對于兩級噴射策略，預噴射燃油釋放的熱量使得氣缸內的溫度和自由基濃度增大，進而減少主噴射期間噴射燃油的點火延遲。隨著負荷的增加，預噴射略有提前，主噴射提前更多一些，噴射脈寬也更長。

圖1 不同負載下噴油器電流波形示意

如圖2所示，發動機控制系統由渦流測功機(CW260/CAMA)和控制單元組成。發動機的轉速和負荷由渦流測功機控制，燃油流量由具有正時功能的高精度電子天平測量，曲軸位置由曲軸轉角適配器確定，安裝于氣缸蓋上的壓力傳感器(Kistler 6052A)用于記錄氣缸內壓力，其信號傳輸至電荷放大器(Kistler 5019B)，然后傳輸至KIBOX燃燒分析儀。表4示出了各試驗儀器的測量范圍與精度。

圖2 試驗儀器原理

表4 儀器范圍和精度

在1 000 r/min轉速下進行發動機試驗，對每個發動機工況重復測量3次，并取平均值作為報告值，評價試驗性能。試驗采用尾氣分析儀(AVL Digas4000)測量尾氣中的CO、HC及NO排放量，煙度則由分流煙度計(AVL Dismoke 4000)測量。每次測量前，使用參考氣體對氣體分析儀進行校準，以確保測量值的準確性。

3 試驗結果與討論

3.1 燃燒特性

試驗發動機采用了不同的噴射策略，這導致了不同的缸內壓力曲線，如圖3所示。在發動機負荷為0.16 MPa和0.48 MPa時，采用兩級噴射策略。由于試驗燃料的預噴射，壓力曲線在上止點前有一個明顯的凸起，但隨著混合燃料中桐油和乙醇體積分數的增加，乙醇冷卻效應增強，導致缸內氣體的溫度降低，進而影響氣缸內的熱力狀況及燃燒狀況，使得滯燃期延長，致使上止點前的缸內壓力曲線凸起減弱，甚至消失。

在發動機負荷為0.16 MPa和0.48 MPa時，混合燃料的缸內壓力峰值略高于柴油，壓力峰值對應的曲軸轉角位置大致相同。由于預噴射改善氣缸內的熱力狀況，使得主噴射過程中燃料的霧化質量和燃燒狀態得到改善，同時微乳化燃料的“微爆效應”促進了燃油的霧化及可燃混合物的形成，使更多的可燃混合物充分燃燒，進而導致缸內壓力升高。另外，微乳化燃料為含氧燃料，可利用其自身分解氧助燃，使得可燃混合物燃燒得更加充分，進而提高氣缸內的壓力。在發動機負荷為0.80 MPa時，由于噴射正時延遲，在該工況下壓力峰值所對應的曲軸轉角會進一步遠離上止點位置。

圖3 不同負荷下缸內壓力對比

在發動機負荷為0.16 MPa和0.48 MPa時，由于采用兩級噴射策略，放熱率出現2個峰值，第1個峰值明顯低于第2個峰值(見圖4)。隨著混合燃料中桐油和乙醇所占體積分數的增加，在發動機負荷為0.16 MPa時，D40T20E40的第一峰值變弱甚至消失，第一峰值對應的曲軸轉角延遲。由于小負荷下氣缸內的熱力狀況較差，加之微乳化燃料的霧化質量較差，致使上止點前缸內瞬時放熱率曲線后移的同時瞬時放熱率變小。隨著桐油和乙醇體積分數的增加，混合燃料的第二峰值也隨之增加，其中D40T20E40的第二峰值最大。微乳化燃料的低十六烷值以及乙醇的高汽化潛熱使得可燃混合物燃燒延遲，更多的可燃混合物參與燃燒放熱，使得主噴射時刻的放熱率峰值相對較高。

圖4 不同負荷下放熱率對比

在發動機負荷為0.48 MPa時，D40T20E40也有2個放熱率峰值，第1個峰值高于其他試驗燃料，并推遲到做功行程。對于混合燃料，第2個放熱率峰值對應的曲軸轉角與柴油幾乎相同。在發動機負荷為0.80 MPa時，采用單次噴射策略，隨著混合燃料中桐油和乙醇所占體積分數的增加，放熱率峰值增大，其中D40T20E40的放熱率峰值最大。桐油和乙醇為含氧燃料，加之“微爆效應”改善了霧化質量，致使燃燒放熱更加充分和集中。另外，乙醇所占比例增加，致使滯燃期延長，進而使得更多的可燃混合物參與燃燒放熱。上述多方面的相互作用，使得D40T20E40放熱率峰值變大。

燃燒開始(SOC)定義為熱釋放的開始，燃燒結束是累計熱釋放百分比為90%所對應的曲軸轉角(見表5)。結果表明：與柴油相比，隨著桐油和乙醇體積分數的增加，混合燃料的燃燒開始時間明顯推遲，特別是在0.16 MPa負荷下。但混合燃料燃燒50%時的曲軸轉角位置比柴油稍提前，說明混合燃料的燃燒速度較快。在相同的工況下，混合燃料的燃燒持續時間基本相同，明顯短于柴油。

表5 不同負荷下已燃燃料質量所對應曲軸轉角 (°)

在發動機負荷為0.16 MPa時，引燃開始為-16.6°ATDC，主噴射開始為-6.7°ATDC(見圖1)，可見柴油和D60T20E20在主噴射開始前就開始燃燒，但D40T40E20和D40T20E40的燃燒開始延伸到主噴射過程。在發動機負荷為0.48 MPa時，主噴射開始后，只有D40T20E40開始燃燒。混合燃料的高黏度和低揮發性影響了其混合過程和霧化速率，在給定時間內所形成的可燃混合氣數量較少，導致缸內壓力和放熱率較低。此外，對于混合燃料，主噴射過程中噴射的燃油具有較高的氣化潛熱，使得缸內的溫度降低，進而影響燃油的燃燒狀況。由于上述原因，隨著桐油和乙醇比例的增加，混合燃料的著火延遲時間增加。在發動機負荷為0.80 MPa時，采用單次噴射策略，噴射正時推遲到接近上止點，缸內溫度和壓力升高，使得點火延遲相較于中、低負荷時縮短。此外，殘余氣體溫度升高，導致噴射時霧化溫度升高，并進一步縮短點火延遲。

3.2 燃油經濟性

發動機的有效熱效率是衡量其燃油經濟性的重要指標，柴油和混合燃料的有效熱效率(brake thermal efficiency，BTE)隨發動機負荷的變化如圖5所示。可以看出，BTE隨著發動機負荷的增大而增加。發動機的負荷增加，氣缸內的熱力狀況改善，燃油燃燒更充分，使得燃油利用率提高。在0.80 MPa時，柴油的BTE降低，這意味著在該負荷下發動機性能較差。混合燃料的BTE高于柴油，并且隨著乙醇比例的增加而提高。一是混合燃料可利用自身分解氧助燃，改善了燃油燃燒時的有效熱效率；二是表5所示50%混合燃料燃燒時的曲軸角比柴油燃料更接近TDC，燃燒過程縮短導致混合燃料的“定容”燃燒比例較高；三是混合燃料的化學計量空燃比低于柴油，這將導致“稀薄”燃燒；四是乙醇的火焰溫度比柴油低，減少了氣缸中的熱損失。上述多方面共同作用，使得混合燃料的BTE相對較高。

圖5 不同負荷下有效熱效率對比

3.3 排放特性

圖6示出發動機轉速為1 000 r/min時，不同負荷下燃用各燃料的CO排放特性。可以看出，CO排放量隨著發動機負荷的增加而降低。與柴油相比，在低負荷下混合燃料的CO排放量更高，并且隨著混合燃料中桐油和乙醇體積分數的增加而增加。混合燃料的高黏度導致霧化不良，缸內局部形成富混合氣，使得燃燒過程中由于局部缺氧而產生更多的CO。另外，由于乙醇汽化潛熱高，冷卻效果好，燃燒溫度低，抑制了CO氧化生成CO。在發動機高負荷下，混合燃料的CO排放略低。高負荷下氣缸內的熱力狀況得到改善，混合燃料更容易霧化成可燃混合氣，加之乙醇較高的氧含量，使其燃燒更充分。

圖6 不同負荷下CO排放特性

圖7示出發動機轉速為1 000 r/min時，不同負荷下燃用各燃料的HC排放特性。總的來說，HC排放主要是由于氣缸容積中氧氣不足、壁面潤濕和殘余燃料所致。隨著發動機負荷的增加，HC比排放量降低。與柴油相比，混合燃料的HC排放更高，且隨著桐油和乙醇比例的增加而增加。由于植物油燃料的黏度高，噴霧質量差，預計會產生更多的HC排放。此外，高黏度會導致較長的噴霧穿距，致使燃油撞擊燃燒室壁，這也會導致較高的HC排放。由于乙醇的冷卻作用，缸內氣體溫度降低，導致不良的氧化反應，因此在發動機低負荷時HC排放增加。在高負荷下，缸內溫度升高，削弱了乙醇的冷卻效果，因此，HC排放降低，混合燃料的HC排放略高于柴油。

圖7 不同負荷下HC排放特性

影響NO生成的主要因素是燃燒溫度、氧濃度和高溫區停留時間。圖8示出轉速為1 000 r/min時不同負荷下燃用各燃料的NO排放特性。從圖中可以看出，隨著混合燃料中桐油和乙醇含量的增加，在小負荷下，NO比排放量降低，而在中、高負荷下，混合燃料的NO比排放量略高，且NO比排放量隨乙醇體積分數的增加而增加。在發動機低負荷下，由于乙醇汽化潛熱較高，熱值較低，由此產生的冷卻效應會降低燃燒溫度，因此混合燃料的NO排放量略有降低。但是，在單次噴射的高負荷下，混合燃料的點火延遲時間越長，預混燃燒階段燃燒的燃料越多，缸內溫度越高，NO排放越高。此外，混合燃料中高氧含量也是NO排放較高的原因之一。

圖8 不同負荷下NOx排放特性

圖9示出發動機轉速為1 000 r/min時，不同負荷下燃用各燃料的炭煙排放特性。與柴油相比，混合燃料煙度顯著降低。一是乙醇燃料為含氧燃料，對發動機的整體稀薄燃燒起主導作用；二是乙醇不提供形成芳香環的初始自由基；三是在高負荷下，由于噴射周期相對較長，存在一個富燃料核心，但是通過使用乙醇，氧化劑被有效地引入到富燃料區域，從而抑制燃燒室中炭煙的形成；四是乙醇的加入可以改善混合燃料的霧化特性和混合氣的形成。上述多方面共同作用，使得混合燃料的煙度相對較低。隨著負荷的增加，柴油的值不降反升。負荷增加的同時噴油量也隨之增加，更易于形成局部過濃混合氣，導致缸內局部缺氧，進而使得炭煙的排放不降反升。

圖9 不同負荷下炭煙排放特性

4 結論

a) 采用表面活性劑可以將乙醇與柴油、桐油混合配制成混合燃料，隨著乙醇體積分數的增加，混合燃料的黏度和密度降低，接近柴油；乙醇的加入使得混合燃料的低熱值降低，影響發動機的功率輸出；

b) 由于采用不同的噴射策略，不同負荷下的缸內壓力和放熱曲線不盡相同；乙醇的加入導致了較長的點火延遲，并且混合燃料的缸內壓力峰值略高；隨著乙醇體積分數的增加，混合燃料的熱釋放速率增大，燃燒持續時間縮短；

c) 柴油-桐油混合燃料中摻入乙醇可以改善發動機性能，因此混合燃料的BTE高于柴油；

d) 與柴油相比，燃用混合燃料的CO和HC排放更高；在低負荷時，NO排放較低，但在高負荷時略高；在混合燃料中，由于乙醇中氧含量較高，乙醇對排放的影響大于桐油。