利用柴油-生物柴油-甲醇混合燃料与十六烷值改进剂在预喷模式下改善柴油机燃烧与排放特性的实验研究

《GLOBAL CHALLENGES》：Experimental Analysis of Combustion and Emission Characteristics of a Diesel Engine Using Diesel-Biodiesel-Methanol Blends With Cetane Enhancer Additive Under Pilot Injection Mode

本文探讨了一种创新的柴油机预喷(PI)模式策略，旨在解决其固有的碳烟排放升高难题。研究通过在基础燃料(70%柴油+30%生物柴油，B30)中添加甲醇及十六烷值改进剂(DTBP)，系统分析了不同预喷定时(PIT)和预喷比例(PIR)的影响。结果显示，A1混合燃料(89.5%B30+10%甲醇+0.5%DTBP)在优化的预喷模式下，不仅显著提升了制动热效率(BTE)并降低了制动比油耗(BSFC)，还同时大幅降低了一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(HC)的排放，而碳烟排放仅小幅上升，为改善柴油机性能与实现清洁燃烧提供了有效方案。

　　

引言

柴油发动机在交通运输、发电、农业及船舶应用等领域占据主导地位，其作用难以被挑战。因此，探索可持续且对环境影响更小的化石柴油替代燃料至关重要。生物柴油是一种前景广阔的替代燃料，其十六烷值(CN)接近纯柴油(ND)，并具有可再生、高润滑性、低硫含量、低毒性以及因其含氧特性可减少碳基排放等优点。然而，生物柴油也存在粘度较高、氧化不稳定、雾化性差、低温流动性不佳以及氮氧化物(NO_x)排放较高等缺点，限制了其广泛应用。醇类燃料是另一类含氧燃料，已被用于控制柴油机的碳烟排放。其中，甲醇因其碳含量最低、氧含量最高(50%)，在降低碳基排放方面潜力最大。然而，甲醇的热值远低于石油基燃料，且与纯柴油不相溶，这给其直接应用带来了挑战。

预喷(PI)是一项有前景的降低NO_x排放的技术，即在主喷前先喷入少量引燃油。其燃烧在燃烧室内创造了一个高温环境(HTA)，缩短了后续主燃油的滞燃期(DP)，从而抑制NO_x的生成。然而，PI模式的一个主要缺点是它会显著增加碳烟/烟度排放，这是因为主燃油滞燃期的缩短减少了油气混合时间，导致混合气不均匀性增加。现有研究多集中于在传统单次喷射(SI)模式下使用柴油/甲醇或柴油/生物柴油/甲醇混合燃料，而在PI模式下使用甲醇作为醇类燃料直接与柴油或柴油/生物柴油混合的研究尚属空白，这正是本研究旨在填补的研究空白。

实验装置与研究过程

2.1 测试燃料与制备

本研究所用生物柴油来自废弃烹饪用油，通过标准的酯交换反应制备。基础燃料为B30（70%纯柴油+30%生物柴油）。将10%体积的甲醇加入B30中，制备出M10混合燃料。然后，在M10中添加0.5%体积的十六烷值改进剂(DTBP)，制备出A1混合燃料。所有混合燃料均通过高速匀质机制备，并观察48小时，确认无相分离后用于发动机测试。

2.2 发动机试验台架

试验使用一台单缸、自然吸气、水冷、直喷式马恒达Jeeto柴油发动机，配备电涡流测功机。试验在恒定转速1600转/分钟（额定扭矩转速）和90%全负荷条件下进行，喷油压力保持500 bar恒定。以基础燃料B30、主喷定时为-15°上止点后(ATDC)的单次喷射(SI)模式作为参考基准工况。在PI模式下，主喷定时固定为-15° ATDC，研究的变量包括预喷比例(PIR)和预喷定时(PIT)。PIR在总循环喷油量的10%到30%之间变化，间隔10%；PIT在-24° ATDC到-36° ATDC之间变化，间隔6°CA。

结果与讨论

3.1 燃烧特性

3.1.1 放热率(HRR)与缸内压力(CGP)

PI模式的引入显著降低了主燃油的峰值放热率。这是因为引燃油燃烧产生的高温环境(HTA)缩短了主燃油的滞燃期，从而减弱了预混燃烧阶段的剧烈程度。相比之下，SI模式由于没有HTA，主燃油滞燃期更长，预混燃烧峰值更高，但扩散燃烧峰值出现较晚且较低。推迟PIT或增大PIR会使HTA更靠近主喷时刻，从而更有效地缩短主燃油滞燃期，导致主燃油的预混峰值进一步降低，而扩散峰值则出现更早且更高。

在燃料方面，向B30中添加甲醇形成M10混合燃料，会因甲醇的高辛烷值(ON)而增加混合燃料的滞燃期。这使得引燃油产生的HTA较弱，主燃油滞燃期相对B30更长，因此主燃油的预混燃烧峰值更高，扩散燃烧峰值更低。然而，当在M10中加入DTBP形成A1混合燃料后，其十六烷值得以提高，接近基础燃料B30。这使得A1燃料的燃烧特性回归到与B30相似，引燃油燃烧产生的HTA得到恢复，有效地缩短了主燃油滞燃期。

缸内压力曲线显示，PI模式使压力上升更早，且峰值压力更接近上止点(TDC)，意味着燃烧过程更接近理想柴油循环，燃烧得到改善。M10燃料由于滞燃期长、预混燃烧比例高，其峰值压力略高于B30。A1燃料则因燃烧始点提前，峰值压力最高。

3.1.2 最大压力升高率(MPRR)、燃烧始点(SOC)与燃烧持续期(CD)

PI模式降低了最大压力升高率，因为HTA减弱了主燃油的预混燃烧强度。M10燃料由于滞燃期长，其MPRR高于B30；而A1燃料因十六烷值高、滞燃期短，其MPRR低于M10。

PI模式显著提前了燃烧始点。M10燃料因其高辛烷值推迟了燃烧始点，而A1燃料则使其回归到与B30相近的时刻，这证实了0.5%的DTBP足以将M10的十六烷值提升至接近B30的水平。

PI模式通常缩短了燃烧持续期，但推迟PIT或增大PIR会因主燃油滞燃期过度缩短、扩散燃烧比例增加而导致燃烧持续期变长。M10燃料因预混燃烧比例高，其燃烧持续期短于B30；A1燃料则因扩散燃烧比例增加，燃烧持续期长于M10。

3.2 性能与排放特性

3.2.1 制动比油耗(BSFC)与制动热效率(BTE)

PI模式改善了燃油经济性和热效率，因为燃烧过程更接近上止点，做功能力增强。推迟PIT或减小PIR能获得更好的BSFC和BTE。M10燃料由于其较低的热值和较高的汽化潜热，导致BSFC升高、BTE下降。而A1燃料通过优化燃烧过程，其BSFC和BTE均显著优于M10，甚至优于B30在PI模式下的表现。

3.2.2 碳氢化合物(HC)与一氧化碳(CO)排放

PI模式改善了燃烧，因此HC和CO排放低于SI模式。但过于提前的PIT或过大的PIR会增加壁面润湿和燃油进入缝隙区域的风险，导致HC和CO排放升高。M10燃料由于其高辛烷值延长了引燃油滞燃期，以及为维持相同功率而喷入更多燃油导致空燃比降低，其HC排放高于B30；但其低碳、高氧含量特性有效降低了CO排放。A1燃料因燃烧更完全，其HC和CO排放均低于M10。

3.2.3 氮氧化物(NO_x)与碳烟(Smoke)排放

PI模式通过缩短主燃油滞燃期、降低燃烧温度，有效降低了NO_x排放，但这是以大幅增加碳烟排放为代价的，因为油气混合时间缩短，混合气不均匀性增加。推迟PIT或增大PIR会进一步降低NO_x>、升高碳烟。

M10燃料由于其高辛烷值延长了滞燃期，增加了油气混合时间，同时其高氧含量有助于碳烟氧化，因此能显著降低碳烟排放，但同时由于混合更均匀、燃烧温度可能更高以及自带氧含量，其NO_x排放略有升高。A1燃料因十六烷值提高、滞燃期缩短，其NO_x排放低于M10，但碳烟排放有所回升。

结果分析与结论

综合分析表明，采用A1混合燃料（B30+10%甲醇+0.5%DTBP）配合优化的PI模式（10% PIR, -30° ATDC PIT），可以在几乎不增加碳烟排放（仅上升约2.65%）的情况下，同时获得PI模式在降低NO_x、HC、CO排放以及提升BTE、降低BSFC方面的全部优势。与参考工况（B30，SI模式）相比，该优化方案使BTE提升了13.16%，BSFC降低了8.77%，HC、CO和NO_x排放分别降低了8.11%、66.66%和6.43%。

本研究的主要结论如下：

1. 1.
   PI模式能有效改善燃烧过程、提升发动机性能，并显著降低NO_x、HC和CO排放，但会导致碳烟排放大幅增加。
2. 2.
   推迟预喷定时或减小预喷比例有助于进一步提升燃油经济性和热效率。
3. 3.
   在基础燃料中添加甲醇（M10）可因其高辛烷值和高氧含量，形成更均匀的混合气，从而显著降低碳烟排放，但NO_x排放会略有升高。
4. 4.
   在含甲醇燃料中添加适量十六烷值改进剂DTBP（A1），可恢复燃料的着火特性，在保持甲醇降低碳烟益处的同时，缓解其对PI模式效果的不利影响，并进一步优化燃烧相位，提升热效率。

综上所述，在柴油-生物柴油基础燃料中复合添加甲醇与十六烷值改进剂，是解决预喷模式碳烟排放过高这一棘手问题的有效策略。该策略能以碳烟排放的微小增幅为代价，换取发动机性能与多种有害排放物的全面改善。未来的工作可包括对甲醇和DTBP的添加比例进行更细致的优化研究。