柴油機(jī)燃用柴油/正丁醇混合燃料的經(jīng)濟(jì)性與排放特性

王站成，吳鳳英，吳 健，朱莉莉

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

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柴油機(jī)燃用柴油/正丁醇混合燃料的經(jīng)濟(jì)性與排放特性

王站成，吳鳳英，吳 健，朱莉莉

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

針對日益嚴(yán)峻的能源及環(huán)境污染問題，通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，在一臺增壓電控高壓共軌柴油機(jī)上，研究了正丁醇體積摻混比分別為0%、5%、10%、15%和20%的柴油/正丁醇混合燃料對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，相同負(fù)荷下油耗率隨著正丁醇摻混比的增加而增加；轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時(shí)，正丁醇體積摻混比為5%時(shí)的燃油消耗率最低，當(dāng)體積摻混比大于5%時(shí)，相同負(fù)荷下油耗率隨著正丁醇體積摻混比的增加而增加；在相同轉(zhuǎn)速下，排氣溫度隨著正丁醇體積摻混比的增加而降低；當(dāng)正丁醇體積摻混比小于15%時(shí)，隨著正丁醇體積摻混比的增加，HC排放明顯降低，CO排放在大負(fù)荷時(shí)降低、中小負(fù)荷時(shí)增加，但NOX排放量在高速及大負(fù)荷時(shí)增加，低速小負(fù)荷時(shí)略有降低。

柴油/正丁醇混合燃料；柴油機(jī)；負(fù)荷特性；排放特性

0 引言

目前，柴油機(jī)在機(jī)動車中的應(yīng)用比率逐年呈指數(shù)增長趨勢[1]，而機(jī)動車尾氣排放已成為城市面臨的主要污染問題，柴油車的氮氧化合物(NOX)和顆粒物(PM)排放量較高，因此，高效清潔燃燒以及替代燃料的研究受到了越來越多的重視。而使用含氧燃料或含氧添加劑與柴油混合，被認(rèn)為是降低柴油機(jī)排放的有效措施。國內(nèi)外研究比較多的醇類替代燃料主要有甲醇和乙醇，丁醇是新近興起研究的新型替代燃料之一。正丁醇作為丁醇的同分異構(gòu)體之一，與甲醇、乙醇相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)是親水性差，能夠與汽油、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傳統(tǒng)石油燃料的助溶劑，以增加乙醇等與汽油、柴油的混合比例[2-3]。正丁醇可以從生物質(zhì)制取，屬于含氧燃料，十六烷值比柴油低，這些特性表明，柴油摻混正丁醇有利于改善柴油機(jī)的性能[4-7]。國內(nèi)外對柴油摻混正丁醇對發(fā)動機(jī)性能的影響有一定的研究。如文獻(xiàn)[8]在試驗(yàn)臺架上研究了丁醇比例對重型柴油機(jī)燃燒和排放的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[9]對正丁醇/柴油不同比例摻混的混合燃料及純柴油在固定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下排放情況進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10-11]在柴油乘用車中研究了丁醇和柴油混合燃料的燃燒及排放特性。文獻(xiàn)[12]研究了柴油中摻燒大比例丁醇(丁醇體積分?jǐn)?shù)為40%)對柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響。文獻(xiàn)[13]對正丁醇/生物柴油雙燃料高預(yù)混壓燃(HPCC)作了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[14]研究了正丁醇及其同分異構(gòu)體對柴油機(jī)低溫燃燒性能的影響。這些研究表明：在柴油中摻混一定比例正丁醇，在保證較高的經(jīng)濟(jì)性和動力性下，可以有效降低排放，在發(fā)動機(jī)上有較好的應(yīng)用前景，但在增壓電控高壓共軌柴油機(jī)上的研究鮮有報(bào)道。因此，本文通過臺架試驗(yàn)，研究了不同摻混比的正丁醇/柴油混合燃料對高壓共軌柴油機(jī)性能的影響。

1 試驗(yàn)方法和燃料的主要理化特性

本次試驗(yàn)在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行，所用柴油機(jī)為一臺四缸增壓電控高壓共軌柴油機(jī)，其壓縮比為16.7，額定功率為110 kW，額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為310 N·m。試驗(yàn)中使用的主要設(shè)備有湘儀FC2000發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)、GW250電渦流測功機(jī)、湘儀FC2210Z智能油耗儀和Horiba MEXA-7100D排放設(shè)備等。表1為試驗(yàn)用燃料的主要物理化學(xué)特性參數(shù)。正丁醇體積分?jǐn)?shù)分別為0%、10%、15%和20%的柴油/正丁醇滋合燃料，分別記為D100、B5、B10、B15和B20。

表1 柴油與正丁醇的部分物理化學(xué)特性參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 負(fù)荷特性

圖1為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min和3 200 r/min時(shí)，燃油消耗率隨轉(zhuǎn)矩的變化曲線。由圖1可看出：各種燃油的燃油消耗率隨著轉(zhuǎn)矩的變化總體趨勢基本相同。燃油消耗率曲線在負(fù)荷增加時(shí)先下降，下降到最低點(diǎn)后，隨著負(fù)荷的進(jìn)一步增大，燃油消耗率有所上升，且轉(zhuǎn)速越高上升越明顯，但曲線整體變化較為平坦。這主要是由于在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，機(jī)械損失變化不大，而平均有效壓力隨負(fù)荷增大而增大，因此機(jī)械效率隨負(fù)荷增大上升很快。因此，燃油消耗率一開始隨負(fù)荷增加下降很快，到某一負(fù)荷時(shí)達(dá)到最低。而在大負(fù)荷時(shí)，過量空氣系數(shù)變小，混合氣形成與燃燒開始惡化，燃油消耗率有所上升，而試驗(yàn)所用柴油機(jī)為廢氣渦輪增壓柴油機(jī)，負(fù)荷增大時(shí)排氣能量增大，從而提高了進(jìn)氣密度，又使過量空氣系數(shù)提高。所以在大負(fù)荷時(shí)，燃油消耗率曲線雖有所增加，但較為平坦。而圖1b在大負(fù)荷時(shí)燃油消耗率上升幅度較圖1a的大，這主要是由于轉(zhuǎn)速升高后平均機(jī)械損失增大，使得燃油消耗率上升較快。

圖1 燃油消耗率隨轉(zhuǎn)矩的變化

由圖1a可看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，油耗率隨著正丁醇摻混比例的增加而增加，但B15和B20的燃油消耗率變化不大，而在大負(fù)荷時(shí)變化較小。由圖1b可看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時(shí)，B5的燃油消耗率最低，其他燃料在小負(fù)荷下的油耗率隨著正丁醇摻混比例的增加而增加，而在較大負(fù)荷時(shí)，除B5外，各種燃料的消耗率相差不大。這主要是由于柴油的十六烷值及低熱值比正丁醇的高，因此油耗率相對較低。而當(dāng)混合比例為5%時(shí)，在高轉(zhuǎn)速下油耗低，這主要是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速下，缸內(nèi)溫度高，正丁醇摻混比小，汽化潛熱作用不明顯，但由于正丁醇的運(yùn)動黏度比柴油的運(yùn)動黏度小，在柴油中加入少量的正丁醇可以優(yōu)化霧化效果，使混合燃料與周圍氣體的混合更好，提高了燃燒性能，降低了油耗。

圖2是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min和3 200 r/min時(shí)，燃燒不同燃料時(shí)排氣溫度隨轉(zhuǎn)矩的變化曲線。由圖2可知：排氣溫度隨負(fù)荷的增大不斷升高，且在大負(fù)荷下轉(zhuǎn)速越高，排氣溫度越高，這主要是由于每循環(huán)供油量隨負(fù)荷及轉(zhuǎn)速增大而增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，排氣溫度隨著正丁醇摻混比例的增加而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時(shí)，各種燃料的排氣溫度在相同的工況下相差不大。這主要是由于正丁醇十六烷值低使滯燃期延長，著火推遲，同時(shí)正丁醇汽化潛熱較大、熱值較低，兩者綜合作用導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，所以排氣溫度隨著正丁醇摻混比例的增加而降低；但當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，使得燃燒時(shí)間變短，而混合燃料中含有氧，又有利于提高燃燒效率，所以高轉(zhuǎn)速時(shí)各種混合燃料的排氣溫度在相同工況下相差不大。

2.2 排放特性

圖3～圖5為各混合燃料在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min和3 200 r/min時(shí)的HC、CO、NOX排放量(體積分?jǐn)?shù))曲線。

圖2 排氣溫度隨轉(zhuǎn)矩的變化

不同混合燃料HC排放量隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化如圖3所示。由圖3可看出：隨著負(fù)荷的增大，混合燃料HC排放量均明顯降低。這主要是由于柴油機(jī)排氣中的HC是由發(fā)動機(jī)未燃盡的燃料分解而產(chǎn)生的氣體，在小負(fù)荷時(shí)，循環(huán)噴油量少，燃燒室內(nèi)溫度和壓力低，超稀混合氣增加，局部熄火造成的HC排放量增加；而高負(fù)荷下，噴油量大，混合氣局部熄火的情況改善，所以HC排放量很低[15]。隨著摻混比的增加，HC排放量先降低；當(dāng)正丁醇體積摻混比超過15%后，HC排放量開始增大，如B5和B10混合燃料的HC排放量明顯比D100低，B15混合燃料的HC排放量與D100的相差不大，但B20混合燃料的HC排放明顯比D100的HC排放量要高。這主要是由于正丁醇的運(yùn)動黏度比柴油的運(yùn)動黏度小，在柴油中加入少量的正丁醇可以優(yōu)化霧化效果，使得混合燃料與周圍氣體的混合更好；且正丁醇屬于含氧燃料，使燃燒更充分，提高了發(fā)動機(jī)的燃燒效率，同時(shí)降低了柴油燃燒過程中因缺氧而形成的HC排放，使HC排放量降低[16]。但是正丁醇的汽化潛熱較柴油大，同時(shí)正丁醇的十六烷值較低，使著火延遲期延長，燃燒速度減慢，火焰溫度降低，噴霧過稀區(qū)增多，所以體積摻混比超過15%時(shí)，HC排放量增加。在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時(shí)，各混合燃料HC排放量的變化沒有在2 000 r/min負(fù)荷特性下的大，這主要是由于轉(zhuǎn)速提高后，缸內(nèi)溫度升高，使得HC排放量隨摻混比例的變化沒有2 000 r/min時(shí)那么敏感。

圖3 各種燃料的HC排放量

不同混合燃料CO排放量隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化如圖4所示。由圖4可知：隨著正丁醇比例的增大，CO排放量在中小負(fù)荷時(shí)增加，大負(fù)荷時(shí)降低。對比圖4a和圖4b可看出：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越低這種變化越明顯。這是由于CO是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的產(chǎn)物，即當(dāng)溫度能夠使混合氣發(fā)生低溫和藍(lán)焰反應(yīng)，但沒有熱焰反應(yīng)發(fā)生時(shí)，會導(dǎo)致CO不能得到繼續(xù)氧化而生成。因此，在氧氣充足且混合氣均勻時(shí)，CO生成主要是由于缸內(nèi)較低的燃燒溫度影響了其進(jìn)一步氧化，在中小負(fù)荷及低轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)溫度相對較低；而正丁醇汽化潛熱較柴油的高，混合燃料中乙醇的蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，進(jìn)一步降低了缸內(nèi)溫度，從而引起燃燒過程中淬熄層增多，影響了CO的進(jìn)一步氧化，導(dǎo)致CO排放量增加。而在大負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度較高，正丁醇汽化潛熱對缸內(nèi)溫度的影響減小，由于混合燃料中含有氧，在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)氧氣不足的情況下可以起到補(bǔ)充氧含量的作用，從而改善了發(fā)動機(jī)的燃燒狀況，使燃燒更完善，所以發(fā)動機(jī)燃燒混合燃料時(shí)，CO排放量比燃燒純柴油低。而在高轉(zhuǎn)速下，在大負(fù)荷下CO排放量隨正丁醇比例的增加降低不如在低轉(zhuǎn)速下明顯(見圖4b)，這主要是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速下各種混合燃料的排氣溫度在相同負(fù)荷下相差不大，且當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)燃燒時(shí)間相對變短。

圖4 各種燃料的CO排放量

不同混合燃料NOX排放量隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化如圖5所示。由圖5可以看出：發(fā)動機(jī)燃燒同種燃料的NOX排放量隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大而增大。這是因?yàn)镹OX主要是在高溫、富氧以及足夠的持續(xù)時(shí)間條件下產(chǎn)生的。在相同轉(zhuǎn)速下，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的逐漸增大，氣缸內(nèi)的平均有效壓力逐漸增大，最高燃燒溫度逐漸升高，因此，發(fā)動機(jī)的NOX排放量逐漸增大。如圖5a所示，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、體積摻混比小于20%時(shí)，中小負(fù)荷下NOX排放量隨混合燃料中正丁醇比例的增大而減少；在大負(fù)荷時(shí)，NOX排放量隨正丁醇比例的增大而增加。這是因?yàn)樵诘退僦行∝?fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度相對較低，一方面，正丁醇的熱值低、汽化潛熱較高，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，不利于NOX生成，使其排放量減少；另一方面，混合燃料含氧使燃燒更完善，從某種程度會導(dǎo)致NOX排放升高，但在低速小負(fù)荷時(shí)前者起主導(dǎo)作用，所以NOX排放量降低[17]。在大負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度較高，且混合燃料含氧使燃燒更完善，溫度更高，正丁醇汽化潛熱使缸內(nèi)溫度的減小作用相對降低，進(jìn)而使NOX排放量增加。如圖5b所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時(shí)，NOX排放量隨正丁醇比例的增大而增加，且負(fù)荷越大這種影響越明顯，這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度升高。且由圖2可知：在該轉(zhuǎn)速下各種混合燃料的排氣溫度在相同負(fù)荷下相差不大，所以混合燃料中的含氧量成為主要影響因素。因此，NOX排放量隨正丁醇比例的增大而增加，且負(fù)荷越大影響越明顯。

圖5 各種燃料的NOX排放量

3 結(jié)論

(1)在相同的轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)燃用柴油/正丁醇混合燃料的油耗率隨著正丁醇體積摻混比的增加而增加，在小負(fù)荷時(shí)更明顯；但在高轉(zhuǎn)速下，體積摻混比為5%可以有效降低燃油消耗率。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，排氣溫度隨著正丁醇體積摻混比的增加而降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時(shí)，各種燃料的排氣溫度在相同負(fù)荷下相差不大。

(2)在相同的轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)燃用柴油/正丁醇混合燃料，當(dāng)正丁醇體積摻混比小于15%時(shí)，隨著正丁醇體積摻混比的增加，HC排放量明顯降低，CO排放量在大負(fù)荷時(shí)降低、中小負(fù)荷時(shí)增加。但是，NOX排放量在高速或大負(fù)荷時(shí)增加，低速小負(fù)荷時(shí)略有降低。

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河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(092300410125);河南省重點(diǎn)攻關(guān)基金項(xiàng)目(092102210013)

王站成(1976-)，男，河南輝縣人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事柴油機(jī)共軌燃油噴射方面的研究.

2014-06-07

1672-6871(2015)03-0023-05

TK411.71

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