正丁醇添加于柴油—生物柴油对柴油机性能及颗粒物排放的影响研究.docx

正丁醇添加于柴油—生物柴油对柴油机性能及颗粒物排放的影响研究摘要：本文基于一台单缸直喷压燃式柴油机，在常规转速的3个负荷工况点进行试验，评估柴油-生物柴油-丁醇混合燃料的内燃机性能和排放颗粒物的理化性质。柴油添加20%Vol生物柴油（PME），然后分别添加5%，10%，15%Vol正丁醇。结果显示：随着正丁醇比例的增加，相对于B20，有效热效率在中高负荷下明显提高，颗粒物质量和数量浓度、碳元素浓度（EC）明显减少，颗粒物中有机碳（OC）含量增加。同时，颗粒物平均几何直径呈减小趋势，颗粒相的多环芳香烃（PAHs）总数减少。关键词：正丁醇；柴油；生物柴油；颗粒物；多环芳香烃StudyonN-butanolAdditiontoDiesel-BiodieselEffectingonEnginePerformanceandParticulatesEmissionsLIUBo（CollegeofBusinessAdministration，HenanUniversityofAnimalHusbandryandEconomy，ZhengzhouHenan450008）Keywords：n-butanol；diesel；biodiesel；particulates；PAHs为了扩展柴油-生物柴油在柴油机上的应用，添加醇类（例如乙醇）已经被广泛研究。相对于生物柴油，醇类具有更低的运动黏度和较低的油品波动，其作为助溶剂来改善柴油-生物柴油特性具有良好的效果，并随着掺混比例增加，燃油燃烧更充分。鉴于以上技术优点，使用柴油、生物柴油和醇类三元混合燃料吸引了众多学者的注意，混合具有能改善燃油特性、发动机性能、燃烧特性和排放特性等优势。在醇类燃料中，丁醇被认为是适用于内燃机的一种可再生生物油。相对于乙醇和甲醇，其具有较高的热值和十六烷值，与柴油具有较好的混合特性和更低的亲水性。近期大量研究显示，相比于乙醇，丁醇能更好地替代生物油应用在压燃发动机上。然而，正丁醇添加于柴油-生物柴油对发动机性能和颗粒物排放影响尚缺乏相应的详细研究。虽然许多学者对颗粒物排放的质量浓度、数量浓度和尺寸分布进行了研究，但极少有人从柴油-生物柴油-醇类混合物发动机对颗粒物排放进行详细研究。本文尝试评估正丁醇添加于柴油-生物柴油对发动机性能和颗粒物理化特性潜在影响，以期为降低环境污染和應用清洁能源提供理论基础。1试验方法图1混合燃料测试系统结构示意图。试验是在一台单缸、四冲程、空冷、直喷的柴油机上进行的，柴油机的主要结构参数见表1。燃料的主要理化特性见表2。表2主要测试了基元燃料（柴油、生物柴油和正丁醇）的十六烷值、低热值、密度、运动黏度、沸点和气化潜热等理化特性指标。本文共配制5种燃料，柴油和20Vol%PME+80Vol%柴油分别被标记为D和B20，B20分别和5%、10%和15%Vol正丁醇混合，分别标记为B20U5、B20U10和B20U15。采用Dekati二级稀释装置DI-2000对尾气进行稀释，一级稀释将取样的样气温度降低至50℃，稀释范围为6∶1到8∶1，然后颗粒物经过稀释并收集，采用DekatiELPI对颗粒物的数量和质量进行测量。注：1.油桶；2.燃油消耗测量仪；3.供油开关；4.油管；5.排烟管道；6.柴油机；7.常规烟气分析仪；8.颗粒物测量系统（DI-2000和ELPI）；9.排气温度传感器；10.消音器；11.测功机；12.控制电脑；13.测控系统。2结果和讨论图2是燃油消耗率和有效熱效率的变化趋势。相对于柴油，B20平均减少1%的燃油消耗率和增加2%的有效热效率，可见，PME添加能改善燃油在内燃机中的燃烧特性。柴油中添加20%PME的燃油消耗率（BSFC）和有效热效率（BTE）的趋势变化相似结论曾被报导[4]。B20掺混5%和10%正丁醇时，BSFC急剧增加。然而，添加15%正丁醇时，BSFC在低负荷到高负荷分别增加3.5%、2.8%和2.5%。这主要是因为高比例的正丁醇降低了混合燃料的热值，导致在同等输出功率条件下需要燃烧更多的燃料。相对于B20，三元复合燃料的BTE在中高负荷条件下略微增加，而在低负荷下没有明显变化。BTE的增加是由于添加正丁醇导致混合燃料的含氧量增加，正丁醇较低的十六烷值导致更长的着火延迟，提高燃烧过程，促进预混合燃烧[5，6]。而更高的蒸发潜热降低燃烧温度和减少BTE，特别是在发动机低负荷工况下。该结果表明，正丁醇在中高负荷工况下BTE略微增加，在低负荷条件下，BTE变化不大。PM2.5被划分为3种成分进行研究：EC（碳元素）、OC（有机成分）和不含碳成分（如硫酸盐、硝酸盐、金属和灰渣），其浓度变化趋势如图3所示。从图3可以看出，PM2.5浓度在燃用不同燃料的条件下都随着发动机负荷的增加而增加，而EC浓度的增加比OC浓度增加更加显