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趙小洋，陳振斌，張雷，賀亞楠
（海南大學機電工程學院，海南，儋州571737）
摘要：采用正丁醇作為助溶劑，研究了以柴油、乙醇和正丁醇的體積比為不同比例所配置混合燃料的相溶性，分析了不同乙醇摻混比混合燃料對發動機經濟性及排放特性的影響。研究結果表明，由于乙醇和柴油物化特性的差異，乙醇和柴油的相溶性較差，添加適量正丁醇可有效促進乙醇和柴油的均勻相溶。隨著乙醇摻混比的增大，在中、低負荷時混合燃料的當量燃油消耗率增大，在高負荷時當量燃油消耗率減小；CO排放量在低負荷時增大，而在中、高負荷時減小；在發動機所有工況下，混合燃料的HC排放量都比燃燒0號柴油的高，而NOx排放量及碳煙排放量都較0號柴油有所下降。
多年來有關乙醇混合燃料在汽油機上的應用研究已經取得了重大進展，而在柴油機上的應用研究卻很少[1-2]。為減少我國石油能源消耗，緩和石油的對外依存度，進一步降低柴油機排放污染，通過乙醇替代部分柴油來探索乙醇柴油混合燃料的最佳制備方法，進而了解乙醇柴油混合燃料對柴油機燃油經濟性及排放特性的影響仍意義重大。
國外從20世紀80年代起就開始重視乙醇作為柴油機代用燃料的試驗研究工作，目前處于小范圍的試驗、試用階段。日本的洋馬公司經多次試驗已基本解決了乙醇與柴油混合的分層問題，正著力進行乙醇柴油混合燃料的發動機使用試驗。美國ADM公司已開展了乙醇柴油的研究工作，含乙醇15%、其它添加劑5%、柴油80%的乙醇柴油混合燃料已經在柴油車上進行了386km的行車試驗。
泰國科學技術和環境部、泰國國家石油公司與美國福特汽車公司合作研究開發生物乙醇燃料用于柴油車。國內在柴油機燃燒乙醇柴油混合燃料的試驗研究方面雖然從上世紀90年代早期就已經起步，但其基本途徑是對柴油機改進后，采用乙醇與柴油分別供給的方法進行雙燃料試驗，并取得了可行的結論。而乙醇和柴油直接混合后使用的研究目前還不多[3-4]。
目前，國內外在柴油機上燃燒乙醇柴油混合燃料的研究主要集中在以下幾個方面：乙醇柴油混合燃料的理化特性研究；乙醇柴油混合燃料的制備方法以及最佳摻混比的研究；在對發動機參數不做任何調整時燃燒乙醇柴油混合燃料的經濟性和排放特性[5]。
柴油機燃燒乙醇柴油混合燃料主要通過以下幾種方式：（1）熏蒸法，利用醇燃料表面張力及粘度低的特點通過進氣管添加乙醇。（2）雙燃料系統法，在柴油機上裝有兩套分開的噴油器系統，其中一套用來壓燃純乙醇。（3）柴油醇燃料，用機械攪拌或添加助溶劑、乳化劑等將乙醇和柴油配置成混合燃料。上述摻燒方式中的前兩種，汽車和發動機的結構變化較大，不易于在量產車型和正在使用的柴油機上應用。對于第3種摻燒方式，由于基本不改變發動機結構而最有可能實現商業化[6]。
本文研究了以柴油、乙醇和正丁醇的體積比為不同比例直接混合所配置混合燃料的相溶性，分析了不同乙醇摻混比的混合燃料對發動機經濟性及排放特性的影響[7-8]。（在配置乙醇柴油混合燃料過程中，使用0號柴油采用體積百分數進行計量，即E15表示乙醇占該混合燃料的體積分數為15%，E20表示乙醇占該混合燃料的體積分數為20%，依此類推。）
1混合燃料的制備與物化特性
1.1混合燃料的制備
本文試驗采用市售0號柴油和99.5%的乙醇作為原料。大量試驗研究表明，乙醇與柴油混合的相溶性和穩定性較差，這主要是由于在室溫下乙醇和柴油存在一定的密度差，使密度較柴油小的無水乙醇大部分浮在混合液的上面形成分層現象。
此外，由于乙醇極易吸水，在乙醇和柴油摻混后，混合溶液對水分和溫度都特別敏感，導致混合溶液分層。
在配置乙醇柴油混合燃料時，需在混合燃料中添加適量的正丁醇以得到相溶、均勻、穩定的混合燃料。通過對所配置混合燃料長時間的觀察表明，采用正丁醇作為助溶劑可以有效地促進乙醇和柴油均勻混合，采用正丁醇為助溶劑的乙醇柴油混合燃料具有良好的穩定性。
1.2混合燃料的物化特性
柴油和乙醇的物化特性見表1。在乙醇柴油混合燃料中，通過表1對比可知：0號柴油的低熱值和十六烷值均高于無水乙醇，但0號柴油的汽化潛熱低于無水乙醇。所以所配置乙醇柴油混合燃料的低熱值比0號柴油的低，而汽化潛熱比0號柴油的高。隨著混合燃料中乙醇體積分數的增大，乙醇柴油混合燃料的十六烷值逐漸降低。
2試驗設備
本文試驗是在一臺自然吸氣式直噴295A水冷直立四沖程柴油機（球型燃燒室）上進行的，發動機主要技術參數見表2。汽車尾氣中CO、HC、NOx等氣體的濃度采用AVLDigas4000發動機尾氣分析儀來測量；汽車尾氣的不透光度和消光系數k采用AVLDismoke4000不透光式煙度計來測量；油耗則采用湖南湘儀測試有限公司生產的FC2210智能油耗儀來測量。本試驗在不對發動機任何參數進行調整的前提下，檢測了發動機在1500r/min轉速下的燃油經濟性及排放特性。
3試驗結果與分析
3.1燃油經濟性
為了便于對發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的燃油經濟性和燃燒0號柴油的燃油經濟性作出比較，本文按能量相等原則將混合燃料的熱值折算為與0號柴油熱值相當的當量燃油消耗率。
當量燃油消耗率隨發動機負荷的變化如圖1所示。從圖中可以看出，同種燃料隨著發動機負荷的增加，當量燃油消耗率逐漸降低。在小負荷工況時，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油的高，并且隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大而增大；在中等負荷工況時，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的當量燃油消耗率與燃燒0號柴油的相差不大；在高負荷工況時，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油的低，并且隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大而降低。
在發動機負荷為32%時，燃燒E10的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油高1.7%；燃燒E15的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油高2.81%；燃燒E20的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油高2.86%；燃燒E25的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油高8.42%。在發動機負荷為80%時，燃燒E10的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油低1.08%；燃燒E15的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油低1.04%；燃燒E20的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油低0.27%；燃燒E25的當量燃油消耗率比燃燒0號柴油低0.47%。
這種變化趨勢是因為乙醇柴油混合燃料的汽化潛熱比0號柴油大，混合燃料的著火性較差。在小負荷工況范圍內，發動機氣缸內溫度偏低，而乙醇柴油混合燃料的汽化進一步降低了工質的溫度，使當量燃油消耗率隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大而升高；在小負荷工況時，發動機氣缸內供油量少，隨著燃料中乙醇的摻入，混合氣過量空氣系數增大，可燃混合氣變稀，局部過稀的混合氣不能夠維持火焰傳播，導致燃燒不完全，使當量燃油消耗率升高。
在中等負荷工況時，燃燒乙醇柴油混合燃料的當量燃油消耗率與燃燒0號柴油的當量燃油消耗率相差不大。隨著負荷的增加，燃燒過程受汽化潛熱的影響逐漸減小。在大負荷工況時，發動機氣缸內的供油量加大，隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大，氣缸內混合燃料的含氧量也逐漸增大，氧的助燃作用更加明顯，使氣缸內混合燃料燃燒更加充分，發動機燃燒過程得到改善，因此乙醇柴油混合燃料的當量燃油消耗率在大負荷工況時有所降低。
3.2排放特性
3.2.1HC排放特性
汽車尾氣中的HC是由于發動機未燃盡的燃料分解而產生的氣體。HC排放量隨發動機負荷的變化如圖2所示。從圖中可以看出，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的HC排放量比燃燒0號柴油的高。在發動機負荷為32%時，燃燒E10的HC排放量比燃燒0號柴油的高76.6%；燃燒E15的HC排放量比燃燒0號柴油的高165%；燃燒E20的HC排放量比燃燒0號柴油的高313%；燃燒E25的HC排放量比燃燒0號柴油的高257%。在發動機負荷為80%時，燃燒E10的HC排放量比燃燒0號柴油的高134.3%；燃燒E15的HC排放量比燃燒0號柴油的高208.9%；燃燒E20的HC排放量比燃燒0號柴油的高291%；燃燒E25的HC排放量比燃燒0號柴油的高338.8%。
這種變化趨勢主要是由于在燃燒過程中混合燃料和空氣的混合不均勻引起的。發動機燃燒室內的混合氣局部過濃或過稀都會引起燃燒不充分而產生HC的排放；可燃混合氣在靠近發動機氣缸壁面時受到冷激效應的影響，也會導致混合氣燃燒不充分而產生HC排放；由于乙醇柴油混合燃料的汽化潛熱比0號柴油大，增加了發動機燃燒過程中出現的淬熄層，也會導致HC的排放量增加；由于混合燃料的十六烷值較低，因此混合氣的著火延遲期加長，這樣就會形成更多的稀混合氣，同樣會導致混合氣燃燒不充分而增加HC的排放量。此外，發動機燃燒室內沒有充分燃燒的混合燃料，都將增加發動機的HC排放量。
3.2.2NOx排放特性
NOx的排放主要是在高溫、富氧以及足夠的持續時間等這些條件下產生的。NOx排放量隨發動機負荷的變化如圖3所示。從圖中可以看出，發動機燃燒同種燃料的NOx排放量隨著發動機負荷的增大而增大。這是因為在轉速為n=1500r/min時，隨著發動機負荷的逐漸增大，氣缸內的平均有效壓力逐漸增大，最高燃燒溫度逐漸升高，因此發動機的NOx排放量逐漸增大。在低負荷工況時，柴油中摻燒乙醇可以明顯降低NOx的排放量，并且隨著混合燃料中乙醇摻燒比的增大NOx的排放量逐漸降低。在發動機負荷為32%時，燃燒E10的NOx排放量比燃燒0號柴油的低12.4%；燃燒E15的NOx排放量比燃燒0號柴油的低28.1%；燃燒E20的NOx排放量比燃燒0號柴油的低41.7%；燃燒E25的NOx排放量比燃燒0號柴油的低48.36%。這是因為在低負荷工況時，氣缸內的溫度較低不利于NOx生成，而且乙醇柴油混合燃料中乙醇摻混比越大，混合燃料蒸發所吸收的熱量越多，使發動機氣缸內的溫度越低。因此混合燃料中乙醇摻混比越大，發動機的NOx排放量越低。
在高負荷工況時，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料產生的NOx排放量比燃燒0號柴油的略低。在發動機負荷為80%時，燃燒E10的NOx排放量比燃燒0號柴油的低9.78%；燃燒E15的NOx排放量比燃燒0號柴油的低2.3%；燃燒E20的NOx排放量比燃燒0號柴油的低19.2%；燃燒E25的NOx排放量比燃燒0號柴油的低9.67%。這是因為在高負荷工況時，隨著發動機負荷的逐漸增大，發動機氣缸內的溫度逐漸升高，而且隨著混合燃料中乙醇摻燒比的增大，發動機燃燒室內的含氧量也逐漸增多，所以混合燃料中乙醇的摻混比越大，NOx排放量就越大。
3.2.3CO排放特性
汽車尾氣中的CO主要是混合氣不完全燃燒的產物。CO排放量隨發動機負荷的變化如圖4所示。從圖中可以看出，發動機燃燒同種燃料的CO排放量隨著發動機負荷的增大而先減少后增加。在中、低負荷工況時，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量比燃燒0號柴油的高；在高負荷工況時，燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量和燃燒0號柴油的相差不大。在發動機負荷為32%時，燃燒E10的CO排放量比燃燒0號柴油的高10%；燃燒E15的CO排放量比燃燒0號柴油的高50%；燃燒E20的CO排放量比燃燒0號柴油的高100%；燃燒E25的CO排放量比燃燒0號柴油的高95%。在發動機負荷為80%時，燃燒E10的CO排放量比燃燒0號柴油的低20.8%；燃燒E15的CO排放量比燃燒0號柴油的高4.2%；燃燒E20的CO排放量比燃燒0號柴油的低8.3%；燃燒E25的CO排放量比燃燒0號柴油的高37.5%。
這種變化趨勢主要是由于乙醇柴油混合燃料的汽化潛熱比0號柴油的大。在低負荷工況時，由于混合燃料中乙醇的蒸發需要吸收大量的熱量，從而引起燃燒過程中淬熄層增多，所以此時發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量比燃燒0號柴油的要高一些；在高負荷工況時，由于混合燃料中含有大量的氧，在發動機氣缸內氧氣不足的情況下可以起到補充氧含量的作用，從而改善發了動機的燃燒狀況，使發動機燃燒混合燃料CO排放量比燃燒0號柴油的低。此外，在高負荷工況時，發動機氣缸內溫度高，由于混合燃料的汽化吸熱而導致燃燒室內的淬熄層減少，因此發動機在高負荷工況時的CO排放量有微小的降低。由于中等負荷與高負荷間的過渡，使高負荷工況下發動機燃燒混合燃料與0號柴油的CO排放量相差不大。
3.2.4煙度特性
汽車尾氣中的碳煙是由于柴油機燃燒不完全而產生的微小顆粒。消光系數k隨發動機的負荷變化如圖5所示。從圖中可以看出，燃燒乙醇柴油混合燃料的碳煙排放量比燃燒0號柴油的有所降低。在發動機負荷為32%時，燃燒E10的消光系數k比燃燒0號柴油的低57.14%；燃燒E15的消光系數k比燃燒0號柴油的低50%；燃燒E20的消光系數k比燃燒0號柴油的高11.9%；燃燒E25的消光系數k比燃燒0號柴油的低7.14%。在發動機負荷為80%時，燃燒E10的消光系數k比燃燒0號柴油的低37.6%；燃燒E15的消光系數k比燃燒0號柴油的低39.4%；燃燒E20的消光系數k比燃燒0號柴油的高48.23%；燃燒E25的消光系數k比燃燒0號柴油的低24.8%。在發動機負荷為80%時消光系數k的最大降低率可達48.23%。這是因為混合燃料中氧的增加，從而使發動機燃燒更加充分，降低了碳煙排放，同時，由于乙醇柴油混合燃料的汽化潛熱大，從而降低了發動機氣缸內的最高燃燒溫度，進而減少了混合燃料燃燒的熱裂反應，抑制了碳煙的形成。此外，由于發動機燃燒室內部過濃區高分子烴（尤其是芳香烴）高溫缺氧裂解也會增加碳煙的形成，但是乙醇中不含有芳香烴，并且C/H質量比低，從而減少了碳煙的排放。
4結論
（1）在配置乙醇柴油混合燃料時，添加適量的正丁醇作為助溶劑可以有效地促進乙醇和柴油的均勻相溶，正丁醇的摻入可以降低發動機排放中的NOx含量。
（2）發動機燃燒乙醇柴油混合燃料與燃燒0號柴油比較，在中低負荷工況時，當量燃油消耗率隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大而升高；在高負荷工況時，當量燃油消耗率隨摻混比的增大而降低。在低負荷工況時，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量比燃燒0號柴油的高；在中高負荷工況時，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的CO排放量與燃燒0號柴油的相差不大。在發動機所有工況下，發動機燃燒乙醇柴油混合燃料的HC排放量均比燃燒0號柴油的高；而燃燒乙醇柴油混合燃料的NOx排放量及碳煙排放量均比燃燒0號柴油的低。
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