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趙小洋，陳振斌，張雷，賀亞楠
（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南，儋州571737）
摘要：采用正丁醇作為助溶劑，研究了以柴油、乙醇和正丁醇的體積比為不同比例所配置混合燃料的相溶性，分析了不同乙醇摻混比混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性及排放特性的影響。研究結(jié)果表明，由于乙醇和柴油物化特性的差異，乙醇和柴油的相溶性較差，添加適量正丁醇可有效促進(jìn)乙醇和柴油的均勻相溶。隨著乙醇摻混比的增大，在中、低負(fù)荷時(shí)混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率增大，在高負(fù)荷時(shí)當(dāng)量燃油消耗率減??；CO排放量在低負(fù)荷時(shí)增大，而在中、高負(fù)荷時(shí)減?。辉诎l(fā)動(dòng)機(jī)所有工況下，混合燃料的HC排放量都比燃燒0號(hào)柴油的高，而NOx排放量及碳煙排放量都較0號(hào)柴油有所下降。
多年來(lái)有關(guān)乙醇混合燃料在汽油機(jī)上的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，而在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究卻很少[1-2]。為減少我國(guó)石油能源消耗，緩和石油的對(duì)外依存度，進(jìn)一步降低柴油機(jī)排放污染，通過(guò)乙醇替代部分柴油來(lái)探索乙醇柴油混合燃料的最佳制備方法，進(jìn)而了解乙醇柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及排放特性的影響仍意義重大。
國(guó)外從20世紀(jì)80年代起就開(kāi)始重視乙醇作為柴油機(jī)代用燃料的試驗(yàn)研究工作，目前處于小范圍的試驗(yàn)、試用階段。日本的洋馬公司經(jīng)多次試驗(yàn)已基本解決了乙醇與柴油混合的分層問(wèn)題，正著力進(jìn)行乙醇柴油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)使用試驗(yàn)。美國(guó)ADM公司已開(kāi)展了乙醇柴油的研究工作，含乙醇15%、其它添加劑5%、柴油80%的乙醇柴油混合燃料已經(jīng)在柴油車上進(jìn)行了386km的行車試驗(yàn)。
泰國(guó)科學(xué)技術(shù)和環(huán)境部、泰國(guó)國(guó)家石油公司與美國(guó)福特汽車公司合作研究開(kāi)發(fā)生物乙醇燃料用于柴油車。國(guó)內(nèi)在柴油機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的試驗(yàn)研究方面雖然從上世紀(jì)90年代早期就已經(jīng)起步，但其基本途徑是對(duì)柴油機(jī)改進(jìn)后，采用乙醇與柴油分別供給的方法進(jìn)行雙燃料試驗(yàn)，并取得了可行的結(jié)論。而乙醇和柴油直接混合后使用的研究目前還不多[3-4]。
目前，國(guó)內(nèi)外在柴油機(jī)上燃燒乙醇柴油混合燃料的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：乙醇柴油混合燃料的理化特性研究；乙醇柴油混合燃料的制備方法以及最佳摻混比的研究；在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)不做任何調(diào)整時(shí)燃燒乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟(jì)性和排放特性[5]。
柴油機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料主要通過(guò)以下幾種方式：（1）熏蒸法，利用醇燃料表面張力及粘度低的特點(diǎn)通過(guò)進(jìn)氣管添加乙醇。（2）雙燃料系統(tǒng)法，在柴油機(jī)上裝有兩套分開(kāi)的噴油器系統(tǒng)，其中一套用來(lái)壓燃純乙醇。（3）柴油醇燃料，用機(jī)械攪拌或添加助溶劑、乳化劑等將乙醇和柴油配置成混合燃料。上述摻燒方式中的前兩種，汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)變化較大，不易于在量產(chǎn)車型和正在使用的柴油機(jī)上應(yīng)用。對(duì)于第3種摻燒方式，由于基本不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)而最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[6]。
本文研究了以柴油、乙醇和正丁醇的體積比為不同比例直接混合所配置混合燃料的相溶性，分析了不同乙醇摻混比的混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性及排放特性的影響[7-8]。（在配置乙醇柴油混合燃料過(guò)程中，使用0號(hào)柴油采用體積百分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)量，即E15表示乙醇占該混合燃料的體積分?jǐn)?shù)為15%，E20表示乙醇占該混合燃料的體積分?jǐn)?shù)為20%，依此類推。）
1混合燃料的制備與物化特性
1.1混合燃料的制備
本文試驗(yàn)采用市售0號(hào)柴油和99.5%的乙醇作為原料。大量試驗(yàn)研究表明，乙醇與柴油混合的相溶性和穩(wěn)定性較差，這主要是由于在室溫下乙醇和柴油存在一定的密度差，使密度較柴油小的無(wú)水乙醇大部分浮在混合液的上面形成分層現(xiàn)象。
此外，由于乙醇極易吸水，在乙醇和柴油摻混后，混合溶液對(duì)水分和溫度都特別敏感，導(dǎo)致混合溶液分層。
在配置乙醇柴油混合燃料時(shí)，需在混合燃料中添加適量的正丁醇以得到相溶、均勻、穩(wěn)定的混合燃料。通過(guò)對(duì)所配置混合燃料長(zhǎng)時(shí)間的觀察表明，采用正丁醇作為助溶劑可以有效地促進(jìn)乙醇和柴油均勻混合，采用正丁醇為助溶劑的乙醇柴油混合燃料具有良好的穩(wěn)定性。
1.2混合燃料的物化特性
柴油和乙醇的物化特性見(jiàn)表1。在乙醇柴油混合燃料中，通過(guò)表1對(duì)比可知：0號(hào)柴油的低熱值和十六烷值均高于無(wú)水乙醇，但0號(hào)柴油的汽化潛熱低于無(wú)水乙醇。所以所配置乙醇柴油混合燃料的低熱值比0號(hào)柴油的低，而汽化潛熱比0號(hào)柴油的高。隨著混合燃料中乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，乙醇柴油混合燃料的十六烷值逐漸降低。
2試驗(yàn)設(shè)備
本文試驗(yàn)是在一臺(tái)自然吸氣式直噴295A水冷直立四沖程柴油機(jī)（球型燃燒室）上進(jìn)行的，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。汽車尾氣中CO、HC、NOx等氣體的濃度采用AVLDigas4000發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣分析儀來(lái)測(cè)量；汽車尾氣的不透光度和消光系數(shù)k采用AVLDismoke4000不透光式煙度計(jì)來(lái)測(cè)量；油耗則采用湖南湘儀測(cè)試有限公司生產(chǎn)的FC2210智能油耗儀來(lái)測(cè)量。本試驗(yàn)在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)任何參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的前提下，檢測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)在1500r/min轉(zhuǎn)速下的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放特性。
3試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1燃油經(jīng)濟(jì)性
為了便于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的燃油經(jīng)濟(jì)性和燃燒0號(hào)柴油的燃油經(jīng)濟(jì)性作出比較，本文按能量相等原則將混合燃料的熱值折算為與0號(hào)柴油熱值相當(dāng)?shù)漠?dāng)量燃油消耗率。
當(dāng)量燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化如圖1所示。從圖中可以看出，同種燃料隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，當(dāng)量燃油消耗率逐漸降低。在小負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油的高，并且隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大而增大；在中等負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率與燃燒0號(hào)柴油的相差不大；在高負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油的低，并且隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大而降低。
在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為32%時(shí)，燃燒E10的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油高1.7%；燃燒E15的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油高2.81%；燃燒E20的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油高2.86%；燃燒E25的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油高8.42%。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為80%時(shí)，燃燒E10的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油低1.08%；燃燒E15的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油低1.04%；燃燒E20的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油低0.27%；燃燒E25的當(dāng)量燃油消耗率比燃燒0號(hào)柴油低0.47%。
這種變化趨勢(shì)是因?yàn)橐掖疾裼突旌先剂系钠瘽摕岜?號(hào)柴油大，混合燃料的著火性較差。在小負(fù)荷工況范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)溫度偏低，而乙醇柴油混合燃料的汽化進(jìn)一步降低了工質(zhì)的溫度，使當(dāng)量燃油消耗率隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大而升高；在小負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)供油量少，隨著燃料中乙醇的摻入，混合氣過(guò)量空氣系數(shù)增大，可燃混合氣變稀，局部過(guò)稀的混合氣不能夠維持火焰?zhèn)鞑?，?dǎo)致燃燒不完全，使當(dāng)量燃油消耗率升高。
在中等負(fù)荷工況時(shí)，燃燒乙醇柴油混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率與燃燒0號(hào)柴油的當(dāng)量燃油消耗率相差不大。隨著負(fù)荷的增加，燃燒過(guò)程受汽化潛熱的影響逐漸減小。在大負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的供油量加大，隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大，氣缸內(nèi)混合燃料的含氧量也逐漸增大，氧的助燃作用更加明顯，使氣缸內(nèi)混合燃料燃燒更加充分，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程得到改善，因此乙醇柴油混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率在大負(fù)荷工況時(shí)有所降低。
3.2排放特性
3.2.1HC排放特性
汽車尾氣中的HC是由于發(fā)動(dòng)機(jī)未燃盡的燃料分解而產(chǎn)生的氣體。HC排放量隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化如圖2所示。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為32%時(shí)，燃燒E10的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高76.6%；燃燒E15的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高165%；燃燒E20的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高313%；燃燒E25的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高257%。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為80%時(shí)，燃燒E10的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高134.3%；燃燒E15的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高208.9%；燃燒E20的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高291%；燃燒E25的HC排放量比燃燒0號(hào)柴油的高338.8%。
這種變化趨勢(shì)主要是由于在燃燒過(guò)程中混合燃料和空氣的混合不均勻引起的。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的混合氣局部過(guò)濃或過(guò)稀都會(huì)引起燃燒不充分而產(chǎn)生HC的排放；可燃混合氣在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁面時(shí)受到冷激效應(yīng)的影響，也會(huì)導(dǎo)致混合氣燃燒不充分而產(chǎn)生HC排放；由于乙醇柴油混合燃料的汽化潛熱比0號(hào)柴油大，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的淬熄層，也會(huì)導(dǎo)致HC的排放量增加；由于混合燃料的十六烷值較低，因此混合氣的著火延遲期加長(zhǎng)，這樣就會(huì)形成更多的稀混合氣，同樣會(huì)導(dǎo)致混合氣燃燒不充分而增加HC的排放量。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)沒(méi)有充分燃燒的混合燃料，都將增加發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放量。
3.2.2NOx排放特性
NOx的排放主要是在高溫、富氧以及足夠的持續(xù)時(shí)間等這些條件下產(chǎn)生的。NOx排放量隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化如圖3所示。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒同種燃料的NOx排放量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大而增大。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速為n=1500r/min時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的NOx排放量逐漸增大。在低負(fù)荷工況時(shí)，柴油中摻燒乙醇可以明顯降低NOx的排放量，并且隨著混合燃料中乙醇摻燒比的增大NOx的排放量逐漸降低。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為32%時(shí)，燃燒E10的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的低12.4%；燃燒E15的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的低28.1%；燃燒E20的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的低41.7%；燃燒E25的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的低48.36%。這是因?yàn)樵诘拓?fù)荷工況時(shí)，氣缸內(nèi)的溫度較低不利于NOx生成，而且乙醇柴油混合燃料中乙醇摻混比越大，混合燃料蒸發(fā)所吸收的熱量越多，使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度越低。因此混合燃料中乙醇摻混比越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量越低。
在高負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料產(chǎn)生的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的略低。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為80%時(shí)，燃燒E10的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的低9.78%；燃燒E15的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的低2.3%；燃燒E20的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的低19.2%；燃燒E25的NOx排放量比燃燒0號(hào)柴油的低9.67%。這是因?yàn)樵诟哓?fù)荷工況時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的逐漸增大，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度逐漸升高，而且隨著混合燃料中乙醇摻燒比的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的含氧量也逐漸增多，所以混合燃料中乙醇的摻混比越大，NOx排放量就越大。
3.2.3CO排放特性
汽車尾氣中的CO主要是混合氣不完全燃燒的產(chǎn)物。CO排放量隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化如圖4所示。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒同種燃料的CO排放量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大而先減少后增加。在中、低負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的高；在高負(fù)荷工況時(shí)，燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量和燃燒0號(hào)柴油的相差不大。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為32%時(shí)，燃燒E10的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的高10%；燃燒E15的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的高50%；燃燒E20的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的高100%；燃燒E25的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的高95%。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為80%時(shí)，燃燒E10的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的低20.8%；燃燒E15的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的高4.2%；燃燒E20的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的低8.3%；燃燒E25的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的高37.5%。
這種變化趨勢(shì)主要是由于乙醇柴油混合燃料的汽化潛熱比0號(hào)柴油的大。在低負(fù)荷工況時(shí)，由于混合燃料中乙醇的蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，從而引起燃燒過(guò)程中淬熄層增多，所以此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的要高一些；在高負(fù)荷工況時(shí)，由于混合燃料中含有大量的氧，在發(fā)動(dòng)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，從而改善發(fā)了動(dòng)機(jī)的燃燒狀況，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒混合燃料CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的低。此外，在高負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)溫度高，由于混合燃料的汽化吸熱而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)的淬熄層減少，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況時(shí)的CO排放量有微小的降低。由于中等負(fù)荷與高負(fù)荷間的過(guò)渡，使高負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒混合燃料與0號(hào)柴油的CO排放量相差不大。
3.2.4煙度特性
汽車尾氣中的碳煙是由于柴油機(jī)燃燒不完全而產(chǎn)生的微小顆粒。消光系數(shù)k隨發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷變化如圖5所示。從圖中可以看出，燃燒乙醇柴油混合燃料的碳煙排放量比燃燒0號(hào)柴油的有所降低。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為32%時(shí)，燃燒E10的消光系數(shù)k比燃燒0號(hào)柴油的低57.14%；燃燒E15的消光系數(shù)k比燃燒0號(hào)柴油的低50%；燃燒E20的消光系數(shù)k比燃燒0號(hào)柴油的高11.9%；燃燒E25的消光系數(shù)k比燃燒0號(hào)柴油的低7.14%。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為80%時(shí)，燃燒E10的消光系數(shù)k比燃燒0號(hào)柴油的低37.6%；燃燒E15的消光系數(shù)k比燃燒0號(hào)柴油的低39.4%；燃燒E20的消光系數(shù)k比燃燒0號(hào)柴油的高48.23%；燃燒E25的消光系數(shù)k比燃燒0號(hào)柴油的低24.8%。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為80%時(shí)消光系數(shù)k的最大降低率可達(dá)48.23%。這是因?yàn)榛旌先剂现醒醯脑黾?，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更加充分，降低了碳煙排放，同時(shí)，由于乙醇柴油混合燃料的汽化潛熱大，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度，進(jìn)而減少了混合燃料燃燒的熱裂反應(yīng)，抑制了碳煙的形成。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部過(guò)濃區(qū)高分子烴（尤其是芳香烴）高溫缺氧裂解也會(huì)增加碳煙的形成，但是乙醇中不含有芳香烴，并且C/H質(zhì)量比低，從而減少了碳煙的排放。
4結(jié)論
?。?）在配置乙醇柴油混合燃料時(shí)，添加適量的正丁醇作為助溶劑可以有效地促進(jìn)乙醇和柴油的均勻相溶，正丁醇的摻入可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放中的NOx含量。
?。?）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料與燃燒0號(hào)柴油比較，在中低負(fù)荷工況時(shí)，當(dāng)量燃油消耗率隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大而升高；在高負(fù)荷工況時(shí)，當(dāng)量燃油消耗率隨摻混比的增大而降低。在低負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量比燃燒0號(hào)柴油的高；在中高負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量與燃燒0號(hào)柴油的相差不大。在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的HC排放量均比燃燒0號(hào)柴油的高；而燃燒乙醇柴油混合燃料的NOx排放量及碳煙排放量均比燃燒0號(hào)柴油的低。
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