張志強(qiáng)，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(jī)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(kuò)大，這給柴油的市場供應(yīng)提出了一個巨大的考驗(yàn).據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jī)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(diǎn)，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(jī)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(jī)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(shí)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(yàn)

試驗(yàn)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(yàn)過程環(huán)境溫度為10～15°C.

1.2.1 單一助溶劑試驗(yàn)

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(yàn)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(yàn)

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(yàn).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(qiáng)，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(jī)中燃料實(shí)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(yàn)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(yàn)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(yùn)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(jī)的機(jī)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(yàn)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(jī)性能影響的模擬研究

3.1 模擬研究條件和計(jì)算模型及驗(yàn)證

3.1.1 模擬研究條件

用于模擬研究的柴油機(jī)基本參數(shù)如表3所示.

表3 柴油機(jī)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(diǎn)前CA（crank angle，CA）為20°和上止點(diǎn)前CA為4°.由于柴油機(jī)燃燒室具有軸對稱特點(diǎn)，為節(jié)省計(jì)算時間，計(jì)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(jì)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(diǎn)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(jì)算模型及驗(yàn)證

計(jì)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(diǎn)時刻計(jì)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(yàn)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(jì)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(jī)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(jì)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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)的油耗，其計(jì)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(jì)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(qiáng)度［16－17］R來評價，響振強(qiáng)度越大代表燃燒噪聲越大，響振強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

綜合而言，在保證柴油機(jī)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(jī)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(yàn)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(jì)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.

［1］ 任寧寧.中國石化原油加工量首次突破2億噸［N］.中國石化報(bào)，2010－12－20.

REN Ningning.Processed crude oil of China first time breaks 20 million tons［N］.China Petrochemical News，2010－12－20.

［2］ Leonga S T，Muttamaraa S，Laortanakul P.Applicability of gasoline containing ethanol as Thailand’s alternative fuel to curb toxic VOC pollutants from automobile emission［J］.Atmospheric Environment，2002，36（21）：3495.

［3］ Al－Hasan M.Effect of ethanol－unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emission［J］.Energy Conversion Management，2003，44（9）：1547.

［4］ Wu C W，Chen R H，Pu J Y，et al.The influence of air－fuel ratio on engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol－gasoline－blended fuels［J］.Atmospheric Environment，2004，38（40）：7093.

［5］ Abu－Qudais M，Haddad O，Qudaisat M.Effect of alcohol fumigation on diesel engine performance and emissions［J］.Energy Conversion Management，2000，41（4）：389.

［6］ 王川，林榮興，陳洪德，等.上海市地方標(biāo)準(zhǔn)：車用柴油［S］.上海：上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2009.

WANG Chuan，LIN Rongxing，CHEN Hongde，et al.Shanghai local standard—diesel fuel for motor vehicle［S］.Shanghai：Shanghai Quality and Technical Supervision，2009.

［7］ 張潤鐸，賀泓，張長斌，等.乙醇柴油混合燃料的制備工藝和廢氣的排放特性［J］.環(huán)境科學(xué)，2003，24（4）：1.

ZHANG Runduo，HE Hong，ZHANG Changbin，et al.Preparation of ethanol－diesel fuel blends and exhausts emission characteristics in diesel engine［J］.Environmental Science，2003，24（4）：1.

［8］ 趙群.液體表面張力系數(shù)測量方法比較研究［J］.安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，24（2）：44.

ZHAO Qun.Comparison of measuring methods for liquid surface tension coefficient［J］.Journal of Anhui Science and Technology University，2010，24（2）：44.

［9］ 郭瑞.表面張力測量方法綜述［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2009，36（4）：62.

GUO Rui.Summarization of surface tension measurement［J］.Measurement and Test Technology，2009，36（4）：62.

［10］ Bai Chengxin，Gosman A D.Development of methodology for spray impingement simulation［R］.Detroit：SAE，1995.

［11］ 呂興才，楊劍光，張武高，等.乙醇－柴油混合燃料的理化特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，22（4）：289.

LV Xingcai，YANG Jianguang，ZHANG Wugao，et al.Research on physical and chemical properties of the ethanol－diesel blend fuel［J］.Transactions of CSICE，2004，22（4）：289.

［12］ Durbin P A.On the k－εstagnation point anomaly［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，1996，17（1）：89.

［13］ Hiroyasu H，Nishida K.Simplified three dimensional modeling of mixture formation and combustion in a DI diesel engine［R］.Detroit：SAE，1989.

［14］ 黃豪中，蘇萬華，裴毅強(qiáng)，等.MULINBUMP復(fù)合燃燒系統(tǒng)多次脈沖噴油控制參數(shù)的優(yōu)化研究II：5次脈沖噴油控制參數(shù)的優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009，27（4）：289.

HUANG Haozhong，SU Wanhua，PEI Yiqiang，et al.Optimization study on multi－pulse injection parameters of MULINBUMP compound combustion system II：optimization of five－pulse injection parameters［J］.Transactions of CSICE，2009，27（4）：289.

［15］ 刑元，堯命發(fā)，張福根，等.乙醇與柴油混合燃料燃燒特性及排放特性的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25（1）：24.

XING Yuan，YAO Mingfa，ZHANG Fugan，et al.Experimental investigation on combustion and emission characteristics of engine fuelled with ethanol－diesel blends［J］.Transactions of CSICE，2007，25（1）：24.

［16］ Eng J A.Characterization of pressure waves in HCCI combustion［R］.Detroit：SAE，2002.

［17］ Siewert R M.Spray angle and rail pressure study for low NOxdiesel combustion［R］.Detroit：SAE，2007.