乙醇与柴油互溶性研究及混合燃料对柴油机排放性能的影响

张宗喜，张营华

(1.山东建筑大学机电工程学院，山东 济南 250101；2.济南市技师学院轨道交通学院，山东 济南 250031)

2018年，全国机动车保有量达到3.27亿辆，进口石油4.619亿t，石油对外依存度高达 70%[1]。柴油机由于热效率高、燃油消耗率低、输出功率大而被广泛应用于农业及工业领域[2]。我国柴油车保有量仅占机动车保有量的9.1%，但柴油车CO、HC、NOx和PM排放量分别占汽车污染物排放总量的20%、30%、70%和90%[3]。面对节能减排的迫切需求，发展清洁代用燃料势在必行，减少石油类燃油消耗和有害尾气排放已成为当代研究的主要课题[4-5]。

乙醇有一定的热值且燃烧充分，可作为含氧清洁燃料，同时因其价廉易得，适合作为代用燃料与柴油掺混使用[6-7]。 乙醇的燃烧火焰传播速度快、燃烧效率高、燃烧品质好，不完全燃烧产物CO、HC较少[8]。与柴油相比，乙醇汽化潜热大，在气缸内汽化可以降低气缸内最高燃烧温度使NOx排放减少；同时使气缸内压力降低，增加进气量，使充量系数增大，提高柴油机动力性能[9]。研究表明，燃用含20%(体积分数，以混合燃料计，下同)乙醇的柴油-乙醇混合燃料，CO最高可减排62%左右，NOx最高可减排24%左右[10]。燃用掺醇柴油混合燃料可以明显降低PM排放，研究表明在柴油中添加乙醇可以使PM排放量降低20%～40%[11]。

由于乙醇为强极性，而柴油为非极性，导致它们的互溶性有限，且混合后稳定性大大降低。燃料的理化特性指标密度、热值、黏度、十六烷值、水含量、硫含量等与燃料分子结构紧密相关[12]。在应用过程中，燃料理化特性影响其在发动机缸内的喷射、雾化、着火延迟、热量释放率等[13]。因此，要推广混合燃料，需要提高乙醇与柴油的互溶性和柴油-乙醇混合燃料的稳定性。

助溶剂的极性必须介于强极性的乙醇和非极性的柴油之间，缓和乙醇与柴油之间的极性差，提高混合燃料(柴油、乙醇、助溶剂混合的三元混合燃料，下同)的稳定性；同时助溶剂的理化性质不能与柴油相差太大，价格不宜过高，否则会造成混合燃料的成本过高。助溶剂提高乙醇在柴油中溶解度的机理有两种：一是助溶剂通过偶极子或氢键与乙醇分子结合, 再通过范德华力的作用与柴油中的烃分子结合, 在两种力的共同作用下, 使乙醇分子分散于柴油中, 实现互溶；二是两亲性分子在柴油中形成对乙醇具有增溶能力的胶团实现互溶[14]。普遍研究认为：酯类、醚类、胺类和醇类等既含有羟基基团、又含有烃基基团的分子具有较好的助溶性能[15]。脂肪酸甲酯既是一种优质的柴油代用燃料[16]，同时因为它与柴油和醇类的溶解性很好[17-18]，可以作为醇基混合燃料的添加剂，成为柴油掺混低碳醇时的良好助溶性物质[19]。

正丁醇可以由生物质原料通过发酵获得，属可持续燃料，同时正丁醇也是优质的柴油代用燃料[19]。李双定[14]对正丁醇作为柴油-乙醇混合燃料的助溶剂进行了可行性分析和互溶性试验研究，并探究了混合燃料对柴油机性能的影响。发现正丁醇添加量为5%时效果最佳，含10%乙醇的柴油-乙醇混合燃料互溶稳定时间超过60 d，而含20%～30%乙醇的柴油-乙醇混合燃料互溶稳定时间也超过10 d；柴油机燃用混合燃料后，动力性能有所下降，油耗率上升，排放水平得到很大改善，并且随着柴油-乙醇混合燃料中乙醇含量的增加，改善程度越明显，碳烟排放及NOx排放降低，CO排放与柴油基本相当，但HC排放有所恶化。

实际应用时发现，助溶剂添加量与柴油-乙醇混合燃料中乙醇含量有极大的关系；乙醇的添加对柴油机排放的影响，尤其是对HC排放的影响存在争议；目前针对柴油机燃用柴油-乙醇混合燃料时的非常规排放的研究较少。 因此，作者以正丁醇为助溶剂，研究乙醇与柴油的互溶性以及混合燃料对柴油机排放性能的影响，尤其是非常规排放的影响。

1 试验

1.1 物性参数

柴油、乙醇、正丁醇的物性参数如表1所示。

表1 柴油、乙醇、正丁醇的物性参数

Tab.1 Physical properties of diesel,ethanol,andn-butanol

物性参数柴油乙醇正丁醇 低位热值/(MJ·kg-1)42.727.533.1 密度/(kg·m-3)@20 ℃835.0788.0813.0 黏度/(mPa·s)@40 ℃3.01.22.9 汽化潜热/(MJ·kg-1)0.30.90.6 十六烷值51.08.025.0 理论空燃比14.39.011.1 碳含量/%86.652.264.9 氢含量/%13.434.821.6 氧含量/%013.013.5 硫含量/(mg·kg-1)<1000

1.2 试验系统

试验用柴油机是一台卧式单缸四冲程水冷柴油机，缸径105.0 mm，行程120.0 mm，活塞排量1.0 L，标定功率13.7 kW，标定转速2 200.0 r·min-1，最大转矩68.4 N·m，最大转速1 840.0 r·min-1，燃油消耗率230.0 g·(kW·h)-1，压缩比17∶1。

柴油机性能测试系统(图1)主要由柴油机、动力测试系统、排放测试系统及稀释系统组成。柴油机烟气经稀释系统稀释后在停留室充分混合，再进行PM2.5、甲醛、乙醛及挥发性有机化合物(VOCs)排放检测。柴油机性能测试相关设备见表2。

图1 柴油机性能测试系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of performance test system of diesel engine

表2 柴油机性能测试相关设备

Tab.2 Correlative equipment for performance test of diesel engine

1.3 试验方法

1.3.1 正丁醇添加量对乙醇与柴油互溶性的影响

为提高乙醇与柴油的互溶性，在柴油-乙醇混合燃料中添加助溶剂正丁醇，以混合燃料不分层为指标，记录正丁醇的最适添加量，即混合燃料达到稳定不分层时的正丁醇与乙醇的最佳体积比，考察正丁醇添加量对乙醇与柴油互溶性的影响。

1.3.2 正丁醇添加方式对乙醇与柴油互溶性的影响

分别采用两种方式添加正丁醇制备混合燃料：柴油与乙醇混合后加入助溶剂正丁醇，得到的混合燃料记为柴油-乙醇-正丁醇；柴油和助溶剂正丁醇混合后再加入乙醇，得到的混合燃料记为柴油-正丁醇-乙醇。以混合燃料稳定不分层为指标，记录两种方式下，正丁醇的最适添加量，考察正丁醇添加方式对乙醇与柴油互溶性的影响。

1.3.3 混合燃料对柴油机性能的影响

由于试验用柴油机为拖拉机用柴油机，其性能测试参照GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》标准。固定柴油机转速为1 800 r·min-1，调节负荷百分比分别为 60%、70%、80%、90%和 100%，探究柴油机燃用混合燃料时燃油经济性、动力性及排放特性随负荷的变化规律。试验过程中不对柴油机进行任何调整；为避免不同混合燃料之间的相互影响，每次更换燃料前需清洗油管，更换燃料后使柴油机燃用新燃料稳定运行0.5 h以上。

2 结果与讨论

2.1 乙醇与柴油互溶性研究

2.1.1 正丁醇添加量

以混合燃料不分层为指标，不同乙醇含量的柴油-乙醇混合燃料中正丁醇的最适添加量(体积分数，以柴油计)如图2所示。

图2 不同乙醇含量的柴油-乙醇混合燃料中正丁醇的最适添加量Fig.2 Optimum amount of n-butanol adding into diesel-ethanol blend with different ethanol contents

从图2可知，正丁醇作为助溶剂加入到不同乙醇含量的柴油-乙醇混合燃料中后，均可促进乙醇在柴油中的溶解，形成稳定的混合燃料。混合燃料中乙醇与正丁醇的体积比接近1∶1，助溶效果较好。

2.1.2 正丁醇添加方式

采用两种方式添加正丁醇，以混合燃料稳定不分层为指标，正丁醇的最适添加量如图3所示。

从图3可知，采用两种方式添加正丁醇，形成稳定混合燃料时的正丁醇最适添加量差别不大，表明正丁醇添加方式对其助溶效果影响不大。

2.1.3 混合燃料的稳定性

混合燃料静置10个月以上未见分层，在-5 ℃左右时也未见分层。表明添加正丁醇可提高乙醇与柴油的互溶性，所得混合燃料稳定性较好。

图3 两种添加方式下，正丁醇的最适添加量Fig.3 Optimum amount of n-butanol under two addition methods

2.1.4 混合燃料的物性参数

用DEB 代表柴油、乙醇、正丁醇形成的混合燃料体系，其后的数字表示混合燃料中醇类物质的含量(%)。混合燃料的物性参数如表3所示。

表3 混合燃料的物性参数

Tab.3 Physical parameters of blend

2.2 混合燃料对柴油机排放性能的影响

2.2.1 常规排放特性分析

不同负荷百分比下，柴油机燃用不同醇含量的混合燃料时CO、NOx的排放量如图 4 所示，用D100代表纯柴油。

图4 不同负荷百分比下CO(a)、NOx(b)的排放量Fig.4 CO(a) and NOx(b) emissions under different loads

从图4a可知，当负荷百分比从60%增加到70%时，CO排放量明显减少；当负荷百分比继续增加时，CO 排放量变化不大；燃用混合燃料时CO排放量较燃用纯柴油减少13.96%～46.73%，且CO排放量减少幅度随混合燃料中醇含量的增加而增加。这是因为，混合燃料 DEB5、DEB10、DEB15、DEB20的含氧量分别为1.40%、2.71%、4.02%、5.24%，有助于燃料完全燃烧；乙醇、正丁醇的C/H值较低，有助于CO向CO2转化；柴油中添加醇类物质后，形成的可燃混合气燃烧时发生微爆，有利于油气充分混合，促进燃料充分燃烧。

从图4b可知，NOx排放量随负荷百分比的增加逐渐增加，当负荷百分比超过90%后，NOx排放量减少；燃用混合燃料时NOx排放量较燃用纯柴油减少1.35%～16.92%，且NOx排放量减少幅度随混合燃料中醇含量的增加而增加。这是因为，乙醇、正丁醇的汽化潜热分别是柴油的3倍和2倍，三者混合后形成的混合燃料的汽化潜热大于柴油的汽化潜热，形成的可燃混合气蒸发、雾化吸收的热量更多，从而能降低柴油机气缸内的燃烧温度；乙醇、正丁醇为含氧燃料，会导致混合气中氧含量增加，将部分NO氧化为NO2。

2.2.2 非常规排放特性分析

不同负荷百分比下，柴油机燃用不同醇含量的混合燃料时 VOCs、PM2.5排放量如图5所示。

图5 不同负荷百分比下VOCs(a)、PM2.5(b)的排放量Fig.5 VOCs(a) and PM2.5(b) emissions under different loads

从图5a可知，VOCs 排放量随负荷百分比的增加而减少，当负荷百分比超过90%时，VOCs 排放量略有增加；柴油机燃用混合燃料时VOCs 排放量较燃用纯柴油增加 1.94%～32.43%，且VOCs 排放量增加幅度随混合燃料中醇含量的增加而增加。VOCs 是燃料不完全燃烧的中间产物，其生成量与未燃HC量、排气中氧浓度及温度密切相关，另外喷油压力、喷孔直径及喷油提前角等也会影响VOCs生成[28]。柴油机燃用混合燃料时VOCs排放量增加的原因主要包括：①采用较低的启喷压力就能实现乙醇、正丁醇与柴油均匀混合形成均匀混合气，但是试验时没有调整柴油机的参数，启喷压力不变，该压力大于乙醇和正丁醇需要的启喷压力；尽管在较高喷射压力下可减小燃油液滴尺寸，但也会增大喷雾贯穿度，增加燃烧室壁面和缝隙处吸附的燃油量，在燃烧后期被氧化成VOCs等中间产物排出气缸；②试验时没有更换柴油机喷嘴，对于乙醇、正丁醇等燃料来说柴油机原有喷嘴的喷孔直径较大，可燃混合气的形成速度下降，油滴尺寸增加，燃烧缓慢，导致进入燃烧室壁附近熄火区内的未燃气体增加，VOCs排放量增加；③乙醇、正丁醇的汽化潜热分别是柴油的3倍和2倍，使气缸内最高燃烧温度降低，壁面激冷效应增强，VOCs排放量增加。

从图5b可知，PM2.5排放量随负荷百分比的增加先减少后略微增加；燃用混合燃料时PM2.5排放量较燃用纯柴油减少 5.81%～44.37%，PM2.5排放量降低幅度随混合燃料中醇含量(≤15%)的增加而增加。 这是因为：①乙醇、正丁醇均为含氧燃料，有助于可燃混合气的完全燃烧，加速PM的氧化；②乙醇和正丁醇含碳量较低，可抑制PM的形成；③乙醇和正丁醇的黏度低于柴油，使混合燃料黏度降低，可燃混合气更易于雾化，避开PM 生成区域；④乙醇和正丁醇的十六烷值低于柴油，造成混合燃料的滞燃期延长，使更多的燃料在预混合燃烧阶段燃烧，减少在扩散燃烧阶段的燃油；⑤混合燃料在燃烧过程中发生微爆，燃料燃烧更充分[20]。

3 结论

以正丁醇为助溶剂促进乙醇在柴油中的溶解，形成稳定的混合燃料，将该混合燃料作为柴油机燃料，探究混合燃料对柴油机排放特性的影响。结果表明：正丁醇作为助溶剂，可促进乙醇与柴油互溶，在乙醇与正丁醇的体积比接近1∶1 时可形成稳定的混合燃料，静置10个月以上不分层，在-5 ℃左右不分层，可用作柴油机燃料；正丁醇的添加方式对其助溶效果影响较小，最适添加量差别不大；负荷特性下，与燃用纯柴油相比，柴油机燃用混合燃料时，CO和NOx排放量分别减少13.96%～46.73%和1.35%～16.92%，VOCs排放量增加1.94%～32.43%，PM2.5排放量减少5.81%～44.37%。柴油与醇类燃料混合燃烧可以实现在减少NOx排放量的同时减少 PM2.5排放量。