添加乙醇对脂肪酸甲酯-柴油混合燃料的燃烧及排放特性的影响

王冀白，边耀璋，张哲林，陈昊，

(1.长安大学汽车学院，交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室，陕西 西安　710064；2.博格华纳汽车零部件有限公司，浙江 宁波　315000)



添加乙醇对脂肪酸甲酯-柴油混合燃料的燃烧及排放特性的影响

王冀白1，边耀璋1，张哲林2，陈昊1，2

(1.长安大学汽车学院，交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室，陕西 西安710064；2.博格华纳汽车零部件有限公司，浙江 宁波315000)

摘要：【目的】 研究添加乙醇对脂肪酸甲酯-柴油混合燃料性能的影响.【方法】 在一台单缸柴油机上对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种燃料的燃烧和排放特性进行对比试验研究。【结果】 与BD20相比，BD20E5，BD20E10的滞燃期要长.对于BD20燃料而言，低温放热发生的时间早，反应剧烈，聚集了大量热量从而越过了负温度系数区，迅速开启了高温放热；BD20E5和BD20E10 2种燃料的高温放热发生时间较晚；峰值压力和峰值放热率增加，但对应的曲轴转角相同.负荷特性下，BD20E10和BD20E5的CO排放在1500 r时随着乙醇比例的增加分别降低49.3%和33.2%；碳烟分别降低47.1%和29.4%；NOx排放几乎相同，且总体均处于较低值；BD20E10和BD20E5的HC排放在1500 r时相比BD20有所增加，并且随着转速的提高排放值呈现波动变化。【结论】 添加乙醇可以改善脂肪酸甲脂柴油混合燃料的燃烧和排放特性.

关键词：脂肪酸甲酯；乙醇瞬时放热率；燃烧压力；排放特性

ASTM标准中，生物柴油定义为用于压燃式发动机的、来自可再生的酯类，如植物油和动物脂肪的长链脂肪酸单酯[1].生物柴油的闪点高，挥发性较小，在运输与储存中的安全性较柴油好[2].生物柴油具环境友好、可再生、原料来源广泛[3]、贮存和使用较安全、没有毒性等优点[4].许多研究表明，生物柴油[5-7]和醇类燃料[8]适合作为柴油机的替代燃料.燃用生物柴油可以降低柴油机的PM和未燃碳氢化合物的排放，但是NOx的排放会略有上升.张志强等[9]对乙醇和柴油的混合燃料进行了模拟，结果表明乙醇可以改善燃油的雾化效果.王建昕等[10]研究结果表明，乙醇作为柴油的添加剂可以降低排气烟度，但是NOx排放明显增加.由于生物柴油运动黏度大，其与柴油的混合燃料的流动性差[11]，可能会影响内燃机的热效率.另外，柴油乙醇掺烧混合燃料由于自身化学结构在混合时会出现分层现象，酯类是柴油与醇类燃料助溶剂的主要成分[12].夏舜午等[13]在乙醇和柴油中加入正丁醇助溶剂，研究了溶解度的变化，结果表明虽然正丁醇有助溶作用，但是对水含量十分敏感.因此本试验拟在脂肪酸甲酯-柴油的混合燃料中加入乙醇，在解决燃料溶解度的基础上，研究乙醇对柴油机的燃烧及其污染物排放特性.

1材料与方法

1.1试验燃料

试验中采用乙醇、脂肪酸甲酯和柴油的混合物作为燃料.根据互溶性试验最终确定各种燃料的掺烧量.燃料的掺烧量ç的定义为：ç=掺烧量/(掺烧量+主燃料量)

表1中，BD0代表纯柴油，BD2代表2%的脂肪酸甲酯和柴油的混合物，字母BD后面的数字代表脂肪酸甲酯与柴油混合物中脂肪酸甲酯的体积分数.从表1看出，对于同一种编号的样品，随着温度的提高，混合物能够溶解的乙醇最大体积增加，说明温度对提高乙醇在混合物中的溶解度有影响.随着混合物中脂肪酸甲酯体积分数的增加，脂肪酸甲酯的助溶作用明显增加.综合分析表1，本试验选择20%的脂肪酸甲酯与80%的柴油混合燃料BD20作为基础燃料.保持脂肪酸甲酯的体积分数不变，用乙醇来分别代替5%、10%的柴油，来调配成BD20E5、BD20E10作为内燃机台架试验的燃料.

表1　不同温度和比例下的脂肪酸甲酯和柴油

1.2试验装置与组成

试验仪器装置的连接示意图见图1.水力测功机通过联轴器与发动机相连，试验用单缸柴油机的型号是 ZH1105W，其主要技术参数：气缸直径为105 mm，活塞行程115 mm，压缩比为16.5，标定功率为11.03 kW.五气分析仪与内燃机的排气管道连接.排放测试装置包括 AVL DIGAS4000五气分析仪和 AVL DISMOKE 4000部分分流不透光烟度计，选择消光系数K(m-1)表示烟度值.测控装置包括电荷放大器、压电式压力传感器、光电传感器与曲轴转角发生器.负荷工况控制采用测功机油门执行器手动调节完成.

图1　试验装置示意图Fig.1　Instruments scheme

2结果与分析

2.1缸内燃烧压力

图2表明：相比BD20，BD20E5和BD20E10两种燃料的燃烧始点向远离上止点的位置上几乎相同，并且均滞后于BD20.原因一方面是因为脂肪酸甲酯的十六烷值为56，而乙醇的十六烷值仅为8，说明掺烧乙醇的混合燃料的着火性较差；另一方面，乙醇的汽化潜热值为854 kJ/kg，高于脂肪酸甲酯的200 kJ/kg.燃料喷入气缸后吸热，导致燃烧延迟.

分析表2可知，相比BD20， BD20E5和BD20 E10两种燃料的峰值压力在小负荷时有所降低，但在中高负荷时有所增加.乙醇对峰值压力的影响呈现出低负荷抑制，高负荷促进的作用.且当转速增加至1 800 r/min时，BD20E10燃料的缸内压力峰值明显大于BD20E5的峰值.在小负荷时，缸内的绝对温度较低以及缸内热力状态差，乙醇的作用得不到体现；随着乙醇添加比例增加，燃烧始点延迟，使得着火延迟期内形成的可燃混合气数量增加，从而提高了峰值压力.

图2　不同工况下3种燃料的燃烧压力曲线Fig.2　Combustion curves of fuels under different loads

转速/(r·min-1)平均有效压力(MPa)BD20峰值压力/MPa对应角度/(°)CABD20E5峰值压力/MPa对应角度/(°)CABD20E10峰值压力/MPa对应角度/°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

与BD20相比，同一转速下，BD20E5与BD20 E10的峰值压力对应曲轴转角完全一致.这种现象是由于BD20E5和BD20E10的氧含量较高加快了燃烧速度，虽然燃烧始点有延迟，但峰值压力却同时出现.

2.2瞬时燃烧放热率

图3是不同工况下BD20与BD20E5、BD20E10两种燃料的瞬时放热率对比曲线.与BD20相比，当Pme(平均有效压力)分别为0.531、0.354 Mpa时，同一工况下BD20E5与BD20E10的峰值瞬时燃烧放热率增加，且随着乙醇比例的提高而增加.乙醇加快了燃烧速度，导致峰值燃烧放热率增加.但是当Pme(平均有效压力)较低时，峰值燃烧放热率反而随着乙醇比例的增加而降低.在小负荷时，一方面气缸内的热力状况较差，另一方面乙醇本身的低热值为27.2 mJ/kg，要低于脂肪酸甲酯的38.412 mJ/kg，单位时间内的放热量减少，导致峰值放热率降低.

BD20E5与BD20E10两种燃料的滞燃期要长于BD20.对于BD20而言，燃料低温放热发生时间较早，反应剧烈，累计的热量使系统迅速越过了负温度系数区，开始了高温放热；而随着乙醇比例的增加，低温放热时间延长.

在中高负荷时，虽然放热开始有一定延迟，但是随着乙醇比例的增加，峰值放热速率提高，BD20E10的峰值瞬时放热速率最大，原因同上.在中高负荷时，由于缸内热力状态较好，乙醇又是含氧燃料，乙醇促进燃烧的作用得以体现.随着乙醇的增加，混合燃料的表面张力下降，更容易雾化，所以在中高负荷时，BD20E10的峰值燃烧放热率比BD20E5高.

BD20、BD20E5和BD20E10的放热率曲线均表现出“双峰”现象.最高峰值放热速率远高于次峰值放热速率，出现这个规律的原因是因为乙醇对燃烧的促进作用，有效地减少了后燃量.

2.3排放特性

图4为在不同转速下CO排放量随负荷的变化.随着负荷的加大，缸内温度增加，CO逐步被氧化，排放降低.当负荷继续增大，缸内温度持续增加，进入燃烧室内的燃料增加，但是氧气含量相对较少，有一部分未完全燃烧，在高温条件下未完全燃烧的碳与二氧化碳生成新的CO，导致其排放数值增加.加入了乙醇的脂肪酸甲酯和柴油的混合燃料的排放数值，随着乙醇体积分数的增加，其排放数值呈现出减小的趋势.

图5是在不同转速下HC排放量随负荷的变化.随着乙醇含量的增加，HC排放值比未加入乙醇燃料的排放值增加.这是因为乙醇的十六烷值较低、着火性较差，导致滞燃期变长，这是未燃HC增加的主要原因.当内燃机的负荷增加时，缸内压力逐步升高，一部分未燃混合气被压入缝隙内，这部分混合气未能参加燃烧，当排气门打开，随着废气排入大气中导致HC排放增加.同时随着负荷的增加，气缸壁面温度与燃烧室内温度差增加，导致未燃HC含量增加.

NOX是柴油机排放控制的重点， NOX的生成主要受氧气浓度、燃烧温度以及燃烧产物在高温中的停留时间的影响.图6为发动机转速为1 500 r/min和1 800 r/min负荷特性下，发动机燃用3种不同燃料时的NOX随负荷变化关系.由图6可以看出，在发动机一定的负荷范围内，3种燃料的NOX排放随着发动机负荷的增加而升高.原因是负荷增加时，气缸内燃烧温度和压力增大，NOX的排放增加.由于乙醇的汽化潜热值较高，在混合气进入气缸后，汽化过程中会吸收热量，导致缸内温度降低，但是缸内温度仍是导致NOX排放增高的主要原因.

图3　不同工况下瞬时放热速率对比Fig.3　Comparison of instantaneous released heat rate under different loads

图4　负荷特性CO排放对比Fig.4　Exhaust comparison of CO of engine load

从图7中可以看出，在转速恒定时，当负荷较高时，3种燃料碳烟的排放值随着乙醇比例的增加而降低.这是因为乙醇的十六烷值比柴油和脂肪酸甲酯都低，使得混合燃料的平均十六烷值降低；另一方面，乙醇是含氧燃料，在高温燃烧的时候不利于碳烟的生成.但是在较小负荷时，乙醇较高的汽化潜热值会抵消其阻碍碳烟生成的作用，只有当缸内温度升高后，阻碍碳烟生成的效果才更明显.

图5　负荷特性HC排放对比Fig.5　Exhaust comparison of HC of engine load

图6　负荷特性NOx排放对比Fig.6　Exhaust comparison of NOx of engine load

图7　负荷特性烟度排放对比Fig.7　Exhaust comparison of soot of engine load

3结论

1)随着温度的提高，混合物能够溶解的乙醇的最大体积增加，说明温度对提高乙醇在混合物中的溶解度有影响.随着混合物中脂肪酸甲酯体积分数的增加，脂肪酸甲酯的助溶作用明显增加.

2)在脂肪酸甲酯与柴油的混合燃料中加入乙醇，可以改善燃烧情况.在小负荷时，随着乙醇比例的增加，乙醇对燃烧的促进作用不明显，燃烧延迟明显；但是在中高负荷时，虽然燃烧延迟期依然存在，但是乙醇的高含氧量加快了燃烧速度，使得缸内燃烧状态得到明显改善，缸内峰值燃烧放热速率提高，缸内燃烧压力也随之增加，因此在中高负荷时乙醇对燃烧的促进效果更佳明显.

3)乙醇的加入对CO氧化有明显的作用.使用乙醇混合燃料可以降低碳烟的排放.又由于乙醇的十六烷值较低、着火性较差，随着乙醇比例的增加滞燃期会增加，当乙醇的比例超过5%之后，尽管碳烟排放降低，但是未燃的HC排放会增加.

4)乙醇可以作为掺混燃料在柴油机上使用，且不需要改变柴油机的结构.研究结果对于脂肪酸甲酯的应用与推广具有重要的意义.掺烧乙醇对脂肪酸甲酯的燃烧压力呈现出低负荷时的抑制与高负荷时的促进作用，同时乙醇可以延长低温放热反应的时间.今后应深入开展混合燃料化学反应动力学的研究，完善乙醇作为添加剂的基础研究.

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(责任编辑李辛)

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

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2014JQ7268).

收稿日期：2015-06-16；修回日期：2015-09-17

中图分类号：TK 46+4

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0127-07

第一作者：王冀白(1987-)，男，博士研究生，研究方向为替代燃料及排放控制.E-mail:eagliachd@163.com