柴油机燃用F-T柴油/生物柴油混合燃料的燃烧及排放特性*

张美娟，李游，吴旭东，王忠

(1. 无锡职业技术学院汽车与交通学院，江苏无锡，214121； 2. 江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江，212013； 3. 卓品智能科技无锡有限公司，江苏无锡，214142)

0 引言

发动机排放物是大气环境污染的重要来源之一[1]，得到人们的广泛关注。柴油机因其输出转矩高、热效率高、适应性好等优点，被广泛应用于工程机械和船舶运输等领域[2]。随着排放法规的日益严格，石油资源的不断消耗，寻找低排放的替代燃料一直是柴油机行业研究的关键[3]。我国的能源产量分布表现为富煤少油，所以煤基替代燃料用作柴油机燃料，具有较大的发展前景。

F-T柴油由煤炭通过费托合成方法间接液化合成的一种碳氢燃料，几乎不含硫和芳香烃等物质[4]。F-T 柴油具有十六烷值和H/C比高、燃烧热效率高等优点，有研究表明燃用F-T柴油还可以显著降低NOX、颗粒物及非常规污染物的排放量[5-10]，被认为是清洁高效的柴油机替代燃料。生物柴油作为可再生能源，原料来源广泛，不含硫。生物柴油也是含氧燃料，有利于燃料在缸内的充分燃烧，同时能降低HC、碳烟及CO等污染物的排放[11]。此外，生物柴油可以与任意比例的F-T柴油互溶，不改变柴油机原有的结构和部件，可以直接燃用F-T/生物柴油混合燃料。黄勇成等[12]研究F-T柴油对直喷式柴油机燃烧和排放的影响，结果表明，燃用F-T柴油时最高燃烧压力略微降低，放热率峰值降低，滞燃期缩短，燃烧持续期变化不大。同时，燃用F-T柴油可降低CO、HC、NOX及碳烟的排放。陈韬等[13]在4缸直喷式柴油机上燃用生物柴油，对污染物排放进行了研究。结果表明，在柴油机上燃用生物柴油能减少CO、HC和碳烟的排放，且随着生物柴油掺混比的升高，CO、HC和碳烟的降幅逐渐增大。Armas等[14]对比分析了生物柴油和F-T柴油在柴油机上的燃烧和排放规律，结果表明，相较于F-T柴油，燃用生物柴油排放的颗粒物粒径更小，但F-T柴油具有更好的燃油经济性。王铁等[15]研究了F-T/生物柴油混合燃料燃烧的排放规律，结果表明，生物柴油的掺混比例增加导致CO和NOX排放略有升高，碳烟排放有所降低，非常规排放中混合燃料可有效降低甲醛、SO2及苯类排放。综上可以看出，F-T柴油和生物柴油对柴油机改善燃烧和降低排放都能起到一定的作用，F-T/生物柴油混合燃料的燃烧和排放性能有待进一步研究。

为探讨生物柴油对F-T柴油燃烧和排放特性的影响，基于柴油机台架试验平台，燃用不同掺混比的F-T 柴油/生物柴油混合燃料。在最大扭矩转速2 700 r/min，25%、50%、75%和100%负荷下，测量不同生物柴油掺混比时的柴油机燃烧示功图和HC、CO、NOX及碳烟等污染物的排放，探究生物柴油掺混比对F-T柴油燃烧及污染物形成的影响规律，旨在通过优化燃料结构来改善燃烧和排放，探索柴油机代用燃料高效清洁燃烧的新路径。

1 试验燃料及试验设备

1.1 试验燃料

试验燃料有F-T柴油和生物柴油，其理化参数如表1所示。

表1 燃料理化参数Tab. 1 Physical and chemical parameters of fuel

从表1中可以看出，在十六烷值上F-T柴油略高于生物柴油，F-T柴油更易着火，同时F-T柴油的热值也高于生物柴油，F-T柴油燃烧时能释放更多的热量。F-T柴油的密度和运动粘度均低于生物柴油，因而在缸内雾化效果更好，与空气混合更加均匀，促进完全燃烧，减少碳烟和HC的生成[16]。但生物柴油为含氧燃料，氧质量分数高达11%。燃料自身含氧，燃烧过程中可以使缸内当量比减小，燃烧更加充分，降低污染物排放。试验时，生物柴油掺混比定义为F-T/生物柴油混合燃料中生物柴油体积与混合燃料的总体积之比。当生物柴油掺混比为分0、10%、20%、30%时，生物柴油和F-T柴油掺混形成的混合燃料分别记为F-T、B10F-T、B20F-T、B30F-T。

1.2 试验台架

试验台架为一台四冲程、单缸、自然吸气、非道路用186FA柴油机，柴油机的具体参数见表2。台架测试系统包括CWF25D电涡流测功机、EST内燃机测试系统及台架辅助设备，图1为试验台架现场图。试验采用CWF25D电涡流测功机，对柴油机输出功率进行测量，标定转速为3 600 r/min，标定功率为6.3 kW，最大转矩为20 N·m。应用EWE-5000DAQ缸内燃烧压力采集系统、KSM071860压力传感器对燃烧过程示功图进行采集，其中气缸压力传感器的测量范围为0～25 MPa。采用Horiba MEXA-7200D尾气分析仪和AVL415滤纸式烟度计测量柴油机HC、CO、NOX和碳烟等常规排放污染物。

表2 186FA柴油机主要参数Tab. 2 Main parameters of 186FA diesel engine

图1 试验台架现场图Fig. 1 Site drawing of test bench

1.3 试验方案

在柴油机供油提前角不变的条件下，选择在最大扭矩转速2 700 r/min，负荷工况分别为25%、50%、75%和100%时进行试验，对应的平均指示压力分别为0.16、0.32、0.48、0.64 MPa，对比分析柴油机燃用F-T、B10F-T、B20F-T、B30F-T时的燃烧及排放特性。试验测量了该工况下的燃烧过程示功图和排放污染物(HC、CO、NOX、碳烟)，利用Matlab软件计算放热规律，对气缸压力、滞燃期、燃烧持续期、燃烧重心及缸内燃烧温度等参数进行了分析。其中CA5、CA50、CA90分别为缸内5%、50%、90%累计放热量对应的曲轴转角，滞燃期定义为从喷油始点到CA5所经历的时间，燃烧持续期定义为CA5至CA90所经历的时间，燃烧重心定义为CA50对应的时刻。

2 试验结果与分析

2.1 燃烧特性分析

2.1.1 气缸压力和放热率

图2为在最大扭矩转速2 700 r/min和50%负荷工况下，柴油机分别燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T时的气缸压力。从图2中可以看出，生物柴油掺混比的增大会导致缸内最大爆发压力显著增加，与F-T柴油相比，生物柴油掺混比分别为10%、20%、30%时，缸内最大爆发压力分别增加了1.9%、5.1%、6.9%。主要原因是生物柴油的掺混比增加导致混合燃料的十六烷值降低，滞燃期延长，从而着火时刻推迟，燃料和空气的混合时间延长，燃烧前形成可燃混合气的量增多，引起预混燃烧阶段放热量增加，压力升高率随之增大，导致缸内最大爆发压力有所升高，最大爆发压力对应的时刻轻微滞后。

图2 不同生物柴油掺混比下气缸压力的变化规律Fig. 2 Variation of cylinder pressure at different biodiesel blending ratio

图3为在最大扭矩转速2 700 r/min和50%负荷工况下，柴油机燃用不同生物柴油掺混比时的放热率。从图3中可以看出，随生物柴油掺混比增大，混合燃料燃烧过程中的放热始点轻微后移，放热率峰值显著增大，由41.8 J/℃A增大到46.3 J/℃A，放热率峰值对应的相位延后。主要原因是与F-T柴油相比，生物柴油的十六烷值低，生物柴油掺混比增加会导致混合燃料的十六烷值降低，缸内燃烧过程滞燃期延长，放热始点延后，燃料和空气的混合时间增多，预混燃烧比例增加，放热率峰值增大。此外，生物柴油是含氧燃料，促进燃烧，提高放热率。与F-T柴油相比生物柴油的粘度较大，雾化效果较差，促使放热率峰值后移。

图3 不同生物柴油掺混比下放热率的变化规律Fig. 3 Variation of heat transfer rate at different biodiesel blending ratio

2.1.2 燃烧相位

滞燃期是柴油机的关键燃烧性能参数之一，直接影响到后续的燃烧过程及排放物排放。图4为在最大扭矩转速2 700 r/min和50%负荷工况下，柴油机分别燃用F-T、B10F-T、B20F-T、B30F-T的滞燃期变化关系。从图4中可以看出，随生物柴油掺混比增大，燃烧始点后移，滞燃期延长。燃用F-T柴油时滞燃期为6.9 ℃A，与F-T柴油相比，生物柴油掺混比分别为10%、20%、30%时，滞燃期分别增加到7.2 ℃A、7.5 ℃A、7.9 ℃A。这是因为F-T柴油主要是由饱和烃组成的，与生物柴油相比，F-T柴油具有更高的十六烷值，生物柴油的掺混比增大将会降低混合燃料的十六烷值，使得燃烧过程的滞燃期延长，燃烧始点后移。

图4 不同生物柴油掺混比下燃烧相位的变化规律Fig. 4 Variation of combustion phase at different blending ratio of biodiesel

从图4中还可以看出，随生物柴油掺混比增大，燃烧持续期略微升高，燃烧重心后移。生物柴油掺混比由0增加到30%，燃烧持续期由35.4 ℃A增加到36.1 ℃A，燃烧重心由4.8 ℃A后移到5.9 ℃A。主要是因为在F-T柴油中加入生物柴油后，虽然生物柴油自身含氧，促进燃烧，但由于生物柴油的密度和粘度较高，增加了混合燃料的密度和粘度，不利于燃油和空气之间的混合均匀，减缓了预混和扩散燃烧速率，导致在生物柴油掺混比较大时，混合燃料燃烧持续期出现轻微的上升趋势，燃烧重心后移。

2.1.3 缸内燃烧温度

图5为在最大扭矩转速2 700 r/min和50%负荷工况下，柴油机燃用不同生物柴油掺混比时的缸内燃烧温度。由图5可知，燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T时缸内最大燃烧温度分别为1 872 K、1 905 K、1 931 K、1 951 K。可以看出，随生柴油掺混比例的增大，缸内最大燃烧温度呈升高趋势。主要原因是生物柴油掺混比增加导致混合燃料燃烧过程的滞燃期延长，预混燃烧放热量较多，且生物柴油自身含氧，促进燃烧，导致其缸内最大燃烧温度升高。

图5 不同生物柴油掺混比下燃烧温度的变化规律Fig. 5 Variation of combustion temperature at different blending ratio of biodiesel

2.2 排放特性分析

为了进一步分析生物柴油掺混比对F-T柴油/生物柴油混合燃料的污染物排放的影响规律，选择最大扭矩转速2 700 r/min，负荷分别为25%、50%、75%和100%进行试验，分析生物柴油对F-T柴油燃烧污染物排放的影响规律。

2.2.1 碳烟排放

碳烟是燃油不完全燃烧的产物，在柴油机实际工作过程中，燃油在高温缺氧的环境下易裂解生成碳烟。在最大扭矩转速2 700 r/min、不同负荷下，柴油机燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T的碳烟排放特性曲线如图6所示。从图6可以看出，在25%负荷时，生物柴油掺混比对碳烟排放影响不大，这说明在缸内燃烧温度较低且氧气充足的环境中，燃料的自身含氧量不足以影响碳烟的形成，所以混合燃料的碳烟排放差距较小。随着负荷继续升高，缸内每循环喷油量增多，导致燃烧过程当量比升高，同时缸内燃烧温度增加，高温缺氧环境加剧，促进燃油裂解生成碳烟，从而导致各燃料最终的碳烟排放有所升高。在100%负荷时，与F-T柴油相比，随着生物柴油掺混比增加，碳烟排放依次降低了4.3%、9.7%、15.8%，在中高负荷时，随生物柴油掺混比增大，碳烟排放降幅明显。可以看出，在同一工况下，在F-T柴油中添加生物柴油有利于降低碳烟的排放，这主要归因于生物柴油自身较高的含氧量，有利于降低缸内的当量比，这将会显著减少碳烟的排放[17]。

图6 负荷对各燃料碳烟排放的影响Fig. 6 Effect of load on soot emission of various fuels

2.2.2 HC排放

柴油机燃烧过程中影响HC排放的主要因素是燃油喷注与周围空气形成的混合气不均匀，其中又以过稀混合气作为主要的HC排放源，主要受油束雾化、缸内温度和当量比的影响[18]。柴油机在最大扭矩转速2 700 r/min、不同负荷下，燃用F-T、B10F-T、B20F-T 和B30F-T的HC排放特性曲线，如图7所示。从图7中可以看出，负荷由25%增加到100%，燃用F-T 柴油时降低了40.8%，燃用B10F-T时降低了43.5%，燃用B20F-T时降低了46.9%，燃用B30F-T时降低了49.2%。随柴油机的负荷增加，不同掺混比燃料的HC排放均逐渐下降，主要的原因是，负荷增加，每循环喷油量随之增加，抑制过稀混合气的形成，当量比升高，同时缸内燃烧温度升高，导致HC排放降低。从图7中还可以看出，随生物柴油掺混比增大，HC排放几乎呈线性下降趋势，F-T柴油中掺混生物柴油可以有效地降低HC排放。主要的原因是，与F-T 柴油相比，生物柴油的十六烷值更低，滞燃期延长，导致燃油喷雾进入气缸后油气混合更均匀，减少过稀混合气形成区域，从而HC排放下降[19]。另一方面，生物柴油的自身含氧补偿了缸内的空气量，促进燃油充分燃烧，有利于降低HC排放。

图7 负荷对各燃料HC排放的影响Fig. 7 Effect of load on HC emission of various fuels

2.2.3 CO排放

柴油机中的CO主要是由于燃油在局部缺氧或者低温环境下不完全燃烧形成的，燃烧过程中CO的生成量是由缸内温度和当量比共同决定的。

柴油机在最大扭矩转速2 700 r/min、不同负荷下，燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T的CO排放特性曲线如图8所示。可以看出，CO排放的趋势与HC排放的趋势相类似，各燃料的CO排放随着负荷增加呈降低趋势。在各个负荷工况下，随生物柴油掺混比增大，CO排放均逐渐降低。在75%负荷时，与燃用F-T柴油相比，生物柴油掺混比分别为10%、20%、30%时，CO排放分别降低了2.9%、7.8%、12.1%。主要是因为生物柴油自身含氧，在高当量比时，含氧特点的作用会更加明显，且生物柴油掺混比增加时缸内燃烧温度更高，燃烧过程中能够促进CO进一步被氧化，从而减少CO的排放量。

图8 负荷对各燃料CO排放的影响Fig. 8 Effect of load on CO emission of various fuels

2.2.4 NOX排放

柴油机NOX的排放主要是NO，燃油在高温富氧的环境条件下长时间燃烧则会产生大量的NO，因此高温、氧含量及高温持续时间会对NOX排放产生重要的影响。柴油机在最大扭矩转速2 700 r/min、不同负荷下，燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T的NOX排放特性曲线如图9所示。可以看出，与燃用F-T 相比，燃用B30F-T在25%负荷时NOX排放增加了24.7%，50%负荷时增加了27.0%，75%负荷时增加了27.3%，100%负荷时增加了19.0%。在各个负荷工况下，NOX排放随生物柴油掺混比增大均呈上升的趋势，且在高负荷工况下NOX排放上升更加明显。这主要是因为一方面在高负荷条件时，进入缸内参与燃烧的燃油增多，由于生物柴油自身含氧，提高缸内氧含量，导致NOX排放有所上升。另一方面，生物柴油和负荷的增加都会使缸内的燃烧温度增加，高温环境会显著促进NOX的生成及排放[20]。

图9 负荷对各燃料NOX排放的影响Fig. 9 Effect of load on NOX emission of various fuels

3 结论

1) 在同一工况条件下，随生物柴油掺混比增大，缸内最大爆发压力增加，与F-T柴油相比，生物柴油掺混比分别为10%、20%、30%时，缸内最大爆发压力分别增加了1.9%、5.1%、6.9%，压力峰值对应的时刻轻微滞后，且随生物柴油掺混比增大，燃烧过程放热始点后移，放热率峰值增大，由41.8J/℃A增大到46.3 J/℃A，放热率峰值对应的相位延后。

2) 生物柴油掺混比由0增加到30%，滞燃期由6.9 ℃A增加到7.9 ℃A，燃烧持续期由35.4 ℃A增加到36.1 ℃A，燃烧重心由4.8 ℃A后移到5.9 ℃A。主要是因为在F-T柴油中添加生物柴油后，降低了混合燃料的十六烷值。虽然生物柴油自身含氧，促进燃烧，但由于生物柴油的密度和粘度较高，增加了混合燃料的密度和粘度，不利于燃油和空气之间的混合均匀，从而减缓预混和扩散燃烧速率，导致随生物柴油掺混比增大，混合燃料燃烧持续期出现轻微的上升趋势，燃烧重心后移，缸内最大燃烧温度逐渐升高，燃用F-T、B10F-T、B20F-T和B30F-T时的缸内最大燃烧温度分别为1 872 K、1 905 K、1 931 K、1 951 K。

3) 在低负荷时，生物柴油掺混比对碳烟排放影响较小，在中高负荷时，碳烟排放随生物柴油掺混比增大而明显降低。F-T柴油中掺混生物柴油可以有效地降低HC和CO排放，HC和CO排放随生物柴油掺混比的增加呈线性下降趋势，在75%负荷时，与燃用F-T 柴油相比，生物柴油掺混比分别为10%、20%、30%时，CO排放分别降低了2.9%、7.8%、12.1%。在不同负荷工况下，随生物柴油掺混比增大，NOX排放均呈上升的趋势，且在高负荷工况下NOX排放上升更加明显。