柴油机燃用煤基含氧混合燃料的性能研究*

武志斐　左鹏　王铁　杨甜甜　王文坤

（太原理工大学，太原030024）



柴油机燃用煤基含氧混合燃料的性能研究*

武志斐左鹏王铁杨甜甜王文坤

（太原理工大学，太原030024）

【摘要】在F-T柴油中添加不同比例的丁醇、生物柴油燃料，并与0#柴油进行发动机性能对比研究。结果表明，相比于原机水平，混合燃料动力性能有10 %的降低，经济性能变化不大，污染物排放量明显降低。在2 000 r/min时，混合燃料N10、N20与N10B10的NOx排放分别降低23.40 %、26.95 %和23.25 %；外特性下，混合燃料N10、N20与N10B10的碳烟排放平均降低71.47 %、77.16 %和68.80 %，甲醛平均降低幅度为59.19 %、68.41 %和62.75 %。

1　前言

在传统柴油机燃烧中，一般认为提高燃料的十六烷值是降低NOx排放和最高燃烧压力且使燃烧更加柔和的有效措施之一。费托合成的煤制燃料（F-T柴油）是煤炭经间接液化生成的液体燃料，其具有十六烷值高、硫和芳烃含量低等优点，燃烧热效率高，排放污染物少，被认为是清洁高效的柴油机代用燃料，是实现煤炭在内燃机上清洁化利用的最佳载体[1]。研究表明，F-T柴油能够大幅降低HC、CO、NOx等常规排放物以及甲醛、芳香烃等非常规排放物[2,3]，但F-T柴油对于碳烟排放的影响还存在分歧，大多数研究中F-T柴油能降低碳烟的排放[4,5]，少数研究中碳烟稍有升高或基本不变。

为解决F-T柴油碳烟与NOx的此消彼长关系，F-T柴油与含氧替代燃料的掺混燃烧是不错的选择。正丁醇是国内外关注的一种新型生物质燃料，与F-T柴油有很好的互溶性，其单位热值高于乙醇燃料且含氧，被认为比乙醇燃料更适合作为发动机的替代燃料。国内外学者对柴油正丁醇混合燃料开展了广泛的研究，文献[6]在一台重型柴油机上研究了不同比例的柴油-正丁醇混合燃料的燃烧和排放特性，结果表明碳烟和CO排放得到明显改善，而NOx排放和燃烧经济性并没有明显恶化；文献[7]表明，与其它醇类燃料相比，柴油-正丁醇燃料更适合于压燃发动机。

生物柴油中硫和芳烃含量低、闪点高、十六烷值高、含氧，可改善燃烧并降低碳烟排放[8]，具有良好的润滑性，可以提高混合燃料的运动粘度，保护发动机的精密偶件。

本文以F-T柴油为基础燃料并添加丁醇燃料，研究含氧燃料对高十六烷值燃料动力性、经济性及排放特性的影响，同时比较丁醇与生物柴油对发动机性能的影响效果。

2　试验燃料及理化性质

试验所用燃料包括常规商业0#柴油、无水丁醇、生物柴油和潞安集团提供的F-T柴油。其中0#柴油作为试验对比燃料，在F-T柴油中添加体积分数为10 %和20 %的丁醇配制成F-T柴油-丁醇混合燃料，记为N10 和N20，然后在N10的基础上添加10 %的生物柴油配制成三元混合燃料记为N10B10。表1为各种燃料的基本理化特性。

表1　各种燃料的理化特性

F-T柴油的高十六烷值特性使发动机燃烧柔和、振动变弱，且能实现低温燃烧，但是也有可能造成碳烟排放的升高；而含氧燃料能够显著降低碳烟的排放。因此，所配制的混合燃料就是具有高十六烷值特性的含氧燃料。

3　试验设备及方法

试验用发动机型号为YN4100QBZL，为4缸、水冷、增压中冷、直喷式柴油机，主要参数见表2。

试验采用ET2500重力型油耗仪测量发动机油耗，采用DW160电涡流测功机对发动机进行负荷调节。气态排放使用多组分测试系统AVL FTIR i60傅里叶变换红外光谱仪，燃烧过程中的NOx、N2O、NO等氮氧化物排放量都可以在该排放分析仪上实时读取和记录，同时可以在线监测甲醛、乙醛、丙酮、甲苯、二氧化硫、二氧化碳等非常规气态排放物，分辨率为0.01×10-6，精确度在±0.1 %以内。使用AVL的Micro Soot Sensor 483微碳烟排放测试系统实时在线检测排气中的碳烟微粒污染物。为了保证试验的可重复性以及结果一致性，在试验开始前对测试设备进行校准与标定，试验过程中待发动机在测试工况运转稳定30 s后，对燃油消耗量进行3次测试，取平均值作为试验结果；对排放污染物进行60 s测量，舍弃前后15 s取中间30 s的测试数据，求其平均值作为试验结果；对燃烧分析仪采集的所有工作循环，选取中间的100个循环进行燃烧分析，以此减小试验误差。

4　试验结果及分析

4.1动力性能与经济性能分析

4.1.1动力性能分析

发动机的动力性能指标主要有有效扭矩、有效功率和发动机转速。图1为不同转速油门全开状态下测试得到的该发动机最大功率。由图1可知，相比于0#柴油，F-T柴油的动力性能明显降低；由于丁醇的体积热值更低，掺烧丁醇后的N10、N20燃料的动力性能分别降低9.8 %～15.4 %、11.9 %～16.2 %；而生物柴油的体积热值相对较高，使得N10B10燃料相对于N20燃料动力性能有所改善。动力性能的降低对汽车日常使用影响不大，主要在汽车加速爬坡时表现明显，因此可以通过适当增加喷油量来保证动力性能。

4.1.2经济性能分析

图1　各种燃料对发动机动力性能的影响

图2为该发动机在外特性下的燃油消耗率与有效热效率的对比情况。

由图2可知，混合燃料对柴油机经济性能影响较小；相对于0#柴油，F-T柴油的燃油消耗率有所降低，有效热效率明显降低；随着含氧燃料比例的增加，燃油消耗率升高，其中N10B10燃料的燃油消耗率最大，而混合燃料的有效热效率略有升高，这是因为燃油消耗率由其质量热值决定，而F-T柴油的质量热值高于0#柴油，因此燃油消耗率降低；而含氧燃料的质量热值比较低，随着含氧燃料掺烧比例的增加，混合燃料的质量热值降低，燃油消耗率增加。

图2　各种燃料对发动机经济性能的影响

4.2排放特性分析

4.2.1 NOx排放

图3为外特性下各种燃料的NOx排放随发动机转速的变化曲线。

图3　各种燃料的NOx排放

由图3可知，随着转速的增加，NOx排放先降低后升高，出现NOx排放的最低转速点；3种混合燃料的NOx排放与原机相比明显降低，在2 000 r/min下达到最大降幅23.40 %、26.95 %和23.25 %。根据燃烧过程中氮原子的氧化机理，氧分子在高温下首先裂解，开始与氮分子反应生成NO和氮原子，氮原子进一步与氧结合产生氮氧化合物。因此，局部的高温、氧原子的浓度和高温持续时间是NOx生成的主要因素[9]。随着转速的增加，缸内燃烧温度增加，高温持续时间缩短。在折点之前，随转速升高，高温持续时间的缩短起主要作用，NOx排放降低；折点之后，随转速升高，高温环境促使NOx排放升高。

本试验中，影响燃料NOx排放的因素有：

a. F-T柴油的高十六烷值特性使得燃烧始点提前，预混合燃烧放热率降低，最高燃烧温度降低；

b.丁醇燃料的高汽化潜热和较低的热值降低了进气充量的温度，进而降低燃烧最高温度；

c.丁醇的加入减少了预混合燃烧的比例，降低了燃烧温度；

d.含氧燃料加快了反应速度，减少了高温持续时间。

由燃烧过程可知，燃料中较高的十六烷值使得预混合燃烧放热率峰值明显降低，缸内最高燃烧温度降低，而低温燃烧是混合燃料NOx排放降低的主要原因。

NO2的产生是一个复杂的反应过程，不是简单的NO转化，需要一定的条件比如温度、氧气浓度等[10]。因此，有必要研究NO2的排放机理。图4为外特性下各种燃料的NO2与NO的排放曲线。可知，NO排放与NOx排放规律相似，相比于原机，混合燃料的NO排放明显降低。NO生成机理就是扩展的泽尔多维奇机理：NO生成速率经验公式：式中，A、B为常数。

可见NO的生成速率和温度呈指数关系，温度越高，N2和O2浓度越高，NO的生成速率越高。煤基含氧燃料的混合燃烧使得燃烧始点提前，预混合燃烧放热率降低，燃烧速度加快，从而降低了燃烧初始温度、最高燃烧温度以及高温持续时间，因此NO的生成速率降低。

（a）外特性下NO排放对比

图4　外特性下各种燃料的NO2与NO排放

化学守恒定律表明，在已燃气体的火焰温度下，NO2和NO是基本可以忽略的[11]。混合燃料的NO2排放较柴油变化不大，在低转速下NO2排放升高，高转速下降低。NO2主要通过NO的氧化反应NO+HO2→NO2+HO生成。高温条件下，NO2通过反应NO2+O→NO+O2转化为NO。当形成的NO2遇到较冷的气体会被“冻结”，因此NO2的排放量与温度有关，低温容易生成更多的NO2。根据丁醇的低温氧化机理，正丁醇在不断的脱氢反应中产生大量的自由基HO、HO2，其中的HO主要参与燃料中烃基的脱氢反应，而HO2有利于NO的氧化反应而产生NO2。这两个方面的因素共同使得混合燃料N10、N20的NO2排放高于原机水平，而且低转速下缸内最高燃烧温度更低，“冻结”作用更明显，混合燃料的NO2升高更加明显。

图5为外特性下柴油机燃用不同燃料时N2O排放的变化规律。可知，各种燃料的N2O排放随转速的变化趋势一致，在1 600 r/min下存在最优排放点。混合燃料的N2O排放与原机0#柴油相比，有明显降低，丁醇对FT柴油的N2O排放影响效果要好于生物柴油，其中N20燃料的N2O排放量平均降低幅度达到44.76 %。这主要是由添加丁醇及生物柴油的混合燃料的燃烧最高温度降低导致的。

4.2.2碳烟排放

柴油机尾气中的干碳烟主要是由柴油中的碳在高温缺氧条件下生成的，根据Kitamura等人的研究，碳烟生成的条件为局部当量比大于2和温度为1 600～2 500 K[12]。虽然柴油机缸内总体上是富氧燃烧，但是混合气成分不均，局部缺氧还是会导致碳烟的生成。图6为外特性下各种燃料的碳烟排放曲线。可知，混合燃料的碳烟排放明显低于原机模式，高转速下表现更加明显。高十六烷值燃料与含氧燃料的混合燃烧不仅能够降低燃烧最高温度，而且可以改善扩散燃烧的缺氧状况来促进燃烧，从而降低碳烟排放。相对于原机水平，混合燃料N10、N20和N10B10的碳烟平均降低幅度分别为71.47 %、77.16 %和68.80 %。通过对比N20与N10B10燃料可以看到，正丁醇对于碳烟的氧化作用大于生物柴油，其降低效果更加明显，这与正丁醇的高含氧量有关。

4.2.3甲醛排放

图5　外特性下各种燃料的N2O排放

图6　外特性下各种燃料的碳烟排放

醛类是醇类替代燃料的重要非常规排放物之一。文献[13]和文献[14]研究得出，无论是纯柴油还是掺烧醇类和生物柴油的混合燃料，其甲醛排放量都比乙醛高，本文的试验结果也验证了这一结论，因此仅针对甲醛的排放进行讨论。图7为外特性下各种燃料的甲醛排放随发动机转速的变化趋势。

图7　外特性下各种燃料的甲醛排放

由图7可知，混合燃料N10、N20和N10B10的甲醛排放与原机相比有比较明显的降低，其甲醛平均降低幅度分别为59.19 %、68.41 %和62.75 %。这主要得益于混合燃料以F-T柴油为基础燃料，而F-T柴油能够降低柴油机甲醛等非常规排放物[4]。添加丁醇和生物柴油之后的混合燃料甲醛排放没有进一步上升，表现出良好的适用性。

5　结束语

a.混合燃料的含氧特性可以显著降低碳烟排放，且低温燃烧可以降低NOx排放，其中主要表现在降低NO与N2O方面，而NO2稍有升高。

b.混合燃料的非常规甲醛排放也明显降低，其中相同体积分数的正丁醇相较于生物柴油降低效果更加明显。

c.燃料的十六烷值与含氧量是影响混合燃料性能的主要指标，高十六烷值燃料与含氧燃料的混合燃烧能够实现柴油机的性能优化。

参考文献

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（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2015年9月1日。

Research on Performance of Diesel Engine Burning CTL-oxygenated Mixed Fuel

Wu Zhifei, Zuo Peng, Wang Tie, Yang Tiantian, Wang Wenkun
（Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024）

【Abstract】The effect of F-T diesel blending in varying proportions of butyl alcohol and biodiesel on the dynamic performance and emission characteristics is investigated and compared with 0# diesel fuel. Results show that, compared with the baseline diesel engine, the mixed fuel experiences 10% reduction of dynamic performance, little change in economic performance, whereas its pollutant emissions decrease significantly. At 2 000 r/min, NOxemissions of fuel N10, N20 and N10B10 are reduced by 23.40%, 26.95%, 23.25% respectively. Under the external characteristic, soot emissions of those three fuels are reduced by an average of 71.47%, 77.16% and 68.80% and the average reduction rate of formaldehyde is 59.19%, 68.41% and 62.75% respectively.

Key words:Diesel engine, Performance, CTL, Oxygenated fuel

中图分类号:U464.172

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）01-0052-05

*基金项目：山西省自然科学基金资助项目（2014021024-3）。

主题词:柴油机性能煤基燃料含氧燃料