F－T柴油－生物柴油－甲醇多元燃料性能和排放特性分析

杨甜甜，王 铁，刘 磊，石晋宏，曹贻森

（太原理工大学车辆工程系，山西 太原 030024）

近几年，我国石油对外依存度保持着强劲增长态势，在2012年已达到57.8%，超过了50%的国际公认警戒线，国家能源安全得不到充分保障。因此，从缓解国家能源危机的角度出发，开展多元燃料的研究，可以丰富国家能源储备，具有重要战略意义。

F－T柴油是煤液化技术中关注度较高的一种间接液化技术产品，其十六烷值高，自燃温度低，着火性好，密度小，有利于PM和NOx排放减少［1］。F－T柴油与0号柴油物理特性相近，可以直接在柴油机上燃用。史伟奇［2］在不改变柴油机结构参数的条件下，对F－T柴油和0号柴油进行掺混研究，王铁［3］对比了纯F－T柴油和0号柴油的燃烧特性，均得出：相对0号柴油，燃用F－T柴油时燃烧压力和压力升高率峰值均降低，滞燃期短，预混燃烧放热峰值较小，扩散燃烧放热峰值较大，发动机工作柔和，经济性有所提升，NOx、炭烟和HC排放降低，CO排放有所升高。

生物柴油属于可再生的生物质能源，因其黏度较大，雾化效果不好，因此在不改变发动机结构的条件下单独使用时燃烧效果不理想，故多采用与柴油掺烧的形式来使用。谭满志［4］等对5种不同比例的生物柴油和柴油混合燃料的燃烧特性进行了研究，楼狄明［5］等对生物柴油与柴油混合燃料的性能和排放特性进行了研究，研究结果显示：随着燃料中生物柴油含量的增加，滞燃期和燃烧持续期缩短，缸内最高燃烧压力和放热率峰值逐渐降低，功率略有下降，CO和HC排放降低，NOx排放上升。廖文蓉和邓永慧等［6－7］对生物柴油与F－T柴油混合燃料进行研究，结果表明：缸内压力、压升率和放热率均随生物柴油掺混比例的增加而增大。

甲醇的十六烷值过低，难以在柴油机上直接燃用，一般都采用与柴油乳化［8］等形式来使用。生物柴油与甲醇掺混，可以利用醇类燃料密度小、黏度低的特点，改善混合燃料的喷雾特性，提高燃料的含氧量和汽化潜热，抑制炭烟的生成［9－10］，且甲醇的凝点低，可以改善生物柴油低温流动性差的问题。生物柴油和甲醇都是含氧燃料，有利于降低CO和HC排放。

目前国内对于多元燃料的掺混研究很少涉及到F－T柴油和甲醇。F－T柴油的燃烧特性较柴油好，与甲醇和生物柴油掺混，可提高多元燃料的氧含量，有利于燃烧，同时可以扩展替代燃料的应用范围，为寻找最佳的柴油机替代燃料开辟一个新的方向。本研究在F－T柴油与生物柴油混合燃料的基础上再加入一定量的甲醇，配制多元燃料，进行燃烧试验。甲醇极性较强，为了提高多元燃料的稳定性，选取正辛醇作为助溶剂。

1 试验条件

1.1 试验装置及设备

试验所用台架系统见图1。试验是在1台4缸、水冷、涡轮增压、直接喷射、单次喷射柱塞式机械泵柴油机上进行，柴油机参数见表1。试验主要设备包括ET2000柴油机测试系统、DW160测功机、Kistler 6125B 缸压传感器、QEWE－800－CA－SE 燃烧分析仪及Kistler 2613B角标仪等。

表1 试验用柴油机参数

1.2 试验燃料

试验以国标0号柴油为对标油，生物柴油由餐饮废油制成，基础燃料F－T柴油和甲醇由生产企业提供。为研究甲醇添加比例对多元燃料燃烧过程的影响，固定生物柴油的体积分数为10%，配置不同比例的多元燃料，简称为 M5，M10，M15，M20和M25。试验燃料的掺混比例见表2，燃料的理化特性见表3。

表3 燃料理化特性对比

1.3 试验方案

在不调整柴油机结构参数的情况下，进行发动机最大扭矩转速2 000r／min下的负荷特性以及80%速度特性试验，对M5，M10，M15，M20和 M25 5种多元燃料以及0号柴油的燃烧和排放特性进行试验研究。

2 试验结果与分析

2.1 燃烧特性

试验中，以放热率明显上升前第1个极小值点作为放热始点，以累计放热率达到95%作为燃烧终点。不同负荷工况下燃用5种多元燃料时，燃烧始点、终点、燃烧持续期、放热重心及滞燃期见表4。从表4中可以看出，在相同负荷工况下，随着甲醇添加比例的增加，多元燃料的滞燃期逐渐增长，这是由于甲醇汽化潜热大，汽化吸热导致燃烧滞后；多元燃料的滞燃期随负荷的增大而缩短，这是因为负荷的增大使得缸内温度和压力增大，促使滞燃期缩短。随着甲醇添加比例的增加，多元燃料的燃烧始点逐渐滞后，且燃烧终点逐渐提前，燃烧持续期逐渐缩短，放热更加集中，有利于燃料燃烧完全。随着负荷的增加燃烧始点逐渐提前，燃烧终点先提前后推迟，燃烧持续期先缩短后延长，这是由于在大负荷时，循环供油量增大，燃烧结束略有延迟。

从表4还可以看出，在相同负荷下，随着甲醇添加比例的增加，燃烧压力峰值、压力升高率峰值和放热率峰值均逐渐增大；随着负荷的增加，混合燃料的燃烧压力逐渐增大，压力升高率和放热率峰值在中小负荷时逐渐增大，在大负荷与中等负荷时相近。这是因为甲醇的加入将导致混合燃料的滞燃期延长，形成的可燃混合气数量较多，导致大比例的燃料在预混合阶段燃烧，且混合燃料的含氧量逐渐增加，燃烧速度快，压力升高率和放热率峰值增大；随着负荷的增大，缸内温度升高，紊流增大，甲醇与生物柴油含氧量较高，均导致燃烧压力、压力升高率和放热率峰值逐渐增大，在大负荷时，喷入气缸的循环供油量增多，甲醇汽气化潜热引起的燃烧温度降低，从而使燃烧相对恶化。

表4 燃烧特征参数

2.2 动力性

图2示出柴油机燃用5种不同比例多元燃料和0号柴油时在80%速度特性下的输出功率对比。从图中可见，随着甲醇添加比例的增加，发动机的功率逐渐下降，在高转速时下降幅度较大。M5相对于0号柴油，发动机的输出功率下降最大幅度约为9.4%；随着甲醇添加比例的增加，燃用M10，M15，M20和M25燃料时，相对M5燃料，发动机功率下降幅度分别为5.8%～10%，9.1%～10%，13.6%～17.1%和19.2%～23.3%。一方面，由于甲醇热值极低，多元燃料的热值随甲醇掺入量的增加降低，导致在不调整柴油机参数的情况下多元燃料的动力性必然有所下降，但下降幅度均未超过30%；另一方面，由于多元燃料中甲醇的加入使循环放热量减少，滞燃期延长，火焰温度和缸内温度降低，燃烧状态的改变也降低了发动机的动力性。

2.3 有效热效率

有效热效率（ηet）是衡量发动机经济性的重要指标。有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值。通常，在得到有效燃油消耗率（be）和燃料热值（Hu）的情况下，由式（1）即可得到发动机的有效热效率。

式中：be为有效燃油消耗率；Hu为燃料低热值。

图3示出柴油机燃用5种不同比例多元燃料和0号柴油时在80%速度特性下的有效热效率对比。由图可见，随着多元燃料中甲醇比例的增加，柴油机热效率逐渐降低，且仅在燃用M5和M10 2种多元燃料时，相对于0号柴油，柴油机热效率获得明显改善，增加幅度为别为4.00%～8.57%和0.68%～2.36%。这主要是因为混合燃料含氧有助于燃烧，但是随着甲醇含量的增加，多元燃料热值迅速降低，所以热效率降低。柴油机热效率随转速的增加先升高后降低，且均在发动机转速为2 000r／min时获得最大热效率。这主要是因为在低转速下，发动机进气量较少，涡流比很低，因此，燃料和空气不能进行良好地混合，导致燃烧恶化，效率降低；而在高转速下，发动机的机械损失增大，机械效率降低，因此热效率降低。

2.4 排放特性

2.4.1 CO和 HC排放

柴油机燃用5种多元燃料和0号柴油的CO排放曲线见图4。随着甲醇添加比例的增加，CO排放有增大的趋势；随着负荷的增加，CO排放有减少的趋势；仅M25多元燃料的CO排放比0号柴油高。随着多元燃料中甲醇含量的增加，柴油机的CO排放逐渐升高，主要是因为甲醇的汽化潜热较高，降低了缸内燃烧温度，使CO的氧化反应受到一定程度的抑制，从而导致CO排放升高。小负荷时，循环供油量较少，过量空气系数较大，多元燃料高的含氧量优势未能得到发挥。此时，甲醇高的汽化潜热导致缸内温度降低是CO排放升高的主要原因；大负荷时，循环供油量增加，过量空气系数减小，缸内温度升高，生物柴油和甲醇中的氧使油气混合过浓区域燃烧缺氧的状况得到改善，在一定程度上抑制了CO的生成，所以随着负荷的增大，CO排放逐渐减少。

图5示出柴油机燃用5种不同比例多元燃料的HC排放对比。由图可见，随着甲醇添加比例的增加，HC排放逐渐增加，但燃用M25燃料有下降的趋势；随着负荷的增加，HC排放逐渐降低；多元燃料的HC排放均大于0号柴油。原因与CO排放相同。M25燃料的滞燃期最长，燃料与空气的混合程度更好，虽然甲醇高的汽化潜热导致缸内温度降低，但燃料的氧含量也急剧增加，综合作用下，导致M25燃料的HC排放有降低的趋势。

2.4.2 NOx排放

柴油机燃用5种多元燃料和0号柴油的NOx排放曲线见图6。由图可见，混合燃料的NOx排放与0号柴油相比降幅明显，燃用M5燃料的NOx排放最低；随着甲醇含量的增加NOx排放有增加的趋势，随着负荷的增加，NOx排放增加。这是因为NOx生成的条件是高温、富氧和在高温作用时间，甲醇的加入使缸内燃烧温度降低，在一定程度上抑制了NOx的生成，但是随着甲醇加入量的增加，混合燃料的氧含量迅速增加，燃烧温度升高，导致NOx排放增加，随着负荷增加，缸内温度迅速升高，也导致NOx排放增加。

2.4.3 PM 排放

柴油机燃用5种多元燃料和0号柴油的PM排放曲线见图7。由图可见，随着甲醇添加比例的增加，PM排放逐渐降低，随着负荷的增加，PM排放又有增加的趋势，但与0号柴油相比增加趋势缓慢。这是因为，一方面甲醇的沸点和黏度较低，改善了燃油的喷射雾化性能，提高了油气混合的均匀性；另一方面生物柴油和甲醇的含氧量较大，尤其在大负荷时，空燃比变小，多元燃料中的氧含量对降低PM排放起到了更明显的作用，所以随着甲醇含量的增加，PM排放逐渐降低。燃用M20的PM排放最大值仅为0号柴油的0.27倍。

3 结论

a）在发动机最大扭矩转速2 000r／min、相同负荷下，随着甲醇添加比例的增加，多元燃料的滞燃期逐渐增长，燃烧持续期逐渐缩短，放热更加集中；燃烧压力、压力升高率和放热率峰值均逐渐增大，CO，HC和NOx排放有增多的趋势，PM排放逐渐降低；

b）随着负荷的增加，多元燃料的滞燃期逐渐缩短，燃烧持续期先缩短后延长，燃烧压力、压力升高率和放热率峰值逐渐增大，CO和HC排放有减少的趋势，NOx排放增加，PM排放几乎不变；

c）80%速度特性下，随着多元燃料甲醇添加比例的增加，输出功率逐渐降低，有效热效率也逐渐降低，所以甲醇添加比例要进行适量限制。

［1］ 王丁丁.在F－T煤制油柴油机上进气道喷甲醇的研究［D］.太原：太原理工大学，2013.

［2］ 史伟奇.F－T柴油与0＃柴油混合燃烧特性的研究［D］.太原：太原理工大学，2013.

［3］ 王 铁，史伟奇，王丁丁，等.增压中冷柴油机燃用F－T柴油的燃烧特性［J］.车用发动机，2013（3）：56－60.

［4］ 谭满志，李小平，徐振波，等.电控高压共轨柴油机燃用生物柴油的燃烧特性［J］.车用发动机，2009（3）：36－39.

［5］ 楼狄明，石 健，赵 杰，等.共轨柴油机燃用不同配比生物柴油的性能与排放特性［J］.内燃机工程，2009（6）：21－25，30.

［6］ 廖文蓉.生物柴油／F－T柴油掺烧对柴油机性能影响的研究［D］.太原：太原理工大学，2013.

［7］ 邓永慧.柴油机燃用生物柴油／F－T柴油的试验与仿真分析［D］.太原：太原理工大学，2013.

［8］ 饶海生，王 铁，王克亮，等.直喷式柴油机燃用甲醇－柴油微乳化燃料的试验研究［J］.车用发动机，2008（5）：89－92.

［9］ 侯令川，王 忠，安玉光，等.柴油机燃用甲醇－生物柴油混合燃料的性能与排放研究［J］.车用发动机，2011（1）：30－33.

［10］ 程传辉，张镇顺，姚春德.生物柴油／甲醇混合燃料对柴油机性能与排放的影响研究［J］.小型内燃机与摩托车，2010（6）：68－71.