共軌柴油機燃用柴油-異丙醇混合燃料的燃燒與排放特性

陳燕飛，孫鳳雨，曾小松，趙偉

(1.南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188；2.長安大學汽車學院交通新能源開發、應用與汽車節能陜西省重點實驗室，陜西 西安 710064；3.工業和信息化部裝備工業發展中心，北京 100846)

顆粒物排放是產生霧霾的重要原因，是大氣環境污染的重要貢獻者。顆粒物會引起或加重呼吸系統的疾病，會增加患肺癌的風險。研究表明，粒徑小于100 nm的超細顆粒物可以直接滲入人體血液，造成遺傳性損傷。《中國移動源環境管理年報(2021年)》顯示，2020年全國機動車四項污染物排放總量為1 593.0 萬t。其中，CO，HC，NO，PM排放量分別為769.7 萬t，190.2 萬t，626.3 萬t，6.8 萬t。柴油車PM排放量超過汽車排放總量的90%。此外，工程機械等非道路移動源排放PM 23.7 萬t，而工程機械裝備多采用柴油機動力。因此，柴油機成為PM排放的主要貢獻者。

國六排放限值極為嚴苛，單一尾氣處理手段已很難滿足排放需求。以國內主要廠商的國六排放技術路線來看，綜合使用DOC+DPF+SCR成為了目前柴油車后處理的主流技術路線。然而，DOC+DPF+SCR成本較高，且DPF捕集效率受工況影響較大。因此，面向未來更高的排放法規要求，通過燃料改性改善燃燒過程并降低PM排放，使用SCR集中處理NO排放成為柴油車污染物排放控制的重要技術路徑。

燃料改性降低柴油機PM排放的方法主要有兩種：一是在柴油中添加含氧燃料，主要通過抑制乙炔和多環芳烴等炭煙前驅物的生成來降低PM排放；二是在柴油中添加餾出溫度或沸點低的燃料，增強空氣卷吸效果，促進燃料和空氣的混合，促使燃燒更加完全，從而降低PM排放。醇類燃料含氧量高且沸點低，是理想的柴油機摻混燃料。甲醇和乙醇含氧量分別為50%和34.78%，沸點分別為64.7 ℃和78.3 ℃，但是其極性較強，難以與柴油互溶，一般采用進氣道噴射低活性甲醇(或乙醇)、缸內直噴柴油的雙燃料動力模式。雙燃料發動機存在成本高、燃燒穩定性較差、小負荷熱效率低、HC與CO排放較高等問題。異丙醇與柴油可以以任意比例互溶，在C3以上的直鏈醇中具有最高的含氧量和最低的沸點。因此，在保證互溶性的前提下，從降低PM排放的角度出發，異丙醇是柴油最適宜的摻混燃料。本研究在1臺高壓共軌柴油機上研究柴油摻混不同體積比例異丙醇對柴油機燃燒過程與排放特性的影響。

1 儀器與方法

1.1 試驗裝置及儀器

本研究在WP4G154E330柴油機上開展，表1示出了其主要參數。利用奇石樂(Kistler)壓電式壓力傳感器(6051B)、電荷放大器(5019B)、燃燒分析儀(KiBox)組成的測試系統測錄缸內壓力。曲軸轉角編碼器以0.5°精度采集曲軸轉角信號并傳輸至燃燒分析儀中，通過曲軸轉角適配器與缸壓信號進行匹配。在每個工況點下采集100 個循環的缸壓信號，取平均值；采用零維模型計算缸內瞬時燃燒放熱率和缸內平均溫度。采用德國MAHA MET6.3尾氣測試儀測量HC，CO和NO的排放濃度以及煙度值(消光系數)。選擇TSI SMPS-3936粒徑譜儀測量PM數量濃度。圖1示出柴油機測試臺架。

表1 柴油機主要技術參數

圖1 柴油機測試臺架

1.2 試驗用燃料

試驗用0號柴油和異丙醇的主要理化性質如表2所示。本試驗分別在柴油中添加10%和20%體積比例的異丙醇，記為D90IP10和D80IP20，并與柴油進行對比。

表2 柴油與異丙醇主要理化指標

2 結果與分析

2.1 噴射策略

轉速為1 600 r/min時，0.56 MPa，0.84 MPa和0.92 MPa下，3種燃料的噴射時刻和噴射持續期見表3。為了得到燃料差異對燃燒過程的影響，3種燃料在特定工況下的預噴開始時刻、預噴結束時刻、預噴持續期以及主噴開始時刻均保持相同。由于異丙醇質量低熱值明顯低于柴油，隨著異丙醇摻混比例的增加，混合燃料的低熱值降低，達到相同負荷需要噴入更多的燃料，表現為主噴持續期的延長。因此，D100主噴持續期最短，D90IP10次之，D80IP20主噴持續期最長。

表3 不同工況下3種燃料噴射時刻和噴射持續期(噴油量)

2.2 著火延遲期

1 600 r/min轉速下著火延遲期的負荷特性見圖2。可以看出，與柴油相比，柴油-異丙醇混合燃料的滯燃期明顯增加，且幅度隨著異丙醇摻混比例的增加而增加。這是由于異丙醇的十六烷值只有13，遠低于柴油的49，混合燃料的十六烷值隨異丙醇摻混比例的增加而降低。

圖2 柴油-異丙醇混合燃料著火延遲期負荷特性

2.3 燃燒放熱規律

轉速為1 600 r/min時，平均有效壓力分別為0.56 MPa，0.84 MPa和0.92 MPa的工況下，柴油及其與異丙醇混合燃料的瞬時燃燒放熱率和缸內平均溫度的變化規律見圖3。由圖可以看出，與D100相比，預噴階段D90IP10和D80IP20的第一峰值燃燒放熱率明顯增加，且隨異丙醇摻混比例的增加而增加。預噴燃料開始放熱時缸內的溫度和壓力較低，熱力狀態較差。一方面，混合燃料十六烷值低導致滯燃期延長，從而使得滯燃期內形成的可燃混合氣數量增多；另一方面，異丙醇含氧量達26.67%，在化學反應過程中產生大量的OH等活性自由基，可以加快燃燒放熱速度，使得預噴峰值燃燒放熱率隨異丙醇混合比例的增加而增加。與D100相比，主噴階段D90IP10和D80IP20的第二峰值燃燒放熱率略有降低，且隨異丙醇摻混比例的增加而降低。主噴燃料開始放熱時，經過預噴燃料燃燒放熱，缸內的熱力狀態顯著提升，混合燃料十六烷值低的影響弱化，而柴油-異丙醇混合燃料的熱值低，導致峰值燃燒放熱率略有降低。由圖還可以看出，與D100相比，D90IP10和D80IP20的缸內峰值燃燒溫度增加，且隨異丙醇摻混比例的增加而增加。混合燃料含氧加快了燃燒速度，使得主噴燃料的擴散燃燒強度提高，峰值燃燒溫度增加。

圖3 柴油-異丙醇混合燃料瞬時燃燒放熱率和缸內溫度

1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下，3種燃料的峰值燃燒放熱率和峰值缸內平均溫度分別見表4和表5。可以看出，隨著EGR率的提高，3種燃料峰值燃燒放熱率和峰值缸內平均溫度均略有下降。這是因為隨著EGR率提高，高比熱容的CO濃度增加，著火時刻不斷推遲，燃燒速率降低。在不同EGR率下，與柴油相比，D90IP10和D80IP20的預噴峰值燃燒放熱率增加，主噴峰值燃燒放熱率略有降低，峰值缸內平均溫度明顯增加。

表4 1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下3種燃料峰值燃燒放熱率

表5 1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下3種燃料峰值缸內平均溫度

2.4 柴油機排放特性

圖4 1 600 r/min下柴油-異丙醇混合燃料 NOx排放負荷特性

圖5示出1 600 r/min下柴油機炭煙排放的負荷特性變化規律。可以看出，3種燃料的炭煙排放隨著負荷的增加而增加；與柴油相比，柴油-異丙醇混合燃料的炭煙排放明顯降低，且隨異丙醇摻混比例的增加而降低。消光系數可以反映排氣中炭煙的多少，但不能直接得出PM排放濃度。

圖5 1 600 r/min下柴油-異丙醇混合燃料炭煙排放負荷特性

1 600 r/min，0.56 MPa和1 600 r/min，0.84 MPa工況下，D100，D90IP10和D80IP20的顆粒物數量濃度和體積濃度粒徑分布規律見圖6。可以看出，柴油-異丙醇混合燃料各個粒徑對應的數量濃度與體積濃度均低于柴油，且隨著異丙醇摻混比例的增加而降低。第一，異丙醇的沸點為82.5 ℃，遠低于柴油95%餾出溫度363 ℃，柴油-異丙醇混合燃料可以改善蒸發性；第二，異丙醇的運動黏度明顯低于柴油，柴油-異丙醇混合燃料運動黏度降低，有利于改善霧化質量；第三，異丙醇含氧，可以加快擴散燃燒速度。以上三方面的因素使得柴油-異丙醇混合燃料燃燒較柴油更加完全，炭煙和PM排放顯著降低。

圖6 柴油-異丙醇混合燃料顆粒物粒徑分布

表6示出1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下，3種燃料的NO體積濃度和顆粒物數濃度。可以看出，隨著EGR率的增加，缸內燃燒溫度降低，3種燃料NO排放顯著降低，但是燃燒惡化導致顆粒物數量增加。與原機燃用柴油相比(EGR率為0)，燃用D90IP10在EGR率為8%和12%時NO排放明顯降低，顆粒物數濃度增加，說明燃用D90IP10時EGR率應小于8%。燃用D80IP20在不同EGR率下的NO和PM排放均降低，在12%EGR率下其顆粒物數量為1.12E+05 個/cm，低于原機柴油的1.57E+05 個/cm，進一步提高EGR率會抵消異丙醇降低顆粒物的效果。

表6 1 600 r/min，0.92 MPa下NOx和顆粒物數濃度平衡關系

3 結論

a) 與柴油相比，燃用柴油-異丙醇混合燃料的滯燃期明顯延長，預噴燃料峰值放熱率增加，主噴燃料峰值放熱率略有降低，峰值缸內平均溫度增加；

b) 與柴油相比，燃用D90IP10和D80IP20的NO排放平均增加1.3%和2.7%，炭煙排放平均降低12.1%和32.3%，顆粒物數量濃度和體積濃度明顯降低；

c) 與柴油相比，柴油-異丙醇混合燃料聯合EGR可以同時降低NO和PM排放。