作者：张毅
随着世界石油资源的日趋短缺和人们对环保要求的不断提高，煤炭的清洁化利用与内燃机代用燃料的开发已成为能源领域广为关注的焦点．F-T柴油，即费托合成的煤制燃料，是煤炭经间接液化生成的煤基代用燃料，具有十六烷值高、硫和芳烃含量低，H/C高等优点。F-T柴油燃烧热效率高，排敦污燃物少，被认为是清洁高效的柴油机代用燃料，是实现煤炭在内燃机上清洁化利用的最佳载体。研究表明，F-T柴油十六烷值高的特性使其燃烧提前，放热率峰值降低，燃烧温度降低，燃烧较柔和；柴油机燃用F-T柴油时能够大幅降低HC，CO，NOx等的排放。但是，关于F-T柴油对于碳烟排放的影响还存在分歧，大多数研究中F-T柴油能降低碳烟的排放，少数研究中碳烟稍有升高或基本不变。
F-T柴油与含氧替代燃料的掺混燃烧是解决F-T柴油扩散燃烧期长、碳烟排放量高等问题的有效途径。正丁醇是一种新型生物质燃料，与F-T柴油有很好的互溶性，其单位热值高于乙醇，含氧量高，和乙醇相比，其更适合作为发动机的替代燃料。众多学者对柴油正丁醇混合燃料开展了广泛的研究。Yao在一台重型柴油机上，探讨了不同比例的柴油-正丁醇混合燃料的燃烧和排放特性，结果表明混合燃料降低碳烟与CO排放的效果比较明显，并且N0x排放和燃油经济性并没有明显恶。与其他醇类燃料相比．柴油-正丁醇燃料更适合于压燃发动机。
生物柴油是一种主要成分为脂肪酸甲酯的可再生的含氧生物质燃料，具有改善燃烧并降低碳烟排放的潜力并且具有较高的运动黏度，有利于改善混合燃料的润滑性能，从而保护发动机的精密偶件不被磨损。
为了推动煤炭清洁化利用进程，扩大煤制油的应用范围，研究燃料的理化特性对发动机性能的影响规律。本文以F-T柴油为基础燃料，添加含氧燃料丁醇与生物柴油，比较了两种含氧燃料对碳烟的降低效果，以及对N02，NO生成机理的影响，从而得出高十六烷值燃料与含氧燃料的混合燃烧对柴油机燃烧与排放特性的影响规律。
1试验燃料及理化性质
试验所用燃料包括常规商业0#柴油、无水丁醇、生物柴油和潞安集团提供的F-T柴油，其中0#柴油作为试验对比燃料。以F-T柴油为基础配制丁醇体积分数分别为10%和20%的F-T柴油一丁醇混合燃料，记为N10和N20;配制丁醇和生物柴油体积分数都为10%三元燃料，记为NlOB10。通过对N20．NlOB10两种燃料的性能分析，比较丁醇与生物柴油对F-T柴油燃烧与排放的影响规律。表1为各燃料的基本理化特性。
F-T柴油的高十六烷值特性使发动机燃烧柔和，振动降低，可实现低温燃烧，但是也可能造成碳烟排放的升高，而含氧燃料能够显著降低碳烟的排放。因此，本文所配制的混合燃料就是具有高十六烷值特性的含氧燃料，具有同时降低NOx与碳烟排放的潜力。
2试验设备及方法
试验用发动机是云内动力公司的YN4100QBZL型直喷式柴油机，主要参数见表2。
试验采用四川诚邦公司的ET2500重力型油耗仪测量发动机油耗，以及DW160型电涡流测功机对发动机进行负荷调节。试验使用奇石乐公司的6125B型缸内压力传感器以及4618A2型电荷放大器来获取缸内燃烧压力，并结合2613B型角标仪测取的曲轴信号（采样间隔为0.10），在德维创公司的DEWE-800-CA-SE型燃烧分析仪上实现对缸内燃烧情况的分析。气态排放使用多组分测试系统AVL FTIR 160傅里叶变换红外光谱仪，该设备可以同时对发动机尾气中HC.CO.NOX，醛类，酮类，多环芳香烃等有害气体进行实时在线监测与分析。使用AVL的Micro Soot Sensor 483型微碳烟排放测试系统实时在线检测气中的碳烟微粒污染物。
为了保证试验的可重复性以及结果一致性，在试验开始前对测试设备进行校准与标定，在试验过程中，待发动机在测试工况运转稳定30s后，对燃油消耗量进行3次测试，取平均值作为试验结果；对排放污染物进行1 min测量，舍弃前后15 s，取中间30 s的测试数据，求其平均值作为试验结果；对燃烧分析仪采集的所有工作循环，选取中间的100个循环进行燃烧分析，以此降低试验误差。
3试验结果及分析
3.1燃烧特性分析
3.1.1燃烧过程分析
5种燃料燃烧过程（转速为2 000 r/min,平均有效压力为0.57 MPa）参数的对比见表3。
由表3可知，混合燃料的预混合燃烧期小于0#柴油大于F-T柴油，而扩散燃烧期却恰好相反。这主要是因为F-T柴油的十六烷值高，着火提前，滞燃期内形成的预混合气较少，急燃期内，燃烧的预混合气少，急燃期缩短，而含氧燃料丁醇的加入使得混合燃料的汽化潜热增大，缸内温度降低，滞燃期延长，形成的预混合气相对增多，急燃期变长；F-T柴油在扩散燃烧阶段燃烧的比重增加，使得缓燃期延长，含氧燃料的加入使得扩散燃烧的速度加快，缓燃期稍有降低。
CA50是累计放热量达50%时对应的曲轴转角，CA50能够反映燃烧过程的能量分布，对于发动机工作过程的经济性与排放特性都有重大影响。因此，CA50是评价燃烧能量释放过程的重要参数。由表3可知，虽然混合燃料的十六烷值很大，燃烧始点提前，但是由于前期燃烧的燃油量较少，放热量有限，使得CA50有所增大，燃烧放热中心向后推迟。
3 .1.2燃烧特征分析
图1所示为发动机在2 000 r/min，0.57 MPa工况下，各燃料的缸压与燃烧放热率曲线。
由图1a．可知，混合燃料的缸压峰值介于0#柴油与F-T柴油之间，峰值所在相位在上止点后5 0CA左右，相差不大F-T柴油掺烧含氧燃料（丁醇与生物柴油）可以明显改善燃烧质量，提高缸压，有利 改善发动机的动力性能，但又不至于增加发动机的 械负荷。由图1(b)可以看出：相对于0#柴油，混合燃料燃烧始点提前，燃烧放热率第一峰值点降低，所在相位提前，预混合燃烧放热量降低，有利于降低燃烧过程的最高温度，实现低温燃烧；第二峰值点升高，扩散燃烧所占比重增加，但燃料的含氧特性提高了扩散燃烧速度，使得峰值所在相位提前，缓燃期的温度升高，利于碳烟颗粒的氧化降解。虽然混合燃料的瞬时放热率曲线差别较大，但是在上止点附近燃料放出的总热量相差不大，所以缸压曲线相差不大。
3.2排放特性分析
3.2.1 NOx排放
图2为外特性下混合燃料的NOx排放随发动机转速的变化曲线。
从图2可以看出：随着发动机转速的增加，N0x的排放量先降低后升高，出现了N0x排放的最，氏转速点：混合燃料(N10，N20，NlOB10)的NOx排放量与0#柴油相比明显降低，并且在转速为2000 r/min时，达到最大降幅(23.40%，26.95%，23.25%)根据燃烧过程中氮原子的氧化机理，氧分子在高温下首先裂解，开始与氮分子反应生成N0和氮原子，氮原子进一步与氧结合产生氮氧化合物；因此，局部的高温，氧原子的浓度和高温持续时间是影响N0x生成的主要因素。随着转速的增加，缸内燃烧温度增加，高温持续时间缩短。在折点之前，随转速升高，高温持续时间的缩短对NOx的生成起主要作用，结果NOx排放量降低：折点之后，随转速升高，高温环境促使NOx排放升高。影响混合燃料NOx排放的因素：(1)F-T
柴油的高十六烷值特性使得燃烧始点提前，预混合燃烧放热率降低，最高燃烧温度降低；(2)丁醇燃料的高汽化潜热和较低的热值降低了进气充量的温度，降低燃烧最高温度；(3)丁醇的加入减少了预混合燃烧的比例，降低燃烧温度；(4)含氧燃料加快了反应速度，减少了高温持续时间。由图1(b)分析可知，混合燃料的预混合燃烧放热率峰值较0#柴油明显降低，缸内最高燃烧温度降低，低温燃烧是混合燃料NOx排放量降低的主要因素。 图3为外特性下混合燃料的NO2与NO的排放曲线。由图3可以看到,NO排放规律与NOx相似，相比于0#柴油，混合燃料的NO排放明显降低。
混合燃料的NO2排放较柴油模式变化不大，与0#柴油相比，在低转速下混合燃料的NO2排放升高，在高转速下降低。NO2的生成主要通过NO的氧化反应：NO+HO2->NO2+HO;高温条件下，N02通过反应：N02+O->NO+O2转化为NO。当形成的NO2遇到较冷的气体会被“冻结”，因此．N02的排放量与温度有关，低温容易生成更多的N02。根据丁醇的低温氧化机理，正丁醇在不断的脱氢反应中产生大量的自由基HO，HO2，其中的HO主要参与燃料中烃基的脱氢反应，HO2主要参与NO的氧化反应产生NO2。这两个方面因素的共同作用使得混合燃料(N10，N20)的NO2排放高于0#柴油。在低转速下，缸内最高燃烧温度更低，“冻结”作用更明显，混合燃料的NO2升高更加明显。
3.2.2碳烟排放
柴油机尾气中的碳烟主要由柴油中的碳在高温缺氧条件下生成，根据研究，在局
部当量比大于2，温度为1 600～2 500℃时碳烟生成。虽然柴油机缸内总体上是富氧燃烧，但是混合气成分不均，局部缺氧还是会导致碳烟的生成。
图4所示为外特性下混合燃料的碳烟排放。
由图4可以看出，混合燃料的碳烟排放明显低于0#柴油，高转速下表现的更加明显。高十六烷值燃料与含氧燃料的混合燃烧不仅能够降低燃烧最高温度，而且可以改善扩散燃烧的缺氧状况来促进燃烧，从而降低碳烟排放。N10,N20和N10B10的碳烟排放量较0#柴油分别平均降低71.47％，77.16%，68.80%。通过对比N20与N10B10燃料可以看出，正丁醇对于碳烟的氧化作用大于生物柴油，降低效果更加明显，这与正丁醇的高含氧量有关。
4结论
通过分析煤基燃料与两种含氧燃料的混合燃烧过程，可以得出如下结论。
（1）通过优化燃烧过程，可降低预混合燃烧放热量，实现低温燃烧，增加扩散燃烧放热量，从而利于碳烟的氧化；
(2)混合燃料的含氧特性可以显著降低碳烟排放，其中相同体积分数的正丁醇相较于生物柴油降低效果更加明显，低温燃烧可以实现NOx排放的降低，其中主要表现为NO的降低，而NO2稍有升高。
(3)燃料的十六烷值与含氧量是影响混合燃料性能的主要理化指标，高十六烷值燃料与含氧燃料的混合燃烧能够实现柴油机的性能优化。
5摘要：
在F-T柴油中添加不同比例的丁醇、生物柴油燃料，并与0#柴油做了燃烧及排放特性的对比研究。研 究结果表明：混合燃料的预混合燃烧期、扩散燃烧期、缸压峰值与放热率峰值均介于0#柴油与F-T柴油之间；相对于0#柴油，混合燃料燃烧始点提前,CA50增加，燃烧放热中心向后推迟，燃烧放热率第一峰值降低；所在相位提前，预混合燃烧放热量降低，有利于降低燃烧过程的最高温度，实现低温燃烧，第二峰值升高，扩散燃烧 所占比重增加；在转速为2 000 r/mi。时，混合燃料（N10,N20和NlOB10）的NO、排放量较O#柴油分别降低了 23.40%，26,95%和23.25%,其中主要是N0的降低，NO2的排放量因为低温燃烧反而略有上升；外特性下，碳烟排放量较0#柴油分别平均降低71.47%,77.16%，68.80%。
