柴油機燃用煤基含氧混合燃料的性能研究*

武志斐　左鵬　王鐵　楊甜甜　王文坤

（太原理工大學(xué)，太原030024）

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柴油機燃用煤基含氧混合燃料的性能研究*

武志斐左鵬王鐵楊甜甜王文坤

（太原理工大學(xué)，太原030024）

【摘要】在F-T柴油中添加不同比例的丁醇、生物柴油燃料，并與0#柴油進行發(fā)動機性能對比研究。結(jié)果表明，相比于原機水平，混合燃料動力性能有10 %的降低，經(jīng)濟性能變化不大，污染物排放量明顯降低。在2 000 r/min時，混合燃料N10、N20與N10B10的NOx排放分別降低23.40 %、26.95 %和23.25 %；外特性下，混合燃料N10、N20與N10B10的碳煙排放平均降低71.47 %、77.16 %和68.80 %，甲醛平均降低幅度為59.19 %、68.41 %和62.75 %。

1　前言

在傳統(tǒng)柴油機燃燒中，一般認為提高燃料的十六烷值是降低NOx排放和最高燃燒壓力且使燃燒更加柔和的有效措施之一。費托合成的煤制燃料（F-T柴油）是煤炭經(jīng)間接液化生成的液體燃料，其具有十六烷值高、硫和芳烴含量低等優(yōu)點，燃燒熱效率高，排放污染物少，被認為是清潔高效的柴油機代用燃料，是實現(xiàn)煤炭在內(nèi)燃機上清潔化利用的最佳載體[1]。研究表明，F(xiàn)-T柴油能夠大幅降低HC、CO、NOx等常規(guī)排放物以及甲醛、芳香烴等非常規(guī)排放物[2,3]，但F-T柴油對于碳煙排放的影響還存在分歧，大多數(shù)研究中F-T柴油能降低碳煙的排放[4,5]，少數(shù)研究中碳煙稍有升高或基本不變。

為解決F-T柴油碳煙與NOx的此消彼長關(guān)系，F(xiàn)-T柴油與含氧替代燃料的摻混燃燒是不錯的選擇。正丁醇是國內(nèi)外關(guān)注的一種新型生物質(zhì)燃料，與F-T柴油有很好的互溶性，其單位熱值高于乙醇燃料且含氧，被認為比乙醇燃料更適合作為發(fā)動機的替代燃料。國內(nèi)外學(xué)者對柴油正丁醇混合燃料開展了廣泛的研究，文獻[6]在一臺重型柴油機上研究了不同比例的柴油-正丁醇混合燃料的燃燒和排放特性，結(jié)果表明碳煙和CO排放得到明顯改善，而NOx排放和燃燒經(jīng)濟性并沒有明顯惡化；文獻[7]表明，與其它醇類燃料相比，柴油-正丁醇燃料更適合于壓燃發(fā)動機。

生物柴油中硫和芳烴含量低、閃點高、十六烷值高、含氧，可改善燃燒并降低碳煙排放[8]，具有良好的潤滑性，可以提高混合燃料的運動粘度，保護發(fā)動機的精密偶件。

本文以F-T柴油為基礎(chǔ)燃料并添加丁醇燃料，研究含氧燃料對高十六烷值燃料動力性、經(jīng)濟性及排放特性的影響，同時比較丁醇與生物柴油對發(fā)動機性能的影響效果。

2　試驗燃料及理化性質(zhì)

試驗所用燃料包括常規(guī)商業(yè)0#柴油、無水丁醇、生物柴油和潞安集團提供的F-T柴油。其中0#柴油作為試驗對比燃料，在F-T柴油中添加體積分數(shù)為10 %和20 %的丁醇配制成F-T柴油-丁醇混合燃料，記為N10 和N20，然后在N10的基礎(chǔ)上添加10 %的生物柴油配制成三元混合燃料記為N10B10。表1為各種燃料的基本理化特性。

表1　各種燃料的理化特性

F-T柴油的高十六烷值特性使發(fā)動機燃燒柔和、振動變?nèi)?，且能實現(xiàn)低溫燃燒，但是也有可能造成碳煙排放的升高；而含氧燃料能夠顯著降低碳煙的排放。因此，所配制的混合燃料就是具有高十六烷值特性的含氧燃料。

3　試驗設(shè)備及方法

試驗用發(fā)動機型號為YN4100QBZL，為4缸、水冷、增壓中冷、直噴式柴油機，主要參數(shù)見表2。

試驗采用ET2500重力型油耗儀測量發(fā)動機油耗，采用DW160電渦流測功機對發(fā)動機進行負荷調(diào)節(jié)。氣態(tài)排放使用多組分測試系統(tǒng)AVL FTIR i60傅里葉變換紅外光譜儀，燃燒過程中的NOx、N2O、NO等氮氧化物排放量都可以在該排放分析儀上實時讀取和記錄，同時可以在線監(jiān)測甲醛、乙醛、丙酮、甲苯、二氧化硫、二氧化碳等非常規(guī)氣態(tài)排放物，分辨率為0.01×10-6，精確度在±0.1 %以內(nèi)。使用AVL的Micro Soot Sensor 483微碳煙排放測試系統(tǒng)實時在線檢測排氣中的碳煙微粒污染物。為了保證試驗的可重復(fù)性以及結(jié)果一致性，在試驗開始前對測試設(shè)備進行校準(zhǔn)與標(biāo)定，試驗過程中待發(fā)動機在測試工況運轉(zhuǎn)穩(wěn)定30 s后，對燃油消耗量進行3次測試，取平均值作為試驗結(jié)果；對排放污染物進行60 s測量，舍棄前后15 s取中間30 s的測試數(shù)據(jù)，求其平均值作為試驗結(jié)果；對燃燒分析儀采集的所有工作循環(huán)，選取中間的100個循環(huán)進行燃燒分析，以此減小試驗誤差。

4　試驗結(jié)果及分析

4.1動力性能與經(jīng)濟性能分析

4.1.1動力性能分析

發(fā)動機的動力性能指標(biāo)主要有有效扭矩、有效功率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。圖1為不同轉(zhuǎn)速油門全開狀態(tài)下測試得到的該發(fā)動機最大功率。由圖1可知，相比于0#柴油，F(xiàn)-T柴油的動力性能明顯降低；由于丁醇的體積熱值更低，摻燒丁醇后的N10、N20燃料的動力性能分別降低9.8 %～15.4 %、11.9 %～16.2 %；而生物柴油的體積熱值相對較高，使得N10B10燃料相對于N20燃料動力性能有所改善。動力性能的降低對汽車日常使用影響不大，主要在汽車加速爬坡時表現(xiàn)明顯，因此可以通過適當(dāng)增加噴油量來保證動力性能。

4.1.2經(jīng)濟性能分析

圖1　各種燃料對發(fā)動機動力性能的影響

圖2為該發(fā)動機在外特性下的燃油消耗率與有效熱效率的對比情況。

由圖2可知，混合燃料對柴油機經(jīng)濟性能影響較小；相對于0#柴油，F(xiàn)-T柴油的燃油消耗率有所降低，有效熱效率明顯降低；隨著含氧燃料比例的增加，燃油消耗率升高，其中N10B10燃料的燃油消耗率最大，而混合燃料的有效熱效率略有升高，這是因為燃油消耗率由其質(zhì)量熱值決定，而F-T柴油的質(zhì)量熱值高于0#柴油，因此燃油消耗率降低；而含氧燃料的質(zhì)量熱值比較低，隨著含氧燃料摻燒比例的增加，混合燃料的質(zhì)量熱值降低，燃油消耗率增加。

圖2　各種燃料對發(fā)動機經(jīng)濟性能的影響

4.2排放特性分析

4.2.1 NOx排放

圖3為外特性下各種燃料的NOx排放隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖3　各種燃料的NOx排放

由圖3可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，NOx排放先降低后升高，出現(xiàn)NOx排放的最低轉(zhuǎn)速點；3種混合燃料的NOx排放與原機相比明顯降低，在2 000 r/min下達到最大降幅23.40 %、26.95 %和23.25 %。根據(jù)燃燒過程中氮原子的氧化機理，氧分子在高溫下首先裂解，開始與氮分子反應(yīng)生成NO和氮原子，氮原子進一步與氧結(jié)合產(chǎn)生氮氧化合物。因此，局部的高溫、氧原子的濃度和高溫持續(xù)時間是NOx生成的主要因素[9]。隨著轉(zhuǎn)速的增加，缸內(nèi)燃燒溫度增加，高溫持續(xù)時間縮短。在折點之前，隨轉(zhuǎn)速升高，高溫持續(xù)時間的縮短起主要作用，NOx排放降低；折點之后，隨轉(zhuǎn)速升高，高溫環(huán)境促使NOx排放升高。

本試驗中，影響燃料NOx排放的因素有：

a. F-T柴油的高十六烷值特性使得燃燒始點提前，預(yù)混合燃燒放熱率降低，最高燃燒溫度降低；

b.丁醇燃料的高汽化潛熱和較低的熱值降低了進氣充量的溫度，進而降低燃燒最高溫度；

c.丁醇的加入減少了預(yù)混合燃燒的比例，降低了燃燒溫度；

d.含氧燃料加快了反應(yīng)速度，減少了高溫持續(xù)時間。

由燃燒過程可知，燃料中較高的十六烷值使得預(yù)混合燃燒放熱率峰值明顯降低，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，而低溫燃燒是混合燃料NOx排放降低的主要原因。

NO2的產(chǎn)生是一個復(fù)雜的反應(yīng)過程，不是簡單的NO轉(zhuǎn)化，需要一定的條件比如溫度、氧氣濃度等[10]。因此，有必要研究NO2的排放機理。圖4為外特性下各種燃料的NO2與NO的排放曲線。可知，NO排放與NOx排放規(guī)律相似，相比于原機，混合燃料的NO排放明顯降低。NO生成機理就是擴展的澤爾多維奇機理：NO生成速率經(jīng)驗公式：式中，A、B為常數(shù)。

可見NO的生成速率和溫度呈指數(shù)關(guān)系，溫度越高，N2和O2濃度越高，NO的生成速率越高。煤基含氧燃料的混合燃燒使得燃燒始點提前，預(yù)混合燃燒放熱率降低，燃燒速度加快，從而降低了燃燒初始溫度、最高燃燒溫度以及高溫持續(xù)時間，因此NO的生成速率降低。

（a）外特性下NO排放對比

圖4　外特性下各種燃料的NO2與NO排放

化學(xué)守恒定律表明，在已燃氣體的火焰溫度下，NO2和NO是基本可以忽略的[11]?；旌先剂系腘O2排放較柴油變化不大，在低轉(zhuǎn)速下NO2排放升高，高轉(zhuǎn)速下降低。NO2主要通過NO的氧化反應(yīng)NO+HO2→NO2+HO生成。高溫條件下，NO2通過反應(yīng)NO2+O→NO+O2轉(zhuǎn)化為NO。當(dāng)形成的NO2遇到較冷的氣體會被“凍結(jié)”，因此NO2的排放量與溫度有關(guān)，低溫容易生成更多的NO2。根據(jù)丁醇的低溫氧化機理，正丁醇在不斷的脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生大量的自由基HO、HO2，其中的HO主要參與燃料中烴基的脫氫反應(yīng)，而HO2有利于NO的氧化反應(yīng)而產(chǎn)生NO2。這兩個方面的因素共同使得混合燃料N10、N20的NO2排放高于原機水平，而且低轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)最高燃燒溫度更低，“凍結(jié)”作用更明顯，混合燃料的NO2升高更加明顯。

圖5為外特性下柴油機燃用不同燃料時N2O排放的變化規(guī)律?？芍?，各種燃料的N2O排放隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢一致，在1 600 r/min下存在最優(yōu)排放點。混合燃料的N2O排放與原機0#柴油相比，有明顯降低，丁醇對FT柴油的N2O排放影響效果要好于生物柴油，其中N20燃料的N2O排放量平均降低幅度達到44.76 %。這主要是由添加丁醇及生物柴油的混合燃料的燃燒最高溫度降低導(dǎo)致的。

4.2.2碳煙排放

柴油機尾氣中的干碳煙主要是由柴油中的碳在高溫缺氧條件下生成的，根據(jù)Kitamura等人的研究，碳煙生成的條件為局部當(dāng)量比大于2和溫度為1 600～2 500 K[12]。雖然柴油機缸內(nèi)總體上是富氧燃燒，但是混合氣成分不均，局部缺氧還是會導(dǎo)致碳煙的生成。圖6為外特性下各種燃料的碳煙排放曲線。可知，混合燃料的碳煙排放明顯低于原機模式，高轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)更加明顯。高十六烷值燃料與含氧燃料的混合燃燒不僅能夠降低燃燒最高溫度，而且可以改善擴散燃燒的缺氧狀況來促進燃燒，從而降低碳煙排放。相對于原機水平，混合燃料N10、N20和N10B10的碳煙平均降低幅度分別為71.47 %、77.16 %和68.80 %。通過對比N20與N10B10燃料可以看到，正丁醇對于碳煙的氧化作用大于生物柴油，其降低效果更加明顯，這與正丁醇的高含氧量有關(guān)。

4.2.3甲醛排放

圖5　外特性下各種燃料的N2O排放

圖6　外特性下各種燃料的碳煙排放

醛類是醇類替代燃料的重要非常規(guī)排放物之一。文獻[13]和文獻[14]研究得出，無論是純柴油還是摻燒醇類和生物柴油的混合燃料，其甲醛排放量都比乙醛高，本文的試驗結(jié)果也驗證了這一結(jié)論，因此僅針對甲醛的排放進行討論。圖7為外特性下各種燃料的甲醛排放隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化趨勢。

圖7　外特性下各種燃料的甲醛排放

由圖7可知，混合燃料N10、N20和N10B10的甲醛排放與原機相比有比較明顯的降低，其甲醛平均降低幅度分別為59.19 %、68.41 %和62.75 %。這主要得益于混合燃料以F-T柴油為基礎(chǔ)燃料，而F-T柴油能夠降低柴油機甲醛等非常規(guī)排放物[4]。添加丁醇和生物柴油之后的混合燃料甲醛排放沒有進一步上升，表現(xiàn)出良好的適用性。

5　結(jié)束語

a.混合燃料的含氧特性可以顯著降低碳煙排放，且低溫燃燒可以降低NOx排放，其中主要表現(xiàn)在降低NO與N2O方面，而NO2稍有升高。

b.混合燃料的非常規(guī)甲醛排放也明顯降低，其中相同體積分數(shù)的正丁醇相較于生物柴油降低效果更加明顯。

c.燃料的十六烷值與含氧量是影響混合燃料性能的主要指標(biāo)，高十六烷值燃料與含氧燃料的混合燃燒能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機的性能優(yōu)化。

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年9月1日。

Research on Performance of Diesel Engine Burning CTL-oxygenated Mixed Fuel

Wu Zhifei, Zuo Peng, Wang Tie, Yang Tiantian, Wang Wenkun
（Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024）

【Abstract】The effect of F-T diesel blending in varying proportions of butyl alcohol and biodiesel on the dynamic performance and emission characteristics is investigated and compared with 0# diesel fuel. Results show that, compared with the baseline diesel engine, the mixed fuel experiences 10% reduction of dynamic performance, little change in economic performance, whereas its pollutant emissions decrease significantly. At 2 000 r/min, NOxemissions of fuel N10, N20 and N10B10 are reduced by 23.40%, 26.95%, 23.25% respectively. Under the external characteristic, soot emissions of those three fuels are reduced by an average of 71.47%, 77.16% and 68.80% and the average reduction rate of formaldehyde is 59.19%, 68.41% and 62.75% respectively.

Key words:Diesel engine, Performance, CTL, Oxygenated fuel

中圖分類號:U464.172

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）01-0052-05

*基金項目：山西省自然科學(xué)基金資助項目（2014021024-3）。

主題詞:柴油機性能煤基燃料含氧燃料