弱含氧燃料在柴油機(jī)上的燃燒過(guò)程與排放特性

梅德清，張永濤，肖淑梅，孫 平

（1. 江蘇大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013； 2. 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué) 汽車(chē)工程系，江蘇，揚(yáng)州 225009）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展和汽車(chē)保有量的高速增長(zhǎng)，能源需求和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的雙重壓力日益增加，因而迫切需要發(fā)展可以替代的燃料，其中含氧燃料的研究和應(yīng)用是關(guān)鍵[1-4]。含氧燃料通常是指分子結(jié)構(gòu)中含有氧元素的醇類(lèi)、醚類(lèi)、酯類(lèi)等可以在內(nèi)燃機(jī)中單獨(dú)作為燃料或以添加劑的形式與汽油、柴油混合使用的含能物質(zhì)。目前，在眾多的柴油機(jī)代用燃料中，生物柴油、乙醇柴油等弱含氧燃料以良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放特性而大受歡迎，同時(shí)具有無(wú)需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造而能直接應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，使其倍受各國(guó)青睞[5-6]。

針對(duì)醇類(lèi)、醚類(lèi)、酯類(lèi)等含氧燃料各自與普通柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)上的比對(duì)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外做了大量研究工作，并已得到了各類(lèi)燃料的燃燒與排放特性差異及機(jī)理性的解釋,含羥基的燃料主要為短碳鏈物質(zhì)，而酯類(lèi)則以長(zhǎng)碳鏈為代表。本文在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒這些含氧燃料和普通柴油的燃燒分析和排放性能測(cè)試，研究低含氧量不同含氧屬性（羥基和酯基）帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能差異，協(xié)調(diào)這類(lèi)弱含氧燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的運(yùn)用。

1 試驗(yàn)裝置及方法

在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)形式和供油提前角，僅微調(diào)供油量實(shí)現(xiàn)原機(jī)功率的基礎(chǔ)上，進(jìn)行柴油機(jī)分別燃用生物柴油、乙醇柴油、微乳化生物柴油和普通柴油4種燃料的燃燒過(guò)程和排放特性試驗(yàn)研究，分析含氧燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用特點(diǎn)。

試驗(yàn)樣機(jī)為YZ4DB3，主要技術(shù)參數(shù)以及試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表1和表2。試驗(yàn)測(cè)量了柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷工況下燃用4種燃料時(shí)的缸內(nèi)燃燒壓力、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性。

試驗(yàn)的基礎(chǔ)燃料是0#柴油。生物柴油(Biodiesel)是由餐飲廢油經(jīng)酯交換工藝制備而成的。微乳化生物柴油（Micro Emulsion-Biodiesel , MB）按照柴油︰表面活性劑︰水的質(zhì)量比為15∶2∶1配制而成。乙醇柴油（E20）是以正丁醇為助溶劑(體積比5%)，柴油中摻混20%（體積比）乙醇的調(diào)合燃料。試驗(yàn)用柴油與各含氧燃料的理化特性見(jiàn)表3。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)所用的主要儀器

表3 柴油與含氧燃料的理化特性

2 燃燒過(guò)程分析

圖1為在n=2 900 r/min，pme=0.77 MPa工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用4種燃料的缸內(nèi)壓力示功圖、瞬時(shí)放熱率和缸內(nèi)溫度等曲線圖。從圖1（a）可以看出，與燃用柴油相比，3種含氧燃料中生物柴油的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力略低，而MB和E20兩者的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力均大于柴油。從圖1（b）瞬時(shí)放熱率曲線可以看出，與燃用柴油相比，長(zhǎng)鏈的酯基燃料——生物柴油較高的十六烷值使著火時(shí)刻提前約2°CA，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量較少，且酯類(lèi)燃料較高的粘度限制了缸內(nèi)混合氣的形成速度，后續(xù)燃燒延緩，放熱率峰值略有降低。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E20和MB時(shí)，兩者的放熱時(shí)刻明顯較柴油和生物柴油滯后，但兩者的放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都比柴油高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于短鏈醇和水的加入使燃料的十六烷值降低，著火延遲期相對(duì)延長(zhǎng)；低沸點(diǎn)的乙醇以及微乳化的水這兩者微爆引起二次霧化現(xiàn)象[7-8]，使滯燃期內(nèi)燃料和空氣混合比較充分；此外乙醇和微乳化油都是含氧燃料，氧的助燃作用又促使混合氣燃燒速度加快，燃燒放熱過(guò)程更加集中。良好的霧化性能又加速了擴(kuò)散燃燒的進(jìn)度，使燃燒終點(diǎn)提前，故而E20和MB的燃燒持續(xù)期縮短。

從燃料化學(xué)的角度，燃料中氧或者水只對(duì)燃燒過(guò)程起到調(diào)節(jié)作用，并不能增加燃料氧化釋放出來(lái)的熱量。因此，隨燃料進(jìn)入整個(gè)燃燒反應(yīng)系統(tǒng)的氧或者水，隨著反應(yīng)容器內(nèi)溫度的升高，吸收一部分熱量使其內(nèi)能提高，因而3種含氧燃料的缸內(nèi)工質(zhì)平均溫度都比柴油有不同程度的降低，如圖1（c）所示。與燃用柴油相比，生物柴油盡管在進(jìn)入氣缸后最先著火，但在初期放熱結(jié)束之后因其粘度較高，油氣混合的速度比柴油燃料低，因此燃燒放熱速度下降，缸內(nèi)燃燒溫度降低。MB因燃料中含有水，其缸內(nèi)溫度比生物柴油略有降低。而E20因汽化吸熱和低熱值等因素，其缸內(nèi)溫度最低。

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)在n=2 900 r/min轉(zhuǎn)速下各個(gè)負(fù)荷工況下（各個(gè)目標(biāo)工況一致）有效熱效率的對(duì)比。從圖中可看出，3種含氧燃料的有效熱效率都比柴油高。在n=2 900 r/min、pme=0.77 MPa工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油、MB和E20的有效熱效率分別比柴油高出4.1%、8.7%和15.7%。生物柴油中氧的存在提高了混合氣中的氧氣氛，致使燃燒過(guò)程進(jìn)行完全。而柴油中乙醇以及微乳化油中水的加入，與前文圖1（b）中瞬時(shí)放熱率解釋一致，較長(zhǎng)的著火延遲期、沸騰汽化帶來(lái)的良好霧化性能和燃料自供氧的助燃作用，在這三者的綜合效應(yīng)下，使缸內(nèi)燃燒放熱過(guò)程相對(duì)集中、等容度高，熱量轉(zhuǎn)換為功的效率高。因此，MB和E20的熱效率進(jìn)一步上升。酯基或羥基物質(zhì)用作燃油后，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率有不同程度的提高，燃料放熱節(jié)奏的改變是主因，而含氧屬性只能是其中輔助的因素。

3 排放特性分析

3.1 NOx排放

由Zeldovich NO形成的熱力學(xué)機(jī)理可知，影響NOx生成的最主要的因素有3個(gè)：（1）溫度。（2）過(guò)量空氣系數(shù)（φa大，則造成富氧環(huán)境，有利于NOx生成）。（3）反應(yīng)在高溫中的停留時(shí)間。圖3是在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同含氧燃料的NOx排放。在中低負(fù)荷工況下，生物柴油、E20以及MB對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放影響不大，而在高負(fù)荷工況下，較高的燃燒溫度對(duì)NOx的生成影響起著決定的作用，各含氧燃料的 NOx排放有一定程度的上升。在最大負(fù)荷工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油和MB時(shí)的NOx排放分別增加了11.1%和9.3%，這主要是由于缸內(nèi)可燃混合氣中參與化學(xué)反應(yīng)的活性氧量上升，更易形成NOx排放。而發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E20時(shí)的NOx排放相對(duì)增加量較少，為7.2%。從缸內(nèi)工質(zhì)的平均溫度圖1（c）可以看出，由于乙醇汽化吸收熱量且高含氧低熱值乙醇進(jìn)入氣缸使燃料質(zhì)量增多，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E20時(shí)缸內(nèi)溫度最低，因而其N(xiāo)Ox排放在這3個(gè)含氧燃料中最低。由此可見(jiàn)，在較高的缸內(nèi)溫度下，由酯基或羥基提供的更多的氧成為NOx快速增長(zhǎng)的主要要素。

3.2 CO排放

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用4種燃料的CO排放如圖4所示。CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，主要受燃燒溫度和氧濃度大小的影響。在各負(fù)荷工況下，生物柴油的CO排放比普通柴油的CO排放要低，主要是由于燃料中的氧的存在增加了混合氣中氧氛圍，改善了燃燒過(guò)程；燃料中加入水的MB，其CO排放性能介于二者之間，因?yàn)樗钠鼰嵩谝欢ǔ潭壬辖档土烁變?nèi)燃燒溫度，使CO排放相對(duì)于生物柴油略有上升，但和柴油的CO排放差別不大。在10%負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇柴油的CO排放為普通柴油的1.5倍，而在全負(fù)荷下，兩者大致相當(dāng)。原因主要有：在低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度較低，加之乙醇較高的汽化潛熱進(jìn)一步降低了缸內(nèi)燃燒溫度，CO進(jìn)一步氧化的進(jìn)程被抑制；而在高負(fù)荷下，缸內(nèi)溫度相對(duì)較高，乙醇汽化使缸內(nèi)溫度降低的作用弱化且燃料自供的氧又能促進(jìn)燃料燃燒，因而CO排放下降。

E20在高低負(fù)荷下CO排放的顯著差異，說(shuō)明了燃料含氧屬性不能被無(wú)限放大，此時(shí)醇的另外特性（汽化吸熱）成為顯性要素。生物柴油、MB和普通柴油這三者燃料主體的碳鏈長(zhǎng)度接近，此時(shí)CO排放規(guī)律可由含氧屬性來(lái)解釋。

3.3 HC排放

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下燃用4種燃料的HC排放。由圖可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油和MB時(shí)HC排放比柴油降低幅度較大，因?yàn)樯锊裼褪呛跞剂希黾恿嘶旌蠚庵械难醴諊?，使燃燒更完全；再者生物柴油相?duì)的不易揮發(fā)性以及高十六烷值使著火延遲期縮短，混合氣形成階段由于時(shí)間尺度縮短而使著火稀限區(qū)域減少。與生物柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用MB，因燃料含水降低了缸內(nèi)溫度限制了燃燒，而使HC略有增高。而發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E20時(shí)，在中低負(fù)荷下，由于缸內(nèi)燃燒溫度原本較低，具有較高汽化潛熱的乙醇進(jìn)缸后吸熱汽化使缸內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，加之乙醇沸騰汽化會(huì)形成更多的著火稀限區(qū)域，因而HC排放增加，達(dá)到普通柴油的1.7倍；而在高負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較高，乙醇的汽化吸熱造成的缸內(nèi)溫度降低效應(yīng)變?nèi)酰藭r(shí)HC排放比發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油時(shí)還低，與另兩種含氧燃料的HC排放相接近?？梢?jiàn)，含羥基的短碳鏈的易揮發(fā)性是造成HC排放增多的主要根源。

3.4 碳煙

圖6為標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速工況下4種燃料的由光吸收系數(shù)表示的碳煙排放對(duì)比。碳煙的形成主要是由于燃燒室內(nèi)局部混合氣過(guò)濃引起的不完全燃燒。由圖6可以明顯看出各種混合燃料的煙度排放低于柴油的煙度值。生物柴油以及E20為含氧燃料，其氧原子在燃燒過(guò)程中可以助燃，因而碳煙排放會(huì)大幅度下降。

MB碳煙排放較低的機(jī)理在于MB燃燒時(shí)混合氣均勻度提高，此外混合燃料中含氧，減緩了局部缺氧現(xiàn)象。加之，燃燒過(guò)程中形成的C會(huì)與水蒸氣發(fā)生水煤氣反應(yīng)以及OH自由基對(duì)活性碳原子的消耗，均會(huì)使煙度值降低，其機(jī)理見(jiàn)式（1）和式（2）[9-10]。

在柴油中添加乙醇后，含氧量上升，此外乙醇的沸騰汽化使混合氣均勻度提高，促使燃油液滴與空氣混合充分，碳煙排放下降，最大負(fù)荷工況下降幅達(dá)到47%?？傮w而言，長(zhǎng)鏈酯基結(jié)構(gòu)的燃料消煙效果比短鏈醇基結(jié)構(gòu)燃料更明顯。

4 結(jié)論

（1）在標(biāo)定點(diǎn)工況下，與以柴油作為發(fā)動(dòng)機(jī)工作的燃料相比較，生物柴油著火時(shí)刻約提前2°CA，著火延遲期縮短，放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都略低于柴油；而MB和E20開(kāi)始放熱時(shí)刻相對(duì)滯后，但放熱過(guò)程更集中，放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都較發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油時(shí)升高。

（2）在大負(fù)荷工況下，與柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用3種含氧燃料總體表現(xiàn)為NOx排放增加，而表征不完全燃燒產(chǎn)物的HC、CO和煙度等均有不同程度的下降。生物柴油和柴油的燃料結(jié)構(gòu)相似，其對(duì)排放的影響都可以從燃料結(jié)構(gòu)中含氧和十六烷值來(lái)解釋?zhuān)患尤胨腗B使缸內(nèi)溫度略有降低，其排放性能與生物柴油相近；但考慮到E20的汽化吸熱和易揮發(fā)性，在中低負(fù)荷時(shí)HC和CO排放明顯較高。

（3）含氧的酯類(lèi)及醇類(lèi)的加入同時(shí)也帶來(lái)了燃料特性（含氧量、沸點(diǎn)、汽化潛熱、粘度和CN值等）等其它方面的改變，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放性能產(chǎn)生很大的影響。因此，需要依據(jù)酯或醇的燃料屬性，優(yōu)化添加比例，使現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足相應(yīng)的排放法規(guī)。

References)

[1]王忠，袁銀南，梅德清，等. 生物柴油的排放試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28(1)：82-84.Wang Zhong，Yuan Yinnan，Mei Deqing，et al.Experimental Study on the Emission of Biodiesel Fuel[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2007，28(1)：82-84. ( in Chinese )

[2]KAWANO D，ISHI H，GOTO Y，et al. Application of Biodiesel Fuel to Modern Diesel Engine[C]. SAE Paper，2006-01-0233.

[3]呂興才，緒斌，黃建平，等. 基于放熱率分析的乙醇柴油燃燒特性的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28(2)：24-26.Lü Xingcai，Xu Bin，Huang Jianping，et al. Heat Release Rate and Combustion Characteristic Analysis of Diesel Engine Fuelled with Ethanol-Diesel Blend Fuel[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2007，28(2)：24-26. (in Chinese)

[4]陳虎，王建昕，帥石金. 乙醇-甲酯-柴油含氧燃料對(duì)柴油機(jī)性能與燃燒特性的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2007，13(3)：243-247.Chen Hu，Wang Jianxin，Shuai Shijin. Effects of Ethanol-Ester-Diesel Oxygen Fuel on Performance and Combustion Characteristics of Diesel Engine[J]. Journal of Combustion Science and Technology，2007，13(3)：243-247. (in Chinese)

[5]葛蘊(yùn)珊，信建民，吳思進(jìn)，等. 增壓柴油機(jī)燃用生物柴油的排放特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2004，10(2)：125-129.Ge Yunshan，Xin Jianmin，Wu Sijin，et al. Emission Characteristics of Turbo-Charge Diesel Engine with Bio-Diesel Fuel[J]. Journal of Combustion Science and Technology. 2004，(2)：125-129. ( in Chinese )

[6]王忠，袁銀南，歷寶錄，等. 生物柴油的排放特性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(7)：77-80.Wang Zhong，Yuan Yinnan，Li Baolu，et al. Experimental Study on the Emission Characteristics of Biodiesel Fuel[J].Transactions of the CSAE，2005，21(7)：77-80. (in Chinese)

[7]ARMASA O，BALLESTEROS R，MARTOS F J，et al.Characterization of Light Duty Diesel Engine Pollutant Emissions Using Water-Emulsified Fuel[J]. Fuel，2005(84)：1011-1018.

[8]JAMIL G，DAMON H，KHALED A K I. Performance Emissions and Heat Release Characteristics of Direct Injection Diesel Engine Operating on Diesel Oil Emulsion[J]. Applied Thermal Engineering，2006，26(17/18)：2132-2141.

[9]黃亞繼，仲兆平，金保昇，等. 生物質(zhì)油/柴油乳化油的穩(wěn)定性與燃燒試驗(yàn)研究[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，40(4)：794-798.Huang Yaji，Zhong Zhaoping，Jin Baosheng，et al.Stability of Emulsion from Bio-Oil and Diesel Oil and Experimental Study of Combustion[J].Journal of Southeast University(Natural Science Edition)，2010，40(4)：794-798. (in Chinese)

[10]SAMEC N，KEGL B，DIBBLE R W. Numerical and Experimental Study of Water/Oil Emulsi fi ed Fuel Combustion in a Diesel Engine[J]. Fuel，2002(81)： 2035-2044.