（动力机械及工程专业论文）燃料特性和含氧燃料对柴油机低温燃烧影响的试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘摘 要要 柴油机低温燃烧（ltc），由于在降低排放方面具有巨大潜力，因而是目前 国内外研究的热点课题。燃料特性参数对低温燃烧和排放特性具有重要影响。本 文通过发动机台架试验的手段，采用分离变量法，研究了沸点、燃料组分、十六 烷值、 含氧作用以及含氧燃料分子结构等燃料特性对低温燃烧的燃烧过程和排放 产物的影响。 在柴油中掺混不同理化特性的燃料，研究了十六烷值、沸点和燃料组分等理 化特性对低温燃烧的影响。结果表明，十六烷值是影响低温燃烧的燃烧特性和碳 烟排放的重要因素。较低的十六烷值能够有效延长滞燃期，增大燃烧预混程度， 从而降低碳烟排放；而在高 egr 率下，十六烷值对燃烧和碳烟排放的影响更加 明显。 沸点和燃料组分的改变对低温燃烧的燃烧特性影响不大；在较高掺混比例 下，低沸点燃料可在一定程度上降低碳烟排放，而在较低掺混比例下，低沸点燃 料对碳烟的影响很小。 在研究燃料理化特性对低温燃烧影响的基础上， 进一步针对含氧燃料对低温 燃烧的影响进行了研究。对柴油掺混正丁醇低温燃烧的研究表明，十六烷值是决 定燃烧特性的关键因素。柴油掺混正丁醇能够显著改善低温燃烧的碳烟排放，含 氧作用对碳烟排放的降低作用最为显著，其次是十六烷值作用。而对不同分子结 构含氧燃料低温燃烧的研究表明， 含氧燃料的分子结构是影响低温燃烧碳烟排放 的因素。本文研究条件下，羟基（-oh）位置不同的同分异构体正丁醇和仲丁醇 在碳烟排放上差异较小；而官能团不同的正丁醇和辛酸甲酯则差异较为明显，羟 基（-oh）燃料正丁醇的分子结构相对酯基（-coo-）燃料辛酸甲酯对碳烟排放 的降低能力更强。 在本文试验条件下，混合燃料的不同特性对低温燃烧的 nox、co、thc 等 气体排放物影响不大。 关键词：关键词：低温燃烧 燃料特性 含氧燃料 分子结构 排放 abstract with a great potential of reducing emissions, the diesel low temperature combustion (ltc) has gained wide attention home and abroad. fuel properties are believed to be critical parameters that influence both ltc combustion and emission characteristics. by the means of separation of variables, a series of experiments were conducted in a single cylinder diesel engine to test the effects that fuel properties have on low temperature combustion, including boiling point, fuel composition, cetane number (cn), oxygen content and oxygenated fuel structures. diesel fuel was blended with several hydrocarbons to test the fuel influence of physical and chemical properties on ltc. the results show that cn is a important parameter that influences both ltc combustion and smoke emission characteristics. low cn fuels can effectively increase the combustion ignition delay, improve fuel-air pre-mixing, and thus reduce smoke emissions; both combustion and smoke emissions show more sensitivity to lower cn at the condition of higher egr rates. the change in the blending fuels boiling points and fuel compositions plays no obvious role in ltc combustion，however, do have an impact on smoke emissions. this thesis has seen smoke reduction from a fuel with low boiling point in the case of higher blending ratio, indicating that boiling point effect works; however, such effects are not clearly seen in the case of low blending ratios. based on the above research of fuel property effects on ltc, the thesis then goes further to explore the oxygenated fuel effects on ltc. based on the research on the diesel-n-butanol blending fuel ltc, conclusion is made that cn plays the critical role in ltc combustion characteristics. diesel-n-butanol blending can effectively reduce ltc smoke emissions, due to the lower boiling point, lower cetane number and oxygen content effects. of all of the three factors, low cn effect is seen to be very effective, however, behind the effect of oxygen content effect. oxygenated fuel structure is believed to play a role in the reduction of smoke emissions. in this thesis, butanol isomers of n-butanol and 2-butanol, in which positions of hydroxyl (-oh) are different, have almost the same performance in smoke reduction; however, the fact that methyl octanoate shows a higher smoking tendency than n-butanol, indicating that fuel oxygenated function group of hydroxyl (-oh) is more effective in smoke reduction than that of ester group (-coo-) . in the experimental condition of this thesis, fuel properties show no obvious influences on the emissions of gaseous nox, co and thc. key words：low temperature combustion, fuel property, oxygenated fuel, fuel structure, emissions i 目 录 目录目录 . i 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 引言. 1 1.2 内燃机面临的挑战. 1 1.2.1 能源危机的挑战. 2 1.2.2 环境污染和日益严格的排放法规. 3 1.3 柴油机新型燃烧方式. 5 1.3.1 柴油机新型燃烧方式概述. 5 1.1.2 柴油机低温燃烧（ltc） . 7 1.3.3 燃料特性对新型燃烧方式的影响. 8 1.4 含氧燃料的研究及进展. 10 1.5 本课题的研究意义和内容. 12 第二章第二章 试验系统和研究方法试验系统和研究方法 . 13 2.1 试验台架和仪器设备. 13 2.1.1 进、排气系统和废气再循环（egr）系统. 15 2.1.2 燃油喷射系统. 15 2.1.3 数据采集和分析系统. 15 2.1.4 排放分析系统. 17 2.2 试验方法. 17 第三章第三章 燃料理化特性对柴油机低温燃烧影响的试验研究燃料理化特性对柴油机低温燃烧影响的试验研究 . 20 3.1 十六烷值的影响. 21 3.1.1 燃烧特性分析. 21 3.1.2 排放特性分析. 24 3.2 沸点和燃料组分的影响. 26 3.2.1 燃烧特性分析. 26 3.2.2 排放特性分析. 27 3.3 本章小结. 29 第四章第四章 含氧燃料对柴油机低温燃烧影响机理的试验研究含氧燃料对柴油机低温燃烧影响机理的试验研究 . 31 4.1 含氧燃料含氧作用的影响. 32 4.1.1 燃烧特性分析. 32 4.1.2 排放特性分析. 35 ii 4.2 含氧燃料分子结构的影响. 39 4.2.1 燃烧特性分析. 39 4.2.2 排放特性分析. 41 4.3 本章小结. 43 第五章第五章 全文总结与工作展望全文总结与工作展望 . 45 5.1 全文总结. 45 5.2 工作展望. 46 参考文献参考文献 . 47 发表论文和参加科研情况说明发表论文和参加科研情况说明 . 52 致谢致谢 . 53 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 作为一种高效的动力机械， 内燃机一直以来被广泛应用于交通、 农业、 工业、 国防等各个领域。柴油机是内燃机的典型代表，凭借着较高的热效率、更大的动 力输出以及更好的可靠性能，在重型车等领域一直占据主导地位。此外，柴油机 在节能和温室气体二氧化碳排放方面的优势， 则是包括汽油机在内的所有热力发 动机无法取代的。随着柴油机先进燃烧、控制和后处理等技术的发展和应用，柴 油机在舒适性、振动、噪声和排放等方面也得到极大的改善，发动机柴油机化已 成为当前内燃机的发展趋势，21 世纪是柴油机的世纪已成为各国专家学者的共 识。欧洲当前 100%的重型车、90%的商用车、32%的轿车为柴油机，而在西班牙 和法国等国家，柴油机轿车甚至高达 50%以上1, 2。我国当前柴油机产业发展势 头强劲，自主研发能力逐步提高。上世纪 90 年代以来，国产柴油车由 7.58 万辆 增加到 358.96 万辆，占内燃机总产量的比例则从 4.88增加到 26.16。 然而，内燃机（包括柴油机）在给人类带来便捷和文明的同时，其负面的影 响也日渐突出，主要表现为日益短缺的石化能源危机和日益加重的环境污染。 1.2 内燃机面临的挑战 中国是全球最大的co2排放国，2009年的co2排放量为74.3亿吨，占全球总 排放量的约24%。当前交通领域对中国co2排放的贡献率为7%，远低于22%的国 际平均水平。但是随着中国经济的快速发展和汽车市场的迅速膨胀，这个比例预 计在2030年将达到12-17%的水平。机动车是交通领域中co2排放的主要来源，据 悉中国2011年的机动车销量已达1850万辆，稳居全球第一的位置。在可预见的 2050年，中国的机动车保有量将达到5.5-7.3亿辆，预计将超过美国机动车保有量 的38-83%3-6。 汽车和内燃机工业的快速发展的后果是，一方面内燃机消耗了全球2/3以上 的石油资源，另一方面其排放物中的pm、nox、co、hc等有害物质是大气环境 尤其是城市大气的主要污染物。石化能源短缺和环境污染的加剧，对内燃机的发 展提出了严峻的挑战。因此，作为国民经济中重要的基础制造产业，内燃机行业 必须正视能源危机的挑战， 同时积极应对并突破环境污染和日益严格的排放法规 的限制。 第一章 绪论 2 1.2.1 能源危机的挑战 在可预见的未来， 以石油为主要燃料的内燃机仍将是汽车等动力装置的主要 原动机。石油资源作为一种非可再生资源，是当前全球最为重要的一次能源。以 1994年为例，石油资源在一次能源消耗中占比为39.3%，而且这个比例还在不断 攀升7。尽管每年新增探明石油储量在不断增加，然而其增长速度远远赶不上人 类对石油资源需求的增长速度，石油资源的短缺形势日趋严峻。近年来，相关机 构的研究预测表明，在2025年前后，世界石油资源储量将达到峰值，40年后将有 可能彻底枯竭9。 中国石油资源形势则更为不够乐观。我国是贫油国，人均石油资源拥有量仅 相当于世界平均水平的 5.4%，伴随着经济的快速发展以及机动车保有量的急剧 增长，石油资源对经济社会发展的约束在不断加剧10。 巨大的石油需求，给我国的能源安全形势也提出了严峻的现实挑战。据中 国的能源政策（2012）白皮书指出，中国的石油对外依存度近年来上升过快， 从本世纪初的 32%已经上升到了 2012 年 9 月的 57%10。此外，我国能源储备较 小，应急能力较弱同样加剧了我国的能源安全形势。图 1-1 为中国原油产量和原 油总需求量变化和预测数据对比，可见我国原油产量已近峰值。预计，2020 年 我国石油对外依赖度将达到 65% 11，届时能源安全形势将更加严峻。 图 1-1 中国原油年生产量和年需求量 我国的能源利用效率严重偏低的事实同样加剧了中国当前的能源危机形势。 图 1-2 给出了美、日、印、中四国石油和一次能源消耗水平的对比，从图中可以 看出， 中国单位国内生产总值石油消耗和一次能源消耗不仅远高于美、日等发达 国家，也高于印度这样的新兴工业国家。 第一章 绪论 3 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 一 次 能 源 消 耗 水 平一 次 能 源 消 耗 水 平 吨/万美元吨/万美元 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 中 国中 国印 度印 度 日 本日 本 石 油 消 耗 水 平石 油 消 耗 水 平 吨/万美元吨/万美元 美 国美 国 图 1-2 各国石油和一次能源消耗水平对比 在严峻的能源危机情势下，柴油资源的严峻形势则更加突出。一直以来，由 于受制于能源形势、石油炼制工艺、石油产品成品结构和石油价格机制等因素， 我国柴油燃料短缺现象时有发生，而随着柴油机产量的快速增长，柴油短缺甚至 已经到了制约我国经济社会发展的地步。图 1-3 为“柴油荒”发生时甘肃定西境 内巉柳高速公路和江西九江一加油站的情形。 图 1-3 我国的“柴油荒” 严峻的石油短缺形势对内燃机行业提出了极大挑战， 当前 “开源” 和 “节流” 是应对石油危机的主要手段。 在 “开源” 方面， 我们应当大力开发太阳能、 甲醇、 乙醇、 生物柴油等汽车新型能源和内燃机代用燃料。 在 “节流” 方面， 政府部门、 生产厂商和科研机构应共同合作， 更加关注能够提高能源利用效率的新型燃烧方 式和内燃机改进技术，提高发动机的燃油经济性，减少对石油资源的消耗。 1.2.2 环境污染和日益严格的排放法规 内燃机使用的碳氢燃料在空气中完全燃烧时，主要排出二氧化碳（co2）和 水蒸气（h2o）。完全燃烧产生的 co2，过去并不认为是一种大气污染物。近年 来因为化石燃料的大量使用，使地球大气中的含量 co2迅速上升，造成温室效 第一章 绪论 4 应的加剧，使 co2排放受到了高度重视，并逐渐从法规的角度对其加以限制。 内燃机的燃烧过程时间极短，可燃气不可能完全混合均匀，燃烧室中温度快速变 化又不均匀，燃料很难完全氧化。这意味着内燃机排气中会出现不完全燃烧产物 （例如 co），甚至完全未燃烧的燃料，以未燃碳氢（unburned hc）的形态排 出。内燃机燃烧室中最高燃烧温度达到 2000，甚至更高，氮在高温下氧化生 成各种氮氧化物（nox，主要为 no，no2），成为另一种排气污染物。而在柴 油机中，喷嘴将燃油直接喷入到气缸中，燃油在燃烧前和燃烧过程中的极短时间 内与气缸中的空气混合形成可燃混合气。因此，燃料与空气混合不均匀，在高温 环境下缺氧的碳氢燃油会发生裂解、脱氢等反应，最终生成碳基粒子。后者接着 又吸附了多种未燃烧或未完全燃烧的碳氢化合物，形成排气颗粒（pm）。 内燃机排放的一氧化碳（co）、碳氢化合物（hc）、氮氧化物(nox)、颗 粒（pm）等污染物，严重影响空气环境质量并危害人类的身体健康。 这些污染 物在一定条件下甚至还可以产生二次污染，如光化学烟雾， 对人体造成更大的危 害。在我国，如北京、上海等大城市，来自汽车尾气的 co 和的 nox 分别占 到了总排放量的 80%和 41% 12, 13。而随着我国汽车保有量的继续增长，我国 面临的环境污染形势将更加严峻。 20 世纪 60 年代以来，全球范围内由于汽车尾气引起的空气污染日趋严重， 一些发达国家纷纷制定了相应的车辆和内燃机排放法规， 以缓解大气污染的压力。 目前，全球车用发动机排放法规主要有美国、欧洲和日本三个体系。图 1-4 为三 个体系对重型车用柴油机的主要排放物和 pm 的分阶段排放限制。由图可见，尽 管法规不同，但排放限值对内燃机已经提出了越来越严格的要求。以欧洲排放法 规为例，nox和 pm 在欧阶段（约 2013 年实施）需同时降到 0.4g / kwh 和 0.01g / kwh 的超低水平。 图 1-4 三种主要排放体系对重型柴油机 nox和 pm 的排放限制 第一章 绪论 5 我国当前也已经建立起较为完善的汽车及车用内燃机的排放控制体系。从 20 世纪末开始，我国的排放标准除了在某些细节上有所差别，开始逐步同欧洲 体系等效。图 1-5 给出了我国重型车用柴油机的分阶段排放限值，可见，内燃机 的排放限值同样对我国的汽车和内燃机工业发展提出了严峻挑战。 图 1-5 我国重型车用柴油机排放标准 排放法规在给内燃机行业带来严峻挑战的同时， 也给内燃机技术进步带来了 巨大动力。 当前， 内燃机技术创新正在以前所未有的速度发展， 废气再循环 （egr） 、 电控高压共轨、 可变截面涡轮增压器 （vgt） 等新技术， 以及均质充量压燃 （hcci） 、 低温燃烧（ltc）等新型燃烧方式已得到了越来越广泛应用和研究。 1.3 柴油机新型燃烧方式 1.3.1 柴油机新型燃烧方式概述 柴油机在节能和 co2排放等方面有着汽油机不可比拟的优势，同时 hc 和 co 排放也较低，是未来“绿色发动机”的发展方向。然而, 柴油机属于扩散燃 烧， 燃烧的非均匀性使得碳烟排放非常严重。 通过改善混合气的形成和燃烧过程， 可以实现碳烟排放的降低，但往往会造成 nox排放的升高。传统柴油机固有的 碳烟和 nox排放的“此消彼长”关系，使得同时降低这两种排放物非常困难。 通过颗粒滤清器（dpf，diesel paticulate filter）等后处理手段能够有效降低碳烟 排放，然而后处理技术的运用受到技术成熟度、发动机空间、贵金属资源和应用 成本等因素的制约。 通过柴油机新型燃烧理论和技术的研究，寻求燃烧模式的突 破，是解决这一问题的技术途径之一。 第一章 绪论 6 图1-6给出了传统柴油机燃烧过程的-t历程。在传统柴油机的燃烧过程中， 燃空当量比与缸内温度t之间的“-t”的发展历程穿过了nox和碳烟的生成区 域，从而无法同时避免大量nox和碳烟的生成。然而，如果能够保持缸内燃烧温 度在1650k以下，则不论在何种当量比之下，燃烧过程都能够同时有效避开nox 和碳烟的生成区域14，实现nox和碳烟的超低排放，这是和传统柴油机燃烧方式 有本质区别的新型燃烧方式。hcci、pcci、ppc以及ltc等燃烧方式是新型燃 烧方式的典型代表， 这些新型燃烧方式虽然在燃烧特点及燃烧控制方面有一些差 别，但共同特点为：一方面，通过改善燃烧过程的混合气形成过程，减少缸内混 合气局部过浓区，提高混合气均匀性，从而避免碳烟生成；另一方面，则通过降 低缸内燃烧温度，从而降低nox生成。如图1-6所示，如果将氧浓度降低到15%， 则可以完全避免nox和碳烟的生成。 80012001600200024002800 0 2 4 6 80012001600200024002800 0 2 4 6 80012001600200024002800 0 1 2 3 4 5 6 soot formation 1% 5% 10% 15% 20% 500 ppm equivalence ratio temperature ( k ) nox 5000 ppm 25% 21% o2 15% o2 10% o2 传统燃烧 图 1-6 传统柴油机燃烧过程的 -t 历程 20 世纪 90 年代以来，均质充量压燃（homogeneous charge compression ignition，hcci）发动机因在节能和减排上的巨大潜力而得到了广泛重视。hcci 方式在着火前形成均质稀薄混合气， 这种完全预混的燃烧方式避免了由于混合不 均匀导致的局部混合气过浓和温度过高区域，因而碳烟排放和 nox均可得到大 幅度降低，同时多点同时着火的快速燃烧特点使其具有更高的热效率。 然而，hcci 发动机仍然没有进入实质性应用阶段，仍面临着很多方面的挑 战，包括均质混合气的制备、燃烧相位的控制、负荷范围的扩展、冷启动以及较 高的 hc 与 co 排放等难以解决的问题15, 16。其中，燃烧相位的控制和负荷范围 的扩展最具挑战性。由于采用均质混合气多点着火的方式，hcci 的着火过程完 全受控于混合气的化学动力学，燃烧相位与燃烧速率难以受到有效控制。 实际上，完全均质的混合气对于 hcci 发动机的运行过程并不是最理想的。 相反， 缸内混合气浓度和温度分布的局部不均匀性有利于燃烧过程的控制。 因此， 通过多次喷射和 egr 的引入等方式造成缸内混合气和温度分层， 是达到对 hcci 第一章 绪论 7 发动机控制的有效手段。在此基础上，出现了预混合压缩燃烧（premixed charge compression ignition, pcci）和 ppc（partially premixed combustion）等新的燃烧 方式。然而，上述燃烧方式距离实际应用仍相距甚远。 1.1.2 柴油机低温燃烧（ltc） hcci 等燃烧方式在均质混合气的制备、燃烧相位的控制、运行工况范围的 扩展等方面依然面临很多的问题。相对 hcci 等燃烧方式，低温燃烧（ltc）能 够明显改善柴油机 nox和碳烟的“trade-off”关系，在柴油机上能够得到更好的 应用， 因而在近年来受到了广泛关注。 低温燃烧被认为是未来柴油机的主要燃烧 方式，也是国际上柴油机燃烧理论研究的热点课题。 与传统的高温燃烧（htc，high temperature combustion）的扩散燃烧方式 相比，低温燃烧能够降低缸内燃烧温度，具有预混燃烧的特点；而与受化学动力 学控制的 hcci 燃烧方式不同， 低温燃烧可通过燃油喷射的手段对燃烧相位进行 有效控制，因而更符合在实际柴油机上的应用。与传统柴油机燃烧方式相比，低 温燃烧最根本的特征是 egr 参与燃烧反应。egr 一方面延长滞燃期，另一方面 降低燃烧温度，因此 egr 的作用体现在改变了缸内燃烧反应过程的混合气浓度 和温度（-t）发展历程，从而实现对有害排放产物的控制。本课题组针对低温 燃烧的前期工作表明，大比例的 egr 可以使 nox排放接近于零。egr 对碳烟排 放的影响比较复杂：低比例的 egr 会使碳烟排放略有升高； 当 egr 提高到一定 比例时，碳烟排放会出现迅速升高的区域，即出现 soot-bump 区域17, 18；而只 有当 egr 率足够大时，碳烟排放才会重新下降，甚至出现零碳烟排放，但此时 低温燃烧的燃烧恶化，hc 与 co 排放量增加较快，经济性能下降。低温燃烧需 要解决的首要问题是在大幅度降低 nox排放的同时，如何解决低碳烟排放与燃 油经济性（hc 和 co 排放）之间的折衷，即实现低碳烟排放的同时保持高热效 率和低 hc、co 排放。 对于如何解决低温燃烧带来的上述难题，国内外机构进行了广泛的研究。采 用控制燃烧过程的物理手段，如通过大幅度提高进气压力来增大进气密度，并降 低碳烟排放，提高热效率19；通过可变气门技术推迟进气门关闭角度，以降低 缸内温度，减少对 egr 的依赖18-20；通过多次喷油策略实现混合气浓度分布控 制，进而改变缸内温度分布，实现燃烧过程 -t 路径控制等21。上述技术途径 在一定程度上能够缓解低温燃烧在大比例 egr 条件下碳烟和燃油经济性之间的 折衷问题，然而上述物理手段的燃烧控制技术的仍有很大局限性，不能解决低温 燃烧面临的主要问题。 第一章 绪论 8 1.3.3 燃料特性对新型燃烧方式的影响 国内外研究发现燃料主要通过化学与物理特性对柴油机燃烧和排放产生影 响，其中化学特性主要包括三个方面：1）燃料组分。tree 等人认为燃料组分影 响碳烟排放， 如在柴油中添加生物燃料降低了柴油中具有极高碳烟生成能力的芳 香烃和硫含量，从而有利于降低碳烟排放22。song 等人把此作用称作对柴油的 稀释作用（dilution effect）23；2）十六烷值。klein-douwel 和 donkerbroek 研究 发现燃料十六烷值的改变能够引起火焰浮起长度和着火滞燃期改变， 从而影响火 焰结构和碳烟生成量24, 25；3）分子结构。kohse-hinghaus 等人从化学动力学 角度研究发现酯类燃料其两个氧原子与一个碳原子结合生成 co2，降低了氧原 子氧化碳烟前驱物能力，较相同含氧量下的醇类燃料对碳烟排放降低作用减小 26。燃料物理特性对柴油机燃烧反应过程影响主要包含两个方面：1）沸点。较 低沸点的燃料会增强混合燃料蒸发过程，改善燃油与空气的混合质量，影响燃烧 过程及污染物排放27；2）粘度和表面张力。研究发现，燃油高粘度和表面张力 会使喷雾的雾化特性变差，对火焰结构和碳烟生成产生影响28。 柴油机新型燃烧方式对燃料特性提出了新的要求。hcci 燃烧方式受控于混 合气的化学动力学，因而不同特性的燃料对 hcci 燃烧方式有着不同的影响；同 样， 不同特性的燃料对低温燃烧预混合气的形成影响重大，因而对低温燃烧有很 大的影响。当前，已有越来越多的研究表明，传统的柴油燃料由于其较低的挥发 性、 较高的粘度以及较高的十六烷值并不是 hcci或 ltc 燃烧方式的最佳燃料。 研究发现，燃料特性对 hcci 发动机有着重要的影响。除了传统燃料汽油和 柴油燃料外，还包括乙醇29, 30、甲醇31、液化石油气32、天然气33、异辛烷34 等高辛烷值燃料，以及二甲醚（dimethyl ether，dme）32、生物柴油30、二乙 醚（diethyl ether，dee）35、正庚烷34等低辛烷值，对探索燃料特性对 hcci 的影响有非常重要的作用。研究结果表明，hcci 燃烧相位控制和负荷范围扩展 可通过不同工况下燃烧不同辛烷值燃料达到，低辛烷值燃料更适合于小负荷下 hcci 的运行，而高辛烷值燃料则更适合于大负荷下 hcci 的运行，即不同工况 下均存在一个具有最佳适应性的燃料辛烷值34-36。 对辛烷值影响的其他研究则表 明，高辛烷值燃料能够有效延长燃烧滞燃期，改善燃油预混效果，从而降低碳烟 排放。高辛烷值燃料配合 egr 能够达到超低 nox和碳烟排放的效果，同时能够 有效扩展负荷范围。但同时，高辛烷值燃料与低辛烷值燃料相比，存在压力升高 率和 nox排放更高的问题37,38。汽油燃料作为 hcci 的燃料也得到了研究，在一 台单缸柴油机上，汽油 hcci 燃烧模式能够达到高得多的工作负荷，同时保持较 低的排放和较高的热效率40,41。这些试验结果表明，从燃烧和排放各方面的综合 第一章 绪论 9 效果考虑，最适合于 hcci 燃烧方式的是中等辛烷值或十六烷值的燃料。寻求传 统柴油或汽油之外更为新型的燃料， 可以实现对 hcci 燃烧方式更为有效的控制。 而在 ltc 的研究中，li 等人指出，缸内燃烧温度和燃空混合均匀性是 ltc 同时实现超低 nox和碳烟排放的两个关键因素，燃油分馏温度、挥发性、十六 烷值等特性对低温燃烧的燃-空混合过程具有重要影响42。燃料十六烷值决定滞 燃期的长短，是燃料的重要特性参数。相关研究表明，降低燃料的十六烷值可以 推迟着火、延长燃油混合时间，在相同 nox排放条件下可降低碳烟排放并改善 燃油经济性43。此外，适当降低燃料十六烷值还可以扩展柴油机高效清洁低温 燃烧运行工况范围。kalghatgi 等对三种不同十六烷值的柴油燃料与一种汽油燃 料（十六烷值约为 15）的低温燃烧研究表明，在同等条件下降低十六烷值使滞 燃期延长， 在保持低 nox和烟度的同时， 其最高平均指示压力 （imep） 达到 14.86 bar；通过采用两次喷射策略控制放热速率，汽油低温燃烧最高 imep 可进一步 提高到 15.95 bar，远高于燃用高十六烷值柴油同等排放下所能达到的水平（6.5 bar imep）44。hanson 等研究表明，在同等的低 nox和微粒排放条件下，汽油 燃料低温燃烧比柴油所需要的 egr 率约低 20%，汽油低温燃烧在中等负荷工况 下，nox排放低于美国 2010 排放法规限值，微粒排放与限值接近，指示油耗率 可达到 175 g/kw.h45。 虽然采用低十六烷值燃料可以使柴油机低温燃烧的负荷范 围向上扩展， 但类似汽油特性的低十六烷值燃料在应用于柴油机低温燃烧时也存 在问题，其中最明显的是低负荷工况的着火和燃烧稳定性。weall 等针对低负荷 工况进行的研究表明， 低十六烷值燃料在低负荷工况实现低温燃烧严重依赖于进 气温度、进气压力和混合气分层46。kalghatgi 等研究也发现，十六烷值稍高的 燃料更容易实现低负荷工况的稳定低温燃烧44。 kitano 等通过研究也指出， 高负 荷工况低十六烷值燃料可以获得更好的排放效果， 但在低负荷工况十六烷值过度 降低会造成混合气过稀，油耗和排放变差47。可见，低温燃烧对燃料特性的优 化要考虑发动机复杂多变的工况条件， 寻求能更好适应宽广工况范围的燃料特性 对于实现柴油机高效清洁低温燃烧非常关键。 挥发性直接影响燃料的缸内雾化和 混合速度，是燃料另一个重要物理参数。研究表明沸点低、易于挥发的燃料与空 气的混合速度更快， 可以改善滞燃期内燃料与空气的混合质量，有利于降低高负 荷的烟度，slude 等也发现高挥发性、低芳香烃含量的燃油在低温燃烧中具有更 好的排放结果47,48。因此，提高燃料挥发性也是改进低温燃烧特性的重要方面， 但需要与燃料十六烷值和燃烧过程组织特征相适应。 第一章 绪论 10 1.4 含氧燃料的研究及进展 生物质燃料（bio-fuel）泛指来源于或萃取于生物质的固体、液体和气体燃 料， 它们一般都含氧， 为环境友好型燃料， 具有可再生性， 能减少温室气体排放， 负荷国家发展策略，能更好的缓解能源枯竭和环境恶化这两大问题，在内燃机燃 料多样化的趋势下，正越来越受到人们的青睐。生物质含氧燃料可作为单一燃料 或与汽、柴油以部分掺混的方式应用于发动机上。 可以替代由石油制取的汽油和 柴油，是可再生能源开发利用的重点方向。当前，全球许多国家都制定了相应法 规以促进生物燃料的发展和应用，其目标是希望通过能源改造、转型，减少对石 油能源的依赖，实现燃料多元化及可持续发展。我国在 2007 年发布的可再生 能源中长期发展规划提出，力争到 2020 年可再生能源消费量达到能源消费总 量的 15%，在交通运输领域替代约 1000 万吨成品油。 生物燃料与柴油以掺混的方式应用于柴油机，能够在不增加 nox排放的条 件下，大幅度降低碳烟排放 49-51。图 1-7 为传统柴油燃料和柴油-含氧燃料混合 燃料的 pm-nox的 trade-off 曲线的对比图，从图可见，含氧燃料的掺入能够有 效缓解柴油机固有的颗粒和 nox排放之间的矛盾50。 图 1-7 pm-nox 的 trade-off 曲线对比 （传统柴油燃料和柴油-含氧燃料混合燃料） 目前含氧燃料在柴油机上的研究较多, 主要包括醇类、生物柴油、醚类、酯 类、 醇醚和醚酯类等燃料，其中乙醇和生物柴油是研究和应用最为广泛的生物燃 料。甲醇和乙醇是被研究的最早和最多的醇类燃料，来源广泛、价格便宜是它们 的突出优点。但甲醇、乙醇燃料的十六烷值很低，自燃性能较差，与柴油互溶性 较低， 因而在柴油机上的应用主要是与柴油掺混的方式，且需要添加助溶剂和发 火改进剂。近年来，丁醇燃料由于诸多优势而受到更多重视。jin 等人从燃料特 第一章 绪论 11 性角度考虑认为，丁醇比乙醇热值更高，与柴油互溶性好；与生物柴油相比，含 氧量更高而更有利于降低碳烟排放，因而在柴油机应用上更具优势52。生物柴 油是一种清洁型的柴油替代燃料，它的成分中芳香烃和含硫量极低，因此二氧化 硫和硫化物等有害废气的排放低。生物柴油的可降解率是普通柴油的两倍，可大 大减轻意外泄露对环境的污染。更为重要的是，在不改变发动机结构的条件下， 生物柴油可单独或与柴油以任意比例掺混在柴油机上燃烧， 其燃烧性能和低温启 动性能也较好。针对生物柴油的研究表明，生