任 哲，盧康博，孫 滔，楊 凱，石 磊，韓 東

（上海交通大學(xué)動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240）

0 概述

柴油機具有燃油經(jīng)濟性高、可靠性好、壽命長等優(yōu)點，在貨運交通和日常生活中發(fā)揮著重要的作用［1–2］。然而近年來隨著環(huán)境問題的惡化，全球多國家和地區(qū)相繼制定了越發(fā)嚴苛的車輛排放法規(guī)與油品標準［3–4］。為了應(yīng)對日益嚴峻的能源與環(huán)境危機，實現(xiàn)內(nèi)燃機高效清潔運行的目標，研究人員一方面著眼于優(yōu)化發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程和開發(fā)新型燃燒模式［5–8］，另一方面致力于研究醇、醚等含氧可再生燃料作為柴油替代燃料的可行性［9–12］。在過去的幾十年里，學(xué)者們通過大量的試驗總結(jié)出了適合于先進燃燒裝置的燃料理化特性［13–14］，其中正丁醚（di-nbutyl ether，DnBE）這一新型生物燃料被認為是極具潛力的柴油替代燃料。與柴油相比，正丁醚的十六烷值更高且揮發(fā)性更強，密度和黏度更低，再加上其分子結(jié)構(gòu)中含氧，燃用正丁醚有利于提高燃油利用率并減少排放。此外，與從糧食制備得到的第一代生物燃料不同，正丁醚可以由木質(zhì)纖維素生產(chǎn)加工，避免了與食品供應(yīng)的競爭。在此背景下，正丁醚近年來逐漸受到研究人員的關(guān)注［15］。木質(zhì)纖維素可用于生產(chǎn)多種生物燃料，如乙醚、酒精、酮等，通過發(fā)酵、脫氫、羥醛縮合過程，可以從木質(zhì)纖維素中制取出正丁醇，進一步脫水處理可以得到正丁醚［16］。正丁醚的熱值雖低于柴油，但也十分可觀，可直接替代柴油應(yīng)用于發(fā)動機中，不需要對發(fā)動機結(jié)構(gòu)進行額外改動［17］。

近年來，許多學(xué)者針對正丁醚的基礎(chǔ)燃燒特性進行了研究。文獻［18］中系統(tǒng)研究了正丁醚的熱解與氧化過程，使用層流反應(yīng)器與滯止火焰裝置分別測得了正丁醚的著火延遲時間與層流火焰速度，并在試驗的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一套詳細反應(yīng)機理（Cai 機理）。文獻［19］中在Cai 機理的基礎(chǔ)上，利用試驗與仿真相結(jié)合的方法研究了不同燃料分子結(jié)構(gòu)對燃燒過程的影響，對比研究了正辛醇、正丁醚、正辛烷這3種C8 燃料，結(jié)果表明十六烷值與燃料的自燃過程關(guān)聯(lián)密切，并對發(fā)動機性能及碳氫化合物、一氧化碳排放有明顯影響。文獻［20］中利用激波管在寬溫度、壓力、當量比工況下研究了正丁醚、氧氣、氬氣混合氣的著火延遲時間，試驗結(jié)果與Cai 機理吻合度較高，進一步驗證了機理的準確性。文獻［21］中使用活塞流管式反應(yīng)器、射流攪拌反應(yīng)器與質(zhì)譜儀研究了正丁醚的低溫氧化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了一些新的中間組分并分析了相關(guān)反應(yīng)路徑，為完善正丁醚反應(yīng)機理提供了新的方向。文獻［22］中將正丁醚與其他低十六烷值的醚類燃料摻混，在點火質(zhì)量測試機上測試了混合燃料的著火延遲時間。文獻［23］中針對正丁醇、正辛醇及正丁醚，開發(fā)了一套面向發(fā)動機燃燒計算的多組分骨架機理。針對燃料的噴霧霧化特性，文獻［24］中研究了在生物柴油中添加正丁醚的影響。宏觀與微觀分析均表明由于正丁醚具有較低的黏度與表面張力，添加正丁醚可以改善混合燃料的噴霧特性。文獻［25］中通過OH 化學(xué)熒光法及紋影法測量研究了正丁醚和其他兩種生物質(zhì)燃料的蒸發(fā)及油氣混合過程，發(fā)現(xiàn)正丁醚對碳煙的氧化能力最強。文獻［26–28］中研究了在多種噴射條件和初始環(huán)境下添加正丁醚對柴油–生物柴油混合燃料噴霧特性的影響，發(fā)現(xiàn)添加正丁醚可以改善油氣混合過程及混合燃料的卷吸特性。

盡管已有許多針對正丁醚基礎(chǔ)燃燒與噴霧特性的研究，但正丁醚在實際發(fā)動機中的應(yīng)用研究仍較為缺乏。在過去幾年里，德國亞琛工業(yè)大學(xué)的研究人員對包括正丁醚在內(nèi)的多種生物燃料進行了發(fā)動機試驗研究。在單缸機中對正丁醚與正辛醇的燃燒與排放特性的研究［29］發(fā)現(xiàn)，相比于柴油，燃用正丁醚所產(chǎn)生的碳氫化合物、一氧化碳和碳煙都較少。文獻［30］中將正丁醚與苯甲醚摻混進EN590 柴油中，通過試驗發(fā)現(xiàn)添加正丁醚可以改善尾氣排放與燃油轉(zhuǎn)換效率，此外發(fā)現(xiàn)燃料的十六烷值對發(fā)動機燃燒性能的影響比燃料含氧量的影響更高。文獻［31］中在壓燃式發(fā)動機中研究了正癸醇與正丁醚作為柴油/低密度聚乙烯（low-density polyethylene，LDPE）塑料混合燃料添加劑的影響，發(fā)現(xiàn)兩者都有助于改善發(fā)動機運行特性。文獻［32］中在一臺帶有廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）的4 缸柴油機中研究了柴油/正戊醇混合燃料中添加正丁醚的影響，表明正丁醚的添加可以改善發(fā)動機冷起動性能，提高有效熱效率，并減少碳煙、一氧化碳和氮氧化物排放。

綜上所述，正丁醚有助于改善燃料霧化蒸發(fā)、發(fā)動機缸內(nèi)燃燒及污染物排放，但目前國內(nèi)針對正丁醚作為柴油部分替代燃料的研究工作不多［33］，在國產(chǎn)柴油中添加正丁醚的實際發(fā)動機試驗也較為少見?？紤]到國內(nèi)相關(guān)研究工作的空白，在一臺單缸柴油機上研究了正丁醚/柴油混合燃料的燃燒與排放特性，并與純柴油試驗結(jié)果進行了對比。通過改變發(fā)動機負荷、廢氣再循環(huán)率、噴油正時，綜合評估了正丁醚添加對于發(fā)動機燃燒及排放性能的影響作用。本試驗工作為正丁醚的發(fā)動機應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持，并為高效節(jié)能的生物燃料新型燃燒模式提供了研究思路。

1 試驗裝置

1.1 試驗臺架與測試設(shè)備

試驗在一臺單缸共軌自然吸氣式柴油機上進行，臺架的主要示意圖如圖1 所示。發(fā)動機壓縮比為17，排量為1.933 L，燃燒室為ω 形。通過控制系統(tǒng)可以靈活調(diào)節(jié)共軌壓力（最高160 MPa）與噴油脈寬。發(fā)動機具體參數(shù)如表1 所示。缸內(nèi)壓力由壓力傳感器（AVL12QP）測量并由電荷放大器（KISTLER 5007）放大得到。燃油消耗量由油耗儀（FC2210）測量，相對誤差±1%。 氮氧化物（NOx）與顆粒物（particle mastter，PM）分別由Uninox24V 儀器（Continental AG 公司，相對誤差±1%）和PPS—M（Pegasor 公司，相對誤差±0.1%）儀器測量。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗臺架示意圖

1.2 試驗燃料

試驗使用的是市場銷售的0 號柴油與99% 高純正丁醚，表2[27,29,34]匯總對比了兩種燃料的理化特性。與柴油相比，正丁醚的密度、熱值、表面張力及運動黏度較低，而十六烷值、汽化潛熱及氫碳比更高。值得注意的是正丁醚的十六烷值約為100，遠高于柴油，表明其具有良好的壓燃自著火傾向。此外，正丁醚分子結(jié)構(gòu)中含氧，且氧質(zhì)量分數(shù)為12.3%，會對燃燒過程中污染物的生成產(chǎn)生較大的影響。

表2 兩種燃料的理化特性對比

1.3 試驗過程與結(jié)果分析

發(fā)動機試驗在穩(wěn)態(tài)條件下運行，冷卻水溫度和機油溫度分別保持在（80±2）℃和（60±2）℃。試驗采用單次噴油策略，共軌壓力保持為80 MPa，通過調(diào)節(jié)噴油脈寬以達到目標平均指示有效壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）值。試驗選取了兩組柴油/正丁醚摻混比例，并在1 400 r/min這一固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速下開展研究。除了改變正丁醚摻混比例，發(fā)動機平均指示有效壓力、噴油正時及EGR 率也相應(yīng)地變化以綜合評估不同工況下混合燃料的燃燒排放特性。本文中，曲軸轉(zhuǎn)角在上止點后（after top dead center，ATDC）為正，在上止點前（before top dead center，BTDC）為負。具體試驗工況如表3 所示。

表3 試驗工況

通過對50 個連續(xù)循環(huán)的缸內(nèi)壓力曲線進行測量與平均，可以得到缸內(nèi)壓力隨曲軸的變化曲線。一些與燃燒相關(guān)的參數(shù)如放熱率、燃燒相位等可以通過分析缸內(nèi)壓力曲線得到。計算放熱率時采用了理想氣體假設(shè)并忽略了活塞與缸壁之間的間隙，將活塞和缸壁圍成的封閉空間假設(shè)為閉口系，只有能量交換。根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以列出式（1）。

式中，Q為放熱量，J；φ為曲軸轉(zhuǎn)角，（°）；κ為氣體的絕熱指數(shù)；p為瞬時缸壓，MPa；V為瞬時氣缸體積，m3。

指示熱效率由式（2）計算得到。

式中，ηi為指示熱效率；wi為指示功，kJ；mf為單次循環(huán)供油量，kg；Hu為燃料的低熱值，kJ/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 變負荷工況下的燃燒與排放特性

圖2 對比了不同負荷條件下（0.55 MPa、0.65 MPa、0.75 MPa）柴油和正丁醚摻混體積比為20%、40% 的正丁醚/柴油混合燃料的缸內(nèi)壓力與放熱率曲線。試驗過程中保持EGR 閥門關(guān)閉，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和噴油正時分別固定為1 400 r/min 和-5°。從圖中可以看出，正丁醚/柴油混合燃料與純柴油的峰值壓力都隨發(fā)動機負荷的增加而升高，但在壓力曲線上升階段有較明顯的區(qū)別。與純柴油相比，添加正丁醚會使得噴油后缸內(nèi)壓力有明顯快速的上升，即混合燃料的壓力上升時刻更早，表明正丁醚的添加使得燃料自燃傾向加強。從表2 中可以看出正丁醚的十六烷值高于柴油，將兩者進行摻混將對燃料的自燃傾向有一定的加強作用。由于發(fā)動機處于中高轉(zhuǎn)速范圍，單次循環(huán)時間短，因此燃燒過程有一定不穩(wěn)定性，缸壓曲線在上止點后存在波動。

圖2 不同負荷工況下缸內(nèi)壓力與放熱率曲線對比

從放熱率曲線中可以發(fā)現(xiàn)3 種燃料都展現(xiàn)出了兩階段放熱特性，并且不同燃料的雙峰峰值也有所不同。兩階段放熱分別對應(yīng)燃料的預(yù)混燃燒與擴散燃燒階段。燃料被噴射進入氣缸后，吸熱霧化蒸發(fā)并與空氣混合后快速著火，這整個過程都與燃料的十六烷值聯(lián)系緊密?；旌先剂系氖橹蹈?，著火更迅速，因此第一階段即預(yù)混燃燒比例較低，第一階段的放熱率峰值較低。此外，正丁醚/柴油混合燃料的汽化潛熱更高，蒸發(fā)吸熱量更大，也導(dǎo)致了預(yù)混燃燒比例的下降。對于第二階段即擴散燃燒階段，正丁醚的添加使得放熱過程提前并且放熱率峰值增大，缸內(nèi)的燃燒速率更快。隨著平均指示有效壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）即發(fā)動機負荷的增加，燃燒過程中第一階段放熱率逐漸減小，表明該階段的燃料消耗量逐漸下降，更多的燃料在擴散燃燒中被消耗。從放熱率曲線上也可以看出發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒過程有一定的波動。

燃料的燃燒特性可以進一步通過時間尺度來分析，如著火延遲時間（ignition delay，ID）、燃燒持續(xù)期（combustion duration，CD）及燃燒重心（CA50）。CA10、CA50 和CA90 分別表示消耗10%、50% 與90% 燃油質(zhì)量時的曲軸轉(zhuǎn)角；ID 是指從開始噴油到CA10 之間的曲軸轉(zhuǎn)角間隔；而CD 是指CA10 到CA90 之間的時間間隔。圖3 為不同負荷工況下燃燒時間尺度對比。從圖3（a）中可以看出，在試驗負荷工況下，正丁醚/柴油混合燃料的著火延遲時間均短于純柴油，并且隨著正丁醚摻混比例的增加而逐漸下降。燃料的自著火特性取決于其十六烷值，較高的十六烷值可縮短點火延遲時間。正丁醚/柴油混合燃料的十六烷值較高，因此著火延遲時間更短，預(yù)混合燃燒的比例更低，最終使第一階段放熱率峰值更小。隨著負荷的增加，所有燃料的著火延遲時間都逐漸延長。從圖3（b）中可以發(fā)現(xiàn)正丁醚/柴油混合燃料的燃燒持續(xù)期隨著負荷的增加而延長。燃燒持續(xù)期反映了燃料的燃燒速率，正丁醚更易著火，有助于燃料的快速燃燒；隨著負荷的增大，所有燃料的CD 均逐漸延長，這是由每循環(huán)供油量逐漸增多造成的。對于CA50，幾種燃料的區(qū)別不大，體積分數(shù)40% 正丁醚可獲得更早的CA50，表明其具有最快的燃燒速度。隨著負荷的增加，3 種燃料的CA50 均逐漸推遲。

圖3 不同負荷工況下燃燒時間尺度對比

圖4 展示了不同試驗燃料的指示熱效率對比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)3 種燃料的指示熱效率隨著發(fā)動機負荷的增大逐漸下降。這是由于在試驗工況下單次循環(huán)時間短，燃油噴射進入氣缸后蒸發(fā)霧化、與充量混合的時間不足。當負荷升高即噴油量提高時，單次循環(huán)進入氣缸的燃料增加，燃油空氣充分混合更困難，即燃燒更加不充分，因此指示熱效率逐漸下降。與柴油相比，小比例摻混正丁醚體積分數(shù)20%的燃料指示熱效率相對較低，而體積分數(shù)40% 正丁醚的混合燃料的熱效率更高。這主要是因為小比例添加正丁醚雖然有助于著火，但同時延長了擴散燃燒時間，導(dǎo)致了較多的傳熱能量損失，并且正丁醚的能量密度更低，綜合導(dǎo)致其指示熱效率低于柴油。而體積分數(shù)40% 正丁醚對油氣混合的改善作用更強，預(yù)混燃燒比例更低，第二階段燃燒更早且燃燒速率更快，從放熱率曲線上可以看出中高摻混比例的正丁醚/柴油混合燃料放熱更加集中且迅速，即燃燒過程的等容度更高，綜合作用下獲得更高的熱效率。隨著發(fā)動機負荷的增加，燃料的燃燒持續(xù)期延長，40% 正丁醚/柴油混合燃料的燃燒持續(xù)期最短，說明其燃燒速率最快，放熱集中程度最高，因此表現(xiàn)出了最高的指示熱效率。

圖4 不同負荷工況下燃料指示熱效率對比

圖5 展示了3 種燃料在不同負荷工況下的NOx與碳煙排放情況。隨著發(fā)動機負荷的增加，所有燃料的NOx排放量均逐漸上升，但正丁醚混合燃料的上升幅度小于柴油。一般來說，NOx更容易在高溫富氧的條件下形成。發(fā)動機負荷越高，缸內(nèi)燃燒溫度越高，因此NOx排放量也更高。與柴油相比，正丁醚摻混燃料的預(yù)混燃燒比例更低且蒸發(fā)吸熱量更大，因此缸內(nèi)溫度更低，NOx排放量也更小。從圖5（b）中可以發(fā)現(xiàn)碳煙的排放量隨著發(fā)動機負荷的增加而提高，且隨著正丁醚比例的增加而逐漸下降。這是因為負荷越高，燃料的擴散燃燒時間越長，富燃料區(qū)更多，有助于碳煙的生成。與柴油相比，混合燃料中含有一定的氧，有助于減少缸內(nèi)富燃料區(qū)域并且氧化碳煙，因此碳煙的生成相對較少。隨著正丁醚摻混比例的增加，NOx與碳煙排放量都表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，表明其對排放有較好的改善作用。

圖5 不同負荷工況下排放對比

2.2 變EGR 工況下的燃燒與排放特性

圖6 對比了柴油和體積分數(shù)為20%、40% 正丁醚/柴油混合燃料在0%、15%、30% EGR 率下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線。IMEP、轉(zhuǎn)速及噴油正時分別固定在0.55 MPa、1 400 r/min 和-5°。隨著EGR率的增加，3 種燃料的壓力上升時刻逐漸推遲，且峰值壓力逐漸減小。這是因為EGR 將部分廢氣引入氣缸內(nèi)，其中包含大量二氧化碳等雙原子氣體，大幅增加了缸內(nèi)氣體的比熱容，降低了缸內(nèi)溫度，減緩了燃燒過程。相較于純柴油，添加正丁醚后缸內(nèi)壓力提前上升的現(xiàn)象隨著EGR 率的增加更加明顯，說明正丁醚較高的十六烷值有助于壓燃式發(fā)動機在稀薄氧氣工況條件下的正常燃燒。從放熱率曲線上可以發(fā)現(xiàn)，EGR 率的增加會使得放熱量釋放時刻推后并且放熱過程逐漸趨向于單級放熱。這是因為EGR 抑制了燃料的自著火傾向，從而延長了油氣混合時間，因此預(yù)混燃燒比例增加，第一階段放熱率峰值逐漸提高，第二階段放熱也相應(yīng)弱化。從圖6（c）中可以看出，在30% EGR 率工況下，正丁醚體積分數(shù)為40% 的混合燃料的放熱時刻更早，且放熱過程更加迅速。

圖6 不同EGR 工況下缸內(nèi)壓力與放熱率曲線對比

圖7 中對比了不同EGR 率下3 種燃料的著火延遲時間、燃燒持續(xù)期及CA50。從著火延遲對比圖中可以發(fā)現(xiàn)，幾種燃料的著火延遲時間隨著EGR 率的增加而提高，并隨正丁醚比例的增加而減小。這主要是由于缸內(nèi)溫度逐漸降低，抑制了燃料的化學(xué)反應(yīng)。與柴油相比，添加正丁醚后燃料的著火延遲時間更短，這也再次印證了其較高的十六烷值和較強的自著火傾向。燃燒持續(xù)期隨EGR 的變化規(guī)律與ID 類似，且摻混40% 體積分數(shù)正丁醚的燃料表現(xiàn)出了最短的CD。當EGR 率從0% 增長至30% 時，幾種燃料的燃燒持續(xù)期差別逐漸縮小，說明EGR 對燃燒過程有較大的影響。相比于純柴油，正丁醚的添加加快了燃料燃燒速率，使得CA50 逐漸提前，但在大EGR比例下三者之間的差別并不明顯。

圖7 不同EGR 率工況下燃燒時間尺度對比

圖8 顯示了3 種燃料在不同EGR 率工況下的指示熱效率。隨著EGR 率的提高，缸內(nèi)燃燒溫度降低且氧氣濃度下降，燃燒過程減緩，因此指示熱效率逐漸降低，且高比例正丁醚摻混燃料的指示熱效率高于柴油。高EGR 率延長了燃料的著火延遲時間，使得預(yù)混燃燒比例與第一階段放熱率都提高；在高轉(zhuǎn)速條件下，燃料在缸內(nèi)停留時間較短，此時正丁醚體積分數(shù)為40% 的混合燃料較短的燃燒持續(xù)期與較快的燃燒速率使得上止點后的放熱過程更加快速，即燃燒等容度更高，有利于提高熱功轉(zhuǎn)換效率。

圖8 不同EGR 率工況下燃料指示熱效率對比

圖9 展示了不同EGR 率下柴油和正丁醚/柴油摻混燃料的NOx與碳煙排放對比。從圖9（a）中可以看出，NOx排放隨EGR 率的增加而減小。這是因為較高的EGR 率顯著降低了缸內(nèi)燃燒溫度，從而抑制了NOx的生成。與柴油相比，含有正丁醚的混合燃料的NOx排放更低，但隨著EGR 的增加兩者之間的差別逐漸減小，表明EGR 對于NOx生成有十分顯著的影響。從圖9（b）中可以發(fā)現(xiàn)隨著EGR 率的增加，3 種燃料的碳煙排放都呈現(xiàn)上升趨勢，但混合燃料的碳煙排放數(shù)值相對純柴油更低。與純柴油相比，添加正丁醚后燃料的燃燒性能更好，利于充分燃燒，且含氧燃料的添加補充了部分氧原子，有助于碳煙顆粒物的氧化，因此正丁醚混合燃料的碳煙排放更低。綜上可以發(fā)現(xiàn)，正丁醚的添加有利于同時降低尾氣中的NOx和碳煙排放，即改善NOx排放和碳煙排放之間的權(quán)衡關(guān)系。

圖9 不同EGR 率工況下排放對比

2.3 變噴油正時工況下的燃燒與排放特性

圖10 對比了柴油與體積分數(shù)為20%、40% 正丁醚/柴油混合燃料在-15～-5°噴油正時工況下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線。試驗過程中EGR 閥門關(guān)閉，IMEP 和轉(zhuǎn)速分別固定為0.55 MPa 和1 400 r/min。如圖10 所示，缸內(nèi)峰值壓力隨著噴油正時的滯后而逐漸降低，在較晚噴油正時的工況下添加正丁醚使得壓力上升時刻提前的現(xiàn)象更加明顯。隨著噴油正時的推遲，第一階段放熱率逐漸下降，放熱波動更大，且放熱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮呻A段放熱。相比于柴油，正丁醚的添加使得第一階段放熱率下降，而第二階段放熱率峰值增大且速率加快。

圖10 不同噴油正時工況下缸內(nèi)壓力與放熱率曲線對比

圖11 比較了3 種燃料的著火延遲時間、燃燒持續(xù)期及CA50。3 種燃料的著火延遲時間隨著噴油正時的推遲變化規(guī)律不明顯，CD 隨著噴油正時的推遲有所升高，而CA50 逐漸推遲。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，體積分數(shù)為40% 正丁醚/柴油混合燃料具有最短的著火延遲時間、燃燒持續(xù)期及最早的CA50，并且摻混40% 體積分數(shù)正丁醚/柴油混合燃料的CD 在所有噴油正時工況下遠小于其他兩組燃料，說明了其更快的燃燒速率與更小的擴散燃燒比例。

圖11 不同燃料在不同噴油正時下的燃燒時間尺度對比

圖12 對比了3 種燃料在變噴油正時工況下的指示熱效率。隨著噴油時間的推遲，3 種燃料的指示熱效率呈現(xiàn)出下降的趨勢，表明燃燒逐漸惡化。相比于其他兩種燃料，高比例正丁醚/柴油混合燃料在上止點前燃料燃燒釋放導(dǎo)致的能量損失更少，因此在所有工況下都表現(xiàn)出了最高的指示熱效率。

圖12 不同噴油正時下燃料指示熱效率對比

圖13 為3 種燃料在變噴油正時工況下的NOx與碳煙排放對比。如圖13（b）所示，NOx排放隨著噴油時刻的推遲而降低。這是因為噴油正時的延遲會減少預(yù)混燃燒比例，從而降低缸內(nèi)燃燒溫度，減少了NOx的生成，因此推遲噴油能夠有效降低柴油機的NOx排放。與純柴油相比，正丁醚的添加會使得NOx排放逐漸降低。對于碳煙排放，隨著噴油時刻的推遲，3 種燃料的碳煙排放逐漸增加。這是因為推遲噴油后燃料的燃燒持續(xù)期延長，擴散燃燒時間更久；此外，較晚噴油會導(dǎo)致燃料在完全霧化、充分混合之前著火，產(chǎn)生部分氧化的燃料分子，導(dǎo)致碳煙排放增加。40% 正丁醚/柴油混合燃料的碳煙排放在所有噴油正時工況下都最小，說明了正丁醚的添加有助于抑制燃燒過程中碳煙的生成。

圖13 不同噴油正時下燃料排放對比

2.4 NOx—PM—ITE 指示熱效率關(guān)系圖

基于試驗所得的排放與熱效率數(shù)據(jù)，整理得出了3 種燃料的NOx排放—PM 排放—指示熱效率（identified thermal efficency，ITE）權(quán)衡關(guān)系圖，如圖14 所示。從圖14 中可以發(fā)現(xiàn)，添加正丁醚后，NOx—PM 排放曲線逐漸向原點方向靠近，表明這兩種排放物之間此消彼長的矛盾關(guān)系得到了有效緩和。NOx和PM 作為柴油機的兩種主要污染物，有著相反的生成傾向。NOx更易在高溫富氧的環(huán)境下形成，而PM更傾向在貧氧或燃燒不充分的情況下生成。EGR 率的增大雖然有助于減少NOx的生成，但PM 生成量會顯著上升。添加正丁醚后，污染物中NOx和PM都低于純柴油，并且隨著正丁醚比例的增加而逐漸下降。通過對比指示熱效率可以發(fā)現(xiàn)，添加大比例正丁醚使得NOx排放—指示熱效率曲線逐漸偏向左上角方向，說明缸內(nèi)燃燒在保持高效率的同時降低了NOx的生成，使得燃燒過程更加清潔高效。這說明將EGR、噴油策略、正丁醚摻混等手段相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機的缸內(nèi)高效清潔燃燒。

圖14 不同工況下3 種燃料的NOx-PM-指示熱效率關(guān)系

3 結(jié)論

（1）柴油添加正丁醚后壓力上升時刻提前，峰值壓力略微增高。與純柴油相比，混合燃料的放熱更早且更快，第一階段放熱率峰值更低。在大EGR 率工況下，放熱率曲線呈現(xiàn)出單峰放熱特點。

（2）正丁醚的十六烷值高于柴油，在柴油摻混正丁醚有助于改善燃料的自燃特性。相比于純柴油，大比例正丁醚的添加使得著火延遲時間與燃燒持續(xù)期縮短，CA50 提前，燃料燃燒速率更快。

（3）添加大比例正丁醚有利于加快燃料燃燒速率，縮短放熱過程，提高燃燒等容度，使得指示熱效率高于純柴油。

（4）隨著正丁醚比例的增加，尾氣中NOx與碳煙的排放都逐漸下降。將摻混正丁醚、大EGR 率、推遲噴油三者相結(jié)合可以有效控制燃燒過程中NOx的生成，同時降低顆粒物的生成。相比純柴油，添加正丁醚可緩解NOx排放與碳煙排放之間的權(quán)衡關(guān)系。