正丁醇添加于柴油—生物柴油對柴油機(jī)性能及顆粒物排放的影響研究

劉博

摘 要：本文基于一臺單缸直噴壓燃式柴油機(jī)，在常規(guī)轉(zhuǎn)速的3個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，評估柴油-生物柴油-丁醇混合燃料的內(nèi)燃機(jī)性能和排放顆粒物的理化性質(zhì)。柴油添加20%Vol生物柴油（PME），然后分別添加5%，10%，15%Vol正丁醇。結(jié)果顯示：隨著正丁醇比例的增加，相對于B20，有效熱效率在中高負(fù)荷下明顯提高，顆粒物質(zhì)量和數(shù)量濃度、碳元素濃度（EC）明顯減少，顆粒物中有機(jī)碳（OC）含量增加。同時(shí)，顆粒物平均幾何直徑呈減小趨勢，顆粒相的多環(huán)芳香烴（PAHs）總數(shù)減少。

關(guān)鍵詞：正丁醇；柴油；生物柴油；顆粒物；多環(huán)芳香烴

中圖分類號：U464.172；U467.48 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0129-04

Study on N-butanol Addition to Diesel-Biodiesel Effecting on

Engine Performance and Particulates Emissions

LIU Bo

（College of Business Administration， Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou Henan 450008）

Abstract： Based on a single directing diesel engine， the test was conducted to study the influence of diesel-biodiesel-n-butanol blends of engine performance and particulates emissions. Diesel added to 20%Vol PME， then 5%， 10%， 15%Vol n-butanol addition to fuel blends respectively. The results showed that brake thermal efficiency increased significantly at medium and high loads compared to B20 as the proportion of n-butanol scaled-up. Meanwhile， particulate mass and number concentrations and elemental carbon （EC） emissions decreased obviously， the proportion of organic carbon increased. The mean geometric diameter of particulates showed a decreasing trend and the number of polycyclic aromatic hydrocarbon （PAHs） decrease.

Keywords： n-butanol；diesel；biodiesel；particulates；PAHs

為了減少人類對化石能源的依賴和適應(yīng)日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)，可再生和清潔燃料在能源消耗中的應(yīng)用研究持續(xù)受到廣泛的關(guān)注[1]。以生物柴油和乙醇為代表的生物油，在減少柴油消耗和降低尾氣排放方面呈現(xiàn)出極大的潛力，部分甚至已經(jīng)完全替代化石燃料被應(yīng)用于壓燃式內(nèi)燃機(jī)上。蔬菜油是通過醇酯反應(yīng)獲得的一種生物柴油，是一種非常有潛力的替代能源，其具有可再生、無毒、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)[2]，是一種無硫芳香族化合物，同時(shí)具有較高的十六烷值、高閃點(diǎn)和良好的潤滑特性。目前，在歐洲地區(qū)被廣泛研究的蔬菜油基生物柴油是蔬菜油甲酯，在美國則是大豆油甲酯，而棕櫚油甲酯（PME）也被視為一種有潛力的替代燃料，因?yàn)槠渚哂袕V泛的生產(chǎn)原料來源。生物柴油應(yīng)用于柴油機(jī)并取得良好的環(huán)境和能源效益已被很多文獻(xiàn)所報(bào)道，B20（20%生物柴油和80%化石柴油）則成為主流的摻混比例[3]。然而，相對于柴油，蔬菜油基生物柴油具油品波動較大，運(yùn)動黏度高，從而引起缸內(nèi)霧化差、碳?xì)埩舾?、供油系統(tǒng)阻塞和潤滑油增厚凝結(jié)等一系列問題，這些缺陷限制了生物柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用。

為了擴(kuò)展柴油-生物柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用，添加醇類（例如乙醇）已經(jīng)被廣泛研究。相對于生物柴油，醇類具有更低的運(yùn)動黏度和較低的油品波動，其作為助溶劑來改善柴油-生物柴油特性具有良好的效果，并隨著摻混比例增加，燃油燃燒更充分。鑒于以上技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，使用柴油、生物柴油和醇類三元混合燃料吸引了眾多學(xué)者的注意，混合具有能改善燃油特性、發(fā)動機(jī)性能、燃燒特性和排放特性等優(yōu)勢。

在醇類燃料中，丁醇被認(rèn)為是適用于內(nèi)燃機(jī)的一種可再生生物油。相對于乙醇和甲醇，其具有較高的熱值和十六烷值，與柴油具有較好的混合特性和更低的親水性。近期大量研究顯示，相比于乙醇，丁醇能更好地替代生物油應(yīng)用在壓燃發(fā)動機(jī)上。然而，正丁醇添加于柴油-生物柴油對發(fā)動機(jī)性能和顆粒物排放影響尚缺乏相應(yīng)的詳細(xì)研究。雖然許多學(xué)者對顆粒物排放的質(zhì)量濃度、數(shù)量濃度和尺寸分布進(jìn)行了研究，但極少有人從柴油-生物柴油-醇類混合物發(fā)動機(jī)對顆粒物排放進(jìn)行詳細(xì)研究。本文嘗試評估正丁醇添加于柴油-生物柴油對發(fā)動機(jī)性能和顆粒物理化特性潛在影響，以期為降低環(huán)境污染和應(yīng)用清潔能源提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

圖1混合燃料測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。試驗(yàn)是在一臺單缸、四沖程、空冷、直噴的柴油機(jī)上進(jìn)行的，柴油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。燃料的主要理化特性見表2。表2主要測試了基元燃料（柴油、生物柴油和正丁醇）的十六烷值、低熱值、密度、運(yùn)動黏度、沸點(diǎn)和氣化潛熱等理化特性指標(biāo)。本文共配制5種燃料，柴油和20Vol%PME+80Vol%柴油分別被標(biāo)記為D和B20，B20分別和5%、10%和15%Vol正丁醇混合，分別標(biāo)記為B20U5、B20U10和B20U15。采用Dekati二級稀釋裝置DI-2000對尾氣進(jìn)行稀釋，一級稀釋將取樣的樣氣溫度降低至50℃，稀釋范圍為6∶1到8∶1，然后顆粒物經(jīng)過稀釋并收集，采用Dekati ELPI對顆粒物的數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行測量。

注：1.油桶；2.燃油消耗測量儀；3.供油開關(guān)；4.油管；5.排煙管道；6.柴油機(jī)；7.常規(guī)煙氣分析儀；8.顆粒物測量系統(tǒng)（DI-2000和ELPI）；9.排氣溫度傳感器；10.消音器；11.測功機(jī)；12.控制電腦；13.測控系統(tǒng)。

2 結(jié)果和討論

圖2是燃油消耗率和有效熱效率的變化趨勢。相對于柴油，B20平均減少1%的燃油消耗率和增加2%的有效熱效率，可見，PME添加能改善燃油在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒特性。柴油中添加20%PME的燃油消耗率（BSFC）和有效熱效率（BTE）的趨勢變化相似結(jié)論曾被報(bào)導(dǎo)[4]。

B20摻混5%和10%正丁醇時(shí)，BSFC急劇增加。然而，添加15%正丁醇時(shí)，BSFC在低負(fù)荷到高負(fù)荷分別增加3.5%、2.8%和2.5%。這主要是因?yàn)楦弑壤恼〈冀档土嘶旌先剂系臒嶂?，?dǎo)致在同等輸出功率條件下需要燃燒更多的燃料。相對于B20，三元復(fù)合燃料的BTE在中高負(fù)荷條件下略微增加，而在低負(fù)荷下沒有明顯變化。BTE的增加是由于添加正丁醇導(dǎo)致混合燃料的含氧量增加，正丁醇較低的十六烷值導(dǎo)致更長的著火延遲，提高燃燒過程，促進(jìn)預(yù)混合燃燒[5，6]。而更高的蒸發(fā)潛熱降低燃燒溫度和減少BTE，特別是在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷工況下。該結(jié)果表明，正丁醇在中高負(fù)荷工況下BTE略微增加，在低負(fù)荷條件下，BTE變化不大。

PM2.5被劃分為3種成分進(jìn)行研究：EC（碳元素）、OC（有機(jī)成分）和不含碳成分（如硫酸鹽、硝酸鹽、金屬和灰渣），其濃度變化趨勢如圖3所示。從圖3可以看出，PM2.5濃度在燃用不同燃料的條件下都隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加而增加，而EC濃度的增加比OC濃度增加更加顯著，這一結(jié)果與部分文獻(xiàn)的研究結(jié)果相吻合[7，8]。相比于柴油，從低負(fù)荷至高負(fù)荷條件下，B20的PM2.5排放減少范圍為3.9%～9.2%，而正丁醇的添加導(dǎo)致更大程度的PM2.5濃度減少，特別是在高負(fù)荷下?lián)交旄弑壤恼〈?，結(jié)果更加顯著。相對于B20，從低負(fù)荷到高負(fù)荷條件下，三元混合燃料的PM2.5濃度的減少范圍分別為2.1%～5.2%，4.1%～18.5%和6.7%～24.3%，EC排放與OC排放具有相似的變化趨勢，即隨著正丁醇的增加而增加。而OC排放和PM2.5排放隨著正丁醇的添加而減少可歸因于EC排放的減少。

顆粒相PAHs排放如圖4所示。在不同種類燃料的全工況條件下，顆粒相PAHs是由LMW-PAHs（低分子量）、MMW-PAHs（中分子量）和HMW-PAHs（高分子量）組成的。其中，HMW-PAHs含量最低，PAHs排放總量隨著負(fù)荷的增加而增加。相比于柴油，PAHs排放總量在不同負(fù)荷工況下平均減少18%。

B20添加5%至10%的正丁醇，顆粒相PAHs各組分排放都減少，正丁醇的添加比例越高，PAHs排放越少。相對于B20，從低負(fù)荷至高負(fù)荷，BU5的PAHs排放總量減少比例分別3.3%、9.4%和14.2%，BU10減少比例分別是9.5%、13.5%和21.3%。然而，隨著更高比例的正丁醇添加，顆粒相PAHs排放總量下降趨勢不明顯。

柴油機(jī)PAHs排放主要有2個(gè)來源：一部分是燃料和潤滑油直接蒸發(fā)而產(chǎn)生的PAHs，另一部分是燃燒反應(yīng)中的自由基結(jié)合形成的團(tuán)聚體。因此，燃料成分和燃燒過程可能是影響多環(huán)芳香烴排放的2個(gè)重要因素?；谝陨?個(gè)因素，生物柴油和正丁醇直鏈芳香族化合物對多環(huán)芳香烴含量影響并不顯著，而生物柴油和正丁醇具有更高的含氧量，將改善燃燒而導(dǎo)致PAHs排放總量的減少。相對于B20，含有正丁醇的復(fù)合燃料包含更多的氧和更少的PAHs，從而導(dǎo)致PAHs排放減少。然而，對于BU15，正丁醇的蒸發(fā)潛熱較大，引起的冷卻效應(yīng)會影響PAHs的形成，該影響在燃燒溫度較低時(shí)更為顯著，從而導(dǎo)致在低負(fù)荷工況下產(chǎn)生更高的PAHs排放。

在本文中，顆粒物幾何直徑的尺寸分布范圍是5.6～560nm，具體如圖5所示。為詳細(xì)分析顆粒物尺寸分布濃度，顆粒物幾何直徑被分為4個(gè)區(qū)間范圍，分別是<20nm、20～50nm、50～100nm和>100nm。圖中顯示顆粒物的幾何直徑大部分低于100nm。在低負(fù)荷工況下，顆粒物尺寸分布趨勢是雙峰曲線，第一個(gè)波峰出現(xiàn)在8～10nm，第二個(gè)波峰出現(xiàn)在40～55nm。隨著負(fù)荷的增加，雙峰轉(zhuǎn)化為單峰。然而，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加，無論使用何種混合燃料，顆粒物尺寸分布都趨向于更大直徑，類似結(jié)論在一些文獻(xiàn)中有相關(guān)報(bào)導(dǎo)[9]。

3 結(jié)論

在一臺單缸直噴柴油機(jī)上進(jìn)行動力臺架試驗(yàn)，對比純柴油、純柴油混合20%Vol的生物柴油、B20混合燃料添加5%、10%和15%Vol正丁醇五種燃料，分析PM2.5和顆粒物中的C濃度、顆粒物數(shù)量濃度、顆粒物尺寸分布等指標(biāo)，主要結(jié)論如下。

①正丁醇增加10%，三元混合燃料燃油消耗率增加，同時(shí)在中高負(fù)荷工況下熱效率略微升高。

②相對于B20，正丁醇的添加能夠減少PM2.5質(zhì)量濃度，高比例添加正丁醇降低幅度更加明顯。這主要?dú)w因于EC排放的減少，而OC在顆粒物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

③B20排放的顆粒物數(shù)量比柴油更高。然而，正丁醇的添加能有效減少顆粒物數(shù)量濃度，同時(shí)降低平均幾何直徑。這主要?dú)w因于大尺寸顆粒物排放的減少，而小于20nm以下的顆粒物變化不大。

④相對于B20，三元混合燃料具有更低的顆粒相PAHs排放。

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