丁醇同分異構(gòu)體-柴油混合燃料噴霧燃燒特性的試驗(yàn)研究

李婕，宋建桐,，朱春紅，吳晗

(1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

環(huán)境污染與能源危機(jī)日益嚴(yán)重，人們對可再生的生物燃料越來越重視。目前柴油機(jī)代用燃料中常用的生物燃料主要有生物柴油、二甲醚、甲醇、乙醇和丁醇等，其中以甲醇、乙醇和丁醇等為代表的醇類燃料被認(rèn)為是很有前景的代用燃料。大量研究表明，醇類燃料因分子中含有氧元素，有利于完全燃燒，在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用醇類燃料可以有效地減少CO，CH和炭煙的排放。

短鏈醇類燃料甲醇和乙醇在交通行業(yè)早已經(jīng)有了一定規(guī)模的應(yīng)用[1-2]，甲醇在二十世紀(jì)八九十年代就已經(jīng)開始應(yīng)用于柴油機(jī)，乙醇的應(yīng)用更廣泛，在生物燃料中占有更大的份額。甲醇和乙醇與柴油摻燒的研究成果也比較豐富。在柴油中摻燒乙醇和正丁醇可以減少生命周期溫室氣體排放，但乙醇具有熱值低、與柴油的相容性差、潛熱高、容易汽化、閃點(diǎn)低、蒸氣壓力高和十六烷值低等缺點(diǎn)。而具有更長碳鏈的丁醇能量密度和十六烷值更高，具有和傳統(tǒng)柴油更相似的性質(zhì)，而且與柴油相容性更好，能溶解一定的水分，非常有利于與柴油摻燒，其被認(rèn)為是比甲醇和乙醇更有潛力的生物燃料。丁醇可以兼容現(xiàn)有的燃料運(yùn)輸設(shè)施，并不需要對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大的改動(dòng)[3]，而且丁醇可通過微生物發(fā)酵，利用可再生的農(nóng)作物制取[4]。

丁醇是包括4個(gè)碳原子的飽和醇類，其包括正丁醇、異丁醇、仲丁醇和叔丁醇4種同分異構(gòu)體，4種異構(gòu)體均可通過化學(xué)催化和發(fā)酵制取。在發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料方面，目前研究較多的是直鏈正丁醇。Chen等[5]發(fā)現(xiàn)柴油摻混正丁醇后，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗略有增加，但其熱效率比燃用柴油有一定程度的提高。Yamamoto等[6]在柴油機(jī)上的研究發(fā)現(xiàn)，柴油摻混正丁醇的炭煙排放比摻混乙醇的炭煙排放量更低，也證明了丁醇作為柴油替代燃料的潛力。

目前，針對丁醇同分異構(gòu)體作為柴油替代燃料的研究較少[7]，從燃料燃燒放熱的角度并不能確定何種丁醇同分異構(gòu)體更適合應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，本研究在定容燃燒彈系統(tǒng)上，利用光學(xué)測試的方法,研究了4種丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料噴霧燃燒過程中的火焰發(fā)展特性、火焰舉升高度、火焰瞬時(shí)強(qiáng)度、累計(jì)火焰強(qiáng)度、不同環(huán)境溫度和氧濃度下的燃燒壓力和放熱速率、燃燒滯燃期、燃燒持續(xù)期等規(guī)律，為丁醇作為柴油機(jī)代用燃料的應(yīng)用技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在一個(gè)內(nèi)腔直徑為110 mm、高為65 mm的定容燃燒彈中進(jìn)行。燃燒彈頂部安裝了一塊熔融石英玻璃視窗，可在低至190 nm的光譜范圍里保持較高的透過率。噴油器安裝在燃燒彈底部，方向正對著石英視窗(見圖1)。試驗(yàn)前將腔體壁面加熱到105 ℃，以模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的壁面溫度條件，同時(shí)可以防止燃燒后產(chǎn)生的水蒸氣在石英視窗上凝結(jié)。在腔體上安裝了一個(gè)壓力傳感器來記錄缸壓數(shù)據(jù)，并采用高能等離子點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃預(yù)先充入的可燃混合氣。

圖1 定容燃燒彈裝置示意

試驗(yàn)時(shí)，先通過點(diǎn)燃預(yù)先充入的乙炔、氧氣、空氣和氮?dú)獾目扇蓟旌蠚?，在燃燒室?nèi)預(yù)先建立高溫、高壓的環(huán)境。隨著壁面的熱量散失，燃燒室內(nèi)溫度和壓力逐漸降低，當(dāng)壓力降到試驗(yàn)設(shè)定值時(shí)，電控系統(tǒng)控制噴油器噴油，同時(shí)高速攝像機(jī)和缸壓傳感器開始記錄數(shù)據(jù)。噴油器為液力驅(qū)動(dòng)電控式噴油器，共有6孔，高速攝像機(jī)僅記錄其中一束的燃燒過程。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

通過缸內(nèi)壓力采集系統(tǒng)獲得壓力曲線后，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可以由缸壓數(shù)據(jù)計(jì)算出燃燒放熱規(guī)律。其中，著火時(shí)刻定義為累計(jì)放熱量達(dá)到總放熱量10%的時(shí)刻，著火延遲時(shí)間則定義為噴射時(shí)刻與著火時(shí)刻之間的間隔；燃燒持續(xù)期定義為累計(jì)放熱量達(dá)到總放熱量10%與90%的時(shí)間間隔。

通過高速攝像機(jī)透過燃燒彈頂部的玻璃視窗拍攝的噴霧著火圖像，可以反映燃燒火焰的發(fā)展過程。火焰舉升高度為有自然發(fā)光區(qū)域距噴油器的最近距離。對火焰自然發(fā)光圖像的所有像素點(diǎn)強(qiáng)度值進(jìn)行積分，得到火焰瞬態(tài)發(fā)光強(qiáng)度(Spaced integrating natural luminosity，SINL)，對噴射過程中不同時(shí)刻的SINL進(jìn)行積分則可以得到火焰累計(jì)發(fā)光強(qiáng)度(Time integrating natural luminosity，TINL)[8]。

1.3 測試工況

燃料噴射時(shí)，定容燃燒彈內(nèi)環(huán)境氣體的氧濃度和密度可通過預(yù)噴入混合氣體組分的壓力來控制，環(huán)境氣體的壓力和溫度則可根據(jù)噴油等待的時(shí)間控制。試驗(yàn)測試的環(huán)境氣體密度控制為14.8 kg/m3，該值為一般柴油機(jī)上止點(diǎn)附近缸內(nèi)氣體的典型密度。試驗(yàn)測試的環(huán)境溫度分別為800 K，1 000 K和1 200 K，環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)分別為21%，16%和11%。4種丁醇同分異構(gòu)體分別以20%的體積比與柴油混合形成混合燃料，分別用n-B20，iso-B20，sec-B20和tert-B20來表示含有20%正丁醇、異丁醇、仲丁醇、叔丁醇的柴油混合燃料。丁醇同分異構(gòu)體的理化性質(zhì)見表1，它們與丁醇性質(zhì)相近。試驗(yàn)測試工況見表2。

表1 丁醇同分異構(gòu)體的理化性質(zhì)[8-9]

表2 試驗(yàn)測試工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燃燒放熱

不同環(huán)境溫度和氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料的燃燒壓力和放熱速率對比見圖2。當(dāng)環(huán)境溫度為1 200 K和1 000 K時(shí)，放熱率峰值較低，曲線較平坦。這是因?yàn)闇囟容^高時(shí)，燃料的滯燃期縮短，燃燒前期累積的可燃混合氣減少，因而放熱峰值降低。同一溫度下，隨著氧濃度的降低，放熱率峰值下降。同一環(huán)境溫度下，隨著氧濃度的降低，滯燃期變長，預(yù)混合燃燒增加，放熱率峰值增大。當(dāng)環(huán)境溫度為1 200 K和1 000 K時(shí)，不同氧濃度下，不同丁醇同分異構(gòu)體-柴油混合燃料的放熱率曲線區(qū)別不大，幾乎重合。

當(dāng)環(huán)境溫度為800 K時(shí)，溫度的降低導(dǎo)致噴霧蒸發(fā)速率降低，燃料化學(xué)反應(yīng)速率減慢，不同燃料的放熱率曲線差異較大。當(dāng)環(huán)境溫度為800 K時(shí)，隨氧濃度的減小，n-B20的放熱率明顯減小，在丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料中，當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)為21%時(shí)，n-B20的放熱率峰值最大，而當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)為16%和11%時(shí)則最低。正丁醇對環(huán)境氧濃度最敏感，iso-B20和sec-B20的放熱率峰值隨著氧濃度的降低而逐漸降低，降幅沒有n-B20明顯，而tert-B20的放熱率峰值隨著氧濃度的降低略有降低，降幅最小，且燃燒相位推遲，與其他燃料相比，其最穩(wěn)定。

不同環(huán)境溫度和氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料的燃燒持續(xù)期見圖4。隨著環(huán)境溫度的降低，燃燒持續(xù)期縮短，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度降低，滯燃期增長，預(yù)混燃燒的強(qiáng)度增大，導(dǎo)致燃燒速率明顯增大。隨著氧濃度的降低，化學(xué)反應(yīng)速率降低，所以燃燒持續(xù)期明顯變長。對比不同丁醇同分異構(gòu)體和柴油的混合燃料可以發(fā)現(xiàn)，在所有測試條件下，n-B20，iso-B20和sec-B20的燃燒持續(xù)期依次降低，這主要是因?yàn)閚-B20，iso-B20和sec-B20 3種混合燃料的汽化潛熱依次降低。而在丁醇同分異構(gòu)體和柴油的混合燃料中，tert-B20的汽化潛熱最低，但其自燃溫度最高，因此與sec-B20相比，在低溫低氧濃度條件下，其燃燒持續(xù)期變化不大，而在高溫高氧濃度時(shí)，其燃燒持續(xù)期略長。

2.2 燃燒火焰

當(dāng)環(huán)境溫度為1 000 K且含氧體積分?jǐn)?shù)為21%時(shí)，丁醇-柴油混合燃料的自然火焰發(fā)展過程見圖5。從火焰的總體發(fā)展過程可以發(fā)現(xiàn)，與其他噴霧燃燒相比，丁醇-柴油混合燃料的火焰發(fā)展過程相近，火焰都是首先在距噴油器頂端一定距離處生成，然后向四周擴(kuò)散，當(dāng)其與燃燒室壁面相撞擊時(shí)，形成明顯的扇形燃燒形狀。各丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料的噴霧燃燒火焰的形狀非常相似。由1.71 ms時(shí)高速攝像機(jī)拍下的各混合燃料出現(xiàn)火焰的第一幀圖片可見，它們均為錐形火焰形狀，火焰強(qiáng)度也比較接近，均低于之后幾幀的燃燒火焰強(qiáng)度；因?yàn)椴煌〈纪之悩?gòu)體與柴油混合燃料燃燒相位不同，導(dǎo)致其火焰尺寸略有差別。

當(dāng)環(huán)境溫度為1 200 K和1 000 K時(shí)，不同環(huán)境氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料燃燒火焰舉升高度的變化趨勢見圖6。與其他燃料相似，隨著燃燒的持續(xù)，丁醇-柴油混合燃料的火焰舉升高度逐漸降低。隨溫度的升高、氧濃度的增大，火焰舉升高度明顯降低。丁醇-柴油混合燃料的燃燒火焰沒有表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒現(xiàn)象，火焰舉升高度隨燃燒的進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定下降。

在環(huán)境氧濃度和環(huán)境溫度都較高(21%，1 200 K)時(shí)，不同丁醇-柴油混合燃料的燃燒火焰的舉升高度較為接近且均較低；而當(dāng)環(huán)境溫度及氧濃度降低時(shí)，特別是環(huán)境氧濃度降低時(shí)，火焰舉升高度明顯升高。隨環(huán)境溫度和氧濃度的降低，iso-B20，sec-B20和tert-B20 3種混合燃料的火焰舉升高度差別不大，而n-B20的總體火焰舉升高度明顯增加，在1 000 K，11%時(shí)，n-B20的火焰舉升高度為其他混合燃料的1.3倍左右。這有助于燃油在噴霧過程中與空氣混合，提高混合氣質(zhì)量，降低燃燒區(qū)域混合氣濃度，從而減少炭煙的生成。

圖6 不同環(huán)境溫度和氧濃度下的火焰舉升高度

不同環(huán)境溫度和氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料的燃燒室內(nèi)瞬時(shí)火焰強(qiáng)度(SINL)的變化趨勢見圖7。隨著環(huán)境溫度的降低 ，SINL的持續(xù)期明顯變短，峰值顯著降低，SINL曲線的形狀逐漸由梯形變?yōu)榈撞扛〉娜切?。這主要是因?yàn)闇囟鹊慕档惋@著減少了炭煙的生成量。隨著氧濃度的降低，混合燃料的SINL曲線峰值降低，其存在的持續(xù)期逐漸變長。這主要是因?yàn)殡S氧濃度的降低，可燃混合氣的形成速率降低，炭煙的生成速率下降，導(dǎo)致SINL峰值下降，但其燃燒持續(xù)期的增加導(dǎo)致了火焰存在的時(shí)間變長。除n-B20外，其他丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料的SINL較為相近。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)(1 200 K和1 000 K)，所有丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料的火焰幾乎同時(shí)出現(xiàn)，但n-B20的燃燒火焰結(jié)束時(shí)間最晚。在800 K時(shí)，n-B20的燃燒火焰強(qiáng)度SINL峰值與持續(xù)期低于其他燃料，在氧體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)，丁醇-柴油混合燃料的火焰強(qiáng)度SINL為0。

圖7 不同環(huán)境溫度和氧濃度下的瞬時(shí)火焰強(qiáng)度

不同環(huán)境溫度和氧濃度下，丁醇-柴油混合燃料的累計(jì)火焰強(qiáng)度(TINL)對比見圖8。隨溫度的降低，丁醇-柴油混合燃料的TINL明顯降低。在環(huán)境溫度為1 200 K時(shí)，隨氧濃度的降低，TINL值略有升高，但在1 000 K和800 K時(shí)，TINL值降低。這主要是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度較高時(shí)，隨著氧濃度的降低，SINL的峰值沒有明顯降低，但持續(xù)期增長，因此TINL值略有增大；而當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，隨氧濃度的降低，SINL的峰值和存在持續(xù)期均大幅減小，導(dǎo)致TINL值降低。

圖8 不同環(huán)境溫度和氧濃度下的累計(jì)火焰強(qiáng)度

當(dāng)環(huán)境溫度為1 200 K時(shí)，在丁醇同分異構(gòu)體和柴油混合燃料中，n-B20的TINL值均最大，當(dāng)環(huán)境溫度為1 000 K時(shí)，與其他混合燃料接近，而在環(huán)境溫度為800 K時(shí)，其明顯低于其他混合燃料，這說明n-B20在高溫時(shí)炭煙生成量最高，而在低溫時(shí)，其炭煙生成量最低。

3 結(jié)論

a) 在環(huán)境溫度為1 200 K和1 000 K時(shí)，不同丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料的燃燒放熱規(guī)律幾乎相同，但當(dāng)溫度降低至800 K時(shí)，差異較明顯；

b) 在環(huán)境溫度較低時(shí)，氧濃度對正丁醇-柴油混合燃料的燃燒效率影響較大，當(dāng)氧濃度較高時(shí)，燃燒相位更靠前，燃燒放熱率峰值更高，而當(dāng)氧濃度較低時(shí)則變化趨勢相反；

c) 不同丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料的燃燒火焰形狀相似，燃燒發(fā)生時(shí)刻略有差異；

d) 當(dāng)環(huán)境溫度與氧濃度較高時(shí)，不同丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料的燃燒火焰舉升高度接近，但當(dāng)溫度較低時(shí)，正丁醇的燃燒火焰舉升高度升高，也因此導(dǎo)致其火焰強(qiáng)度降低，從而有利于降低其炭煙排放；

e) 不同丁醇同分異構(gòu)體與柴油混合燃料的燃燒放熱和火焰發(fā)光特性相近，但當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，正丁醇-柴油混合燃料的炭煙排放最低。