乙醇／柴油燃料配制和對柴油機性能影響的模擬

張志強，趙福全，2，于冠軍，韓杰磊

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江杭州311201）

隨著全球氣候惡化和溫室效應(yīng)加劇，以及近年來逐漸形成的對發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的要求和不斷更新的日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)，柴油機憑借其在CO2排放和油耗方面的優(yōu)勢，在商用車和乘用車領(lǐng)域內(nèi)所占份額不斷擴大，這給柴油的市場供應(yīng)提出了一個巨大的考驗.據(jù)統(tǒng)計，2010年12月底中國石化生產(chǎn)柴汽比已經(jīng)高達(dá)2.17［1］，以致需要大量進(jìn)口原油來煉制出滿足需求的柴油.

燃料乙醇作為一種可再生能源，可通過對含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品或含纖維素的廢棄作物發(fā)酵制取.目前，乙醇／汽油混合燃料已經(jīng)得到大量的研究和應(yīng)用［2－4］.乙醇作為含氧燃料，與柴油形成混合燃料將能夠有效地減少柴油機的碳煙（soot）和未燃碳?xì)洌?］，同時也能夠很好地緩解目前柴油的供需緊張問題.

由于乙醇分子為極性結(jié)構(gòu)，而柴油具有非極性分子結(jié)構(gòu)的特點，導(dǎo)致乙醇和柴油之間無法直接形成均勻和穩(wěn)定的混合燃料.同時，乙醇／柴油混合燃料的物性參數(shù)隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)和溫度的不同而出現(xiàn)較大變化，這對柴油機的燃料噴射、燃燒和排放特性帶來重要的影響.

本文首先根據(jù)相似相溶原理選擇四種助溶劑（分別為兩種醇類和兩種酯類），對其助溶特性和長期穩(wěn)定性進(jìn)行研究；然后對配制得到的乙醇／柴油混合燃料進(jìn)行密度、表面張力和黏度等物性參數(shù)進(jìn)行測試和分析，研究其隨乙醇體積分?jǐn)?shù)和溫度的變化規(guī)律；最后進(jìn)行乙醇／柴油混合燃料對柴油機性能影響的模擬研究，分析得到最佳的乙醇體積分?jǐn)?shù).

1 乙醇／柴油混合燃料的配制

1.1 助溶劑的選擇

乙醇柴油混合燃料的配制采用滬四0號柴油和無水乙醇（φ（C2H5OH）＝99.7%），其基本參數(shù)如表1所示.

表1 滬四0號柴油和無水乙醇基本參數(shù)Tab.1 Parameters of Hu IV 0＃diesel and ethanol

乙醇分子為極性結(jié)構(gòu)，無法與主要具有烴基的非極性結(jié)構(gòu)的柴油形成混合燃料.為有助于乙醇在柴油中互溶，必須添加助溶劑.根據(jù)相似相溶原理，助溶劑必需同時具有親油基團(tuán)和親水基團(tuán)，其親油基團(tuán)能夠連接柴油，親水基團(tuán)能夠連接乙醇，從而實現(xiàn)乙醇和柴油的互相溶解.助溶劑分布在乙醇和柴油的界面上，相當(dāng)于形成一層保護(hù)膜，保證混合燃料處于一種穩(wěn)定狀態(tài).

選擇的助溶劑有丁醇、庚醇、生物柴油和聚山梨糖醇單油酸酯（Span80），四種助溶劑的基本參數(shù)如表2所示.丁醇和庚醇都同時具有烴基和羥基，滿足作為助溶劑的基團(tuán)要求；生物柴油和Span80主要的官能團(tuán)為酯基（R—COO—R′），也帶有一定量的羥基，可以作為乙醇柴油的助溶劑.

表2 四種助溶劑基本參數(shù)Tab.2 Parameters of the 4solubilizers

1.2 助溶劑的助溶特性試驗

試驗過程用的主要儀器：量筒、燒杯、試管、玻璃棒、帶膠圈密封的廣口瓶、推液器和試劑瓶.試驗過程環(huán)境溫度為10～15°C.

1.2.1 單一助溶劑試驗

首先研究單一助溶劑的助溶作用，往試管中加入7mL柴油和2mL乙醇，然后用推液器每次加入0.1mL的助溶劑，振蕩攪拌后靜置10min，直到混合溶液變得澄清透明，記錄下此時總共加入的助溶劑體積，試驗結(jié)果如圖1所示.

圖1 單一助溶劑添加體積Fig.1 Volumes of the single solubilizers

對比兩種醇類的添加體積可知，碳原子數(shù)較大的庚醇所需添加的體積較少，比丁醇具有更好的助溶效果；兩種酯類的助溶效果對比，Span80的助溶效果更好；醇類比酯類具有更好的助溶能力.

1.2.2 復(fù)合助溶劑試驗

考慮“醇類＋酯類”形成的復(fù)合助溶劑效果進(jìn)行復(fù)合助溶劑試驗.具體方案如下：方案1（丁醇＋生物柴油）、方案2（丁醇＋Span80）、方案3（庚醇＋生物柴油）和方案4（庚醇＋Span80），復(fù)合助溶劑中兩種試劑的體積比分別為3∶7，5∶5和7∶3.

圖2 復(fù)合助溶劑添加體積Fig.2 Volumes of the compound solubilizers

如圖2所示，隨著復(fù)合助溶劑中醇類體積比的增加，所需添加的助溶劑體積逐漸減小，助溶效果得到增強，表明復(fù)合助溶劑的助溶效果受醇類的影響較大；庚醇型的復(fù)合助溶劑比丁醇型的復(fù)合助溶劑的助溶效果要好；與單一醇類助溶劑（庚醇）相比，復(fù)合助溶劑助溶效果欠佳，所以選擇庚醇為助溶劑.

1.2.3 不同體積分?jǐn)?shù)乙醇混合燃料的配制

以庚醇為助溶劑，配制ED10，ED20和ED30混合燃料（ED代表乙醇／柴油混合燃料，數(shù)字代表乙醇體積分?jǐn)?shù)，ED0代表純柴油），所需庚醇的體積如圖3所示.

圖3 庚醇添加體積和庚醇與乙醇體積比Fig.3 Volumes of heptanol and volume ratio of heptanol and ethanol

隨著混合燃料中乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，需要添加的庚醇也增加；其中庚醇和乙醇的體積比為0.2（如圖3右側(cè)所示），這表明每助溶1mL的乙醇，需要添加0.2mL庚醇，這一比例關(guān)系基本與柴油的體積無關(guān).

1.2.4 混合燃料的長期穩(wěn)定性

將ED10，ED20和ED30乙醇／柴油混合燃料密封保存在廣口瓶.2個月后將其取出，混合燃料仍然澄清透明，沒有分層.這表明經(jīng)妥當(dāng)保存，乙醇／柴油混合燃料能夠長期穩(wěn)定存儲.

2 乙醇／柴油混合燃料物性參數(shù)測量

2.1 物性參數(shù)測試范圍和方法

本文對ED10，ED20，ED30乙醇／柴油混合燃料進(jìn)行密度、表面張力和黏度等關(guān)鍵物性參數(shù)測量；測試的溫度為5～60℃，該溫度范圍基本和柴油機中燃料實際溫度范圍一致.

密度測量根據(jù)經(jīng)典的阿基米德浮力原理，所采用的儀器是上海方瑞儀器公司的MDY－2電子密度儀，該儀器的測量量程為0.000 1～10.000 0 g·cm－3，測量精度為±0.000 1g·cm－3.

表面張力的測量方法有毛細(xì)上升法、最大氣泡壓力法、拉脫法、滴重法和表面波法［8－9］.本文采用拉脫法，其原理是將鉑金板放在液面上與待測液體相接觸，在該液體中拉動鉑金板所需拉力由液體表面張力和板的面積所決定，如此便測得表面張力.采用的儀器為上海方瑞儀器公司的QBZY－1表面張力儀，測量量程為0～999mN·m－1，測量精度為0.1 mN·m－1.

黏度測量方法為旋轉(zhuǎn)式測量，原理是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中受到待測液體的黏滯阻力，產(chǎn)生黏滯扭矩，進(jìn)而帶動指針出現(xiàn)一定的偏轉(zhuǎn)角，再通過換算得到待測液體的動力黏度.所采用的儀器是上海方瑞儀器公司的NDJ－1S電子黏度儀，測量量程為1～100 000mPa·s，測量精度為±0.1mPa·s.

測量過程利用上海方瑞儀器公司的DC2006水槽來保持恒溫，其能夠?qū)崿F(xiàn)5～95℃之間的恒溫，溫度控制精度為0.1℃.

2.2 不同配比乙醇／柴油混合燃料的物性參數(shù)測量

2.2.1 密度

圖4給出不同配比下乙醇柴油混合燃料的密度ρ（單位為g·cm－3）隨溫度T（單位為℃）和乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系.在不同溫度時，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，混合燃料的密度降低；在不同乙醇體積分?jǐn)?shù)，隨著溫度的增大，混合燃料的密度基本呈線性降低趨勢.

對試驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到混合燃料的密度ρ與乙醇體積分?jǐn)?shù)φ和溫度T的關(guān)系式為

圖4 混合燃料密度隨乙醇體積分?jǐn)?shù)和溫度的變化關(guān)系Fig.4 Density of the blend fuels variation with ethanol volume percentage and temperature

2.2.2 表面張力

燃料的表面張力σ對燃油的噴射、破碎、初始霧化、二次霧化和壁面油膜［10］形成有著重要影響.

乙醇／柴油混合燃料的表面張力σ（單位為mN·m－1）隨不同乙醇體積分?jǐn)?shù)φ和溫度T變化關(guān)系如圖5所示.不同溫度時，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，混合燃料的表面張力逐漸降低；在不同乙醇體積分?jǐn)?shù)時，隨著溫度的增大，混合燃料的表面張力呈線性降低趨勢.

圖5 混合燃料表面張力隨乙醇體積分?jǐn)?shù)和溫度的變化關(guān)系Fig.5 Surface tension of the blend fuels variation with ethanol volume percentage and temperature

對試驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到混合燃料的表面張力σ與乙醇體積分?jǐn)?shù)φ和溫度T的擬合公式

2.2.3 黏度

黏度是流體在流動過程中內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種體現(xiàn)，內(nèi)部摩擦越大，黏度越大.燃料相對分子質(zhì)量越大，意味著分子間碳?xì)滏I連接越多，其黏度也將越大.燃油的黏度對供油系統(tǒng)的潤滑性和燃油的噴射及霧化過程有非常重要的影響，適當(dāng)?shù)酿ざ饶軌虮ＷC供油系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，過大或過小的黏度將加劇噴油系統(tǒng)的磨損，導(dǎo)致發(fā)動機的機械效率降低［11］.燃油噴射時的前進(jìn)速度、噴霧錐角、貫穿距、霧化液滴的大小和壁面油膜的形成等都受到黏度影響.乙醇／柴油混合燃料的黏度η（單位為mPa·s）隨不同乙醇體積分?jǐn)?shù)和溫度變化關(guān)系如圖6所示.不同溫度下，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，混合燃料的黏度降低，但在高溫時黏度隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大而降低的趨勢減緩；不同乙醇體積分?jǐn)?shù)，隨著溫度的增大，混合燃料的黏度呈指數(shù)降低趨勢.

對試驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到混合燃料的黏度η與乙醇體積分?jǐn)?shù)φ和溫度T的關(guān)系式為

其中：

圖6 混合燃料黏度隨乙醇體積分?jǐn)?shù)和溫度的變化關(guān)系Fig.6 Viscosity of the blend fuels varies with ethanol volume percentage and temperature

3 乙醇／柴油混合燃料對柴油機性能影響的模擬研究

3.1 模擬研究條件和計算模型及驗證

3.1.1 模擬研究條件

用于模擬研究的柴油機基本參數(shù)如表3所示.

表3 柴油機基本參數(shù)Tab.3 Parameters of the diesel engine

模擬研究的轉(zhuǎn)速為2 200r·min－1，總噴油質(zhì)量為55mg（預(yù)噴油質(zhì)量和主噴油質(zhì)量分別為3mg和52mg，噴油定時分別為上止點前CA（crank angle，CA）為20°和上止點前CA為4°.由于柴油機燃燒室具有軸對稱特點，為節(jié)省計算時間，計算區(qū)域根據(jù)噴油器噴孔數(shù)（8孔）取為燃燒室的1／8，計算過程從進(jìn)氣門關(guān)閉時刻（CA為213°）到排氣門打開時刻（CA為499°）.圖7給出位于上止點時刻的燃燒室網(wǎng)格圖，整個燃燒室網(wǎng)格數(shù)為24 127個.

3.1.2 計算模型及驗證

計算模型中的湍流模型選取k－ξ－f模型［12］，燃油霧化及油膜形成模型分別選取wave和wallfilm模型，燃燒模型選取extended coherent flame－3Z模型（簡稱ECFM－3Zmodel），蒸發(fā)模型選取multicomponent evaporation模型，NOx和soot生成模型分別選取Zeldovich模型和Kennedy－Hiroyasu－Magnussen模型［13］.

圖7 上止點時刻計算網(wǎng)格Fig.7 Calculation model mesh on the TDC

圖8和圖9為模擬得到的缸壓、NOx和soot排放數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果的對比，兩者基本一致，說明所建模型是合理的，并能夠應(yīng)用于后續(xù)模擬研究.

3.2 乙醇／柴油混合燃料對燃油霧化和油膜形成的影響

圖10給出不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下蒸發(fā)燃油、碰壁燃油和壁面形成的油膜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為對應(yīng)質(zhì)量占噴油質(zhì)量的分?jǐn)?shù)；壁面統(tǒng)指燃燒室表面、缸壁面和缸蓋底面等計算域內(nèi)部壁面）.

伴隨著乙醇體積百分比的增大，混合燃料的表面張力和黏度逐漸降低（如圖5和6所示），這有利于加快燃油的蒸發(fā)和減少碰壁后燃油在壁面上的堆積［10］.如圖10所示混合燃料的蒸發(fā)燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，燃油的霧化效果得到改善；碰壁燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，在壁面形成的油膜逐漸減少，這樣將有利于減少對缸壁機油的侵蝕［14］和降低碳?xì)渑欧?

3.3 乙醇／柴油混合燃料對燃燒過程的影響

不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下缸內(nèi)壓力、溫度、放熱率和累計放熱量的對比分別如圖11和12所示.

由于乙醇的低熱值較低（見表1），與柴油摻混后將導(dǎo)致混合燃料的低熱值降低，所以隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，混合燃料的累計放熱量逐漸降低，缸內(nèi)壓力和溫度也有一定程度的降低，如圖11所示.另外，由于乙醇的十六烷值較低，與柴油摻混后將延長混合燃料的滯燃期，如圖12所示.在CA為350°到360°范圍ED0有明顯的預(yù)混燃燒放熱，而混合燃料（ED10，ED20和ED30）出現(xiàn)預(yù)混燃燒的相位較為滯后，并且現(xiàn)象較不明顯.

圖11 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下缸內(nèi)壓力和溫度Fig.11 Cylinder pressure and temperature with different ethanol volume percentages

3.4 乙醇／柴油混合燃料對排放物生成的影響

圖13給出了不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下的NOx和soot生成的對比.從NOx生成機理可知，缸內(nèi)溫度越高越有利于NOx的生成.而從圖11可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，缸內(nèi)溫度逐漸降低，進(jìn)而NOx排放逐漸減少.soot生成主要條件為局部當(dāng)量比大于1.5和缸內(nèi)溫度大于1 500K.乙醇作為含氧燃料，與柴油摻混后，能夠提高混合燃料中氧含量，進(jìn)而降低當(dāng)量比，并且缸內(nèi)溫度得到一定降低，所以隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，soot排放逐漸減少.

3.5 乙醇／柴油混合燃料對動力性、當(dāng)量比油耗和燃燒噪聲的影響

本文采用平均指示有效壓力PIMEP來衡量使用混合燃料時柴油機的動力性.由于混合燃料的低熱值不同，本文采用當(dāng)量比油耗BEISFC［15］來比較使用混合燃料時柴油機的油耗，其計算公式如下：

式中：BISFC是混合燃料的指示燃油消耗率，HD是柴油的低熱值，HL是混合燃料的低熱值，其計算公式如下：

式中：ρD為柴油密度，ρE是乙醇密度，HE是乙醇的低熱值.

燃燒噪聲采用響振強度［16－17］R來評價，響振強度越大代表燃燒噪聲越大，響振強度計算公式如下：

綜合而言，在保證柴油機動力性下降不多的前提下，ED10（即乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%）能夠使柴油機的燃燒霧化效果得到改善，NOx和soot排放降低，當(dāng)量比油耗和燃燒噪聲減少，因而是綜合性能最佳的混合燃料方案.

圖14 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下PIMEP，BEISFC和R值為對比Fig.14 PIMEP，BEISFCand Rwith different ethanol volume percentages

4 結(jié)論

（1）醇類助溶劑比酯類和“醇類＋酯類”組成的復(fù)合助溶劑具有更好的助溶效果.本文最終選擇庚醇作為助溶劑，并發(fā)現(xiàn)隨著乙醇濃度的增加，需要添加的庚醇量呈線性增加.

（2）獲得由滬四0號柴油和無水乙醇配制得到的混合燃料的密度、表面張力和黏度隨乙醇體積分?jǐn)?shù)和溫度變化的經(jīng)驗公式.

（3）隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，混合燃料的霧化效果有所改善，在壁面形成油膜明顯減少；由于低熱值的降低導(dǎo)致累計放熱量、缸內(nèi)壓力和溫度降低，動力性下降，當(dāng)量比油耗和燃燒噪聲降低；對缸內(nèi)溫度的降低和提高燃料中氧含量有利于減少NOx和soot排放.

（4）ED10是綜合性能最佳的混合燃料方案.

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