正丁醇-柴油對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放影響的試驗(yàn)研究

胡慧慧， 王忠， 吳婧， 王飛， 王燕鵬

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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正丁醇-柴油對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放影響的試驗(yàn)研究

胡慧慧， 王忠， 吳婧， 王飛， 王燕鵬

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

通過配制不同正丁醇摻混比例的正丁醇-柴油混合油，在不改變供油提前角和燃油系統(tǒng)的條件下，測(cè)量了柴油機(jī)燃用正丁醇-柴油混合油的氣缸壓力、放熱率以及NOx、炭煙等排放污染物，探討了正丁醇摻混比例對(duì)柴油機(jī)燃燒過程的影響規(guī)律，分析了正丁醇對(duì)排放污染物的作用過程。結(jié)果表明：正丁醇摻混比例為0%，5%，10%時(shí)，低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工況下，缸內(nèi)最大燃燒壓力分別為6.2 MPa，5.9 MPa和5.8 MPa，與燃燒柴油相比略有降低；高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況時(shí)，缸內(nèi)最大燃燒壓力分別為7.5 MPa，7.6 MPa，7.7 MPa，與燃燒柴油相比稍有增加；隨著正丁醇摻混比例增加，柴油機(jī)的CO和HC排放升高，在中低負(fù)荷下NOx排放有所降低，高負(fù)荷時(shí)升高明顯，平均增加了6.4%，炭煙排放降低明顯，燃用正丁醇添加比例為5%和10%時(shí)，在高負(fù)荷下炭煙分別下降了25%和36%。

正丁醇； 混合燃料； 燃燒過程； 排放； 柴油機(jī)

柴油機(jī)具有油耗低、動(dòng)力性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其炭煙排放高，其中的多環(huán)芳香烴(PAHs)和多環(huán)芳香烴的硝基化合物具有致癌性[1-2]。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，降低柴油機(jī)炭煙排放已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。使用含氧燃料或含氧添加劑是降低炭煙排放的有效措施[3]。正丁醇是一種生物質(zhì)燃料，可以通過微生物發(fā)酵方法進(jìn)行生產(chǎn)，且成本較低。此外，正丁醇具有含氧、汽化潛熱高、著火極限寬等優(yōu)點(diǎn)，在柴油機(jī)上應(yīng)用時(shí)，有利于可燃混合氣的形成，在一定程度上可起到改善燃燒的作用[4-5]。正丁醇的密度和黏度低，霧化性能好，能使缸內(nèi)燃燒充分，可以有效抑制燃燒后期碳核的形成，降低柴油機(jī)炭煙的排放[6-7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)正丁醇及其在柴油機(jī)上的摻混燃燒進(jìn)行了大量研究。廣西大學(xué)李會(huì)芬[8]等進(jìn)行了正丁醇作為乙醇-柴油混合燃料助溶劑的相關(guān)試驗(yàn)研究，研究表明，正丁醇具有親油和親水基團(tuán)，混合后的蒸餾曲線接近于柴油，可以增大乙醇和柴油的互溶度，提高混合燃料的穩(wěn)定性。多倫多大學(xué)M.Sarathy[9]等對(duì)正丁醇的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，分析了正丁醇的對(duì)沖擴(kuò)散燃燒、層流燃燒的速度，研究結(jié)果表明正丁醇的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理主要是通過脫氫反應(yīng)和脫氫后官能團(tuán)的β位斷裂。天津大學(xué)堯命發(fā)等研究了柴油機(jī)燃燒正丁醇-生物柴油的燃燒和排放特性，結(jié)果表明[10]，正丁醇通過缸內(nèi)混合氣活性和混合氣活性分布影響正丁醇-生物柴油的燃燒和排放特性，燃燒呈現(xiàn)多種燃燒模式組合的復(fù)合燃燒現(xiàn)象，正丁醇摻混比例為80%～85%時(shí)，可以獲得較高的熱效率和極低的NOx及炭煙排放。

本研究通過配制不同比例的正丁醇-柴油混合油(n-B0，n-B5，n-B10)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，采集了缸內(nèi)示功圖，考察了正丁醇摻混比例對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率等燃燒參數(shù)的影響規(guī)律，測(cè)量分析了柴油機(jī)燃用不同比例正丁醇-柴油混合油的CO，HC，NOx、炭煙等排放污染物，探討燃料組分及理化特性對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放的影響。

1 燃料性質(zhì)及試驗(yàn)方案

燃料的理化特性對(duì)柴油機(jī)的噴霧、著火及燃燒過程具有重要影響。表1列出0號(hào)國(guó)Ⅲ柴油、n-B5、n-B10的主要理化參數(shù)，n-B5和n-B10分別表示正丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的混合油。從表中可以看出，隨著正丁醇摻混比例的增加，混合油的密度、黏度、低熱值有所降低，這主要是由于正丁醇的密度、黏度、低熱值本身較柴油低。試驗(yàn)中正丁醇的添加比例較小，溫度對(duì)混合油的密度、黏度等影響基本與柴油相近?；旌嫌偷难鹾繌?%上升到2.18%，燃料中的氧來自正丁醇；正丁醇的汽化潛熱高，是柴油的2.8倍，較高的汽化潛熱使最高燃燒溫度降低，有利于抑制NOx的生成；十六烷值是評(píng)定燃料著火的重要指標(biāo)，正丁醇的添加比例為10%時(shí)，混合油的十六烷值為54.3，降低了7.9%，著火性能變差。

試驗(yàn)采用滿足國(guó)Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)的186F柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。在供油提前角和燃油系統(tǒng)不作改動(dòng)的條件下，并保持發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不變，選取了3種正丁醇摻混比例(0%，5%，10%)與柴油進(jìn)行摻混，形成正丁醇-柴油的混合油。采用Dewetron燃燒分析儀(壓力測(cè)量精度 16位分辨率)、AVL735煙度計(jì)(精度1%)、FGA-4100汽車排氣分析儀(精度±2%)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min和最大扭矩轉(zhuǎn)速1 800 r/min時(shí)，測(cè)量了不同負(fù)荷下(10%，25%，50%，75%，100%)的氣缸壓力、放熱率以及NOx、炭煙等排放物。探討了柴油機(jī)燃用不同混合油的排放特性?？疾煺〈紦交毂葘?duì)缸內(nèi)壓力、壓力升高率及放熱規(guī)律的影響，對(duì)燃燒過程進(jìn)行了分析。

表1 燃料主要理化特性

表2 186F柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 燃燒特性分析

2.1 缸內(nèi)壓力及壓力升高率

圖1示出1 800 r/min和3 000 r/min時(shí)25%和100%負(fù)荷下的缸內(nèi)壓力和壓力升高率曲線。從圖中可以看出，向柴油中添加正丁醇，缸內(nèi)壓力變化較明顯，除在1 800 r/min，25%負(fù)荷時(shí)燃燒壓力峰值下降外，其他工況點(diǎn)壓力峰值均增加。

在1 800 r/min，25%負(fù)荷時(shí)，燃用柴油、n-B5和n-B10的最大燃燒壓力分別為6.2 MPa，5.9 MPa和5.8 MPa，最大燃燒壓力隨正丁醇摻混比例的增加而降低。而在1 800 r/min，100%負(fù)荷工況下燃用柴油、n-B5和n-B10的最大燃燒壓力分別為7.6 MPa，7.8 MPa和7.9 MPa，最高燃燒壓力隨正丁醇摻混比例的增加而增加。這主要是因?yàn)樵诘拓?fù)荷工況下，柴油機(jī)的缸內(nèi)溫度相對(duì)較低，正丁醇的汽化潛熱高，使得燃燒溫度進(jìn)一步降低，抑制了燃料的裂解放熱過程。隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)燃燒溫度升高，此時(shí)正丁醇含氧對(duì)缸內(nèi)燃燒過程起到了促進(jìn)作用，缸內(nèi)最大燃燒壓力隨正丁醇添加比例的增加而升高。

在3 000 r/min時(shí)，不同負(fù)荷下最大燃燒壓力都隨正丁醇添加比例增加而增大，壓力峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角延遲。這主要是由于正丁醇的加入降低了混合油的十六烷值，使滯燃期延長(zhǎng)，著火時(shí)刻后移。正丁醇的加入縮短了整個(gè)缸內(nèi)燃燒持續(xù)期，增加了放熱集中度，使最高燃燒壓力增加。在100%負(fù)荷時(shí)壓力峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角幾乎不變。一方面，正丁醇與OH反應(yīng)生成1-羥基丁醇和H2O，此反應(yīng)消耗了燃料和自由基，對(duì)反應(yīng)的進(jìn)行起阻礙作用；另一方面，在高負(fù)荷下，引燃柴油噴射時(shí)刻的溫度較高，隨著正丁醇比例的增大，可燃混合氣預(yù)混充分，燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，著火界限寬，燃燒始點(diǎn)提前，壓力峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角幾乎不變。

2.2 放熱率

圖2示出4個(gè)工況點(diǎn)的放熱率對(duì)比，放熱率是通過編制計(jì)算程序，利用Matlab軟件計(jì)算得到。相對(duì)于柴油，n-B5和n-B10的放熱峰值增加，峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后(見圖2)。在3 000 r/min，100%負(fù)荷時(shí)，柴油放熱率曲線呈現(xiàn)明顯的雙峰趨勢(shì)，隨正丁醇添加比例的增大，放熱率曲線趨于單峰放熱，放熱率峰值明顯升高。高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況下，柴油的燃燒過程包括預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒，呈現(xiàn)2個(gè)峰值，正丁醇的加入延長(zhǎng)了滯燃期，燃燒過程中充分發(fā)揮了含氧量高、燃燒速度快的特點(diǎn)，一旦著火，燃燒速率加快，放熱率峰值增加，放熱曲線趨于單峰放熱。在小負(fù)荷工況，燃燒過程以預(yù)混燃燒為主，擴(kuò)散燃燒所占比例較小，放熱率曲線呈現(xiàn)單峰。

3 排放特性分析

圖3示出發(fā)動(dòng)機(jī)在3 000 r/min下的CO排放特性。由圖可知，向柴油中添加正丁醇，CO排放明顯增加。在10%負(fù)荷時(shí)，燃用n-B5和n-B10的CO排放分別比燃用柴油增加了75%和89%。主要原因是，在小負(fù)荷時(shí)噴油量少，混合氣較稀，正丁醇的汽化吸熱作用明顯，缸內(nèi)溫度降低，燃燒不完全，生成的CO不能被進(jìn)一步氧化；此外，由正丁醇的化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)可知，含氧燃料在燃燒過程中，幾乎所有的初始氧原子在反應(yīng)中都直接生成CO[11]。因此隨正丁醇比例的增加，CO排放增加。高負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)燃燒溫度升高，部分生成的CO被氧化，CO排放降低。

圖4示出柴油機(jī)在3 000 r/min下的HC排放特性。可以看出，隨著負(fù)荷的增加，HC排放降低，在10%負(fù)荷下，燃用n-B5和n-B10的HC排放分別比燃用柴油增加了44.7%和87.2%。主要原因是，在低負(fù)荷時(shí)，過量空氣系數(shù)較大，有很大區(qū)域超過了燃料的可燃稀限，另外缸內(nèi)溫度低，增大了壁面淬冷區(qū)，易產(chǎn)生未燃HC，所以HC排放在低負(fù)荷較大，隨著負(fù)荷的增大，缸內(nèi)溫度升高，HC排放有所降低。加入正丁醇后，進(jìn)一步增大了壁面的淬熄層厚度，且噴霧混合區(qū)形成的過稀區(qū)增多，因此，相對(duì)于燃燒柴油，HC排放升高。

圖5示出發(fā)動(dòng)機(jī)在3 000 r/min下NOx排放隨正丁醇摻混比例的變化規(guī)律。小負(fù)荷工況下，NOx排放隨著正丁醇摻混比例的增大稍有降低，在大負(fù)荷工況下，NOx排放隨正丁醇的摻混比例的增大呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。柴油機(jī)排氣中氮氧化合物主要為NO，燃燒室內(nèi)的最高燃燒溫度、空燃比和高溫持續(xù)的時(shí)間是影響NOx生成的主要因素。由燃料特性對(duì)缸內(nèi)最高燃燒溫度和過量空氣系數(shù)的影響可知，在小負(fù)荷工況下，雖然混合油含氧且過量空氣系數(shù)較高，但缸內(nèi)溫度低，此時(shí)NOx排放主要受缸內(nèi)溫度和高溫持續(xù)時(shí)間的影響，較低的溫度抑制了NOx的正向反應(yīng)速率；正丁醇的加入縮短了高溫持續(xù)期，所以混合油的NOx排放比柴油低；在大負(fù)荷工況下，缸內(nèi)溫度較高，混合油燃燒溫度較高且含氧，使NOx排放增加。

圖6示出發(fā)動(dòng)機(jī)在3 000 r/min下的炭煙排放特性。炭煙的形成的條件是高溫、時(shí)間(決定于燃料分子結(jié)構(gòu)對(duì)著火延遲期的影響)、缺氧[12]，主要由燃燒室中較濃混合區(qū)域內(nèi)的高分子烴，尤其是由芳香烴高溫缺氧裂解形成的。由圖可知，與柴油相比，n-B5和n-B10的煙度明顯下降。在100%負(fù)荷下，燃用n-B5和n-B10的煙度較柴油(3.924 m-1)分別下降了25%和36%。正丁醇的加入降低了混合燃料的黏度，提高了含氧量，有利于改善混合氣的霧化效果，增加了過濃區(qū)域的氧原子，使燃燒充分，促進(jìn)炭煙微粒的氧化；另一方面，正丁醇在燃燒初期發(fā)生的分解反應(yīng)產(chǎn)生大量的自由基—OH，羥基與碳核的前驅(qū)體乙炔(C2H2)反應(yīng)的活化能低[13]，反應(yīng)迅速，抑制了炭煙的生成。

圖7分析了不同負(fù)荷下，3種燃料的NOx排放-煙度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，由于正丁醇含氧及汽化潛熱高等特性，在小負(fù)荷工況下，正丁醇的加入極大地改善了NOx排放-煙度的折中關(guān)系，隨著正丁醇摻混比例增加，NOx和煙度均有一定幅度降低；在中高負(fù)荷工況下，隨著正丁醇摻混比例增加，NOx和炭煙排放呈現(xiàn)出trade-off關(guān)系，炭煙排放有明顯降低，NOx排放有所升高，但升高幅度較小，說明正丁醇具有同時(shí)降低NOx和炭煙排放的潛力。

4 結(jié)論

a) 隨著正丁醇摻混比的增加，混合油的密度和運(yùn)動(dòng)黏度稍有下降，有助于改善燃料的霧化效果；含氧量和汽化潛熱增加；低熱值降低，在摻混大比例正丁醇時(shí)，影響柴油機(jī)的動(dòng)力性；

b) 與燃用柴油相比，隨著正丁醇-柴油混合油中正丁醇摻混比例的增加，在高負(fù)荷工況下，缸內(nèi)最大燃燒壓力升高，最大壓力升高率增大，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后，放熱率呈現(xiàn)雙峰分布，放熱率峰值增加；小負(fù)荷下，預(yù)混燃燒所占比例增加，放熱率曲線呈現(xiàn)單峰；

c) 隨著正丁醇添加比例的增加，在高、低負(fù)荷工況下，CO和HC排放均有明顯升高，炭煙排放降低幅度較大；NOx排放在低負(fù)荷工況下略有降低，在高負(fù)荷工況下有所升高。

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[編輯: 李建新]

Effects of n-Butanol-Diesel Blend on Diesel Engine Combustion and Emission

HU Huihui, WANG Zhong, WU Jing, WANG Fei, WANG Yanpeng

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

n-cylinder pressure, heat release rate, NOxand soot emissions of diesel engine fueled with n-butanol-diesel blend were measured and the effect of n-butanol mixing ratio on combustion process was discussed by preparing the blended fuel with different n-butanol content without changing the ignition advance angle and fuel system. Moreover, the influence of n-butano on exhaust pollutants was analyzed. The results indicated that the maximum in-cylinder pressure were 6.2 MPa, 5.9 MPa and 5.8 MPa and slightly decreased at low speed and low load, and the pressure were 7.5 MPa, 7.6 MPa and 7.7 MPa and slightly increased at high speed and high load when n-butanol mixing ratio were 0%, 5% and 10% respectively. With the increase of mixing ratio, CO and HC emissions increased, NOxemission reduced at low load and increased by 6.4% at high load, and soot emission significantly improved and reduced by 25% and 36% respectively at high load while n-butanol mixing ratio were 5% and 10%.

n-butanol; blended fuel; combustion process; emission; diesel engine

2014-09-18;

2014-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376083)；江蘇省高校自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(10KJA470009)；江蘇省2013年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目號(hào)(CXZZ13_0672)；江蘇省2014年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX_1035)。

胡慧慧(1988—)，女，碩士，主要從事內(nèi)燃機(jī)代用燃料和燃燒過程模擬的研究;huhuihuinn@126.com。

王忠(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事內(nèi)燃機(jī)代用燃料研究;wangzhong@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.016

TK411.71

B

1001-2222(2015)03-0076-05