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相同氧浓度下的柴油/生物柴油/醇类混合燃料对柴油机燃烧性能和排放性能的影响

迈萨姆·艾哈迈迪，张春顺，张家富

摘要

本实验研究了在五种发动机负荷和在1800r/min的发动机转速下, 使用不同替代燃料的柴油发动机的燃烧特性和排放特性。通过使用柴油 (D), 废食用油生物柴油 (B)、甲醇 (M)、乙醇 (E)、2-丙醇 (Pr)、 正丁醇 (Bu) 和正戊醇 (Pe))这七种燃料来生产六种混合燃料, 分别为 DB、DBM、DBE、DBPr、DBBU 和 DBPe。每种混合燃料的氧含量均为 5.0%, 碳和氢含量和与LHV 近似。 根据在5种负荷的工况下燃烧结果来看, 混合燃料的燃烧一般会造成 (a)HRR（瞬时放热速率）的峰值增大(DB 除外)、点火延时 (DB 除外)、COV IMEP（平均指示压力循环变动系数）(DBM 除外），COV MAX （平均指示压力最大值）(dP/dtheta;) (DB 和 DBM 除外) 和 BSFC（有效燃油消耗率）增大;(b) 燃烧时间略有缩短 (DB除外);和 (c) 混合燃料燃烧的缸内峰值压力和BTE（有效热效率）与纯柴油燃烧相类似 (DBM 和 DBBu 除外)。此外, 与纯柴油燃烧相比, 混合燃料燃烧后产生的 CO2 (除 DB)、CO、HC、 NOx (除DB )、PM、碳烟颗粒数量浓度 (DBPr 除外) 和平均直径 (不包括 DBPr) 均有所下降。总体而言, DBM 显示出最高的 BTE、 最低的 BSFC, 以及最低的 CO2、CO、HC、PM、NOx (在 DBPr 之后)、COVIMEP和COV Max(在DB之后）。但在所有测试的混合燃料中，DB的影响最小。

关键词：替代燃料、柴油机、排放、高级醇、低级醇、生物柴油

引言

据《能源展望》报道[1],从2014年至2040年, 世界人口将由72亿增加到90亿,家庭、交通、商业和工业将额外需求25% 的稳定可靠的能源。预计到2040年, 化石燃料仍将在运输部门占主导地位, 而运输部门对柴油发动机的需求将从2014年的35% 增加到2040 的40% 左右。这将对柴油的供应提出挑战，并且增加了尾气排放。此外,更清洁和更具有持续性的生产能源, 与最大限度的减少、回收和再利用环境中的废弃物密切相关 [2],这引起了人们对环境保护的日益关注。从文献中可以看出, 在解决这些问题时,已经采用了几种技术, 如采用三效催化转化器、现代燃烧技术或替代燃料。近年来甚至未来, 在柴油发动机中使用替代燃料 (生物燃料) 似乎更具有前景, 因为生物燃料可以从可再生和可持续的原料中生产。在所有可选择的替代燃料中, 生物柴油、低醇和高级醇或其与柴油的混合物已进行了许多研究, 以调查其对不同柴油发动机的燃烧特性和排放特性的影响。在以前的大多数研究中, 研究了在混合燃料中使用不同比例的替 代燃料,以及不同比例的氧含量的对燃烧特性及排放特性的影响。然而, 很少有研究是使用含氧量相同的混合燃料进行的。例如, Wang 等人[3]使用柴油与含氧量相同的生物柴油、乙醇或二甘醇的混合物进行研究，但混合燃料的含碳量、含氢量和低热值几乎不同。他们使用了5种含氧量分别为2％、4％、6％、8％和10％的柴油/生物柴油混合物和相同氧含量的柴油/二甘醇二甲醚混合物进行了实验，并在5种发动机负荷和1800r/min的情况下对4种氧含量分别为2％、4％、6％和8％的柴油/乙醇混合物进行了实验。结果表明，不同含氧量相同的混合燃料，对排放有不同的影响，特别是对PM的排放的影响有较大的差异。

除此之外还进行了一些别的研究, 以比较在每种燃料的混合率相同的情况下不同替代燃料对柴油发动机性能和排放的影响。例如, Kumar 等人[4]研究了醇类/柴油混合物在四种负载 (1.3、2.6、5和 5.3 BMEP) 下对单缸、自然吸气、恒速 (1500 转/分)、四冲程、直喷 (DI) 柴油发动机燃烧和废气排放的影响。试验采用纯超低硫柴油 (ULSD) 和四种混合燃料 (按异丁醇、正戊醇、正己醇或正辛醇与超低硫则混合的体积计算为30%)。结果表明, 与其他试验燃料相比, 异丁醇共混物具有最长的着火延迟(ID)、最高的压力峰值和瞬时放热速率 (HRR) 和最短的燃烧时间 (DOC)。在排放方面, 据观察, 与其它的测试燃料相比, 异丁醇混合物的烟雾不透明度、NOx 和 CO排放量最低, HC 排放量最高。正辛醇共混物的 HC 值最低。 此外, Yilmaz3人[5], 研究了了纯柴油 (D), 生物柴油 (B), 高醇 (丙醇 (Pro) 和戊醇 (Pen)) 和植物油 (VO) 对发动机的燃烧特性与排放特性的影响,在四缸间接喷射(IDI)柴油机发电机上进行了实验研究。他们制备了4种混合燃料;DB(D50-B50)，DBVOPro(D40-B40-VO10-Pro10)，DBVOPen(D40-B40-VO10-Pen10）（按体积百分比计算）。结果表明, 与 DB 相比, DBVOPro 具有较高的 BSFC 和较低的 NOx 。还观察到, 在 DB 中添加两种较高的醇类燃料会导致 CO 和 HC 排放量增加。 在另一项研究中, Atmanli[6] 分析了柴油发动机的基本燃料特性、 发动机燃烧性能和尾气排放情况, 柴油发动机采用了柴油 (D)、生物柴油 (B)、 丙醇 (Pr)、正丁醇 (Bu) 和 1-戊醇 (Pe)。在发动机转速为1800r/min的恒定转速和4种发动机负荷的条件下, 对四缸间接喷射 (IDI) 柴油机发电机进行了实验。使用了6种燃料和混合物, 包括纯柴油、纯生物柴油、D50B50、D40B40Pr20、D40B40Pr20 和 D40B40Pr20 (按体积分布百分比计算)。在燃料的物理性能方面, 发现在柴油混合中加入醇类会使浊点和冷滤过点得到改善,同时降低了十六烷值(CN)、降低热值(LHV)、密度、运动粘度和闪点 。在发动机性能方面, 结果表明, Pr 混合燃料具有最高的有效燃油消耗率(BSFC);而 Bu 混合燃料具有最高的有效热效率 (BTE)。就排放性能而言, 所有的三元混合燃料都导致 CO 的增加 (Pe 混合物的 CO 排放量最高), 而 HC 的排放量随着 Bu 混合物和 Pe 混合物的减少而显著减少, 但与 D50B50 相比, Pr 混合燃料的HC 排放量也随 Pr混合量的增加而增加。研究还发现, 所有三元混合物都可以减少 NOx, 其中Pe 混合物的 NOx排放量最低。

Yilmaz等人[7]还研究了一些高级醇在不同的负载的发动机下对四缸直喷式柴油机发电机的性能和废气排放的影响，转速固定位1800rpm。将10%（按体积百分比）的丙醇、正丁醇和1-戊醇分别加入到废油甲酯（B100）中，形成三种混合燃料，分别为B90Pr10、B90Bu10和B90Pe10。据观察，与B100相比，所有混合燃料均导致BSFC和排气温度升高。然而，B90Pr10和B90B10的BTEs降低，B90Pe10与B100相比，BTE略有升高。在排放方面，与B100相比，所有混合燃料具有较低的CO和NOx排放；而B90PE10在所有混合燃料中具有最低的HC排放。

表1. 测试发动机的规格

Imdadul 等人[8] 分析了生物柴油 (B)、正丁醇(Bu) 和戊醇 (Pe) 对单缸、四冲程、DI柴油机在不同发动机转速下的性能和排放的影响。测试了七种燃料, 包括柴油 (D)、D85B15、D70B15Bu15、 D70B15Bu15、D80B20、D60B20Bu20 和 D60B20Pe20 (按体积百分比)。研究发现, 含醇类的混合燃料提高了制动功率和 BSFC, 与柴油相比,降低了CO 和 HC 的排放, 而戊醇对发动机性能和排放的影响优于丁醇。根据上述文献综述, 以前的大多数实验侧重于研究 (a) 增加替代燃料浓度的影响;(b) 使用相同百分比的不同替代燃料的影响。(c) 在相同氧气浓度中的不同替代燃料对燃烧及排放性能的影响。但作者发现, 所有这些研究都是用碳氢比不同的混合燃料进行实验，低热值（LHV）也不相同。C、H、O 和 LHV 的差异不允许建立相同的条件来比较各种燃料在发动机性能和排放方面的情况。发动机燃烧及排放特性受到许多因素的影响, 其中包括空量比、燃料的含氧量及低热值。如果这些参数是固定的, 了解混合燃料将如何影 响发动机性能和排放是很有意义的。此外,在相同的工作条件下, 缺乏比较低级醇 (甲醇和乙醇) 与高级醇 (丁醇、戊醇和丙醇) 对同一发动机的影响的研究。因此, 本研究的目的是通过在有六种混合燃料的柴油发动机上进行实验来弥补上述缺陷,这些燃料在合成成分中的 C 和 H 的百分比几乎相同, 因此它们也具有相同的 O百分比。具有几乎相同的较低的加热值, 如表3。使用的生物柴油由废弃的食用油和低级醇或高级醇制备。对本研究中提出的所有混合燃料C、H、O的比值及低热值保持一致, 为比较不同混合燃料的性能提供了一个相同的的条件, 因而可忽略这些参数的影响。

表2. 废食用油生物柴油中的成分

表3.所测试燃料的理化特性