F－T柴油－生物柴油－甲醇多元燃料性能和排放特性分析

楊甜甜，王 鐵，劉 磊，石晉宏，曹貽森

（太原理工大學(xué)車輛工程系，山西 太原 030024）

近幾年，我國石油對外依存度保持著強(qiáng)勁增長態(tài)勢，在2012年已達(dá)到57.8%，超過了50%的國際公認(rèn)警戒線，國家能源安全得不到充分保障。因此，從緩解國家能源危機(jī)的角度出發(fā)，開展多元燃料的研究，可以豐富國家能源儲備，具有重要戰(zhàn)略意義。

F－T柴油是煤液化技術(shù)中關(guān)注度較高的一種間接液化技術(shù)產(chǎn)品，其十六烷值高，自燃溫度低，著火性好，密度小，有利于PM和NOx排放減少［1］。F－T柴油與0號柴油物理特性相近，可以直接在柴油機(jī)上燃用。史偉奇［2］在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，對F－T柴油和0號柴油進(jìn)行摻混研究，王鐵［3］對比了純F－T柴油和0號柴油的燃燒特性，均得出：相對0號柴油，燃用F－T柴油時燃燒壓力和壓力升高率峰值均降低，滯燃期短，預(yù)混燃燒放熱峰值較小，擴(kuò)散燃燒放熱峰值較大，發(fā)動機(jī)工作柔和，經(jīng)濟(jì)性有所提升，NOx、炭煙和HC排放降低，CO排放有所升高。

生物柴油屬于可再生的生物質(zhì)能源，因其黏度較大，霧化效果不好，因此在不改變發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的條件下單獨(dú)使用時燃燒效果不理想，故多采用與柴油摻燒的形式來使用。譚滿志［4］等對5種不同比例的生物柴油和柴油混合燃料的燃燒特性進(jìn)行了研究，樓狄明［5］等對生物柴油與柴油混合燃料的性能和排放特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果顯示：隨著燃料中生物柴油含量的增加，滯燃期和燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)最高燃燒壓力和放熱率峰值逐漸降低，功率略有下降，CO和HC排放降低，NOx排放上升。廖文蓉和鄧永慧等［6－7］對生物柴油與F－T柴油混合燃料進(jìn)行研究，結(jié)果表明：缸內(nèi)壓力、壓升率和放熱率均隨生物柴油摻混比例的增加而增大。

甲醇的十六烷值過低，難以在柴油機(jī)上直接燃用，一般都采用與柴油乳化［8］等形式來使用。生物柴油與甲醇摻混，可以利用醇類燃料密度小、黏度低的特點(diǎn)，改善混合燃料的噴霧特性，提高燃料的含氧量和汽化潛熱，抑制炭煙的生成［9－10］，且甲醇的凝點(diǎn)低，可以改善生物柴油低溫流動性差的問題。生物柴油和甲醇都是含氧燃料，有利于降低CO和HC排放。

目前國內(nèi)對于多元燃料的摻混研究很少涉及到F－T柴油和甲醇。F－T柴油的燃燒特性較柴油好，與甲醇和生物柴油摻混，可提高多元燃料的氧含量，有利于燃燒，同時可以擴(kuò)展替代燃料的應(yīng)用范圍，為尋找最佳的柴油機(jī)替代燃料開辟一個新的方向。本研究在F－T柴油與生物柴油混合燃料的基礎(chǔ)上再加入一定量的甲醇，配制多元燃料，進(jìn)行燃燒試驗。甲醇極性較強(qiáng)，為了提高多元燃料的穩(wěn)定性，選取正辛醇作為助溶劑。

1 試驗條件

1.1 試驗裝置及設(shè)備

試驗所用臺架系統(tǒng)見圖1。試驗是在1臺4缸、水冷、渦輪增壓、直接噴射、單次噴射柱塞式機(jī)械泵柴油機(jī)上進(jìn)行，柴油機(jī)參數(shù)見表1。試驗主要設(shè)備包括ET2000柴油機(jī)測試系統(tǒng)、DW160測功機(jī)、Kistler 6125B 缸壓傳感器、QEWE－800－CA－SE 燃燒分析儀及Kistler 2613B角標(biāo)儀等。

表1 試驗用柴油機(jī)參數(shù)

1.2 試驗燃料

試驗以國標(biāo)0號柴油為對標(biāo)油，生物柴油由餐飲廢油制成，基礎(chǔ)燃料F－T柴油和甲醇由生產(chǎn)企業(yè)提供。為研究甲醇添加比例對多元燃料燃燒過程的影響，固定生物柴油的體積分?jǐn)?shù)為10%，配置不同比例的多元燃料，簡稱為 M5，M10，M15，M20和M25。試驗燃料的摻混比例見表2，燃料的理化特性見表3。

表3 燃料理化特性對比

1.3 試驗方案

在不調(diào)整柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，進(jìn)行發(fā)動機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速2 000r／min下的負(fù)荷特性以及80%速度特性試驗，對M5，M10，M15，M20和 M25 5種多元燃料以及0號柴油的燃燒和排放特性進(jìn)行試驗研究。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 燃燒特性

試驗中，以放熱率明顯上升前第1個極小值點(diǎn)作為放熱始點(diǎn)，以累計放熱率達(dá)到95%作為燃燒終點(diǎn)。不同負(fù)荷工況下燃用5種多元燃料時，燃燒始點(diǎn)、終點(diǎn)、燃燒持續(xù)期、放熱重心及滯燃期見表4。從表4中可以看出，在相同負(fù)荷工況下，隨著甲醇添加比例的增加，多元燃料的滯燃期逐漸增長，這是由于甲醇汽化潛熱大，汽化吸熱導(dǎo)致燃燒滯后；多元燃料的滯燃期隨負(fù)荷的增大而縮短，這是因為負(fù)荷的增大使得缸內(nèi)溫度和壓力增大，促使滯燃期縮短。隨著甲醇添加比例的增加，多元燃料的燃燒始點(diǎn)逐漸滯后，且燃燒終點(diǎn)逐漸提前，燃燒持續(xù)期逐漸縮短，放熱更加集中，有利于燃料燃燒完全。隨著負(fù)荷的增加燃燒始點(diǎn)逐漸提前，燃燒終點(diǎn)先提前后推遲，燃燒持續(xù)期先縮短后延長，這是由于在大負(fù)荷時，循環(huán)供油量增大，燃燒結(jié)束略有延遲。

從表4還可以看出，在相同負(fù)荷下，隨著甲醇添加比例的增加，燃燒壓力峰值、壓力升高率峰值和放熱率峰值均逐漸增大；隨著負(fù)荷的增加，混合燃料的燃燒壓力逐漸增大，壓力升高率和放熱率峰值在中小負(fù)荷時逐漸增大，在大負(fù)荷與中等負(fù)荷時相近。這是因為甲醇的加入將導(dǎo)致混合燃料的滯燃期延長，形成的可燃混合氣數(shù)量較多，導(dǎo)致大比例的燃料在預(yù)混合階段燃燒，且混合燃料的含氧量逐漸增加，燃燒速度快，壓力升高率和放熱率峰值增大；隨著負(fù)荷的增大，缸內(nèi)溫度升高，紊流增大，甲醇與生物柴油含氧量較高，均導(dǎo)致燃燒壓力、壓力升高率和放熱率峰值逐漸增大，在大負(fù)荷時，噴入氣缸的循環(huán)供油量增多，甲醇汽氣化潛熱引起的燃燒溫度降低，從而使燃燒相對惡化。

表4 燃燒特征參數(shù)

2.2 動力性

圖2示出柴油機(jī)燃用5種不同比例多元燃料和0號柴油時在80%速度特性下的輸出功率對比。從圖中可見，隨著甲醇添加比例的增加，發(fā)動機(jī)的功率逐漸下降，在高轉(zhuǎn)速時下降幅度較大。M5相對于0號柴油，發(fā)動機(jī)的輸出功率下降最大幅度約為9.4%；隨著甲醇添加比例的增加，燃用M10，M15，M20和M25燃料時，相對M5燃料，發(fā)動機(jī)功率下降幅度分別為5.8%～10%，9.1%～10%，13.6%～17.1%和19.2%～23.3%。一方面，由于甲醇熱值極低，多元燃料的熱值隨甲醇摻入量的增加降低，導(dǎo)致在不調(diào)整柴油機(jī)參數(shù)的情況下多元燃料的動力性必然有所下降，但下降幅度均未超過30%；另一方面，由于多元燃料中甲醇的加入使循環(huán)放熱量減少，滯燃期延長，火焰溫度和缸內(nèi)溫度降低，燃燒狀態(tài)的改變也降低了發(fā)動機(jī)的動力性。

2.3 有效熱效率

有效熱效率（ηet）是衡量發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。有效熱效率是實(shí)際循環(huán)的有效功與為得到此有效功所消耗的熱量的比值。通常，在得到有效燃油消耗率（be）和燃料熱值（Hu）的情況下，由式（1）即可得到發(fā)動機(jī)的有效熱效率。

式中：be為有效燃油消耗率；Hu為燃料低熱值。

圖3示出柴油機(jī)燃用5種不同比例多元燃料和0號柴油時在80%速度特性下的有效熱效率對比。由圖可見，隨著多元燃料中甲醇比例的增加，柴油機(jī)熱效率逐漸降低，且僅在燃用M5和M10 2種多元燃料時，相對于0號柴油，柴油機(jī)熱效率獲得明顯改善，增加幅度為別為4.00%～8.57%和0.68%～2.36%。這主要是因為混合燃料含氧有助于燃燒，但是隨著甲醇含量的增加，多元燃料熱值迅速降低，所以熱效率降低。柴油機(jī)熱效率隨轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低，且均在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r／min時獲得最大熱效率。這主要是因為在低轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量較少，渦流比很低，因此，燃料和空氣不能進(jìn)行良好地混合，導(dǎo)致燃燒惡化，效率降低；而在高轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失增大，機(jī)械效率降低，因此熱效率降低。

2.4 排放特性

2.4.1 CO和 HC排放

柴油機(jī)燃用5種多元燃料和0號柴油的CO排放曲線見圖4。隨著甲醇添加比例的增加，CO排放有增大的趨勢；隨著負(fù)荷的增加，CO排放有減少的趨勢；僅M25多元燃料的CO排放比0號柴油高。隨著多元燃料中甲醇含量的增加，柴油機(jī)的CO排放逐漸升高，主要是因為甲醇的汽化潛熱較高，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，使CO的氧化反應(yīng)受到一定程度的抑制，從而導(dǎo)致CO排放升高。小負(fù)荷時，循環(huán)供油量較少，過量空氣系數(shù)較大，多元燃料高的含氧量優(yōu)勢未能得到發(fā)揮。此時，甲醇高的汽化潛熱導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低是CO排放升高的主要原因；大負(fù)荷時，循環(huán)供油量增加，過量空氣系數(shù)減小，缸內(nèi)溫度升高，生物柴油和甲醇中的氧使油氣混合過濃區(qū)域燃燒缺氧的狀況得到改善，在一定程度上抑制了CO的生成，所以隨著負(fù)荷的增大，CO排放逐漸減少。

圖5示出柴油機(jī)燃用5種不同比例多元燃料的HC排放對比。由圖可見，隨著甲醇添加比例的增加，HC排放逐漸增加，但燃用M25燃料有下降的趨勢；隨著負(fù)荷的增加，HC排放逐漸降低；多元燃料的HC排放均大于0號柴油。原因與CO排放相同。M25燃料的滯燃期最長，燃料與空氣的混合程度更好，雖然甲醇高的汽化潛熱導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，但燃料的氧含量也急劇增加，綜合作用下，導(dǎo)致M25燃料的HC排放有降低的趨勢。

2.4.2 NOx排放

柴油機(jī)燃用5種多元燃料和0號柴油的NOx排放曲線見圖6。由圖可見，混合燃料的NOx排放與0號柴油相比降幅明顯，燃用M5燃料的NOx排放最低；隨著甲醇含量的增加NOx排放有增加的趨勢，隨著負(fù)荷的增加，NOx排放增加。這是因為NOx生成的條件是高溫、富氧和在高溫作用時間，甲醇的加入使缸內(nèi)燃燒溫度降低，在一定程度上抑制了NOx的生成，但是隨著甲醇加入量的增加，混合燃料的氧含量迅速增加，燃燒溫度升高，導(dǎo)致NOx排放增加，隨著負(fù)荷增加，缸內(nèi)溫度迅速升高，也導(dǎo)致NOx排放增加。

2.4.3 PM 排放

柴油機(jī)燃用5種多元燃料和0號柴油的PM排放曲線見圖7。由圖可見，隨著甲醇添加比例的增加，PM排放逐漸降低，隨著負(fù)荷的增加，PM排放又有增加的趨勢，但與0號柴油相比增加趨勢緩慢。這是因為，一方面甲醇的沸點(diǎn)和黏度較低，改善了燃油的噴射霧化性能，提高了油氣混合的均勻性；另一方面生物柴油和甲醇的含氧量較大，尤其在大負(fù)荷時，空燃比變小，多元燃料中的氧含量對降低PM排放起到了更明顯的作用，所以隨著甲醇含量的增加，PM排放逐漸降低。燃用M20的PM排放最大值僅為0號柴油的0.27倍。

3 結(jié)論

a）在發(fā)動機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速2 000r／min、相同負(fù)荷下，隨著甲醇添加比例的增加，多元燃料的滯燃期逐漸增長，燃燒持續(xù)期逐漸縮短，放熱更加集中；燃燒壓力、壓力升高率和放熱率峰值均逐漸增大，CO，HC和NOx排放有增多的趨勢，PM排放逐漸降低；

b）隨著負(fù)荷的增加，多元燃料的滯燃期逐漸縮短，燃燒持續(xù)期先縮短后延長，燃燒壓力、壓力升高率和放熱率峰值逐漸增大，CO和HC排放有減少的趨勢，NOx排放增加，PM排放幾乎不變；

c）80%速度特性下，隨著多元燃料甲醇添加比例的增加，輸出功率逐漸降低，有效熱效率也逐漸降低，所以甲醇添加比例要進(jìn)行適量限制。

［1］ 王丁丁.在F－T煤制油柴油機(jī)上進(jìn)氣道噴甲醇的研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2013.

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