擴散火焰中丁醇對排放中粒子數量的影響

摘要：為研究正丁醇對甲苯的稀釋作用及正丁醇中的氧對尾氣中粒子數量（particle number，PN）的影響，以正庚烷/甲苯/正丁醇為燃料，利用擴散充電式顆粒計數器測量自然對流擴散火焰中的PN，分析無正丁醇時二元燃料中甲苯體積分數對粒子數密度的影響，評估稀釋作用對PN的影響；保持正庚烷和甲苯的體積比為83/17，分析添加正丁醇時三元燃料產生的粒子數密度，通過三元燃料與二元燃粒產生的粒子數密度的差評估氧的作用對PN的影響。結果表明：稀釋效應對減少PN的作用更大；當正丁醇體積分數大于6%時，燃料中的氧開始促進顆粒的氧化，當正丁醇體積分數為13%時，燃料氧促進顆粒氧化的效果最大。

關鍵詞：正丁醇；PN；擴散火焰

中圖分類號：TK407.9文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2025）01-0075-05

引用格式：張克松，丁文浩，崔福興.擴散火焰中丁醇對排放中粒子數量的影響［J］.內燃機與動力裝置，2025，42（1）：75-79.

ZHANG Kesong，DING Wenhao，CUI Fuxing. Effect of butanol on the particle number emission in diffusion flame［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2025，42（1）：75-79.

0 引言

含氧燃料比傳統化石燃料產生的污染物更少，酒精、乙醚、醇、酯等可作為汽、柴油中的含氧添加劑。Zhang等^[1]分析了不同含氧燃料在定容燃燒彈中的噴霧和燃燒性能，結果表明，醇在噴霧、霧化和燃燒方面性能最好，其中正丁醇是最佳醇燃料。

近年來，正丁醇的燃燒性能和顆粒物排放特性吸引了越來越多的關注。一般認為，正丁醇中的氧有利于顆粒物的氧化，降低顆粒物排放^[2-4]。在不同燃燒裝置上開展的研究同樣表明，正丁醇可以降低顆粒物排放^[5-8]。但也有少量研究發現與之相反的情況。Camacho等^[9]在試驗中發現丁醇火焰比丁烷火焰成核時間更早，顆粒物體積分數更高。Ghiassi等^[10]發現隨著燃料中正丁醇含量的增加，顆粒物氧化速率有所降低。同時，也有學者注意到丁醇對顆粒物排放的作用不僅限于其中的氧，燃料中的芳香烴會增加顆粒物排放。Liu等^[11-12]通過試驗研究，認為正丁醇降低顆粒物排放主要機理是燃料中的芳香烴被稀釋。

燃燒過程中，含氧燃料中的芳香烴等不飽和化合物被正丁醇稀釋，同時額外的氧也被正丁醇帶入火焰中，兩方面的因素都影響顆粒物排放，目前尚無對這兩個因素的研究分析，因此有必要對這兩個因素開展定量研究。

1 試驗方法和材料

傳統上采用稱質量法或光學法測量顆粒物，存在系統復雜、成本高、操作不便等缺點。近年來，為了適應車輛實際行駛排放測量的要求，擴散充電式（diffusion charging，DC）顆粒計數器因具有使用方便、維護簡單、測量范圍廣等優勢，得到廣泛應用。Ntziachristos等^[13]的研究表明，DC計數器的準確性、重復性和可靠性均較為理想。因此本研究中使用Pegasor PPS型DC計數器測量燃燒產物中的粒子數量（particle number，PN）。試驗中，采樣頻率為10 Hz，連續記錄300 s的數據并取其平均值作為PN結果。

擴散火焰容易生成顆粒物。Botero等^[14]研究表明，自然對流擴散火焰易于控制，干擾因素少，是測量顆粒物的理想對象。本文中使用煤油煙點測定儀獲得自由對流擴散火焰，燃料罐中的液體通過燈芯進入燃燒室，空氣由燃燒室底部小孔進入，在燃燒室內形成擴散火焰，廢氣自燃燒室頂部進入排氣管道，DC計數器安裝在排氣管道上，空壓機為DC計數器提供清潔的壓縮空氣，測量的數據上傳至上位機保存。試驗系統示意圖如圖1所示。

作為一種常見的芳香烴，甲苯揮發性較好，適宜用作擴散燃燒的燃料。研究甲苯被正丁醇稀釋對顆粒物排放的影響時，應設法排除正丁醇中氧的干擾。正丁醇在自然對流擴散火焰中產生的顆粒極低，若選擇一種類似性質的不含氧燃料代替正丁醇稀釋甲苯，可以實現上述目的。Botero等^[14]研究發現，正庚烷在自然對流擴散火焰中燃燒產生的顆粒物可以忽略，因而可以作為正丁醇的替代品，研究其對甲苯的稀釋作用對顆粒物排放的影響。

測量不同比例的正庚烷/甲苯二元燃料燃燒排放中的PN，可以定量研究燃料中甲苯體積分數對顆粒物排放的影響，從而評估稀釋作用對顆粒物減排的作用；對比添加正丁醇后的正丁醇/正庚烷/甲苯三元燃料燃燒排放的PN，得到包含稀釋作用和燃料中的氧作用的總體減排效果，可單獨評估燃料中氧對PN的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 甲苯體積分數對PN的影響

正庚烷/甲苯二元燃料燃燒排放的粒子數密度（單位體積PN）如圖2所示。由圖2可知：當甲苯體積分數小于14%時，粒子數密度接近于零，忽略不計；甲苯體積分數大于14%時，粒子數密度迅速增加。采用普通市售柴油進行對比測試，發現甲苯體積分數為17%、正庚烷體積分數為83%的二元燃料燃燒產生的粒子數密度與柴油相同，約為60×10⁶cm^-3。因此，當甲苯體積分數為14%～18%時，對甲苯體積分數x與粒子數密度y進行擬合，得到兩者關系為y=24.19x+342.93，利用該式可以估計甲苯稀釋后燃燒排放的粒子數密度。

2.2 稀釋效應和燃料中的氧對PN減排的作用

正丁醇稀釋作用對PN的影響比率

pdil=（nPN，ref－nPN，est）/（nPN，ref－nPN，mea）×100%，

式中：nPN，ref是甲苯體積分數為17%、正庚烷體積分數為83%的基準二元燃料排放的粒子數密度，cm^-3；nPN，est是根據擬合方程和正丁醇/正庚烷/甲苯三元燃料中甲苯體積分數計算得到的粒子數密度，cm^-3，代表稀釋作用；nPN，mea是實測三元燃料排放的粒子數密度，cm^-3，代表稀釋與燃料中氧的共同作用。

燃料中氧的作用對PN的影響比率

poxy=（nPN，est－nPN，mea）/（nPN，ref－nPN，mea）×100%。

三元燃料中甲苯/正庚烷的體積比固定為17/83。3種組分的實際體積分數、實測和估計的nPN、pdil、poxy如表1所示。根據表1繪制三元燃料的粒子數密度隨正丁醇體積分數變化曲線如圖3所示，燃料中氧的作用比例隨正丁醇體積分數的變化曲線如圖4所示。

由表1和圖3、4可知：粒子數密度隨著燃料中正丁醇體積分數的增加而降低，當正丁醇體積分數高于13%時，粒子數密度在排氣中幾乎消失；當正丁醇體積分數小于6%時，實測粒子數密度和估計粒子數密度非常接近，而當正丁醇體積分數大于6%時，實測粒子數密度總是低于估計值，額外減排的粒子數密度來自于正丁醇帶入燃料中的氧的作用；燃料氧作用比例隨正丁醇體積分數先升高后降低。

2.3 顆粒物排放機理分析

以上研究表明：對于正丁醇體積分數中等（10.0%、13.3%）的三元燃料排放的nPN，稀釋效應起主要作用，燃料中的氧起次要作用；當正丁醇體積分數約為13.0%時，正丁醇中氧的作用比率最大，約為22.0%；對于正丁醇體積分數較大（16.4%）的三元燃料，燃料中氧的作用極小，這是由于燃料中較少的甲苯使顆粒排放大大降低，不再需要燃料中的氧參與顆粒物的氧化；但當正丁醇體積分數低于6.0%時，氧對減少PN的作用為負，正丁醇中的氧促進了顆粒物形成。

解釋體積分數低于6.0%時正丁醇中氧的作用為負的現象，需對燃料分子的詳細氧化過程進行分析。燃料分子在擴散火焰的高溫富油區裂解成小的活性物質，正丁醇的裂解引入了活性氧或氧化性基團。在富油區中，這些活性物質既可能與較大的燃料分子反應，也可能與較小的裂化產物發生反應。正丁醇體積分數較小時，只有少量的活性成分出現，由于富油區內燃料分子體積分數很高，因此其與燃料分子之間的反應是主要反應。這些反應促進了燃料分子分解，形成不飽和烴，如乙烯和乙炔^[15-16]，然后聚合成多環芳烴。多環芳烴的生長和凝聚正是顆粒物生成的主要原因^[17]。因此，正丁醇中的氧促進了火焰中顆粒物的形成。隨著燃料中正丁醇體積分數的增加，產生更多的氧化性基團，其與小分子不飽和烴的反應逐漸成為主流，多環芳烴的形成受到抑制，正丁醇中的氧表現出降低顆粒排放的效果。

3 結論

分析正丁醇作為添加劑對自然對流擴散火焰中粒子數密度的影響。利用正庚烷/甲苯二元燃料研究甲苯稀釋對PN的影響，然后加入正丁醇，通過比較三元和二元燃料的PN排放數據，估算正丁醇中氧對PN的影響。

1）粒子數密度隨著燃料中正丁醇體積分數的增加而降低，當正丁醇體積分數高于13%時，粒子數密度約為0；當正丁醇體積分數小于6%時，實測粒子數密度和估計粒子數密度非常接近，而當正丁醇體積分數大于6%時，實測粒子數密度總是低于估計值，額外減排的粒子數密度來自于正丁醇帶入燃料中的氧的作用。

2）當正丁醇作為燃料添加劑時，甲苯稀釋對于減少PN起著決定性作用，特別是當燃料中正丁醇體積分數較小時。

3）正丁醇中的氧對PN的影響取決于混合燃料中正丁醇的體積分數，當燃料中正丁醇的體積分數大于6%時，燃料中的氧具有減少PN的作用。

4）正丁醇體積分數中等（13%左右）時，燃料中氧的作用比例最大，正丁醇體積分數繼續增大，其燃料中氧減少PN的作用逐漸降低。

本研究的結果可以解釋為什么不同的研究對正丁醇效應給出了不同的結論，有助于深化含氧燃料的相關研究，促進清潔燃料的發展。

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Effect of butanol on the particle number emission in diffusion flame

ZHANG Kesong1， DING Wenhao2， CUI Fuxing3

1. School of Automotive Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China；

2. Shandong Qirui Energy Technology Co.， Ltd.， Jinan 250101， China；

3. State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250014， China

Abstract：To investigate the dilution effect of n-butanol on toluene and the influence of oxygen in n-butanol on particle number （PN）， using n-heptane/toluene/n-butanol as fuel， a diffusion charging particle counter is used to measure PN in a natural convection diffusion flame. Firstly， the effect of toluene volume fraction in binary fuel without n-butanol on PN is studied， and the effect of dilution on PN is evaluated;then maintain the volume ratio of n-heptane to toluene at 83/17， study the PN generated by ternary fuel adding n-butanol， and evaluate the effect of oxygen on PN by the difference in particle number density between the binary and ternary fuel. The results indicate that the dilution effect has a greater effect on reducing PN. When the volume fraction of n-butanol is greater than 6%， oxygen in the fuel begins to promote particle oxidation. When the volume fraction is 13%， the effect of fuel oxygen on promoting particle oxidation is the greatest.

Keywords：n-butanol; PN; diffusion flame

（責任編輯：臧發業）