添加乙醇對(duì)脂肪酸甲酯-柴油混合燃料的燃燒及排放特性的影響

王冀白，邊耀璋，張哲林，陳昊，

(1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，交通新能源開(kāi)發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710064；2.博格華納汽車零部件有限公司，浙江 寧波　315000)

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添加乙醇對(duì)脂肪酸甲酯-柴油混合燃料的燃燒及排放特性的影響

王冀白1，邊耀璋1，張哲林2，陳昊1，2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，交通新能源開(kāi)發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064；2.博格華納汽車零部件有限公司，浙江 寧波315000)

摘要：【目的】 研究添加乙醇對(duì)脂肪酸甲酯-柴油混合燃料性能的影響.【方法】 在一臺(tái)單缸柴油機(jī)上對(duì)BD20(脂肪酸甲酯20%)、BD20E5(脂肪酸甲脂20%，乙醇5%)、BD20E10(脂肪酸甲脂20%，乙醇10%)3種燃料的燃燒和排放特性進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。【結(jié)果】 與BD20相比，BD20E5，BD20E10的滯燃期要長(zhǎng).對(duì)于BD20燃料而言，低溫放熱發(fā)生的時(shí)間早，反應(yīng)劇烈，聚集了大量熱量從而越過(guò)了負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，迅速開(kāi)啟了高溫放熱；BD20E5和BD20E10 2種燃料的高溫放熱發(fā)生時(shí)間較晚；峰值壓力和峰值放熱率增加，但對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相同.負(fù)荷特性下，BD20E10和BD20E5的CO排放在1500 r時(shí)隨著乙醇比例的增加分別降低49.3%和33.2%；碳煙分別降低47.1%和29.4%；NOx排放幾乎相同，且總體均處于較低值；BD20E10和BD20E5的HC排放在1500 r時(shí)相比BD20有所增加，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高排放值呈現(xiàn)波動(dòng)變化?！窘Y(jié)論】 添加乙醇可以改善脂肪酸甲脂柴油混合燃料的燃燒和排放特性.

關(guān)鍵詞：脂肪酸甲酯；乙醇瞬時(shí)放熱率；燃燒壓力；排放特性

ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，生物柴油定義為用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的、來(lái)自可再生的酯類，如植物油和動(dòng)物脂肪的長(zhǎng)鏈脂肪酸單酯[1].生物柴油的閃點(diǎn)高，揮發(fā)性較小，在運(yùn)輸與儲(chǔ)存中的安全性較柴油好[2].生物柴油具環(huán)境友好、可再生、原料來(lái)源廣泛[3]、貯存和使用較安全、沒(méi)有毒性等優(yōu)點(diǎn)[4].許多研究表明，生物柴油[5-7]和醇類燃料[8]適合作為柴油機(jī)的替代燃料.燃用生物柴油可以降低柴油機(jī)的PM和未燃碳?xì)浠衔锏呐欧?，但是NOx的排放會(huì)略有上升.張志強(qiáng)等[9]對(duì)乙醇和柴油的混合燃料進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明乙醇可以改善燃油的霧化效果.王建昕等[10]研究結(jié)果表明，乙醇作為柴油的添加劑可以降低排氣煙度，但是NOx排放明顯增加.由于生物柴油運(yùn)動(dòng)黏度大，其與柴油的混合燃料的流動(dòng)性差[11]，可能會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)的熱效率.另外，柴油乙醇摻燒混合燃料由于自身化學(xué)結(jié)構(gòu)在混合時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，酯類是柴油與醇類燃料助溶劑的主要成分[12].夏舜午等[13]在乙醇和柴油中加入正丁醇助溶劑，研究了溶解度的變化，結(jié)果表明雖然正丁醇有助溶作用，但是對(duì)水含量十分敏感.因此本試驗(yàn)擬在脂肪酸甲酯-柴油的混合燃料中加入乙醇，在解決燃料溶解度的基礎(chǔ)上，研究乙醇對(duì)柴油機(jī)的燃燒及其污染物排放特性.

1材料與方法

1.1試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)中采用乙醇、脂肪酸甲酯和柴油的混合物作為燃料.根據(jù)互溶性試驗(yàn)最終確定各種燃料的摻燒量.燃料的摻燒量?的定義為：?=摻燒量/(摻燒量+主燃料量)

表1中，BD0代表純柴油，BD2代表2%的脂肪酸甲酯和柴油的混合物，字母BD后面的數(shù)字代表脂肪酸甲酯與柴油混合物中脂肪酸甲酯的體積分?jǐn)?shù).從表1看出，對(duì)于同一種編號(hào)的樣品，隨著溫度的提高，混合物能夠溶解的乙醇最大體積增加，說(shuō)明溫度對(duì)提高乙醇在混合物中的溶解度有影響.隨著混合物中脂肪酸甲酯體積分?jǐn)?shù)的增加，脂肪酸甲酯的助溶作用明顯增加.綜合分析表1，本試驗(yàn)選擇20%的脂肪酸甲酯與80%的柴油混合燃料BD20作為基礎(chǔ)燃料.保持脂肪酸甲酯的體積分?jǐn)?shù)不變，用乙醇來(lái)分別代替5%、10%的柴油，來(lái)調(diào)配成BD20E5、BD20E10作為內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的燃料.

表1　不同溫度和比例下的脂肪酸甲酯和柴油

1.2試驗(yàn)裝置與組成

試驗(yàn)儀器裝置的連接示意圖見(jiàn)圖1.水力測(cè)功機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，試驗(yàn)用單缸柴油機(jī)的型號(hào)是 ZH1105W，其主要技術(shù)參數(shù)：氣缸直徑為105 mm，活塞行程115 mm，壓縮比為16.5，標(biāo)定功率為11.03 kW.五氣分析儀與內(nèi)燃機(jī)的排氣管道連接.排放測(cè)試裝置包括 AVL DIGAS4000五氣分析儀和 AVL DISMOKE 4000部分分流不透光煙度計(jì)，選擇消光系數(shù)K(m-1)表示煙度值.測(cè)控裝置包括電荷放大器、壓電式壓力傳感器、光電傳感器與曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生器.負(fù)荷工況控制采用測(cè)功機(jī)油門(mén)執(zhí)行器手動(dòng)調(diào)節(jié)完成.

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Instruments scheme

2結(jié)果與分析

2.1缸內(nèi)燃燒壓力

圖2表明：相比BD20，BD20E5和BD20E10兩種燃料的燃燒始點(diǎn)向遠(yuǎn)離上止點(diǎn)的位置上幾乎相同，并且均滯后于BD20.原因一方面是因?yàn)橹舅峒柞サ氖橹禐?6，而乙醇的十六烷值僅為8，說(shuō)明摻燒乙醇的混合燃料的著火性較差；另一方面，乙醇的汽化潛熱值為854 kJ/kg，高于脂肪酸甲酯的200 kJ/kg.燃料噴入氣缸后吸熱，導(dǎo)致燃燒延遲.

分析表2可知，相比BD20， BD20E5和BD20 E10兩種燃料的峰值壓力在小負(fù)荷時(shí)有所降低，但在中高負(fù)荷時(shí)有所增加.乙醇對(duì)峰值壓力的影響呈現(xiàn)出低負(fù)荷抑制，高負(fù)荷促進(jìn)的作用.且當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至1 800 r/min時(shí)，BD20E10燃料的缸內(nèi)壓力峰值明顯大于BD20E5的峰值.在小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)的絕對(duì)溫度較低以及缸內(nèi)熱力狀態(tài)差，乙醇的作用得不到體現(xiàn)；隨著乙醇添加比例增加，燃燒始點(diǎn)延遲，使得著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量增加，從而提高了峰值壓力.

圖2　不同工況下3種燃料的燃燒壓力曲線Fig.2　Combustion curves of fuels under different loads

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)平均有效壓力(MPa)BD20峰值壓力/MPa對(duì)應(yīng)角度/(°)CABD20E5峰值壓力/MPa對(duì)應(yīng)角度/(°)CABD20E10峰值壓力/MPa對(duì)應(yīng)角度/°CA15000.0865.5105.1815.1310.3546.8336.7936.7830.5317.5257.6247.63418000.0865.4115.1345.0740.3546.5936.6826.8320.5317.4357.4827.712

與BD20相比，同一轉(zhuǎn)速下，BD20E5與BD20 E10的峰值壓力對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角完全一致.這種現(xiàn)象是由于BD20E5和BD20E10的氧含量較高加快了燃燒速度，雖然燃燒始點(diǎn)有延遲，但峰值壓力卻同時(shí)出現(xiàn).

2.2瞬時(shí)燃燒放熱率

圖3是不同工況下BD20與BD20E5、BD20E10兩種燃料的瞬時(shí)放熱率對(duì)比曲線.與BD20相比，當(dāng)Pme(平均有效壓力)分別為0.531、0.354 Mpa時(shí)，同一工況下BD20E5與BD20E10的峰值瞬時(shí)燃燒放熱率增加，且隨著乙醇比例的提高而增加.乙醇加快了燃燒速度，導(dǎo)致峰值燃燒放熱率增加.但是當(dāng)Pme(平均有效壓力)較低時(shí)，峰值燃燒放熱率反而隨著乙醇比例的增加而降低.在小負(fù)荷時(shí)，一方面氣缸內(nèi)的熱力狀況較差，另一方面乙醇本身的低熱值為27.2 mJ/kg，要低于脂肪酸甲酯的38.412 mJ/kg，單位時(shí)間內(nèi)的放熱量減少，導(dǎo)致峰值放熱率降低.

BD20E5與BD20E10兩種燃料的滯燃期要長(zhǎng)于BD20.對(duì)于BD20而言，燃料低溫放熱發(fā)生時(shí)間較早，反應(yīng)劇烈，累計(jì)的熱量使系統(tǒng)迅速越過(guò)了負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，開(kāi)始了高溫放熱；而隨著乙醇比例的增加，低溫放熱時(shí)間延長(zhǎng).

在中高負(fù)荷時(shí)，雖然放熱開(kāi)始有一定延遲，但是隨著乙醇比例的增加，峰值放熱速率提高，BD20E10的峰值瞬時(shí)放熱速率最大，原因同上.在中高負(fù)荷時(shí)，由于缸內(nèi)熱力狀態(tài)較好，乙醇又是含氧燃料，乙醇促進(jìn)燃燒的作用得以體現(xiàn).隨著乙醇的增加，混合燃料的表面張力下降，更容易霧化，所以在中高負(fù)荷時(shí)，BD20E10的峰值燃燒放熱率比BD20E5高.

BD20、BD20E5和BD20E10的放熱率曲線均表現(xiàn)出“雙峰”現(xiàn)象.最高峰值放熱速率遠(yuǎn)高于次峰值放熱速率，出現(xiàn)這個(gè)規(guī)律的原因是因?yàn)橐掖紝?duì)燃燒的促進(jìn)作用，有效地減少了后燃量.

2.3排放特性

圖4為在不同轉(zhuǎn)速下CO排放量隨負(fù)荷的變化.隨著負(fù)荷的加大，缸內(nèi)溫度增加，CO逐步被氧化，排放降低.當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增大，缸內(nèi)溫度持續(xù)增加，進(jìn)入燃燒室內(nèi)的燃料增加，但是氧氣含量相對(duì)較少，有一部分未完全燃燒，在高溫條件下未完全燃燒的碳與二氧化碳生成新的CO，導(dǎo)致其排放數(shù)值增加.加入了乙醇的脂肪酸甲酯和柴油的混合燃料的排放數(shù)值，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，其排放數(shù)值呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì).

圖5是在不同轉(zhuǎn)速下HC排放量隨負(fù)荷的變化.隨著乙醇含量的增加，HC排放值比未加入乙醇燃料的排放值增加.這是因?yàn)橐掖嫉氖橹递^低、著火性較差，導(dǎo)致滯燃期變長(zhǎng)，這是未燃HC增加的主要原因.當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的負(fù)荷增加時(shí)，缸內(nèi)壓力逐步升高，一部分未燃混合氣被壓入縫隙內(nèi)，這部分混合氣未能參加燃燒，當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)，隨著廢氣排入大氣中導(dǎo)致HC排放增加.同時(shí)隨著負(fù)荷的增加，氣缸壁面溫度與燃燒室內(nèi)溫度差增加，導(dǎo)致未燃HC含量增加.

NOX是柴油機(jī)排放控制的重點(diǎn)， NOX的生成主要受氧氣濃度、燃燒溫度以及燃燒產(chǎn)物在高溫中的停留時(shí)間的影響.圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和1 800 r/min負(fù)荷特性下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用3種不同燃料時(shí)的NOX隨負(fù)荷變化關(guān)系.由圖6可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)一定的負(fù)荷范圍內(nèi)，3種燃料的NOX排放隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而升高.原因是負(fù)荷增加時(shí)，氣缸內(nèi)燃燒溫度和壓力增大，NOX的排放增加.由于乙醇的汽化潛熱值較高，在混合氣進(jìn)入氣缸后，汽化過(guò)程中會(huì)吸收熱量，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，但是缸內(nèi)溫度仍是導(dǎo)致NOX排放增高的主要原因.

圖3　不同工況下瞬時(shí)放熱速率對(duì)比Fig.3　Comparison of instantaneous released heat rate under different loads

圖4　負(fù)荷特性CO排放對(duì)比Fig.4　Exhaust comparison of CO of engine load

從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)，3種燃料碳煙的排放值隨著乙醇比例的增加而降低.這是因?yàn)橐掖嫉氖橹当炔裼秃椭舅峒柞ザ嫉停沟没旌先剂系钠骄橹到档?；另一方面，乙醇是含氧燃料，在高溫燃燒的時(shí)候不利于碳煙的生成.但是在較小負(fù)荷時(shí)，乙醇較高的汽化潛熱值會(huì)抵消其阻礙碳煙生成的作用，只有當(dāng)缸內(nèi)溫度升高后，阻礙碳煙生成的效果才更明顯.

圖5　負(fù)荷特性HC排放對(duì)比Fig.5　Exhaust comparison of HC of engine load

圖6　負(fù)荷特性NOx排放對(duì)比Fig.6　Exhaust comparison of NOx of engine load

圖7　負(fù)荷特性煙度排放對(duì)比Fig.7　Exhaust comparison of soot of engine load

3結(jié)論

1)隨著溫度的提高，混合物能夠溶解的乙醇的最大體積增加，說(shuō)明溫度對(duì)提高乙醇在混合物中的溶解度有影響.隨著混合物中脂肪酸甲酯體積分?jǐn)?shù)的增加，脂肪酸甲酯的助溶作用明顯增加.

2)在脂肪酸甲酯與柴油的混合燃料中加入乙醇，可以改善燃燒情況.在小負(fù)荷時(shí)，隨著乙醇比例的增加，乙醇對(duì)燃燒的促進(jìn)作用不明顯，燃燒延遲明顯；但是在中高負(fù)荷時(shí)，雖然燃燒延遲期依然存在，但是乙醇的高含氧量加快了燃燒速度，使得缸內(nèi)燃燒狀態(tài)得到明顯改善，缸內(nèi)峰值燃燒放熱速率提高，缸內(nèi)燃燒壓力也隨之增加，因此在中高負(fù)荷時(shí)乙醇對(duì)燃燒的促進(jìn)效果更佳明顯.

3)乙醇的加入對(duì)CO氧化有明顯的作用.使用乙醇混合燃料可以降低碳煙的排放.又由于乙醇的十六烷值較低、著火性較差，隨著乙醇比例的增加滯燃期會(huì)增加，當(dāng)乙醇的比例超過(guò)5%之后，盡管碳煙排放降低，但是未燃的HC排放會(huì)增加.

4)乙醇可以作為摻混燃料在柴油機(jī)上使用，且不需要改變柴油機(jī)的結(jié)構(gòu).研究結(jié)果對(duì)于脂肪酸甲酯的應(yīng)用與推廣具有重要的意義.摻燒乙醇對(duì)脂肪酸甲酯的燃燒壓力呈現(xiàn)出低負(fù)荷時(shí)的抑制與高負(fù)荷時(shí)的促進(jìn)作用，同時(shí)乙醇可以延長(zhǎng)低溫放熱反應(yīng)的時(shí)間.今后應(yīng)深入開(kāi)展混合燃料化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，完善乙醇作為添加劑的基礎(chǔ)研究.

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(責(zé)任編輯李辛)

Combustion and emissions properties of fatty acid methylester diesel adding ethanol

WANG Ji-bai1,BIAN Yao-zhang1,ZHANG Zhe-lin3，CHEN Hao1,2

(1.College of Automobile,Chang′an University,Xi′an 710064,China;2.Shanxi Province Key Laboratory of New Energy Development,Utilization and Vehicle Energy Conservation,Xi′an 710064,China;3.Borg Warner Automotive Components Co Ltd,Ningbo 315000,China)

Abstract：【Objective】 This study is to investigate the influence of alcohol on the emission and combustion properties of fatty acid methyl ester diesel fuel blends.【Method】 Using a single cylinder diesel,a comparison test on emission and combustion properties of the three fuels including BD20(20% volume fraction of acid methyl ester),BD20E5 (volume fraction of ethanol is 5%) and BE20E10 (volume fraction of ethanol was 10% ) were studied.【Results】 The ignition delay period of BD20E5 and BD20E10 was longer than that of BD20.The occurrence of low temperature exotherm of BD20 occurred earlier with drastic action,accumulated a lot of heat which exceeded the negative temperature coefficient(NTC) region and started heat release immediately.The heat release of BD20E5 and BD20E10 occurred later and the peak pressure and peak heat release rate increased but the corresponding crank angle was the same.The CO emission of BD20E10 and BD20E5 reduce by 49.3% and 33.2% ,respectively with the increase of alcohol proportion when the turbine speed was 1 500 r,the soot decreased by 47.1% and 29.4%,respectively,NOx emission was almost the same while the general average level was low.Compared with BD20 ,the HC emission of BD20E10 and BD20E5 increased when the turbine speed was 1 500 r and fluctuated with the increase of turbine speed.【Conclusion】 Alcohol used as an additive will improve the combustion and emission properties of the blended fuel.

Key words：fatty acid methylester;alcohol；instantaneous heat release rate;combustion pressure;emission properties

基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014JQ7268).

收稿日期：2015-06-16；修回日期：2015-09-17

中圖分類號(hào)：TK 46+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2016)02-0127-07

第一作者：王冀白(1987-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)樘娲剂霞芭欧趴刂?E-mail:eagliachd@163.com