柴油机燃用柴油/正丁醇混合燃料的经济性与排放特性

王站成，吴凤英，吴 健，朱莉莉

(河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003)



柴油机燃用柴油/正丁醇混合燃料的经济性与排放特性

王站成，吴凤英，吴 健，朱莉莉

(河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003)

针对日益严峻的能源及环境污染问题，通过发动机台架试验，在一台增压电控高压共轨柴油机上，研究了正丁醇体积掺混比分别为0%、5%、10%、15%和20%的柴油/正丁醇混合燃料对柴油机经济性和排放特性的影响。研究结果表明：当转速为2 000 r/min时，相同负荷下油耗率随着正丁醇掺混比的增加而增加；转速为3 200 r/min时，正丁醇体积掺混比为5%时的燃油消耗率最低，当体积掺混比大于5%时，相同负荷下油耗率随着正丁醇体积掺混比的增加而增加；在相同转速下，排气温度随着正丁醇体积掺混比的增加而降低；当正丁醇体积掺混比小于15%时，随着正丁醇体积掺混比的增加，HC排放明显降低，CO排放在大负荷时降低、中小负荷时增加，但NOX排放量在高速及大负荷时增加，低速小负荷时略有降低。

柴油/正丁醇混合燃料；柴油机；负荷特性；排放特性

0 引言

目前，柴油机在机动车中的应用比率逐年呈指数增长趋势[1]，而机动车尾气排放已成为城市面临的主要污染问题，柴油车的氮氧化合物(NOX)和颗粒物(PM)排放量较高，因此，高效清洁燃烧以及替代燃料的研究受到了越来越多的重视。而使用含氧燃料或含氧添加剂与柴油混合，被认为是降低柴油机排放的有效措施。国内外研究比较多的醇类替代燃料主要有甲醇和乙醇，丁醇是新近兴起研究的新型替代燃料之一。正丁醇作为丁醇的同分异构体之一，与甲醇、乙醇相比，其最大的优点是亲水性差，能够与汽油、柴油高比例混合，主要的研究方向是用作生物燃料替代物或传统石油燃料的助溶剂，以增加乙醇等与汽油、柴油的混合比例[2-3]。正丁醇可以从生物质制取，属于含氧燃料，十六烷值比柴油低，这些特性表明，柴油掺混正丁醇有利于改善柴油机的性能[4-7]。国内外对柴油掺混正丁醇对发动机性能的影响有一定的研究。如文献[8]在试验台架上研究了丁醇比例对重型柴油机燃烧和排放的影响规律。文献[9]对正丁醇/柴油不同比例掺混的混合燃料及纯柴油在固定转速、不同负荷下排放情况进行了研究。文献[10-11]在柴油乘用车中研究了丁醇和柴油混合燃料的燃烧及排放特性。文献[12]研究了柴油中掺烧大比例丁醇(丁醇体积分数为40%)对柴油机燃烧和排放性能的影响。文献[13]对正丁醇/生物柴油双燃料高预混压燃(HPCC)作了试验研究。文献[14]研究了正丁醇及其同分异构体对柴油机低温燃烧性能的影响。这些研究表明：在柴油中掺混一定比例正丁醇，在保证较高的经济性和动力性下，可以有效降低排放，在发动机上有较好的应用前景，但在增压电控高压共轨柴油机上的研究鲜有报道。因此，本文通过台架试验，研究了不同掺混比的正丁醇/柴油混合燃料对高压共轨柴油机性能的影响。

1 试验方法和燃料的主要理化特性

本次试验在发动机台架上进行，所用柴油机为一台四缸增压电控高压共轨柴油机，其压缩比为16.7，额定功率为110 kW，额定转速为4 000 r/min，最大转矩为310 N·m。试验中使用的主要设备有湘仪FC2000发动机测控系统、GW250电涡流测功机、湘仪FC2210Z智能油耗仪和Horiba MEXA-7100D排放设备等。表1为试验用燃料的主要物理化学特性参数。正丁醇体积分数分别为0%、10%、15%和20%的柴油/正丁醇滋合燃料，分别记为D100、B5、B10、B15和B20。

表1 柴油与正丁醇的部分物理化学特性参数

2 试验结果与分析

2.1 负荷特性

图1为发动机转速分别为2 000 r/min和3 200 r/min时，燃油消耗率随转矩的变化曲线。由图1可看出：各种燃油的燃油消耗率随着转矩的变化总体趋势基本相同。燃油消耗率曲线在负荷增加时先下降，下降到最低点后，随着负荷的进一步增大，燃油消耗率有所上升，且转速越高上升越明显，但曲线整体变化较为平坦。这主要是由于在转速不变时，机械损失变化不大，而平均有效压力随负荷增大而增大，因此机械效率随负荷增大上升很快。因此，燃油消耗率一开始随负荷增加下降很快，到某一负荷时达到最低。而在大负荷时，过量空气系数变小，混合气形成与燃烧开始恶化，燃油消耗率有所上升，而试验所用柴油机为废气涡轮增压柴油机，负荷增大时排气能量增大，从而提高了进气密度，又使过量空气系数提高。所以在大负荷时，燃油消耗率曲线虽有所增加，但较为平坦。而图1b在大负荷时燃油消耗率上升幅度较图1a的大，这主要是由于转速升高后平均机械损失增大，使得燃油消耗率上升较快。

图1 燃油消耗率随转矩的变化

由图1a可看出：当转速为2 000 r/min时，油耗率随着正丁醇掺混比例的增加而增加，但B15和B20的燃油消耗率变化不大，而在大负荷时变化较小。由图1b可看出：当转速为3 200 r/min时，B5的燃油消耗率最低，其他燃料在小负荷下的油耗率随着正丁醇掺混比例的增加而增加，而在较大负荷时，除B5外，各种燃料的消耗率相差不大。这主要是由于柴油的十六烷值及低热值比正丁醇的高，因此油耗率相对较低。而当混合比例为5%时，在高转速下油耗低，这主要是因为在高转速下，缸内温度高，正丁醇掺混比小，汽化潜热作用不明显，但由于正丁醇的运动黏度比柴油的运动黏度小，在柴油中加入少量的正丁醇可以优化雾化效果，使混合燃料与周围气体的混合更好，提高了燃烧性能，降低了油耗。

图2是发动机转速分别为2 000 r/min和3 200 r/min时，燃烧不同燃料时排气温度随转矩的变化曲线。由图2可知：排气温度随负荷的增大不断升高，且在大负荷下转速越高，排气温度越高，这主要是由于每循环供油量随负荷及转速增大而增大。当转速为2 000 r/min时，排气温度随着正丁醇掺混比例的增加而降低，当转速为3 200 r/min时，各种燃料的排气温度在相同的工况下相差不大。这主要是由于正丁醇十六烷值低使滞燃期延长，着火推迟，同时正丁醇汽化潜热较大、热值较低，两者综合作用导致缸内温度降低，所以排气温度随着正丁醇掺混比例的增加而降低；但当转速较高时，使得燃烧时间变短，而混合燃料中含有氧，又有利于提高燃烧效率，所以高转速时各种混合燃料的排气温度在相同工况下相差不大。

2.2 排放特性

图3～图5为各混合燃料在发动机转速分别为2 000 r/min和3 200 r/min时的HC、CO、NOX排放量(体积分数)曲线。

图2 排气温度随转矩的变化

不同混合燃料HC排放量随发动机负荷的变化如图3所示。由图3可看出：随着负荷的增大，混合燃料HC排放量均明显降低。这主要是由于柴油机排气中的HC是由发动机未燃尽的燃料分解而产生的气体，在小负荷时，循环喷油量少，燃烧室内温度和压力低，超稀混合气增加，局部熄火造成的HC排放量增加；而高负荷下，喷油量大，混合气局部熄火的情况改善，所以HC排放量很低[15]。随着掺混比的增加，HC排放量先降低；当正丁醇体积掺混比超过15%后，HC排放量开始增大，如B5和B10混合燃料的HC排放量明显比D100低，B15混合燃料的HC排放量与D100的相差不大，但B20混合燃料的HC排放明显比D100的HC排放量要高。这主要是由于正丁醇的运动黏度比柴油的运动黏度小，在柴油中加入少量的正丁醇可以优化雾化效果，使得混合燃料与周围气体的混合更好；且正丁醇属于含氧燃料，使燃烧更充分，提高了发动机的燃烧效率，同时降低了柴油燃烧过程中因缺氧而形成的HC排放，使HC排放量降低[16]。但是正丁醇的汽化潜热较柴油大，同时正丁醇的十六烷值较低，使着火延迟期延长，燃烧速度减慢，火焰温度降低，喷雾过稀区增多，所以体积掺混比超过15%时，HC排放量增加。在转速为3 200 r/min时，各混合燃料HC排放量的变化没有在2 000 r/min负荷特性下的大，这主要是由于转速提高后，缸内温度升高，使得HC排放量随掺混比例的变化没有2 000 r/min时那么敏感。

图3 各种燃料的HC排放量

不同混合燃料CO排放量随发动机负荷的变化如图4所示。由图4可知：随着正丁醇比例的增大，CO排放量在中小负荷时增加，大负荷时降低。对比图4a和图4b可看出：柴油机转速越低这种变化越明显。这是由于CO是化学反应动力学的产物，即当温度能够使混合气发生低温和蓝焰反应，但没有热焰反应发生时，会导致CO不能得到继续氧化而生成。因此，在氧气充足且混合气均匀时，CO生成主要是由于缸内较低的燃烧温度影响了其进一步氧化，在中小负荷及低转速下，缸内温度相对较低；而正丁醇汽化潜热较柴油的高，混合燃料中乙醇的蒸发需要吸收大量的热量，进一步降低了缸内温度，从而引起燃烧过程中淬熄层增多，影响了CO的进一步氧化，导致CO排放量增加。而在大负荷时，缸内温度较高，正丁醇汽化潜热对缸内温度的影响减小，由于混合燃料中含有氧，在发动机气缸内氧气不足的情况下可以起到补充氧含量的作用，从而改善了发动机的燃烧状况，使燃烧更完善，所以发动机燃烧混合燃料时，CO排放量比燃烧纯柴油低。而在高转速下，在大负荷下CO排放量随正丁醇比例的增加降低不如在低转速下明显(见图4b)，这主要是因为高转速下各种混合燃料的排气温度在相同负荷下相差不大，且当转速较高时燃烧时间相对变短。

图4 各种燃料的CO排放量

不同混合燃料NOX排放量随发动机负荷的变化如图5所示。由图5可以看出：发动机燃烧同种燃料的NOX排放量随着发动机负荷的增大而增大。这是因为NOX主要是在高温、富氧以及足够的持续时间条件下产生的。在相同转速下，随着发动机负荷的逐渐增大，气缸内的平均有效压力逐渐增大，最高燃烧温度逐渐升高，因此，发动机的NOX排放量逐渐增大。如图5a所示，转速为2 000 r/min、体积掺混比小于20%时，中小负荷下NOX排放量随混合燃料中正丁醇比例的增大而减少；在大负荷时，NOX排放量随正丁醇比例的增大而增加。这是因为在低速中小负荷时，缸内温度相对较低，一方面，正丁醇的热值低、汽化潜热较高，导致缸内温度降低，不利于NOX生成，使其排放量减少；另一方面，混合燃料含氧使燃烧更完善，从某种程度会导致NOX排放升高，但在低速小负荷时前者起主导作用，所以NOX排放量降低[17]。在大负荷时，缸内温度较高，且混合燃料含氧使燃烧更完善，温度更高，正丁醇汽化潜热使缸内温度的减小作用相对降低，进而使NOX排放量增加。如图5b所示，当转速为3 200 r/min时，NOX排放量随正丁醇比例的增大而增加，且负荷越大这种影响越明显，这主要是因为转速增加，发动机缸内温度升高。且由图2可知：在该转速下各种混合燃料的排气温度在相同负荷下相差不大，所以混合燃料中的含氧量成为主要影响因素。因此，NOX排放量随正丁醇比例的增大而增加，且负荷越大影响越明显。

图5 各种燃料的NOX排放量

3 结论

(1)在相同的转速下，柴油机燃用柴油/正丁醇混合燃料的油耗率随着正丁醇体积掺混比的增加而增加，在小负荷时更明显；但在高转速下，体积掺混比为5%可以有效降低燃油消耗率。当转速为2 000 r/min时，排气温度随着正丁醇体积掺混比的增加而降低。当转速为3 200 r/min时，各种燃料的排气温度在相同负荷下相差不大。

(2)在相同的转速下，柴油机燃用柴油/正丁醇混合燃料，当正丁醇体积掺混比小于15%时，随着正丁醇体积掺混比的增加，HC排放量明显降低，CO排放量在大负荷时降低、中小负荷时增加。但是，NOX排放量在高速或大负荷时增加，低速小负荷时略有降低。

[1] 王建昕,傅立新,黎维彬.汽车排气污染治理及催化转化器[M].北京:化学工业出版,2000:57-86.

[2] 李会芬,余红东,黄锦成.以醇类为助溶剂的乙醇柴油混合燃料的试验研究[J].广西大学学报:自然科学版,2010,35(2):282-285.

[3] 刘学军,马婕,朴香兰,等.叔丁醇共溶剂用于制备生物柴油的研究[J].化学工程,2008,36(1):41-43.

[4] Li T,Suzuki M,Ogawa H.Characteristics of Smokelesslow Temperature Diesel Combustion in Various Fuel-airmixing and Expansion of Operating Load Range[C]//SAE Paper.2009.

[5] 何建宏,袁晓东,郭和军,等.新型含氧混合燃料对柴油机燃烧和排放的影响[J].车用发动机,2008(2):88-91.

[6] 张全长,尧命发,郑尊清,等.正丁醇对柴油机低温燃烧和排放的影响[J].燃烧科学与技术,2010,16(4):364-368.

[7] 尧命发,王浒,郑尊清,等.多次喷射和正丁醇含氧添加剂对柴油机性能和排放影响的实验研究[C]//中国内燃机学会燃烧节能净化分会.2009.

[8] Yao M F,Wang H,Zheng Z Q,et al.Experimental Study of n-butanol Additive and Multi-injection on HD Diesel Engine Performance and Emissions[J].Fuel,2010,89(9):2191-2201.

[9] Doan O.The Influence of n-butanol/Diesel Fuel Blends Utilization on a Small Diesel Engine Performance and Emissions[J].Fuelm,2011,90(7):2467-2472.

[10] Miloslaw J K.Exhaust Emissions From a Diesel Passenger Car Fuelled With a Diesel Fuel-Butanol Blends[C]//SAE Paper.2011.

[11] Scott A M,Richard W C,Steven S M,et a1.Drive Cycle Analysis of Butanol/Diesel Blends in a Light-Duty Vehicle[C]//SAE Paper.2008.

[12] 周庭波.丁醇柴油混合燃料燃烧和排放性能的试验研究[D].长沙:湖南大学,2012.

[13] 谷静波.正丁醇/生物柴油双燃料高预混压燃(HPCC)的试验研究[D].天津:天津大学,2012.

[14] 黎长乐.正丁醇及其同分异构体对柴油机低温燃烧影响的试验研究[D].天津:天津大学,2012.

[15] 陈昊,张春化,边耀璋,等.直喷式柴油机燃用生物柴油的性能与排放[J].长安大学学报,2007,27(5)：98-102.

[16] 孙志强,段俊法,杨振中.二甲醚均质充量与柴油喷射复合燃烧方式的发动机性能[J].河南科技大学学报:自然科学版,2013,34(1):25-28.

[17] Brian E H,John B H.Effects of Oxygenated Fuels on DI Diesel Combustion and Emissions[C]//SAE Paper.2001.

河南省自然科学基金项目(092300410125);河南省重点攻关基金项目(092102210013)

王站成(1976-)，男，河南辉县人，实验师，硕士，主要从事柴油机共轨燃油喷射方面的研究.

2014-06-07

1672-6871(2015)03-0023-05

TK411.71

A