柴油機燃用F-T柴油/生物柴油混合燃料的燃燒及排放特性*

張美娟，李游，吳旭東，王忠

(1. 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇無錫，214121； 2. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212013； 3. 卓品智能科技無錫有限公司，江蘇無錫，214142)

0 引言

發(fā)動機排放物是大氣環(huán)境污染的重要來源之一[1]，得到人們的廣泛關(guān)注。柴油機因其輸出轉(zhuǎn)矩高、熱效率高、適應(yīng)性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工程機械和船舶運輸?shù)阮I(lǐng)域[2]。隨著排放法規(guī)的日益嚴格，石油資源的不斷消耗，尋找低排放的替代燃料一直是柴油機行業(yè)研究的關(guān)鍵[3]。我國的能源產(chǎn)量分布表現(xiàn)為富煤少油，所以煤基替代燃料用作柴油機燃料，具有較大的發(fā)展前景。

F-T柴油由煤炭通過費托合成方法間接液化合成的一種碳氫燃料，幾乎不含硫和芳香烴等物質(zhì)[4]。F-T 柴油具有十六烷值和H/C比高、燃燒熱效率高等優(yōu)點，有研究表明燃用F-T柴油還可以顯著降低NOX、顆粒物及非常規(guī)污染物的排放量[5-10]，被認為是清潔高效的柴油機替代燃料。生物柴油作為可再生能源，原料來源廣泛，不含硫。生物柴油也是含氧燃料，有利于燃料在缸內(nèi)的充分燃燒，同時能降低HC、碳煙及CO等污染物的排放[11]。此外，生物柴油可以與任意比例的F-T柴油互溶，不改變柴油機原有的結(jié)構(gòu)和部件，可以直接燃用F-T/生物柴油混合燃料。黃勇成等[12]研究F-T柴油對直噴式柴油機燃燒和排放的影響，結(jié)果表明，燃用F-T柴油時最高燃燒壓力略微降低，放熱率峰值降低，滯燃期縮短，燃燒持續(xù)期變化不大。同時，燃用F-T柴油可降低CO、HC、NOX及碳煙的排放。陳韜等[13]在4缸直噴式柴油機上燃用生物柴油，對污染物排放進行了研究。結(jié)果表明，在柴油機上燃用生物柴油能減少CO、HC和碳煙的排放，且隨著生物柴油摻混比的升高，CO、HC和碳煙的降幅逐漸增大。Armas等[14]對比分析了生物柴油和F-T柴油在柴油機上的燃燒和排放規(guī)律，結(jié)果表明，相較于F-T柴油，燃用生物柴油排放的顆粒物粒徑更小，但F-T柴油具有更好的燃油經(jīng)濟性。王鐵等[15]研究了F-T/生物柴油混合燃料燃燒的排放規(guī)律，結(jié)果表明，生物柴油的摻混比例增加導(dǎo)致CO和NOX排放略有升高，碳煙排放有所降低，非常規(guī)排放中混合燃料可有效降低甲醛、SO2及苯類排放。綜上可以看出，F(xiàn)-T柴油和生物柴油對柴油機改善燃燒和降低排放都能起到一定的作用，F(xiàn)-T/生物柴油混合燃料的燃燒和排放性能有待進一步研究。

為探討生物柴油對F-T柴油燃燒和排放特性的影響，基于柴油機臺架試驗平臺，燃用不同摻混比的F-T 柴油/生物柴油混合燃料。在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min，25%、50%、75%和100%負荷下，測量不同生物柴油摻混比時的柴油機燃燒示功圖和HC、CO、NOX及碳煙等污染物的排放，探究生物柴油摻混比對F-T柴油燃燒及污染物形成的影響規(guī)律，旨在通過優(yōu)化燃料結(jié)構(gòu)來改善燃燒和排放，探索柴油機代用燃料高效清潔燃燒的新路徑。

1 試驗燃料及試驗設(shè)備

1.1 試驗燃料

試驗燃料有F-T柴油和生物柴油，其理化參數(shù)如表1所示。

表1 燃料理化參數(shù)Tab. 1 Physical and chemical parameters of fuel

從表1中可以看出，在十六烷值上F-T柴油略高于生物柴油，F(xiàn)-T柴油更易著火，同時F-T柴油的熱值也高于生物柴油，F(xiàn)-T柴油燃燒時能釋放更多的熱量。F-T柴油的密度和運動粘度均低于生物柴油，因而在缸內(nèi)霧化效果更好，與空氣混合更加均勻，促進完全燃燒，減少碳煙和HC的生成[16]。但生物柴油為含氧燃料，氧質(zhì)量分數(shù)高達11%。燃料自身含氧，燃燒過程中可以使缸內(nèi)當量比減小，燃燒更加充分，降低污染物排放。試驗時，生物柴油摻混比定義為F-T/生物柴油混合燃料中生物柴油體積與混合燃料的總體積之比。當生物柴油摻混比為分0、10%、20%、30%時，生物柴油和F-T柴油摻混形成的混合燃料分別記為F-T、B10F-T、B20F-T、B30F-T。

1.2 試驗臺架

試驗臺架為一臺四沖程、單缸、自然吸氣、非道路用186FA柴油機，柴油機的具體參數(shù)見表2。臺架測試系統(tǒng)包括CWF25D電渦流測功機、EST內(nèi)燃機測試系統(tǒng)及臺架輔助設(shè)備，圖1為試驗臺架現(xiàn)場圖。試驗采用CWF25D電渦流測功機，對柴油機輸出功率進行測量，標定轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，標定功率為6.3 kW，最大轉(zhuǎn)矩為20 N·m。應(yīng)用EWE-5000DAQ缸內(nèi)燃燒壓力采集系統(tǒng)、KSM071860壓力傳感器對燃燒過程示功圖進行采集，其中氣缸壓力傳感器的測量范圍為0～25 MPa。采用Horiba MEXA-7200D尾氣分析儀和AVL415濾紙式煙度計測量柴油機HC、CO、NOX和碳煙等常規(guī)排放污染物。

表2 186FA柴油機主要參數(shù)Tab. 2 Main parameters of 186FA diesel engine

圖1 試驗臺架現(xiàn)場圖Fig. 1 Site drawing of test bench

1.3 試驗方案

在柴油機供油提前角不變的條件下，選擇在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min，負荷工況分別為25%、50%、75%和100%時進行試驗，對應(yīng)的平均指示壓力分別為0.16、0.32、0.48、0.64 MPa，對比分析柴油機燃用F-T、B10F-T、B20F-T、B30F-T時的燃燒及排放特性。試驗測量了該工況下的燃燒過程示功圖和排放污染物(HC、CO、NOX、碳煙)，利用Matlab軟件計算放熱規(guī)律，對氣缸壓力、滯燃期、燃燒持續(xù)期、燃燒重心及缸內(nèi)燃燒溫度等參數(shù)進行了分析。其中CA5、CA50、CA90分別為缸內(nèi)5%、50%、90%累計放熱量對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，滯燃期定義為從噴油始點到CA5所經(jīng)歷的時間，燃燒持續(xù)期定義為CA5至CA90所經(jīng)歷的時間，燃燒重心定義為CA50對應(yīng)的時刻。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 燃燒特性分析

2.1.1 氣缸壓力和放熱率

圖2為在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min和50%負荷工況下，柴油機分別燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T時的氣缸壓力。從圖2中可以看出，生物柴油摻混比的增大會導(dǎo)致缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力顯著增加，與F-T柴油相比，生物柴油摻混比分別為10%、20%、30%時，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力分別增加了1.9%、5.1%、6.9%。主要原因是生物柴油的摻混比增加導(dǎo)致混合燃料的十六烷值降低，滯燃期延長，從而著火時刻推遲，燃料和空氣的混合時間延長，燃燒前形成可燃混合氣的量增多，引起預(yù)混燃燒階段放熱量增加，壓力升高率隨之增大，導(dǎo)致缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力有所升高，最大爆發(fā)壓力對應(yīng)的時刻輕微滯后。

圖2 不同生物柴油摻混比下氣缸壓力的變化規(guī)律Fig. 2 Variation of cylinder pressure at different biodiesel blending ratio

圖3為在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min和50%負荷工況下，柴油機燃用不同生物柴油摻混比時的放熱率。從圖3中可以看出，隨生物柴油摻混比增大，混合燃料燃燒過程中的放熱始點輕微后移，放熱率峰值顯著增大，由41.8 J/℃A增大到46.3 J/℃A，放熱率峰值對應(yīng)的相位延后。主要原因是與F-T柴油相比，生物柴油的十六烷值低，生物柴油摻混比增加會導(dǎo)致混合燃料的十六烷值降低，缸內(nèi)燃燒過程滯燃期延長，放熱始點延后，燃料和空氣的混合時間增多，預(yù)混燃燒比例增加，放熱率峰值增大。此外，生物柴油是含氧燃料，促進燃燒，提高放熱率。與F-T柴油相比生物柴油的粘度較大，霧化效果較差，促使放熱率峰值后移。

圖3 不同生物柴油摻混比下放熱率的變化規(guī)律Fig. 3 Variation of heat transfer rate at different biodiesel blending ratio

2.1.2 燃燒相位

滯燃期是柴油機的關(guān)鍵燃燒性能參數(shù)之一，直接影響到后續(xù)的燃燒過程及排放物排放。圖4為在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min和50%負荷工況下，柴油機分別燃用F-T、B10F-T、B20F-T、B30F-T的滯燃期變化關(guān)系。從圖4中可以看出，隨生物柴油摻混比增大，燃燒始點后移，滯燃期延長。燃用F-T柴油時滯燃期為6.9 ℃A，與F-T柴油相比，生物柴油摻混比分別為10%、20%、30%時，滯燃期分別增加到7.2 ℃A、7.5 ℃A、7.9 ℃A。這是因為F-T柴油主要是由飽和烴組成的，與生物柴油相比，F(xiàn)-T柴油具有更高的十六烷值，生物柴油的摻混比增大將會降低混合燃料的十六烷值，使得燃燒過程的滯燃期延長，燃燒始點后移。

圖4 不同生物柴油摻混比下燃燒相位的變化規(guī)律Fig. 4 Variation of combustion phase at different blending ratio of biodiesel

從圖4中還可以看出，隨生物柴油摻混比增大，燃燒持續(xù)期略微升高，燃燒重心后移。生物柴油摻混比由0增加到30%，燃燒持續(xù)期由35.4 ℃A增加到36.1 ℃A，燃燒重心由4.8 ℃A后移到5.9 ℃A。主要是因為在F-T柴油中加入生物柴油后，雖然生物柴油自身含氧，促進燃燒，但由于生物柴油的密度和粘度較高，增加了混合燃料的密度和粘度，不利于燃油和空氣之間的混合均勻，減緩了預(yù)混和擴散燃燒速率，導(dǎo)致在生物柴油摻混比較大時，混合燃料燃燒持續(xù)期出現(xiàn)輕微的上升趨勢，燃燒重心后移。

2.1.3 缸內(nèi)燃燒溫度

圖5為在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min和50%負荷工況下，柴油機燃用不同生物柴油摻混比時的缸內(nèi)燃燒溫度。由圖5可知，燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T時缸內(nèi)最大燃燒溫度分別為1 872 K、1 905 K、1 931 K、1 951 K。可以看出，隨生柴油摻混比例的增大，缸內(nèi)最大燃燒溫度呈升高趨勢。主要原因是生物柴油摻混比增加導(dǎo)致混合燃料燃燒過程的滯燃期延長，預(yù)混燃燒放熱量較多，且生物柴油自身含氧，促進燃燒，導(dǎo)致其缸內(nèi)最大燃燒溫度升高。

圖5 不同生物柴油摻混比下燃燒溫度的變化規(guī)律Fig. 5 Variation of combustion temperature at different blending ratio of biodiesel

2.2 排放特性分析

為了進一步分析生物柴油摻混比對F-T柴油/生物柴油混合燃料的污染物排放的影響規(guī)律，選擇最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min，負荷分別為25%、50%、75%和100%進行試驗，分析生物柴油對F-T柴油燃燒污染物排放的影響規(guī)律。

2.2.1 碳煙排放

碳煙是燃油不完全燃燒的產(chǎn)物，在柴油機實際工作過程中，燃油在高溫缺氧的環(huán)境下易裂解生成碳煙。在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min、不同負荷下，柴油機燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T的碳煙排放特性曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在25%負荷時，生物柴油摻混比對碳煙排放影響不大，這說明在缸內(nèi)燃燒溫度較低且氧氣充足的環(huán)境中，燃料的自身含氧量不足以影響碳煙的形成，所以混合燃料的碳煙排放差距較小。隨著負荷繼續(xù)升高，缸內(nèi)每循環(huán)噴油量增多，導(dǎo)致燃燒過程當量比升高，同時缸內(nèi)燃燒溫度增加，高溫缺氧環(huán)境加劇，促進燃油裂解生成碳煙，從而導(dǎo)致各燃料最終的碳煙排放有所升高。在100%負荷時，與F-T柴油相比，隨著生物柴油摻混比增加，碳煙排放依次降低了4.3%、9.7%、15.8%，在中高負荷時，隨生物柴油摻混比增大，碳煙排放降幅明顯。可以看出，在同一工況下，在F-T柴油中添加生物柴油有利于降低碳煙的排放，這主要歸因于生物柴油自身較高的含氧量，有利于降低缸內(nèi)的當量比，這將會顯著減少碳煙的排放[17]。

圖6 負荷對各燃料碳煙排放的影響Fig. 6 Effect of load on soot emission of various fuels

2.2.2 HC排放

柴油機燃燒過程中影響HC排放的主要因素是燃油噴注與周圍空氣形成的混合氣不均勻，其中又以過稀混合氣作為主要的HC排放源，主要受油束霧化、缸內(nèi)溫度和當量比的影響[18]。柴油機在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min、不同負荷下，燃用F-T、B10F-T、B20F-T 和B30F-T的HC排放特性曲線，如圖7所示。從圖7中可以看出，負荷由25%增加到100%，燃用F-T 柴油時降低了40.8%，燃用B10F-T時降低了43.5%，燃用B20F-T時降低了46.9%，燃用B30F-T時降低了49.2%。隨柴油機的負荷增加，不同摻混比燃料的HC排放均逐漸下降，主要的原因是，負荷增加，每循環(huán)噴油量隨之增加，抑制過稀混合氣的形成，當量比升高，同時缸內(nèi)燃燒溫度升高，導(dǎo)致HC排放降低。從圖7中還可以看出，隨生物柴油摻混比增大，HC排放幾乎呈線性下降趨勢，F(xiàn)-T柴油中摻混生物柴油可以有效地降低HC排放。主要的原因是，與F-T 柴油相比，生物柴油的十六烷值更低，滯燃期延長，導(dǎo)致燃油噴霧進入氣缸后油氣混合更均勻，減少過稀混合氣形成區(qū)域，從而HC排放下降[19]。另一方面，生物柴油的自身含氧補償了缸內(nèi)的空氣量，促進燃油充分燃燒，有利于降低HC排放。

圖7 負荷對各燃料HC排放的影響Fig. 7 Effect of load on HC emission of various fuels

2.2.3 CO排放

柴油機中的CO主要是由于燃油在局部缺氧或者低溫環(huán)境下不完全燃燒形成的，燃燒過程中CO的生成量是由缸內(nèi)溫度和當量比共同決定的。

柴油機在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min、不同負荷下，燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T的CO排放特性曲線如圖8所示。可以看出，CO排放的趨勢與HC排放的趨勢相類似，各燃料的CO排放隨著負荷增加呈降低趨勢。在各個負荷工況下，隨生物柴油摻混比增大，CO排放均逐漸降低。在75%負荷時，與燃用F-T柴油相比，生物柴油摻混比分別為10%、20%、30%時，CO排放分別降低了2.9%、7.8%、12.1%。主要是因為生物柴油自身含氧，在高當量比時，含氧特點的作用會更加明顯，且生物柴油摻混比增加時缸內(nèi)燃燒溫度更高，燃燒過程中能夠促進CO進一步被氧化，從而減少CO的排放量。

圖8 負荷對各燃料CO排放的影響Fig. 8 Effect of load on CO emission of various fuels

2.2.4 NOX排放

柴油機NOX的排放主要是NO，燃油在高溫富氧的環(huán)境條件下長時間燃燒則會產(chǎn)生大量的NO，因此高溫、氧含量及高溫持續(xù)時間會對NOX排放產(chǎn)生重要的影響。柴油機在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 700 r/min、不同負荷下，燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T的NOX排放特性曲線如圖9所示。可以看出，與燃用F-T 相比，燃用B30F-T在25%負荷時NOX排放增加了24.7%，50%負荷時增加了27.0%，75%負荷時增加了27.3%，100%負荷時增加了19.0%。在各個負荷工況下，NOX排放隨生物柴油摻混比增大均呈上升的趨勢，且在高負荷工況下NOX排放上升更加明顯。這主要是因為一方面在高負荷條件時，進入缸內(nèi)參與燃燒的燃油增多，由于生物柴油自身含氧，提高缸內(nèi)氧含量，導(dǎo)致NOX排放有所上升。另一方面，生物柴油和負荷的增加都會使缸內(nèi)的燃燒溫度增加，高溫環(huán)境會顯著促進NOX的生成及排放[20]。

圖9 負荷對各燃料NOX排放的影響Fig. 9 Effect of load on NOX emission of various fuels

3 結(jié)論

1) 在同一工況條件下，隨生物柴油摻混比增大，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力增加，與F-T柴油相比，生物柴油摻混比分別為10%、20%、30%時，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力分別增加了1.9%、5.1%、6.9%，壓力峰值對應(yīng)的時刻輕微滯后，且隨生物柴油摻混比增大，燃燒過程放熱始點后移，放熱率峰值增大，由41.8J/℃A增大到46.3 J/℃A，放熱率峰值對應(yīng)的相位延后。

2) 生物柴油摻混比由0增加到30%，滯燃期由6.9 ℃A增加到7.9 ℃A，燃燒持續(xù)期由35.4 ℃A增加到36.1 ℃A，燃燒重心由4.8 ℃A后移到5.9 ℃A。主要是因為在F-T柴油中添加生物柴油后，降低了混合燃料的十六烷值。雖然生物柴油自身含氧，促進燃燒，但由于生物柴油的密度和粘度較高，增加了混合燃料的密度和粘度，不利于燃油和空氣之間的混合均勻，從而減緩預(yù)混和擴散燃燒速率，導(dǎo)致隨生物柴油摻混比增大，混合燃料燃燒持續(xù)期出現(xiàn)輕微的上升趨勢，燃燒重心后移，缸內(nèi)最大燃燒溫度逐漸升高，燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T時的缸內(nèi)最大燃燒溫度分別為1 872 K、1 905 K、1 931 K、1 951 K。

3) 在低負荷時，生物柴油摻混比對碳煙排放影響較小，在中高負荷時，碳煙排放隨生物柴油摻混比增大而明顯降低。F-T柴油中摻混生物柴油可以有效地降低HC和CO排放，HC和CO排放隨生物柴油摻混比的增加呈線性下降趨勢，在75%負荷時，與燃用F-T 柴油相比，生物柴油摻混比分別為10%、20%、30%時，CO排放分別降低了2.9%、7.8%、12.1%。在不同負荷工況下，隨生物柴油摻混比增大，NOX排放均呈上升的趨勢，且在高負荷工況下NOX排放上升更加明顯。