乙醇與柴油互溶性研究及混合燃料對柴油機排放性能的影響

張宗喜，張營華

(1.山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南 250101；2.濟南市技師學院軌道交通學院，山東 濟南 250031)

2018年，全國機動車保有量達到3.27億輛，進口石油4.619億t，石油對外依存度高達 70%[1]。柴油機由于熱效率高、燃油消耗率低、輸出功率大而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)及工業(yè)領(lǐng)域[2]。我國柴油車保有量僅占機動車保有量的9.1%，但柴油車CO、HC、NOx和PM排放量分別占汽車污染物排放總量的20%、30%、70%和90%[3]。面對節(jié)能減排的迫切需求，發(fā)展清潔代用燃料勢在必行，減少石油類燃油消耗和有害尾氣排放已成為當代研究的主要課題[4-5]。

乙醇有一定的熱值且燃燒充分，可作為含氧清潔燃料，同時因其價廉易得，適合作為代用燃料與柴油摻混使用[6-7]。 乙醇的燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、燃燒效率高、燃燒品質(zhì)好，不完全燃燒產(chǎn)物CO、HC較少[8]。與柴油相比，乙醇汽化潛熱大，在氣缸內(nèi)汽化可以降低氣缸內(nèi)最高燃燒溫度使NOx排放減少；同時使氣缸內(nèi)壓力降低，增加進氣量，使充量系數(shù)增大，提高柴油機動力性能[9]。研究表明，燃用含20%(體積分數(shù)，以混合燃料計，下同)乙醇的柴油-乙醇混合燃料，CO最高可減排62%左右，NOx最高可減排24%左右[10]。燃用摻醇柴油混合燃料可以明顯降低PM排放，研究表明在柴油中添加乙醇可以使PM排放量降低20%～40%[11]。

由于乙醇為強極性，而柴油為非極性，導致它們的互溶性有限，且混合后穩(wěn)定性大大降低。燃料的理化特性指標密度、熱值、黏度、十六烷值、水含量、硫含量等與燃料分子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)[12]。在應(yīng)用過程中，燃料理化特性影響其在發(fā)動機缸內(nèi)的噴射、霧化、著火延遲、熱量釋放率等[13]。因此，要推廣混合燃料，需要提高乙醇與柴油的互溶性和柴油-乙醇混合燃料的穩(wěn)定性。

助溶劑的極性必須介于強極性的乙醇和非極性的柴油之間，緩和乙醇與柴油之間的極性差，提高混合燃料(柴油、乙醇、助溶劑混合的三元混合燃料，下同)的穩(wěn)定性；同時助溶劑的理化性質(zhì)不能與柴油相差太大，價格不宜過高，否則會造成混合燃料的成本過高。助溶劑提高乙醇在柴油中溶解度的機理有兩種：一是助溶劑通過偶極子或氫鍵與乙醇分子結(jié)合, 再通過范德華力的作用與柴油中的烴分子結(jié)合, 在兩種力的共同作用下, 使乙醇分子分散于柴油中, 實現(xiàn)互溶；二是兩親性分子在柴油中形成對乙醇具有增溶能力的膠團實現(xiàn)互溶[14]。普遍研究認為：酯類、醚類、胺類和醇類等既含有羥基基團、又含有烴基基團的分子具有較好的助溶性能[15]。脂肪酸甲酯既是一種優(yōu)質(zhì)的柴油代用燃料[16]，同時因為它與柴油和醇類的溶解性很好[17-18]，可以作為醇基混合燃料的添加劑，成為柴油摻混低碳醇時的良好助溶性物質(zhì)[19]。

正丁醇可以由生物質(zhì)原料通過發(fā)酵獲得，屬可持續(xù)燃料，同時正丁醇也是優(yōu)質(zhì)的柴油代用燃料[19]。李雙定[14]對正丁醇作為柴油-乙醇混合燃料的助溶劑進行了可行性分析和互溶性試驗研究，并探究了混合燃料對柴油機性能的影響。發(fā)現(xiàn)正丁醇添加量為5%時效果最佳，含10%乙醇的柴油-乙醇混合燃料互溶穩(wěn)定時間超過60 d，而含20%～30%乙醇的柴油-乙醇混合燃料互溶穩(wěn)定時間也超過10 d；柴油機燃用混合燃料后，動力性能有所下降，油耗率上升，排放水平得到很大改善，并且隨著柴油-乙醇混合燃料中乙醇含量的增加，改善程度越明顯，碳煙排放及NOx排放降低，CO排放與柴油基本相當，但HC排放有所惡化。

實際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，助溶劑添加量與柴油-乙醇混合燃料中乙醇含量有極大的關(guān)系；乙醇的添加對柴油機排放的影響，尤其是對HC排放的影響存在爭議；目前針對柴油機燃用柴油-乙醇混合燃料時的非常規(guī)排放的研究較少。 因此，作者以正丁醇為助溶劑，研究乙醇與柴油的互溶性以及混合燃料對柴油機排放性能的影響，尤其是非常規(guī)排放的影響。

1 試驗

1.1 物性參數(shù)

柴油、乙醇、正丁醇的物性參數(shù)如表1所示。

表1 柴油、乙醇、正丁醇的物性參數(shù)

Tab.1 Physical properties of diesel,ethanol,andn-butanol

物性參數(shù)柴油乙醇正丁醇 低位熱值/(MJ·kg-1)42.727.533.1 密度/(kg·m-3)@20 ℃835.0788.0813.0 黏度/(mPa·s)@40 ℃3.01.22.9 汽化潛熱/(MJ·kg-1)0.30.90.6 十六烷值51.08.025.0 理論空燃比14.39.011.1 碳含量/%86.652.264.9 氫含量/%13.434.821.6 氧含量/%013.013.5 硫含量/(mg·kg-1)<1000

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗用柴油機是一臺臥式單缸四沖程水冷柴油機，缸徑105.0 mm，行程120.0 mm，活塞排量1.0 L，標定功率13.7 kW，標定轉(zhuǎn)速2 200.0 r·min-1，最大轉(zhuǎn)矩68.4 N·m，最大轉(zhuǎn)速1 840.0 r·min-1，燃油消耗率230.0 g·(kW·h)-1，壓縮比17∶1。

柴油機性能測試系統(tǒng)(圖1)主要由柴油機、動力測試系統(tǒng)、排放測試系統(tǒng)及稀釋系統(tǒng)組成。柴油機煙氣經(jīng)稀釋系統(tǒng)稀釋后在停留室充分混合，再進行PM2.5、甲醛、乙醛及揮發(fā)性有機化合物(VOCs)排放檢測。柴油機性能測試相關(guān)設(shè)備見表2。

圖1 柴油機性能測試系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of performance test system of diesel engine

表2 柴油機性能測試相關(guān)設(shè)備

Tab.2 Correlative equipment for performance test of diesel engine

1.3 試驗方法

1.3.1 正丁醇添加量對乙醇與柴油互溶性的影響

為提高乙醇與柴油的互溶性，在柴油-乙醇混合燃料中添加助溶劑正丁醇，以混合燃料不分層為指標，記錄正丁醇的最適添加量，即混合燃料達到穩(wěn)定不分層時的正丁醇與乙醇的最佳體積比，考察正丁醇添加量對乙醇與柴油互溶性的影響。

1.3.2 正丁醇添加方式對乙醇與柴油互溶性的影響

分別采用兩種方式添加正丁醇制備混合燃料：柴油與乙醇混合后加入助溶劑正丁醇，得到的混合燃料記為柴油-乙醇-正丁醇；柴油和助溶劑正丁醇混合后再加入乙醇，得到的混合燃料記為柴油-正丁醇-乙醇。以混合燃料穩(wěn)定不分層為指標，記錄兩種方式下，正丁醇的最適添加量，考察正丁醇添加方式對乙醇與柴油互溶性的影響。

1.3.3 混合燃料對柴油機性能的影響

由于試驗用柴油機為拖拉機用柴油機，其性能測試參照GB 20891-2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》標準。固定柴油機轉(zhuǎn)速為1 800 r·min-1，調(diào)節(jié)負荷百分比分別為 60%、70%、80%、90%和 100%，探究柴油機燃用混合燃料時燃油經(jīng)濟性、動力性及排放特性隨負荷的變化規(guī)律。試驗過程中不對柴油機進行任何調(diào)整；為避免不同混合燃料之間的相互影響，每次更換燃料前需清洗油管，更換燃料后使柴油機燃用新燃料穩(wěn)定運行0.5 h以上。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙醇與柴油互溶性研究

2.1.1 正丁醇添加量

以混合燃料不分層為指標，不同乙醇含量的柴油-乙醇混合燃料中正丁醇的最適添加量(體積分數(shù)，以柴油計)如圖2所示。

圖2 不同乙醇含量的柴油-乙醇混合燃料中正丁醇的最適添加量Fig.2 Optimum amount of n-butanol adding into diesel-ethanol blend with different ethanol contents

從圖2可知，正丁醇作為助溶劑加入到不同乙醇含量的柴油-乙醇混合燃料中后，均可促進乙醇在柴油中的溶解，形成穩(wěn)定的混合燃料?；旌先剂现幸掖寂c正丁醇的體積比接近1∶1，助溶效果較好。

2.1.2 正丁醇添加方式

采用兩種方式添加正丁醇，以混合燃料穩(wěn)定不分層為指標，正丁醇的最適添加量如圖3所示。

從圖3可知，采用兩種方式添加正丁醇，形成穩(wěn)定混合燃料時的正丁醇最適添加量差別不大，表明正丁醇添加方式對其助溶效果影響不大。

2.1.3 混合燃料的穩(wěn)定性

混合燃料靜置10個月以上未見分層，在-5 ℃左右時也未見分層。表明添加正丁醇可提高乙醇與柴油的互溶性，所得混合燃料穩(wěn)定性較好。

圖3 兩種添加方式下，正丁醇的最適添加量Fig.3 Optimum amount of n-butanol under two addition methods

2.1.4 混合燃料的物性參數(shù)

用DEB 代表柴油、乙醇、正丁醇形成的混合燃料體系，其后的數(shù)字表示混合燃料中醇類物質(zhì)的含量(%)?；旌先剂系奈镄詤?shù)如表3所示。

表3 混合燃料的物性參數(shù)

Tab.3 Physical parameters of blend

2.2 混合燃料對柴油機排放性能的影響

2.2.1 常規(guī)排放特性分析

不同負荷百分比下，柴油機燃用不同醇含量的混合燃料時CO、NOx的排放量如圖 4 所示，用D100代表純柴油。

圖4 不同負荷百分比下CO(a)、NOx(b)的排放量Fig.4 CO(a) and NOx(b) emissions under different loads

從圖4a可知，當負荷百分比從60%增加到70%時，CO排放量明顯減少；當負荷百分比繼續(xù)增加時，CO 排放量變化不大；燃用混合燃料時CO排放量較燃用純柴油減少13.96%～46.73%，且CO排放量減少幅度隨混合燃料中醇含量的增加而增加。這是因為，混合燃料 DEB5、DEB10、DEB15、DEB20的含氧量分別為1.40%、2.71%、4.02%、5.24%，有助于燃料完全燃燒；乙醇、正丁醇的C/H值較低，有助于CO向CO2轉(zhuǎn)化；柴油中添加醇類物質(zhì)后，形成的可燃混合氣燃燒時發(fā)生微爆，有利于油氣充分混合，促進燃料充分燃燒。

從圖4b可知，NOx排放量隨負荷百分比的增加逐漸增加，當負荷百分比超過90%后，NOx排放量減少；燃用混合燃料時NOx排放量較燃用純柴油減少1.35%～16.92%，且NOx排放量減少幅度隨混合燃料中醇含量的增加而增加。這是因為，乙醇、正丁醇的汽化潛熱分別是柴油的3倍和2倍，三者混合后形成的混合燃料的汽化潛熱大于柴油的汽化潛熱，形成的可燃混合氣蒸發(fā)、霧化吸收的熱量更多，從而能降低柴油機氣缸內(nèi)的燃燒溫度；乙醇、正丁醇為含氧燃料，會導致混合氣中氧含量增加，將部分NO氧化為NO2。

2.2.2 非常規(guī)排放特性分析

不同負荷百分比下，柴油機燃用不同醇含量的混合燃料時 VOCs、PM2.5排放量如圖5所示。

圖5 不同負荷百分比下VOCs(a)、PM2.5(b)的排放量Fig.5 VOCs(a) and PM2.5(b) emissions under different loads

從圖5a可知，VOCs 排放量隨負荷百分比的增加而減少，當負荷百分比超過90%時，VOCs 排放量略有增加；柴油機燃用混合燃料時VOCs 排放量較燃用純柴油增加 1.94%～32.43%，且VOCs 排放量增加幅度隨混合燃料中醇含量的增加而增加。VOCs 是燃料不完全燃燒的中間產(chǎn)物，其生成量與未燃HC量、排氣中氧濃度及溫度密切相關(guān)，另外噴油壓力、噴孔直徑及噴油提前角等也會影響VOCs生成[28]。柴油機燃用混合燃料時VOCs排放量增加的原因主要包括：①采用較低的啟噴壓力就能實現(xiàn)乙醇、正丁醇與柴油均勻混合形成均勻混合氣，但是試驗時沒有調(diào)整柴油機的參數(shù)，啟噴壓力不變，該壓力大于乙醇和正丁醇需要的啟噴壓力；盡管在較高噴射壓力下可減小燃油液滴尺寸，但也會增大噴霧貫穿度，增加燃燒室壁面和縫隙處吸附的燃油量，在燃燒后期被氧化成VOCs等中間產(chǎn)物排出氣缸；②試驗時沒有更換柴油機噴嘴，對于乙醇、正丁醇等燃料來說柴油機原有噴嘴的噴孔直徑較大，可燃混合氣的形成速度下降，油滴尺寸增加，燃燒緩慢，導致進入燃燒室壁附近熄火區(qū)內(nèi)的未燃氣體增加，VOCs排放量增加；③乙醇、正丁醇的汽化潛熱分別是柴油的3倍和2倍，使氣缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，壁面激冷效應(yīng)增強，VOCs排放量增加。

從圖5b可知，PM2.5排放量隨負荷百分比的增加先減少后略微增加；燃用混合燃料時PM2.5排放量較燃用純柴油減少 5.81%～44.37%，PM2.5排放量降低幅度隨混合燃料中醇含量(≤15%)的增加而增加。 這是因為：①乙醇、正丁醇均為含氧燃料，有助于可燃混合氣的完全燃燒，加速PM的氧化；②乙醇和正丁醇含碳量較低，可抑制PM的形成；③乙醇和正丁醇的黏度低于柴油，使混合燃料黏度降低，可燃混合氣更易于霧化，避開PM 生成區(qū)域；④乙醇和正丁醇的十六烷值低于柴油，造成混合燃料的滯燃期延長，使更多的燃料在預(yù)混合燃燒階段燃燒，減少在擴散燃燒階段的燃油；⑤混合燃料在燃燒過程中發(fā)生微爆，燃料燃燒更充分[20]。

3 結(jié)論

以正丁醇為助溶劑促進乙醇在柴油中的溶解，形成穩(wěn)定的混合燃料，將該混合燃料作為柴油機燃料，探究混合燃料對柴油機排放特性的影響。結(jié)果表明：正丁醇作為助溶劑，可促進乙醇與柴油互溶，在乙醇與正丁醇的體積比接近1∶1 時可形成穩(wěn)定的混合燃料，靜置10個月以上不分層，在-5 ℃左右不分層，可用作柴油機燃料；正丁醇的添加方式對其助溶效果影響較小，最適添加量差別不大；負荷特性下，與燃用純柴油相比，柴油機燃用混合燃料時，CO和NOx排放量分別減少13.96%～46.73%和1.35%～16.92%，VOCs排放量增加1.94%～32.43%，PM2.5排放量減少5.81%～44.37%。柴油與醇類燃料混合燃燒可以實現(xiàn)在減少NOx排放量的同時減少 PM2.5排放量。