F-T柴油與正丁醇混合燃料的燃燒和排放特性研究

原霞， 王鐵， 谷豐收， 楊甜甜， 孫秀全

(1. 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 2. 中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

F-T柴油與正丁醇混合燃料的燃燒和排放特性研究

原霞1，2， 王鐵1， 谷豐收1， 楊甜甜1， 孫秀全1

(1. 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 2. 中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

F-T柴油具有十六烷值高、幾乎不含硫和芳香烴的特點(diǎn)，正丁醇是能量密度較高的可再生的生物質(zhì)燃料。在增壓中冷4缸柴油機(jī)上對(duì)比研究了0號(hào)柴油、F-T柴油和F-T柴油-正丁醇混合燃料的燃燒、排放特性。結(jié)果表明：與柴油相比，摻混丁醇后缸內(nèi)壓力峰值、壓力升高率降低；燃用F-T柴油-正丁醇混合燃料可同時(shí)降低炭煙和NOx排放，隨著正丁醇摻混比例的提高炭煙排放顯著降低，F(xiàn)-T柴油摻混20%正丁醇的炭煙排放降幅高達(dá)67.8%，NOx排放降幅達(dá)20.9%。

F-T柴油； 正丁醇； 燃燒； 排放； 噪聲

能源短缺和環(huán)境污染兩大問題使得尋找發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。醇類燃料因其含氧的特性能降低炭煙排放，成為替代燃料研究的焦點(diǎn)。正丁醇的工業(yè)制法來源豐富，其與甲醇和乙醇相比具有能量密度高、腐蝕性小、與柴油能以任意比例互溶的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出其作為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料的優(yōu)勢(shì)[1]。

摻混丁醇對(duì)炭煙排放的抑制作用已被研究者反復(fù)證實(shí)，而其對(duì)NOx排放的影響卻存在爭議。堯命發(fā)、鄭尊清等[2-3]在多次噴射和低溫燃燒研究中均發(fā)現(xiàn)柴油摻混正丁醇可以顯著降低炭煙排放，但對(duì)NOx排放影響不大。陳征等[4]對(duì)丁醇柴油混合燃料直噴和進(jìn)氣道預(yù)噴丁醇缸內(nèi)直噴柴油雙噴射方式的燃燒和排放特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)混合燃料能夠降低40%的炭煙排放，雙噴射對(duì)炭煙沒有明顯改善，而兩種噴射方式下的NOx排放均有增長，與Rakopoulos等人[5]的研究結(jié)果類似。顧小磊等[6]的研究結(jié)果卻表明正丁醇和異丁醇與柴油的混合燃料能夠使滯燃期變大并降低炭煙排放，但對(duì)NOx排放影響不大。Zhang等人[7-8]研究結(jié)果表明低硫柴油和正丁醇混合燃料可以降低柴油機(jī)的顆粒物排放。

相比于傳統(tǒng)柴油，經(jīng)煤氣化和Fischer-Tropsch(F-T)催化合成的F-T柴油的理化性能接近柴油，可直接用于現(xiàn)有型號(hào)的柴油機(jī)，同時(shí)其十六烷值高和幾乎不含硫、芳香烴等特性[9]可以顯著降低顆粒物、NOx和其他常規(guī)排放物的排放[10-11]。為了探索F-T柴油和正丁醇混合燃料對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放特性的影響，通過試驗(yàn)研究了0號(hào)柴油、F-T柴油、正丁醇體積比占10%和20%的F-T柴油-正丁醇混合燃料共4種燃油在同一工況下的燃燒和排放特性。

1 試驗(yàn)裝置、燃料及研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在YN4100QBZL 4缸增壓中冷柴油機(jī)上進(jìn)行，柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

缸壓數(shù)據(jù)采用Kistler6125B缸壓傳感器測量，采樣間隔為0.1°曲軸轉(zhuǎn)角，每個(gè)工況點(diǎn)采集100個(gè)循環(huán)缸內(nèi)壓力用于燃燒分析。由AVL公司的SESAM i60 FT多組分尾氣排放分析儀測量氣體排放，采用Micro Soot Sensor 483微炭煙排放測試系統(tǒng)完成炭煙排放測量。

1.2 試驗(yàn)燃料

以F-T柴油為基礎(chǔ)燃料，添加體積比為10%和20%的正丁醇，記為B10和B20。使用0號(hào)柴油、F-T柴油、B10和B20共4種試驗(yàn)燃料進(jìn)行柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，并選取0號(hào)柴油作為性能比較的基準(zhǔn)燃料。試驗(yàn)基礎(chǔ)燃料主要特性參數(shù)見表2[3]。

表2 試驗(yàn)基礎(chǔ)燃料主要特性參數(shù)

1.3 研究方法

本試驗(yàn)選取0號(hào)柴油、F-T柴油、B10和B20共4種燃料，根據(jù)GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》在靜態(tài)供油提前角保持不變的條件下，進(jìn)行最大扭矩轉(zhuǎn)速2 400 r/min下的負(fù)荷特性試驗(yàn)，研究不同工況下柴油-正丁醇混合燃料燃燒和排放特性。試驗(yàn)過程中，每一工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)1 min后開始測量，燃燒分析儀采集130個(gè)循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)，取中間100個(gè)循環(huán)的缸壓值進(jìn)行燃燒過程分析。多組分尾氣排放分析儀和微炭煙排放測試儀連續(xù)采集30 s，剔除無效數(shù)據(jù)，取其余有效值的平均值作為最終結(jié)果。

0號(hào)柴油、F-T柴油與丁醇的低熱值不盡相同，燃油消耗率b并不能全面地評(píng)價(jià)其燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，采用當(dāng)量熱值燃油消耗率bE，將不同燃料的燃油消耗率轉(zhuǎn)化為等熱量的0號(hào)柴油的燃油消耗率進(jìn)行比較，見式(1)。

(1)

式中：m為油耗儀測得的燃油流量；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率；bE為當(dāng)量熱值燃油消耗率；H代表不同燃料的低熱值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燃燒特性分析

圖1示出2 400r/min，負(fù)荷為0.38MPa和0.69MPa時(shí)燃用4種燃料的缸壓和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。相同負(fù)荷下燃用F-T柴油的缸內(nèi)壓力最小。中負(fù)荷時(shí)隨著混合燃料正丁醇摻混比例的增加，缸內(nèi)壓力峰值略有增加，但仍低于柴油。高負(fù)荷時(shí)隨著正丁醇比例增加缸內(nèi)壓力峰值略有降低，但略高于柴油。燃用4種燃料的放熱率隨負(fù)荷的變化規(guī)律基本一致。同負(fù)荷下F-T柴油放熱率峰值最小，柴油最大，混合燃料介于兩者之間，且隨正丁醇含量的增加而增加。與柴油相比，其他3種燃料滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣少，燃燒始點(diǎn)提前，第一放熱率峰值減小，相位提前，有利于實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。擴(kuò)散燃燒比例的提高會(huì)使炭煙排放增加，但炭煙排放不僅受滯燃期影響，后期氧化過程也至關(guān)重要。對(duì)比圖1b可以看到，摻醇燃料第二放熱率峰值增加，有利于炭煙顆粒的氧化降解；同時(shí)摻醇燃料的含氧特性也會(huì)抑制炭煙生成?；旌先剂显谝欢ǔ潭壬媳憩F(xiàn)出先緩后急的放熱特點(diǎn)，有利于降低燃燒過程中最高溫度，使燃燒過程更加柔和，燃燒噪聲降低。

圖1 4種燃料的缸壓和放熱率曲線

圖2示出2 400r/min不同負(fù)荷下燃用4種燃料的缸壓峰值和壓力升高率峰值的變化規(guī)律。由圖2可見，隨著負(fù)荷增加，缸壓峰值呈現(xiàn)增長的趨勢(shì)，壓力升高率峰值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。同負(fù)荷下缸壓峰值和壓力升高率峰值均為F-T柴油最小，柴油最大，混合燃料介于兩者之間，且隨著正丁醇摻混比例的增加，峰值升高。

圖2 4種燃料缸壓峰值和壓力升高率峰值

出現(xiàn)上述規(guī)律的原因是混合燃料十六烷值、汽化潛熱和含氧量3個(gè)因素互相競爭的結(jié)果。柴油機(jī)燃燒過程取決于混合氣體的形成速度、分布特點(diǎn)及化學(xué)反應(yīng)活性。F-T柴油十六烷值高，燃料活性高[12]，滯燃期最短，隨著正丁醇比例的提高，混合燃料的滯燃期延長，但均低于柴油(見圖3)。滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣量減小，因此燃用F-T柴油的缸壓和壓力升高率峰值低于其他燃料。正丁醇是長鏈結(jié)構(gòu)醇類，這一結(jié)構(gòu)特性使其具有燃燒速度較快的特點(diǎn)，且含氧特性促進(jìn)了可燃混合氣的形成。這些因素都促使隨著正丁醇比例增加缸壓峰值和壓力升高率峰值增加，但均低于柴油。由圖中可見，中負(fù)荷下壓力升高率峰值要高于其他工況，原因是小負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度低，燃燒緩慢，高負(fù)荷時(shí)滯燃期變短。壓力升高率增加會(huì)提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，但其過大會(huì)使振動(dòng)和噪聲變大，因此使用混合燃料還可以降低柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

圖3 4種燃料在不同負(fù)荷下的滯燃期

圖4示出2 400r/min不同負(fù)荷下4種燃料的燃燒中心(θCA50)變化規(guī)律。θCA50定義為燃燒累計(jì)放熱量達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角[13]。由圖4可見，同一負(fù)荷下F-T柴油的θCA50相對(duì)于柴油有所推遲。中低負(fù)荷下混合燃料的θCA50相對(duì)于F-T柴油推遲，高負(fù)荷時(shí)則相反。與柴油相比，混合燃料的θCA50延遲。與柴油相比，F(xiàn)-T柴油和混合燃料的燃燒始點(diǎn)提前，滯燃期短，預(yù)混合燃燒放熱量減少，因此θCA50向后推遲。正丁醇蒸發(fā)吸熱降溫影響燃燒速度，且B10的氧含量低于B20，燃燒速度緩慢，因此B10的θCA50遲于B20。

圖4 4種燃料在不同負(fù)荷下的θCA50

圖5中除列出不同工況不同燃油的當(dāng)量熱值燃油消耗率外，同時(shí)給出了0.038 MPa下的燃油消耗率以供對(duì)比。由圖中可以看出，換算成等熱值柴油后的4種燃油油耗量基本相同。小負(fù)荷時(shí)B10混合燃料的油耗稍低，中大負(fù)荷后基本一致。F-T柴油和丁醇的加入不會(huì)對(duì)燃燒的熱效率造成明顯影響，丁醇的價(jià)格較便宜，提高了混合燃料的經(jīng)濟(jì)適用性。

圖5 不同負(fù)荷下各個(gè)燃料的當(dāng)量熱值燃油消耗率

2.2 排放特性分析

圖6和圖7分別示出2 400 r/min4種燃料在不同負(fù)荷下的炭煙和NOx排放特性，燃用4種燃料的炭煙和NOx排放隨負(fù)荷的變化規(guī)律基本一致。同負(fù)荷下燃用柴油的炭煙和NOx排放最大，F(xiàn)-T柴油次之，混合燃料較低，且隨正丁醇含量的增加而降低。相比于柴油，F(xiàn)-T柴油、B10和B20的炭煙排放降幅分別達(dá)15.0%，65.6%和67.8%，NOx排放降幅分別達(dá)18.8%，20.3%和20.9%。

圖6 燃用4種燃料在不同負(fù)荷下的炭煙排放

圖7 燃用4種燃料在不同負(fù)荷下的NOx排放

燃料的理化特性對(duì)柴油機(jī)的排放具有重要影響。F-T柴油m(H)/m(C)比柴油大，不含硫和芳香烴的特點(diǎn)以及擴(kuò)散燃燒速度快都有利于降低炭煙和NOx排放。摻混正丁醇降低排放原因有三：一是，正丁醇的含氧特性降低了缸內(nèi)局部燃空當(dāng)量比；二是，混合燃料中較低的碳原子和硫含量降低了生成炭煙前驅(qū)體和炭煙的比例[14]；三是，正丁醇的低十六烷值和高汽化潛熱使得燃油與空氣混合充分并降低缸內(nèi)燃燒溫度。因此，摻混含氧燃料正丁醇可以降低炭煙和NOx排放。F-T柴油的高十六烷值和正丁醇的含氧特性是降低炭煙和NOx排放的重要因素。

圖8示出2 400 r/min不同負(fù)荷下4種燃料Soot-NOx的trade-off關(guān)系，使用F-T柴油后柴油機(jī)的炭煙和NOx排放已向坐標(biāo)的左下方移動(dòng)，說明燃用F-T柴油可以同時(shí)降低炭煙和NOx排放。當(dāng)在F-T柴油中摻混正丁醇后，炭煙和NOx排放繼續(xù)向坐標(biāo)的左下方移動(dòng)，表明添加正丁醇可以達(dá)到同時(shí)降低炭煙和NOx排放的效果。

圖8 2 400 r/min，Soot-NOx的trade-off關(guān)系

3 結(jié)論

a) F-T柴油滯燃期最短，當(dāng)F-T柴油中摻混正丁醇后，混合燃料的滯燃期延長，但仍低于基準(zhǔn)燃料0號(hào)柴油；

b) 在同負(fù)荷下F-T柴油的缸內(nèi)壓力峰值最小；在中負(fù)荷時(shí)隨正丁醇摻混比例的增加，缸內(nèi)壓力峰值略有增加，但低于0號(hào)柴油；高負(fù)荷時(shí)隨正丁醇比例增加缸內(nèi)壓力峰值略有降低，但略高于0號(hào)柴油；

c) 在相同負(fù)荷下，隨著正丁醇摻混比例增加，壓力升高率峰值雖然增大，但仍低于0號(hào)柴油；

d) 摻混正丁醇后，燃料的炭煙和NOx排放明顯低于0號(hào)柴油，其中B20降低炭煙效果最佳，降幅高達(dá)67.8%；B20的NOx排放降幅達(dá)20.9%，并且改善了柴油燃料的炭煙和NOx排放trade-off關(guān)系。

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[編輯： 潘麗麗]

Combustion and Emission Characteristics of F-T Diesel and N-butyl Alcohol Blended Fuel

YUAN Xia1,2， WANG Tie1， GU Fengshou1, YANG Tiantian1, SUN Xiuquan1

(1. College of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. School of Mechanical and Power Engineering， North University of China， Taiyuan 030051, China)

F-T diesel is characterized by high cetane number, ultra-low sulfur and aromatic hydrocarbon and n-butyl alcohol is the renewable biomass fuels with high energy density. The combustion and emission characteristics of 0# diesel, F-T diesel, n-butyl alcohol and F-T diesel and n-butyl alcohol blended fuel were studied on a turbocharging intercooled 4-cylinder diesel engine. The results show that the in-cylinder pressure and pressure rise rate of F-T diesel and n-butyl alcohol blended fuel decrease. In addition, the blended fuel can reduce both soot and NOxemission.The soot emission decreases significantly with the increase of n-butyl alcohol. The soot and NOxdecreases by 67.8% and 20.9% respectively when 20% n-butyl alcohol is mixed.

F-T diesel; n-butyl alcohol; combustion; emission; noise

2016-06-20；

2016-09-02

原霞 (1976—)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)榍鍧嵢剂蠈?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響；yuanxia761220@163.com。

王鐵(1957—)，男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)清潔代用燃料；wangtie57@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.010

TK407.9

B

1001-2222(2017)01-0054-05