正丁醚/柴油混合燃料在单缸柴油机中的燃烧与排放特性研究

2022-08-17卢康博

内燃机工程 2022年4期

任哲，卢康博，孙滔，杨凯，石磊，韩东

（上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240）

0 概述

柴油机具有燃油经济性高、可靠性好、寿命长等优点，在货运交通和日常生活中发挥着重要的作用［1–2］。然而近年来随着环境问题的恶化，全球多国家和地区相继制定了越发严苛的车辆排放法规与油品标准［3–4］。为了应对日益严峻的能源与环境危机，实现内燃机高效清洁运行的目标，研究人员一方面着眼于优化发动机缸内燃烧过程和开发新型燃烧模式［5–8］，另一方面致力于研究醇、醚等含氧可再生燃料作为柴油替代燃料的可行性［9–12］。在过去的几十年里，学者们通过大量的试验总结出了适合于先进燃烧装置的燃料理化特性［13–14］，其中正丁醚（di-nbutyl ether，DnBE）这一新型生物燃料被认为是极具潜力的柴油替代燃料。与柴油相比，正丁醚的十六烷值更高且挥发性更强，密度和黏度更低，再加上其分子结构中含氧，燃用正丁醚有利于提高燃油利用率并减少排放。此外，与从粮食制备得到的第一代生物燃料不同，正丁醚可以由木质纤维素生产加工，避免了与食品供应的竞争。在此背景下，正丁醚近年来逐渐受到研究人员的关注［15］。木质纤维素可用于生产多种生物燃料，如乙醚、酒精、酮等，通过发酵、脱氢、羟醛缩合过程，可以从木质纤维素中制取出正丁醇，进一步脱水处理可以得到正丁醚［16］。正丁醚的热值虽低于柴油，但也十分可观，可直接替代柴油应用于发动机中，不需要对发动机结构进行额外改动［17］。

近年来，许多学者针对正丁醚的基础燃烧特性进行了研究。文献［18］中系统研究了正丁醚的热解与氧化过程，使用层流反应器与滞止火焰装置分别测得了正丁醚的着火延迟时间与层流火焰速度，并在试验的基础上开发出了一套详细反应机理（Cai 机理）。文献［19］中在Cai 机理的基础上，利用试验与仿真相结合的方法研究了不同燃料分子结构对燃烧过程的影响，对比研究了正辛醇、正丁醚、正辛烷这3种C8 燃料，结果表明十六烷值与燃料的自燃过程关联密切，并对发动机性能及碳氢化合物、一氧化碳排放有明显影响。文献［20］中利用激波管在宽温度、压力、当量比工况下研究了正丁醚、氧气、氩气混合气的着火延迟时间，试验结果与Cai 机理吻合度较高，进一步验证了机理的准确性。文献［21］中使用活塞流管式反应器、射流搅拌反应器与质谱仪研究了正丁醚的低温氧化反应，发现了一些新的中间组分并分析了相关反应路径，为完善正丁醚反应机理提供了新的方向。文献［22］中将正丁醚与其他低十六烷值的醚类燃料掺混，在点火质量测试机上测试了混合燃料的着火延迟时间。文献［23］中针对正丁醇、正辛醇及正丁醚，开发了一套面向发动机燃烧计算的多组分骨架机理。针对燃料的喷雾雾化特性，文献［24］中研究了在生物柴油中添加正丁醚的影响。宏观与微观分析均表明由于正丁醚具有较低的黏度与表面张力，添加正丁醚可以改善混合燃料的喷雾特性。文献［25］中通过OH 化学荧光法及纹影法测量研究了正丁醚和其他两种生物质燃料的蒸发及油气混合过程，发现正丁醚对碳烟的氧化能力最强。文献［26–28］中研究了在多种喷射条件和初始环境下添加正丁醚对柴油–生物柴油混合燃料喷雾特性的影响，发现添加正丁醚可以改善油气混合过程及混合燃料的卷吸特性。

尽管已有许多针对正丁醚基础燃烧与喷雾特性的研究，但正丁醚在实际发动机中的应用研究仍较为缺乏。在过去几年里，德国亚琛工业大学的研究人员对包括正丁醚在内的多种生物燃料进行了发动机试验研究。在单缸机中对正丁醚与正辛醇的燃烧与排放特性的研究［29］发现，相比于柴油，燃用正丁醚所产生的碳氢化合物、一氧化碳和碳烟都较少。文献［30］中将正丁醚与苯甲醚掺混进EN590 柴油中，通过试验发现添加正丁醚可以改善尾气排放与燃油转换效率，此外发现燃料的十六烷值对发动机燃烧性能的影响比燃料含氧量的影响更高。文献［31］中在压燃式发动机中研究了正癸醇与正丁醚作为柴油/低密度聚乙烯（low-density polyethylene，LDPE）塑料混合燃料添加剂的影响，发现两者都有助于改善发动机运行特性。文献［32］中在一台带有废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）的4 缸柴油机中研究了柴油/正戊醇混合燃料中添加正丁醚的影响，表明正丁醚的添加可以改善发动机冷起动性能，提高有效热效率，并减少碳烟、一氧化碳和氮氧化物排放。

综上所述，正丁醚有助于改善燃料雾化蒸发、发动机缸内燃烧及污染物排放，但目前国内针对正丁醚作为柴油部分替代燃料的研究工作不多［33］，在国产柴油中添加正丁醚的实际发动机试验也较为少见。考虑到国内相关研究工作的空白，在一台单缸柴油机上研究了正丁醚/柴油混合燃料的燃烧与排放特性，并与纯柴油试验结果进行了对比。通过改变发动机负荷、废气再循环率、喷油正时，综合评估了正丁醚添加对于发动机燃烧及排放性能的影响作用。本试验工作为正丁醚的发动机应用提供了数据支持，并为高效节能的生物燃料新型燃烧模式提供了研究思路。

1 试验装置

1.1 试验台架与测试设备

试验在一台单缸共轨自然吸气式柴油机上进行，台架的主要示意图如图1 所示。发动机压缩比为17，排量为1.933 L，燃烧室为ω 形。通过控制系统可以灵活调节共轨压力（最高160 MPa）与喷油脉宽。发动机具体参数如表1 所示。缸内压力由压力传感器（AVL12QP）测量并由电荷放大器（KISTLER 5007）放大得到。燃油消耗量由油耗仪（FC2210）测量，相对误差±1%。氮氧化物（NOx）与颗粒物（particle mastter，PM）分别由Uninox24V 仪器（Continental AG 公司，相对误差±1%）和PPS—M（Pegasor 公司，相对误差±0.1%）仪器测量。

表1 发动机主要技术参数

图1 试验台架示意图

1.2 试验燃料

试验使用的是市场销售的0 号柴油与99% 高纯正丁醚，表2[27,29,34]汇总对比了两种燃料的理化特性。与柴油相比，正丁醚的密度、热值、表面张力及运动黏度较低，而十六烷值、汽化潜热及氢碳比更高。值得注意的是正丁醚的十六烷值约为100，远高于柴油，表明其具有良好的压燃自着火倾向。此外，正丁醚分子结构中含氧，且氧质量分数为12.3%，会对燃烧过程中污染物的生成产生较大的影响。

表2 两种燃料的理化特性对比

1.3 试验过程与结果分析

发动机试验在稳态条件下运行，冷却水温度和机油温度分别保持在（80±2）℃和（60±2）℃。试验采用单次喷油策略，共轨压力保持为80 MPa，通过调节喷油脉宽以达到目标平均指示有效压力（indicated mean effective pressure，IMEP）值。试验选取了两组柴油/正丁醚掺混比例，并在1 400 r/min这一固定发动机转速下开展研究。除了改变正丁醚掺混比例，发动机平均指示有效压力、喷油正时及EGR 率也相应地变化以综合评估不同工况下混合燃料的燃烧排放特性。本文中，曲轴转角在上止点后（after top dead center，ATDC）为正，在上止点前（before top dead center，BTDC）为负。具体试验工况如表3 所示。

表3 试验工况

通过对50 个连续循环的缸内压力曲线进行测量与平均，可以得到缸内压力随曲轴的变化曲线。一些与燃烧相关的参数如放热率、燃烧相位等可以通过分析缸内压力曲线得到。计算放热率时采用了理想气体假设并忽略了活塞与缸壁之间的间隙，将活塞和缸壁围成的封闭空间假设为闭口系，只有能量交换。根据热力学第一定律可以列出式（1）。

式中，Q为放热量，J；φ为曲轴转角，（°）；κ为气体的绝热指数；p为瞬时缸压，MPa；V为瞬时气缸体积，m3。

指示热效率由式（2）计算得到。

式中，ηi为指示热效率；wi为指示功，kJ；mf为单次循环供油量，kg；Hu为燃料的低热值，kJ/kg。

2 结果与讨论

2.1 变负荷工况下的燃烧与排放特性

图2 对比了不同负荷条件下（0.55 MPa、0.65 MPa、0.75 MPa）柴油和正丁醚掺混体积比为20%、40% 的正丁醚/柴油混合燃料的缸内压力与放热率曲线。试验过程中保持EGR 阀门关闭，发动机转速和喷油正时分别固定为1 400 r/min 和-5°。从图中可以看出，正丁醚/柴油混合燃料与纯柴油的峰值压力都随发动机负荷的增加而升高，但在压力曲线上升阶段有较明显的区别。与纯柴油相比，添加正丁醚会使得喷油后缸内压力有明显快速的上升，即混合燃料的压力上升时刻更早，表明正丁醚的添加使得燃料自燃倾向加强。从表2 中可以看出正丁醚的十六烷值高于柴油，将两者进行掺混将对燃料的自燃倾向有一定的加强作用。由于发动机处于中高转速范围，单次循环时间短，因此燃烧过程有一定不稳定性，缸压曲线在上止点后存在波动。

图2 不同负荷工况下缸内压力与放热率曲线对比

从放热率曲线中可以发现3 种燃料都展现出了两阶段放热特性，并且不同燃料的双峰峰值也有所不同。两阶段放热分别对应燃料的预混燃烧与扩散燃烧阶段。燃料被喷射进入气缸后，吸热雾化蒸发并与空气混合后快速着火，这整个过程都与燃料的十六烷值联系紧密。混合燃料的十六烷值更高，着火更迅速，因此第一阶段即预混燃烧比例较低，第一阶段的放热率峰值较低。此外，正丁醚/柴油混合燃料的汽化潜热更高，蒸发吸热量更大，也导致了预混燃烧比例的下降。对于第二阶段即扩散燃烧阶段，正丁醚的添加使得放热过程提前并且放热率峰值增大，缸内的燃烧速率更快。随着平均指示有效压力（indicated mean effective pressure，IMEP）即发动机负荷的增加，燃烧过程中第一阶段放热率逐渐减小，表明该阶段的燃料消耗量逐渐下降，更多的燃料在扩散燃烧中被消耗。从放热率曲线上也可以看出发动机的缸内燃烧过程有一定的波动。

燃料的燃烧特性可以进一步通过时间尺度来分析，如着火延迟时间（ignition delay，ID）、燃烧持续期（combustion duration，CD）及燃烧重心（CA50）。CA10、CA50 和CA90 分别表示消耗10%、50% 与90% 燃油质量时的曲轴转角；ID 是指从开始喷油到CA10 之间的曲轴转角间隔；而CD 是指CA10 到CA90 之间的时间间隔。图3 为不同负荷工况下燃烧时间尺度对比。从图3（a）中可以看出，在试验负荷工况下，正丁醚/柴油混合燃料的着火延迟时间均短于纯柴油，并且随着正丁醚掺混比例的增加而逐渐下降。燃料的自着火特性取决于其十六烷值，较高的十六烷值可缩短点火延迟时间。正丁醚/柴油混合燃料的十六烷值较高，因此着火延迟时间更短，预混合燃烧的比例更低，最终使第一阶段放热率峰值更小。随着负荷的增加，所有燃料的着火延迟时间都逐渐延长。从图3（b）中可以发现正丁醚/柴油混合燃料的燃烧持续期随着负荷的增加而延长。燃烧持续期反映了燃料的燃烧速率，正丁醚更易着火，有助于燃料的快速燃烧；随着负荷的增大，所有燃料的CD 均逐渐延长，这是由每循环供油量逐渐增多造成的。对于CA50，几种燃料的区别不大，体积分数40% 正丁醚可获得更早的CA50，表明其具有最快的燃烧速度。随着负荷的增加，3 种燃料的CA50 均逐渐推迟。

图3 不同负荷工况下燃烧时间尺度对比

图4 展示了不同试验燃料的指示热效率对比。从图中可以发现3 种燃料的指示热效率随着发动机负荷的增大逐渐下降。这是由于在试验工况下单次循环时间短，燃油喷射进入气缸后蒸发雾化、与充量混合的时间不足。当负荷升高即喷油量提高时，单次循环进入气缸的燃料增加，燃油空气充分混合更困难，即燃烧更加不充分，因此指示热效率逐渐下降。与柴油相比，小比例掺混正丁醚体积分数20%的燃料指示热效率相对较低，而体积分数40% 正丁醚的混合燃料的热效率更高。这主要是因为小比例添加正丁醚虽然有助于着火，但同时延长了扩散燃烧时间，导致了较多的传热能量损失，并且正丁醚的能量密度更低，综合导致其指示热效率低于柴油。而体积分数40% 正丁醚对油气混合的改善作用更强，预混燃烧比例更低，第二阶段燃烧更早且燃烧速率更快，从放热率曲线上可以看出中高掺混比例的正丁醚/柴油混合燃料放热更加集中且迅速，即燃烧过程的等容度更高，综合作用下获得更高的热效率。随着发动机负荷的增加，燃料的燃烧持续期延长，40% 正丁醚/柴油混合燃料的燃烧持续期最短，说明其燃烧速率最快，放热集中程度最高，因此表现出了最高的指示热效率。

图4 不同负荷工况下燃料指示热效率对比

图5 展示了3 种燃料在不同负荷工况下的NOx与碳烟排放情况。随着发动机负荷的增加，所有燃料的NOx排放量均逐渐上升，但正丁醚混合燃料的上升幅度小于柴油。一般来说，NOx更容易在高温富氧的条件下形成。发动机负荷越高，缸内燃烧温度越高，因此NOx排放量也更高。与柴油相比，正丁醚掺混燃料的预混燃烧比例更低且蒸发吸热量更大，因此缸内温度更低，NOx排放量也更小。从图5（b）中可以发现碳烟的排放量随着发动机负荷的增加而提高，且随着正丁醚比例的增加而逐渐下降。这是因为负荷越高，燃料的扩散燃烧时间越长，富燃料区更多，有助于碳烟的生成。与柴油相比，混合燃料中含有一定的氧，有助于减少缸内富燃料区域并且氧化碳烟，因此碳烟的生成相对较少。随着正丁醚掺混比例的增加，NOx与碳烟排放量都表现出逐渐下降的趋势，表明其对排放有较好的改善作用。

图5 不同负荷工况下排放对比

2.2 变EGR 工况下的燃烧与排放特性

图6 对比了柴油和体积分数为20%、40% 正丁醚/柴油混合燃料在0%、15%、30% EGR 率下的缸内压力和放热率曲线。IMEP、转速及喷油正时分别固定在0.55 MPa、1 400 r/min 和-5°。随着EGR率的增加，3 种燃料的压力上升时刻逐渐推迟，且峰值压力逐渐减小。这是因为EGR 将部分废气引入气缸内，其中包含大量二氧化碳等双原子气体，大幅增加了缸内气体的比热容，降低了缸内温度，减缓了燃烧过程。相较于纯柴油，添加正丁醚后缸内压力提前上升的现象随着EGR 率的增加更加明显，说明正丁醚较高的十六烷值有助于压燃式发动机在稀薄氧气工况条件下的正常燃烧。从放热率曲线上可以发现，EGR 率的增加会使得放热量释放时刻推后并且放热过程逐渐趋向于单级放热。这是因为EGR 抑制了燃料的自着火倾向，从而延长了油气混合时间，因此预混燃烧比例增加，第一阶段放热率峰值逐渐提高，第二阶段放热也相应弱化。从图6（c）中可以看出，在30% EGR 率工况下，正丁醚体积分数为40% 的混合燃料的放热时刻更早，且放热过程更加迅速。

图6 不同EGR 工况下缸内压力与放热率曲线对比

图7 中对比了不同EGR 率下3 种燃料的着火延迟时间、燃烧持续期及CA50。从着火延迟对比图中可以发现，几种燃料的着火延迟时间随着EGR 率的增加而提高，并随正丁醚比例的增加而减小。这主要是由于缸内温度逐渐降低，抑制了燃料的化学反应。与柴油相比，添加正丁醚后燃料的着火延迟时间更短，这也再次印证了其较高的十六烷值和较强的自着火倾向。燃烧持续期随EGR 的变化规律与ID 类似，且掺混40% 体积分数正丁醚的燃料表现出了最短的CD。当EGR 率从0% 增长至30% 时，几种燃料的燃烧持续期差别逐渐缩小，说明EGR 对燃烧过程有较大的影响。相比于纯柴油，正丁醚的添加加快了燃料燃烧速率，使得CA50 逐渐提前，但在大EGR比例下三者之间的差别并不明显。

图7 不同EGR 率工况下燃烧时间尺度对比

图8 显示了3 种燃料在不同EGR 率工况下的指示热效率。随着EGR 率的提高，缸内燃烧温度降低且氧气浓度下降，燃烧过程减缓，因此指示热效率逐渐降低，且高比例正丁醚掺混燃料的指示热效率高于柴油。高EGR 率延长了燃料的着火延迟时间，使得预混燃烧比例与第一阶段放热率都提高；在高转速条件下，燃料在缸内停留时间较短，此时正丁醚体积分数为40% 的混合燃料较短的燃烧持续期与较快的燃烧速率使得上止点后的放热过程更加快速，即燃烧等容度更高，有利于提高热功转换效率。

图8 不同EGR 率工况下燃料指示热效率对比

图9 展示了不同EGR 率下柴油和正丁醚/柴油掺混燃料的NOx与碳烟排放对比。从图9（a）中可以看出，NOx排放随EGR 率的增加而减小。这是因为较高的EGR 率显著降低了缸内燃烧温度，从而抑制了NOx的生成。与柴油相比，含有正丁醚的混合燃料的NOx排放更低，但随着EGR 的增加两者之间的差别逐渐减小，表明EGR 对于NOx生成有十分显著的影响。从图9（b）中可以发现随着EGR 率的增加，3 种燃料的碳烟排放都呈现上升趋势，但混合燃料的碳烟排放数值相对纯柴油更低。与纯柴油相比，添加正丁醚后燃料的燃烧性能更好，利于充分燃烧，且含氧燃料的添加补充了部分氧原子，有助于碳烟颗粒物的氧化，因此正丁醚混合燃料的碳烟排放更低。综上可以发现，正丁醚的添加有利于同时降低尾气中的NOx和碳烟排放，即改善NOx排放和碳烟排放之间的权衡关系。

图9 不同EGR 率工况下排放对比

2.3 变喷油正时工况下的燃烧与排放特性

图10 对比了柴油与体积分数为20%、40% 正丁醚/柴油混合燃料在-15～-5°喷油正时工况下的缸内压力和放热率曲线。试验过程中EGR 阀门关闭，IMEP 和转速分别固定为0.55 MPa 和1 400 r/min。如图10 所示，缸内峰值压力随着喷油正时的滞后而逐渐降低，在较晚喷油正时的工况下添加正丁醚使得压力上升时刻提前的现象更加明显。随着喷油正时的推迟，第一阶段放热率逐渐下降，放热波动更大，且放热逐渐转变为两阶段放热。相比于柴油，正丁醚的添加使得第一阶段放热率下降，而第二阶段放热率峰值增大且速率加快。

图10 不同喷油正时工况下缸内压力与放热率曲线对比

图11 比较了3 种燃料的着火延迟时间、燃烧持续期及CA50。3 种燃料的着火延迟时间随着喷油正时的推迟变化规律不明显，CD 随着喷油正时的推迟有所升高，而CA50 逐渐推迟。从图中可以发现，体积分数为40% 正丁醚/柴油混合燃料具有最短的着火延迟时间、燃烧持续期及最早的CA50，并且掺混40% 体积分数正丁醚/柴油混合燃料的CD 在所有喷油正时工况下远小于其他两组燃料，说明了其更快的燃烧速率与更小的扩散燃烧比例。

图11 不同燃料在不同喷油正时下的燃烧时间尺度对比

图12 对比了3 种燃料在变喷油正时工况下的指示热效率。随着喷油时间的推迟，3 种燃料的指示热效率呈现出下降的趋势，表明燃烧逐渐恶化。相比于其他两种燃料，高比例正丁醚/柴油混合燃料在上止点前燃料燃烧释放导致的能量损失更少，因此在所有工况下都表现出了最高的指示热效率。

图12 不同喷油正时下燃料指示热效率对比

图13 为3 种燃料在变喷油正时工况下的NOx与碳烟排放对比。如图13（b）所示，NOx排放随着喷油时刻的推迟而降低。这是因为喷油正时的延迟会减少预混燃烧比例，从而降低缸内燃烧温度，减少了NOx的生成，因此推迟喷油能够有效降低柴油机的NOx排放。与纯柴油相比，正丁醚的添加会使得NOx排放逐渐降低。对于碳烟排放，随着喷油时刻的推迟，3 种燃料的碳烟排放逐渐增加。这是因为推迟喷油后燃料的燃烧持续期延长，扩散燃烧时间更久；此外，较晚喷油会导致燃料在完全雾化、充分混合之前着火，产生部分氧化的燃料分子，导致碳烟排放增加。40% 正丁醚/柴油混合燃料的碳烟排放在所有喷油正时工况下都最小，说明了正丁醚的添加有助于抑制燃烧过程中碳烟的生成。

图13 不同喷油正时下燃料排放对比

2.4 NOx—PM—ITE 指示热效率关系图

基于试验所得的排放与热效率数据，整理得出了3 种燃料的NOx排放—PM 排放—指示热效率（identified thermal efficency，ITE）权衡关系图，如图14 所示。从图14 中可以发现，添加正丁醚后，NOx—PM 排放曲线逐渐向原点方向靠近，表明这两种排放物之间此消彼长的矛盾关系得到了有效缓和。NOx和PM 作为柴油机的两种主要污染物，有着相反的生成倾向。NOx更易在高温富氧的环境下形成，而PM更倾向在贫氧或燃烧不充分的情况下生成。EGR 率的增大虽然有助于减少NOx的生成，但PM 生成量会显著上升。添加正丁醚后，污染物中NOx和PM都低于纯柴油，并且随着正丁醚比例的增加而逐渐下降。通过对比指示热效率可以发现，添加大比例正丁醚使得NOx排放—指示热效率曲线逐渐偏向左上角方向，说明缸内燃烧在保持高效率的同时降低了NOx的生成，使得燃烧过程更加清洁高效。这说明将EGR、喷油策略、正丁醚掺混等手段相结合能够实现柴油机的缸内高效清洁燃烧。