梅德清，張永濤，肖淑梅，孫 平

（1. 江蘇大學 汽車學院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013； 2. 揚州職業(yè)大學 汽車工程系，江蘇，揚州 225009）

隨著我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展和汽車保有量的高速增長，能源需求和環(huán)境保護問題的雙重壓力日益增加，因而迫切需要發(fā)展可以替代的燃料，其中含氧燃料的研究和應用是關鍵[1-4]。含氧燃料通常是指分子結構中含有氧元素的醇類、醚類、酯類等可以在內燃機中單獨作為燃料或以添加劑的形式與汽油、柴油混合使用的含能物質。目前，在眾多的柴油機代用燃料中，生物柴油、乙醇柴油等弱含氧燃料以良好的經(jīng)濟性、動力性和排放特性而大受歡迎，同時具有無需對發(fā)動機進行結構改造而能直接應用等優(yōu)勢，使其倍受各國青睞[5-6]。

針對醇類、醚類、酯類等含氧燃料各自與普通柴油在發(fā)動機上的比對應用，國內外做了大量研究工作，并已得到了各類燃料的燃燒與排放特性差異及機理性的解釋,含羥基的燃料主要為短碳鏈物質，而酯類則以長碳鏈為代表。本文在同一臺發(fā)動機上，進行發(fā)動機燃燒這些含氧燃料和普通柴油的燃燒分析和排放性能測試，研究低含氧量不同含氧屬性（羥基和酯基）帶來的發(fā)動機性能差異，協(xié)調這類弱含氧燃料在發(fā)動機上的運用。

1 試驗裝置及方法

在不改變柴油機結構形式和供油提前角，僅微調供油量實現(xiàn)原機功率的基礎上，進行柴油機分別燃用生物柴油、乙醇柴油、微乳化生物柴油和普通柴油4種燃料的燃燒過程和排放特性試驗研究，分析含氧燃料在發(fā)動機上的應用特點。

試驗樣機為YZ4DB3，主要技術參數(shù)以及試驗設備見表1和表2。試驗測量了柴油機在標定轉速不同負荷工況下燃用4種燃料時的缸內燃燒壓力、燃油經(jīng)濟性和排放特性。

試驗的基礎燃料是0#柴油。生物柴油(Biodiesel)是由餐飲廢油經(jīng)酯交換工藝制備而成的。微乳化生物柴油（Micro Emulsion-Biodiesel , MB）按照柴油︰表面活性劑︰水的質量比為15∶2∶1配制而成。乙醇柴油（E20）是以正丁醇為助溶劑(體積比5%)，柴油中摻混20%（體積比）乙醇的調合燃料。試驗用柴油與各含氧燃料的理化特性見表3。

表1 試驗用柴油機主要技術參數(shù)

表2 試驗所用的主要儀器

表3 柴油與含氧燃料的理化特性

2 燃燒過程分析

圖1為在n=2 900 r/min，pme=0.77 MPa工況下，發(fā)動機燃用4種燃料的缸內壓力示功圖、瞬時放熱率和缸內溫度等曲線圖。從圖1（a）可以看出，與燃用柴油相比，3種含氧燃料中生物柴油的缸內最大爆發(fā)壓力略低，而MB和E20兩者的缸內最大爆發(fā)壓力均大于柴油。從圖1（b）瞬時放熱率曲線可以看出，與燃用柴油相比，長鏈的酯基燃料——生物柴油較高的十六烷值使著火時刻提前約2°CA，滯燃期內形成的可燃混合氣量較少，且酯類燃料較高的粘度限制了缸內混合氣的形成速度，后續(xù)燃燒延緩，放熱率峰值略有降低。

發(fā)動機燃用E20和MB時，兩者的放熱時刻明顯較柴油和生物柴油滯后，但兩者的放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都比柴油高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于短鏈醇和水的加入使燃料的十六烷值降低，著火延遲期相對延長；低沸點的乙醇以及微乳化的水這兩者微爆引起二次霧化現(xiàn)象[7-8]，使滯燃期內燃料和空氣混合比較充分；此外乙醇和微乳化油都是含氧燃料，氧的助燃作用又促使混合氣燃燒速度加快，燃燒放熱過程更加集中。良好的霧化性能又加速了擴散燃燒的進度，使燃燒終點提前，故而E20和MB的燃燒持續(xù)期縮短。

從燃料化學的角度，燃料中氧或者水只對燃燒過程起到調節(jié)作用，并不能增加燃料氧化釋放出來的熱量。因此，隨燃料進入整個燃燒反應系統(tǒng)的氧或者水，隨著反應容器內溫度的升高，吸收一部分熱量使其內能提高，因而3種含氧燃料的缸內工質平均溫度都比柴油有不同程度的降低，如圖1（c）所示。與燃用柴油相比，生物柴油盡管在進入氣缸后最先著火，但在初期放熱結束之后因其粘度較高，油氣混合的速度比柴油燃料低，因此燃燒放熱速度下降，缸內燃燒溫度降低。MB因燃料中含有水，其缸內溫度比生物柴油略有降低。而E20因汽化吸熱和低熱值等因素，其缸內溫度最低。

圖2為發(fā)動機在n=2 900 r/min轉速下各個負荷工況下（各個目標工況一致）有效熱效率的對比。從圖中可看出，3種含氧燃料的有效熱效率都比柴油高。在n=2 900 r/min、pme=0.77 MPa工況下，發(fā)動機燃用生物柴油、MB和E20的有效熱效率分別比柴油高出4.1%、8.7%和15.7%。生物柴油中氧的存在提高了混合氣中的氧氣氛，致使燃燒過程進行完全。而柴油中乙醇以及微乳化油中水的加入，與前文圖1（b）中瞬時放熱率解釋一致，較長的著火延遲期、沸騰汽化帶來的良好霧化性能和燃料自供氧的助燃作用，在這三者的綜合效應下，使缸內燃燒放熱過程相對集中、等容度高，熱量轉換為功的效率高。因此，MB和E20的熱效率進一步上升。酯基或羥基物質用作燃油后，發(fā)動機有效熱效率有不同程度的提高，燃料放熱節(jié)奏的改變是主因，而含氧屬性只能是其中輔助的因素。

3 排放特性分析

3.1 NOx排放

由Zeldovich NO形成的熱力學機理可知，影響NOx生成的最主要的因素有3個：（1）溫度。（2）過量空氣系數(shù)（φa大，則造成富氧環(huán)境，有利于NOx生成）。（3）反應在高溫中的停留時間。圖3是在標定轉速下發(fā)動機燃用不同含氧燃料的NOx排放。在中低負荷工況下，生物柴油、E20以及MB對發(fā)動機NOx排放影響不大，而在高負荷工況下，較高的燃燒溫度對NOx的生成影響起著決定的作用，各含氧燃料的 NOx排放有一定程度的上升。在最大負荷工況點，發(fā)動機燃用生物柴油和MB時的NOx排放分別增加了11.1%和9.3%，這主要是由于缸內可燃混合氣中參與化學反應的活性氧量上升，更易形成NOx排放。而發(fā)動機燃用E20時的NOx排放相對增加量較少，為7.2%。從缸內工質的平均溫度圖1（c）可以看出，由于乙醇汽化吸收熱量且高含氧低熱值乙醇進入氣缸使燃料質量增多，發(fā)動機燃用E20時缸內溫度最低，因而其NOx排放在這3個含氧燃料中最低。由此可見，在較高的缸內溫度下，由酯基或羥基提供的更多的氧成為NOx快速增長的主要要素。

3.2 CO排放

在標定轉速下，發(fā)動機燃用4種燃料的CO排放如圖4所示。CO是燃料不完全燃燒的產物，主要受燃燒溫度和氧濃度大小的影響。在各負荷工況下，生物柴油的CO排放比普通柴油的CO排放要低，主要是由于燃料中的氧的存在增加了混合氣中氧氛圍，改善了燃燒過程；燃料中加入水的MB，其CO排放性能介于二者之間，因為水的汽化吸熱在一定程度上降低了缸內燃燒溫度，使CO排放相對于生物柴油略有上升，但和柴油的CO排放差別不大。在10%負荷工況下，發(fā)動機燃用乙醇柴油的CO排放為普通柴油的1.5倍，而在全負荷下，兩者大致相當。原因主要有：在低負荷時缸內溫度較低，加之乙醇較高的汽化潛熱進一步降低了缸內燃燒溫度，CO進一步氧化的進程被抑制；而在高負荷下，缸內溫度相對較高，乙醇汽化使缸內溫度降低的作用弱化且燃料自供的氧又能促進燃料燃燒，因而CO排放下降。

E20在高低負荷下CO排放的顯著差異，說明了燃料含氧屬性不能被無限放大，此時醇的另外特性（汽化吸熱）成為顯性要素。生物柴油、MB和普通柴油這三者燃料主體的碳鏈長度接近，此時CO排放規(guī)律可由含氧屬性來解釋。

3.3 HC排放

圖5為發(fā)動機在標定轉速下燃用4種燃料的HC排放。由圖可看出，發(fā)動機燃用生物柴油和MB時HC排放比柴油降低幅度較大，因為生物柴油是含氧燃料，增加了混合氣中的氧氛圍，使燃燒更完全；再者生物柴油相對的不易揮發(fā)性以及高十六烷值使著火延遲期縮短，混合氣形成階段由于時間尺度縮短而使著火稀限區(qū)域減少。與生物柴油相比，發(fā)動機燃用MB，因燃料含水降低了缸內溫度限制了燃燒，而使HC略有增高。而發(fā)動機燃用E20時，在中低負荷下，由于缸內燃燒溫度原本較低，具有較高汽化潛熱的乙醇進缸后吸熱汽化使缸內溫度進一步降低，加之乙醇沸騰汽化會形成更多的著火稀限區(qū)域，因而HC排放增加，達到普通柴油的1.7倍；而在高負荷下，發(fā)動機缸內溫度較高，乙醇的汽化吸熱造成的缸內溫度降低效應變弱，此時HC排放比發(fā)動機燃用柴油時還低，與另兩種含氧燃料的HC排放相接近?？梢?，含羥基的短碳鏈的易揮發(fā)性是造成HC排放增多的主要根源。

3.4 碳煙

圖6為標定功率轉速工況下4種燃料的由光吸收系數(shù)表示的碳煙排放對比。碳煙的形成主要是由于燃燒室內局部混合氣過濃引起的不完全燃燒。由圖6可以明顯看出各種混合燃料的煙度排放低于柴油的煙度值。生物柴油以及E20為含氧燃料，其氧原子在燃燒過程中可以助燃，因而碳煙排放會大幅度下降。

MB碳煙排放較低的機理在于MB燃燒時混合氣均勻度提高，此外混合燃料中含氧，減緩了局部缺氧現(xiàn)象。加之，燃燒過程中形成的C會與水蒸氣發(fā)生水煤氣反應以及OH自由基對活性碳原子的消耗，均會使煙度值降低，其機理見式（1）和式（2）[9-10]。

在柴油中添加乙醇后，含氧量上升，此外乙醇的沸騰汽化使混合氣均勻度提高，促使燃油液滴與空氣混合充分，碳煙排放下降，最大負荷工況下降幅達到47%?？傮w而言，長鏈酯基結構的燃料消煙效果比短鏈醇基結構燃料更明顯。

4 結論

（1）在標定點工況下，與以柴油作為發(fā)動機工作的燃料相比較，生物柴油著火時刻約提前2°CA，著火延遲期縮短，放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都略低于柴油；而MB和E20開始放熱時刻相對滯后，但放熱過程更集中，放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都較發(fā)動機燃用柴油時升高。

（2）在大負荷工況下，與柴油相比，發(fā)動機燃用3種含氧燃料總體表現(xiàn)為NOx排放增加，而表征不完全燃燒產物的HC、CO和煙度等均有不同程度的下降。生物柴油和柴油的燃料結構相似，其對排放的影響都可以從燃料結構中含氧和十六烷值來解釋；加入水的MB使缸內溫度略有降低，其排放性能與生物柴油相近；但考慮到E20的汽化吸熱和易揮發(fā)性，在中低負荷時HC和CO排放明顯較高。

（3）含氧的酯類及醇類的加入同時也帶來了燃料特性（含氧量、沸點、汽化潛熱、粘度和CN值等）等其它方面的改變，對發(fā)動機燃燒及排放性能產生很大的影響。因此，需要依據(jù)酯或醇的燃料屬性，優(yōu)化添加比例，使現(xiàn)有發(fā)動機能夠滿足相應的排放法規(guī)。

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