共轨柴油机燃用柴油-异丙醇混合燃料的燃烧与排放特性

陈燕飞，孙凤雨，曾小松，赵伟

(1.南京交通职业技术学院，江苏 南京 211188；2.长安大学汽车学院交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室，陕西 西安 710064；3.工业和信息化部装备工业发展中心，北京 100846)

颗粒物排放是产生雾霾的重要原因，是大气环境污染的重要贡献者。颗粒物会引起或加重呼吸系统的疾病，会增加患肺癌的风险。研究表明，粒径小于100 nm的超细颗粒物可以直接渗入人体血液，造成遗传性损伤。《中国移动源环境管理年报(2021年)》显示，2020年全国机动车四项污染物排放总量为1 593.0 万t。其中，CO，HC，NO，PM排放量分别为769.7 万t，190.2 万t，626.3 万t，6.8 万t。柴油车PM排放量超过汽车排放总量的90%。此外，工程机械等非道路移动源排放PM 23.7 万t，而工程机械装备多采用柴油机动力。因此，柴油机成为PM排放的主要贡献者。

国六排放限值极为严苛，单一尾气处理手段已很难满足排放需求。以国内主要厂商的国六排放技术路线来看，综合使用DOC+DPF+SCR成为了目前柴油车后处理的主流技术路线。然而，DOC+DPF+SCR成本较高，且DPF捕集效率受工况影响较大。因此，面向未来更高的排放法规要求，通过燃料改性改善燃烧过程并降低PM排放，使用SCR集中处理NO排放成为柴油车污染物排放控制的重要技术路径。

燃料改性降低柴油机PM排放的方法主要有两种：一是在柴油中添加含氧燃料，主要通过抑制乙炔和多环芳烃等炭烟前驱物的生成来降低PM排放；二是在柴油中添加馏出温度或沸点低的燃料，增强空气卷吸效果，促进燃料和空气的混合，促使燃烧更加完全，从而降低PM排放。醇类燃料含氧量高且沸点低，是理想的柴油机掺混燃料。甲醇和乙醇含氧量分别为50%和34.78%，沸点分别为64.7 ℃和78.3 ℃，但是其极性较强，难以与柴油互溶，一般采用进气道喷射低活性甲醇(或乙醇)、缸内直喷柴油的双燃料动力模式。双燃料发动机存在成本高、燃烧稳定性较差、小负荷热效率低、HC与CO排放较高等问题。异丙醇与柴油可以以任意比例互溶，在C3以上的直链醇中具有最高的含氧量和最低的沸点。因此，在保证互溶性的前提下，从降低PM排放的角度出发，异丙醇是柴油最适宜的掺混燃料。本研究在1台高压共轨柴油机上研究柴油掺混不同体积比例异丙醇对柴油机燃烧过程与排放特性的影响。

1 仪器与方法

1.1 试验装置及仪器

本研究在WP4G154E330柴油机上开展，表1示出了其主要参数。利用奇石乐(Kistler)压电式压力传感器(6051B)、电荷放大器(5019B)、燃烧分析仪(KiBox)组成的测试系统测录缸内压力。曲轴转角编码器以0.5°精度采集曲轴转角信号并传输至燃烧分析仪中，通过曲轴转角适配器与缸压信号进行匹配。在每个工况点下采集100 个循环的缸压信号，取平均值；采用零维模型计算缸内瞬时燃烧放热率和缸内平均温度。采用德国MAHA MET6.3尾气测试仪测量HC，CO和NO的排放浓度以及烟度值(消光系数)。选择TSI SMPS-3936粒径谱仪测量PM数量浓度。图1示出柴油机测试台架。

表1 柴油机主要技术参数

图1 柴油机测试台架

1.2 试验用燃料

试验用0号柴油和异丙醇的主要理化性质如表2所示。本试验分别在柴油中添加10%和20%体积比例的异丙醇，记为D90IP10和D80IP20，并与柴油进行对比。

表2 柴油与异丙醇主要理化指标

2 结果与分析

2.1 喷射策略

转速为1 600 r/min时，0.56 MPa，0.84 MPa和0.92 MPa下，3种燃料的喷射时刻和喷射持续期见表3。为了得到燃料差异对燃烧过程的影响，3种燃料在特定工况下的预喷开始时刻、预喷结束时刻、预喷持续期以及主喷开始时刻均保持相同。由于异丙醇质量低热值明显低于柴油，随着异丙醇掺混比例的增加，混合燃料的低热值降低，达到相同负荷需要喷入更多的燃料，表现为主喷持续期的延长。因此，D100主喷持续期最短，D90IP10次之，D80IP20主喷持续期最长。

表3 不同工况下3种燃料喷射时刻和喷射持续期(喷油量)

2.2 着火延迟期

1 600 r/min转速下着火延迟期的负荷特性见图2。可以看出，与柴油相比，柴油-异丙醇混合燃料的滞燃期明显增加，且幅度随着异丙醇掺混比例的增加而增加。这是由于异丙醇的十六烷值只有13，远低于柴油的49，混合燃料的十六烷值随异丙醇掺混比例的增加而降低。

图2 柴油-异丙醇混合燃料着火延迟期负荷特性

2.3 燃烧放热规律

转速为1 600 r/min时，平均有效压力分别为0.56 MPa，0.84 MPa和0.92 MPa的工况下，柴油及其与异丙醇混合燃料的瞬时燃烧放热率和缸内平均温度的变化规律见图3。由图可以看出，与D100相比，预喷阶段D90IP10和D80IP20的第一峰值燃烧放热率明显增加，且随异丙醇掺混比例的增加而增加。预喷燃料开始放热时缸内的温度和压力较低，热力状态较差。一方面，混合燃料十六烷值低导致滞燃期延长，从而使得滞燃期内形成的可燃混合气数量增多；另一方面，异丙醇含氧量达26.67%，在化学反应过程中产生大量的OH等活性自由基，可以加快燃烧放热速度，使得预喷峰值燃烧放热率随异丙醇混合比例的增加而增加。与D100相比，主喷阶段D90IP10和D80IP20的第二峰值燃烧放热率略有降低，且随异丙醇掺混比例的增加而降低。主喷燃料开始放热时，经过预喷燃料燃烧放热，缸内的热力状态显著提升，混合燃料十六烷值低的影响弱化，而柴油-异丙醇混合燃料的热值低，导致峰值燃烧放热率略有降低。由图还可以看出，与D100相比，D90IP10和D80IP20的缸内峰值燃烧温度增加，且随异丙醇掺混比例的增加而增加。混合燃料含氧加快了燃烧速度，使得主喷燃料的扩散燃烧强度提高，峰值燃烧温度增加。

图3 柴油-异丙醇混合燃料瞬时燃烧放热率和缸内温度

1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下，3种燃料的峰值燃烧放热率和峰值缸内平均温度分别见表4和表5。可以看出，随着EGR率的提高，3种燃料峰值燃烧放热率和峰值缸内平均温度均略有下降。这是因为随着EGR率提高，高比热容的CO浓度增加，着火时刻不断推迟，燃烧速率降低。在不同EGR率下，与柴油相比，D90IP10和D80IP20的预喷峰值燃烧放热率增加，主喷峰值燃烧放热率略有降低，峰值缸内平均温度明显增加。

表4 1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下3种燃料峰值燃烧放热率

表5 1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下3种燃料峰值缸内平均温度

2.4 柴油机排放特性

图4 1 600 r/min下柴油-异丙醇混合燃料 NOx排放负荷特性

图5示出1 600 r/min下柴油机炭烟排放的负荷特性变化规律。可以看出，3种燃料的炭烟排放随着负荷的增加而增加；与柴油相比，柴油-异丙醇混合燃料的炭烟排放明显降低，且随异丙醇掺混比例的增加而降低。消光系数可以反映排气中炭烟的多少，但不能直接得出PM排放浓度。

图5 1 600 r/min下柴油-异丙醇混合燃料炭烟排放负荷特性

1 600 r/min，0.56 MPa和1 600 r/min，0.84 MPa工况下，D100，D90IP10和D80IP20的颗粒物数量浓度和体积浓度粒径分布规律见图6。可以看出，柴油-异丙醇混合燃料各个粒径对应的数量浓度与体积浓度均低于柴油，且随着异丙醇掺混比例的增加而降低。第一，异丙醇的沸点为82.5 ℃，远低于柴油95%馏出温度363 ℃，柴油-异丙醇混合燃料可以改善蒸发性；第二，异丙醇的运动黏度明显低于柴油，柴油-异丙醇混合燃料运动黏度降低，有利于改善雾化质量；第三，异丙醇含氧，可以加快扩散燃烧速度。以上三方面的因素使得柴油-异丙醇混合燃料燃烧较柴油更加完全，炭烟和PM排放显著降低。

图6 柴油-异丙醇混合燃料颗粒物粒径分布

表6示出1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下，3种燃料的NO体积浓度和颗粒物数浓度。可以看出，随着EGR率的增加，缸内燃烧温度降低，3种燃料NO排放显著降低，但是燃烧恶化导致颗粒物数量增加。与原机燃用柴油相比(EGR率为0)，燃用D90IP10在EGR率为8%和12%时NO排放明显降低，颗粒物数浓度增加，说明燃用D90IP10时EGR率应小于8%。燃用D80IP20在不同EGR率下的NO和PM排放均降低，在12%EGR率下其颗粒物数量为1.12E+05 个/cm，低于原机柴油的1.57E+05 个/cm，进一步提高EGR率会抵消异丙醇降低颗粒物的效果。

表6 1 600 r/min，0.92 MPa下NOx和颗粒物数浓度平衡关系

3 结论

a) 与柴油相比，燃用柴油-异丙醇混合燃料的滞燃期明显延长，预喷燃料峰值放热率增加，主喷燃料峰值放热率略有降低，峰值缸内平均温度增加；

b) 与柴油相比，燃用D90IP10和D80IP20的NO排放平均增加1.3%和2.7%，炭烟排放平均降低12.1%和32.3%，颗粒物数量浓度和体积浓度明显降低；

c) 与柴油相比，柴油-异丙醇混合燃料联合EGR可以同时降低NO和PM排放。