添加劑對乙醇柴油穩定性及排放性能的影響

胡 鵬，孫 平，汪家全，向立明

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013；湖北文理學院 機械與汽車工程學院，湖北 襄陽441053）

柴油機具有良好的可靠性，燃油經濟性，耐久性，較低的CO、HC和CO2排放等優點，成為當今重型道路運輸機械、農業機械和工程機械主要動力源。但目前正面臨著石油資源不足和環境污染加劇的壓力，因此開展清潔代用燃料的研究受到世界各國學者重視。內燃機燃用柴油與含氧化合物混合燃料或直接燃用含氧燃料是一條有效途徑。目前研究較多的含氧燃料有甲醇、乙醇、二甲醚、生物柴油等［1-8］。由于乙醇是一種可再生的生物質能源，其氧質量分數高達34.8%，與柴油混合進入氣缸后能對柴油燃燒起到調質作用，此外乙醇在產量和成本方面具有優勢，因此人們希望將其應用于熱效率較高的柴油機上。研究結果表明，乙醇柴油是一種有前景的清潔燃料［5-8］。

目前，對采用加入添加劑（十六烷值改進劑、消煙劑、清凈分散劑、穩定劑以及分散劑等）的柴油的柴油機燃燒排放特性進行了較多研究［7-10］。與常規柴油相比，乙醇柴油的理化特性有著明顯的差異。鑒于乙醇柴油最容易在柴油機上推廣應用，因此研究添加劑對柴油機燃用乙醇柴油排放性能的影響具有重要意義。筆者在含乙醇質量分數10%和正丁醇質量分數5%的乙醇柴油中分別加入不同質量分數的十六烷值改進劑或消煙劑，考察其對乙醇柴油穩定性及排放性能的影響，為內燃機高效清潔替代燃燒設計提供參考。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

0＃柴油、十六烷值改進劑（烷基硝酯）和消煙劑（多種聚合體的無灰有機物），市購；乙醇、正丁醇，分析純，質量分數均為99.99%，國藥集團化學試劑有限公司產品。

1.2 試驗發動機和儀器

采用濰柴動力揚柴公司YZ4DB3柴油機作為實驗用發動機，其主要性能及結構參數列于表1，實驗時不改變原機的供油系統以及其他參數。用于制備燃料的主要儀器設備包括上海精密科學儀器有限公司JY10001電子天平 （精度0.1g）、江蘇省金壇市富華儀器有限公司HH6恒溫水浴箱、上海精密科學儀器有限公司80-2離心分離機、江蘇金壇市中大儀器廠JJ-1電動攪拌機。發動機臺架測試設備包括奧地利AVL公司AFA335瞬態測功機、PUMA 5測控系統、439煙度計（分辨率0.0025）和日本Horiba公司MEXA-7200D尾氣分析系統。

表1 YZ4DB3柴油機的主要性能及結構參數Table 1 Properties and structure parameters of YZ4DB3diesel engine

1.3 乙醇柴油的配制

選正丁醇作為乙醇柴油的助溶劑，按照正丁醇、乙醇、柴油的順序進行乙醇柴油的配制。在20℃下，先將正丁醇倒入燒杯，然后加入乙醇并用玻璃棒混合均勻，最后向其不斷加入柴油，并用電動攪拌機攪拌，通過調整乙醇和正丁醇的質量分數，直到混合溶液澄清為止。配制得到的乙醇質量分數10%、正丁醇質量分數5%的乙醇柴油簡稱為N5E10。

1.4 添加劑與乙醇柴油相溶穩定性實驗

本研究中采用的添加劑都是用于純柴油的添加劑，與純柴油的相溶性很好，但對于乙醇柴油而言，添加劑可能存在不相溶的情況，為此需先考察添加劑在乙醇柴油中相溶穩定性。在20℃下，在乙醇柴油中分別添加質量分數為0.1%、0.3%、0.5%的十六烷值改進劑（CN）或消煙劑（XY），混合均勻后觀察是否有分層和沉積物的產生，觀察時間間隔為1d。將上述加有添加劑的乙醇柴油樣品分別記為 N5E10＋0.1CN、N5E10＋0.3CN、N5E10＋0.5CN或N5E10＋0.1XY、N5E10＋0.3XY和N5E10＋0.5XY。

1.5 排放物的測定

分別在1800和2900r／min轉速下，10%、25%、50%、75%和100%5個負荷作為試驗工況，在YZ4DB3柴油機上分別燃用配制的燃料樣品，比較柴油機的排放性能。實驗前先用燃油樣品對發動機進行熱機，待柴油機水溫和油溫達到工作溫度后進行參數測量。在進行燃油樣品切換時，為消除殘余燃油樣品對實驗結果的影響，需使柴油機運行足夠的時間，直至燃油管路、油泵以及燃油濾清器中充滿待測燃料時，將柴油機調節至所需測量的工況點，待工作狀態穩定后再進行參數測量。

上述排氣分析數據中，CO為干基體積分數，HC和NOx為濕基體積分數。根據GB17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式柴油機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段），需要將干基體積分數轉化成濕基體積分數［11］。

2 結果與討論

2.1 添加劑種類和質量分數對乙醇柴油穩定性的影響

20℃下添加不同質量分數十六烷值改進劑（CN）或消煙劑（XY）的乙醇柴油穩定性實驗結果如圖1所示。從圖1可以看出，在20℃下，不同種類和不同質量分數添加劑與乙醇柴油的相溶性很好，在觀察期內沒有出現分層和沉積物現象。

圖1 添加不同質量分數十六烷值改進劑（CN）或消煙劑（XY）的乙醇柴油穩定性實驗結果Fig.1 The results of stability test for the ethanol-diesel with CN or XY at different addition mass fractions

2.2 乙醇柴油中添加劑種類和質量分數對柴油機排放物的影響

2.2.1 對CO排放的影響

CO是烴類燃料在燃燒中間階段形成的化合物之一。當燃燒快結束時，CO和不同的氧化劑發生再氧化反應，生成CO2。如果氧化劑不足、缸內燃燒溫度不高或滯留時間短，CO便不能完全氧化而直接排出缸外。圖2為不同工況下燃用添加不同質量分數和不同種類添加劑的乙醇柴油、乙醇柴油和0＃柴油時柴油機CO排放量隨負荷的變化。

從圖2看出，燃用乙醇柴油及含添加劑的乙醇柴油時，多數工況下的CO排放體積分數都比燃用0＃柴油的高，在轉速為1800r／min、10%負荷時，燃用乙醇柴油的CO排放體積分數要比燃用0＃柴油的高32%；在中高負荷時，不同燃油的CO排放體積分數相近。這主要是由于乙醇柴油的沸點較低，霧化特性改善，混合氣均勻，且在中低負荷下混合氣很稀，加上其著火延遲期增加，以及乙醇的氣化吸熱作用，缸內平均溫度很低，抑制了CO后繼氧化進程；此外靠近壁面的激冷層厚度增加，在著火過程中可能出現局部火焰窒息，也可導致CO排放增加。而在大負荷下，混合氣成分均勻，一旦缸內開始燃燒后，燃燒速率很快，缸內最高溫度上升，氣化吸熱作用相應減弱，有助于CO的繼續氧化，因此CO體積分數降低。

從圖2還可見，添加劑對柴油機燃用乙醇柴油的CO排放影響不僅與添加劑比例有關，還與發動機工況有關。多數工況下柴油添加劑會增加柴油機燃用乙醇柴油的CO排放。當轉速為1800r／min時，燃用添加消煙劑的乙醇柴油的CO排放量要高于燃用添加十六烷值改進劑的乙醇柴油；低負荷時更明顯，在10%負荷時，燃用添加十六烷值改進劑的乙醇柴油的CO排放量最高約為350μL／L，而燃用添加消煙劑的乙醇柴油的CO排放體積分數最高達到450μL／L，增加近28.6%。

2.2.2 對HC排放的影響

柴油機HC排放物成分復雜，包括多種烴類，如芳香烴、烯烴、烷烴等。產生HC排放的主要原因是燃料不完全燃燒。燃料燃燒不完全的主要因素有局部混合氣過稀或過濃、局部溫度或瞬時溫度過低、噴油器噴嘴處的燃油殘留。圖3為燃用添加不同質量分數和不同種類添加劑的乙醇柴油、乙醇柴油和0＃柴油的柴油機HC排放隨負荷的變化。

圖2 不同工況下燃用添加不同質量分數和不同種類添加劑的乙醇柴油的柴油機CO排放量隨負荷的變化Fig.2 CO emission of diesel engine with the ethanol-diesel fuels containing different mass fractions of additives vs load under different operation conditions

圖3 不同工況下燃用添加不同質量分數和不同種類添加劑的乙醇柴油的柴油機HC排放量隨負荷的變化Fig.3 HC emission of diesel engine with the ethanol-diesel fuels containing different mass fractions of additives vs load under different operation conditions

從圖3可以看出，柴油機燃用0＃柴油的HC排放隨負荷變化的曲線存在1個谷值，當轉速為1800r／min時，該負荷谷值為50%，當轉速為2900r／min時，負荷谷值為75%。低于負荷谷值時，隨著負荷降低，HC排放增加；高于負荷谷值時，隨著負荷增加，HC排放增加。這是因為，在低于該負荷時，負荷越低，循環噴油量少，燃燒室溫度降低，局部容易出現超稀限混合氣，HC排放增加；高于該負荷時，負荷越高，循環噴油量增加，混合氣過濃，超富限混合氣量增加，同時高溫裂解加劇，導致HC排放增加。

從圖3還可見，在柴油機轉速為1800r／min時，燃用N5E10或含添加劑的N5E10的HC排放隨負荷增加一直降低；當轉速為2900r／min時，燃用加入乙醇和添加劑的柴油并沒有改變原來燃用柴油時的HC排放隨負荷的變化規律。與燃用0＃柴油的HC排放相比，在中低負荷時，燃用N5E10的HC排放升高，隨著負荷的增大，二者的HC排放差距縮小。轉速為1800r／min時，在75%負荷左右，燃用各種燃料的HC排放差距較小，進一步增加負荷，各種乙醇柴油的HC排放均低于0＃柴油的；當發動機轉速為2900r／min時，在50%負荷，燃用各種燃料的HC排放差距較小，隨負荷的繼續增加，加有添加劑的N5E10的HC排放先低于0＃柴油的，而后高于0＃柴油的。這是由于乙醇具有高的氣化潛熱，可降低缸內溫度，增加氣缸壁面附近的淬熄層厚度，導致未燃HC排放；隨著負荷增大，缸內溫度升高，乙醇和正丁醇的高氣化潛熱對未燃HC排放的作用降低，燃料中氧的助燃作用得到有效發揮，N5E10以及含添加劑的N5E10的HC排放與0＃柴油的HC排放差距縮小。

2.2.3 對 NOx排放的影響

根據擴充的澤爾多維奇機理，NOx的產生主要受燃燒溫度、氧原子體積分數和工質在高溫環境下持續時間3個因素控制。圖4為燃用添加不同質量分數和不同種類添加劑的乙醇柴油、乙醇柴油和0＃柴油的柴油機NOx排放隨負荷的變化。

圖4 不同工況下燃用添加不同質量分數和不同種類添加劑的乙醇柴油的柴油機NOx排放量隨負荷的變化Fig.4 NOxemission of diesel engine with the ethanol-diesel fuels containing different mass fractions of additives vs load under different operation conditions

從圖4看出，轉速為1800r／min時，所有燃油的NOx排放均隨著負荷增加而增加，且其排放曲線前段陡峭而后段平緩；在轉速為2900r／min時，NOx排放曲線并沒有出現后段平緩現象。這說明添加劑并沒有改變乙醇柴油的NOx排放隨負荷變化的規律。N5E10及多數含添加劑的N5E10的NOx排放都低于0＃柴油。這主要是因為，乙醇的氣化潛熱高、混合燃料熱值低以及燃燒持續期縮短，導致缸內燃燒溫度降低和工質在高溫持續時間縮短，抑制了熱力型NOx生成。

從圖4還可見，2個工況下的N5E10＋0.3CN燃料降低NOx排放效果最好，與0＃柴油相比，N5E10＋0.3CN燃料在轉速為1800和2900r／min時NOx排放最大降幅分別為17.1%和18.9%。與N5E10＋0.3CN燃料的NOx排放相比，燃用十六烷值改進劑添加質量分數較小的N5E10＋0.1CN時，由于混合燃料的十六烷值較低，滯燃期延長，預混合燃燒階段形成的可燃混合氣數量增加，缸內燃燒溫度升高，導致NOx排放增加；當燃用十六烷值改進劑添加質量分數較大的N5E10＋0.5CN時，滯燃期縮短，燃燒持續期延長，N、O在高溫火焰下停留時間增加，促進了NOx排放增加。

在1800r／min轉速下燃用含消煙劑的乙醇柴油時，隨著乙醇柴油中消煙劑質量分數的增加，NOx排放也隨之增加，且均高于N5E10但沒有超過0＃柴油的NOx排放。在2900r／min轉速下，在低負荷工況點，燃用含消煙劑的乙醇柴油的NOx排放低于0＃柴油，但在高負荷工況點，其NOx排放已超過0＃柴油，其中負荷工況點的NOx排放與乙醇柴油中消煙劑質量分數有關。消煙劑能促進燃料燃燒，導致缸內的燃燒溫度升高，促進熱力型NOx生成，因此乙醇柴油中添加消煙劑會增加NOx排放，但在乙醇和正丁醇降低缸內燃燒溫度效應下，NOx排放并沒有超過0＃柴油；由于柴油機對工況采用質調節，在2900r／min和大負荷時柴油機噴油量會明顯增加，消煙劑能促進燃料燃燒提高缸內溫度的作用增強，所以含消煙劑質量分數為0.1%和0.3%的乙醇柴油的NOx排放會超過0＃柴油。對于含消煙劑質量分數為0.5%的乙醇柴油，在2900r／min和中高負荷時其NOx排放低于0＃柴油，這是因為消煙劑的黏度較大，添加比例過多引起燃油黏度增加，導致燃油霧化變差的緣故。

圖5 不同工況下燃用添加不同質量分數和不同種類添加劑的乙醇柴油的柴油機排放氣煙度隨負荷的變化Fig.5 Smoke emission intensity of diesel engine with the ethanol-diesel fuels containing different mass fractions of additives vs load under different operation conditions

2.2.4 對排放氣煙度的影響

柴油機排氣中的碳煙主要由燃料中的碳產生，其生成條件是局部高溫和缺氧。圖5為不同負荷下燃用添加不同種類和不同質量分數添加劑的乙醇柴油、乙醇柴油和0＃柴油時柴油機排放氣煙度隨負荷的變化。從圖5看出，燃用無論添加添加劑與否的乙醇柴油，排放氣煙度在各工況下均低于燃用柴油時的。由于乙醇和正丁醇都是含氧燃料，氧可以促進燃料燃燒，從而降低碳煙排放；醇類的氣化潛熱較高，使燃燒高溫區所占空間有所減小，減緩了裂解和成核反應；乙醇柴油中由于乙醇和正丁醇的快速蒸發，使大油滴變成小油滴，油滴直徑減小，霧化更好，油氣混合均勻，局部過濃混合區有良好的著火能力、噴霧特性以及自帶氧能力，使排放氣煙度得到降低。

從圖5還可見，在2個工況下，燃用添加十六烷值的乙醇柴油N5E10＋0.3CN降低排放氣煙度效果最佳；消煙劑對降低排放氣煙度有顯著效果，且增加消煙劑質量分數，排放氣煙度進一步降低。

3 結 論

（1）十六烷值改進劑（CN）或消煙劑（XY）分別以質量分數0.1%、0.3%和0.5%添加到乙醇柴油（N5E10）中后穩定性良好。

（2）燃油添加劑CN和XY對柴油機燃用乙醇柴油的CO排放的影響與柴油機工況存在明顯關系。燃用添加XY的乙醇柴油時，CO排放體積分數要高于燃用添加CN的乙醇柴油的。與燃用0＃柴油相比，柴油機燃用各種燃料時在中低負荷下的HC排放量增加，隨著柴油機負荷增加，HC排放差距縮小。

（3）燃用乙醇柴油及含添加劑的乙醇柴油的NOx排放和排放氣煙度在多數工況下都低于燃用0＃柴油的。綜合考慮乙醇柴油N5E10中CN對柴油機NOx排放和排放氣煙度的影響，添加質量分數0.3%CN的乙醇柴油N5E10＋0.3CN降低柴油機排放的綜合效果最好。乙醇柴油中添加XY不利于降低柴油機燃用乙醇柴油的NOx排放，但能顯著降低排放氣煙度。綜合考慮乙醇柴油N5E10中XY對NOx排放和排放氣煙度的影響，添加質量分數0.5%XY的N5E10＋0.5XY降低柴油機排放的綜合效果最佳。

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