摘要：為研究正丁醇對(duì)甲苯的稀釋作用及正丁醇中的氧對(duì)尾氣中粒子數(shù)量（particle number，PN）的影響，以正庚烷/甲苯/正丁醇為燃料，利用擴(kuò)散充電式顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)量自然對(duì)流擴(kuò)散火焰中的PN，分析無(wú)正丁醇時(shí)二元燃料中甲苯體積分?jǐn)?shù)對(duì)粒子數(shù)密度的影響，評(píng)估稀釋作用對(duì)PN的影響；保持正庚烷和甲苯的體積比為83/17，分析添加正丁醇時(shí)三元燃料產(chǎn)生的粒子數(shù)密度，通過(guò)三元燃料與二元燃粒產(chǎn)生的粒子數(shù)密度的差評(píng)估氧的作用對(duì)PN的影響。結(jié)果表明：稀釋效應(yīng)對(duì)減少PN的作用更大；當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)大于6%時(shí)，燃料中的氧開(kāi)始促進(jìn)顆粒的氧化，當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)為13%時(shí)，燃料氧促進(jìn)顆粒氧化的效果最大。

關(guān)鍵詞：正丁醇；PN；擴(kuò)散火焰

中圖分類號(hào)：TK407.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2025）01-0075-05

引用格式：張克松，丁文浩，崔福興.擴(kuò)散火焰中丁醇對(duì)排放中粒子數(shù)量的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2025，42（1）：75-79.

ZHANG Kesong，DING Wenhao，CUI Fuxing. Effect of butanol on the particle number emission in diffusion flame［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2025，42（1）：75-79.

0 引言

含氧燃料比傳統(tǒng)化石燃料產(chǎn)生的污染物更少，酒精、乙醚、醇、酯等可作為汽、柴油中的含氧添加劑。Zhang等^[1]分析了不同含氧燃料在定容燃燒彈中的噴霧和燃燒性能，結(jié)果表明，醇在噴霧、霧化和燃燒方面性能最好，其中正丁醇是最佳醇燃料。

近年來(lái)，正丁醇的燃燒性能和顆粒物排放特性吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。一般認(rèn)為，正丁醇中的氧有利于顆粒物的氧化，降低顆粒物排放^[2-4]。在不同燃燒裝置上開(kāi)展的研究同樣表明，正丁醇可以降低顆粒物排放^[5-8]。但也有少量研究發(fā)現(xiàn)與之相反的情況。Camacho等^[9]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)丁醇火焰比丁烷火焰成核時(shí)間更早，顆粒物體積分?jǐn)?shù)更高。Ghiassi等^[10]發(fā)現(xiàn)隨著燃料中正丁醇含量的增加，顆粒物氧化速率有所降低。同時(shí)，也有學(xué)者注意到丁醇對(duì)顆粒物排放的作用不僅限于其中的氧，燃料中的芳香烴會(huì)增加顆粒物排放。Liu等^[11-12]通過(guò)試驗(yàn)研究，認(rèn)為正丁醇降低顆粒物排放主要機(jī)理是燃料中的芳香烴被稀釋。

燃燒過(guò)程中，含氧燃料中的芳香烴等不飽和化合物被正丁醇稀釋，同時(shí)額外的氧也被正丁醇帶入火焰中，兩方面的因素都影響顆粒物排放，目前尚無(wú)對(duì)這兩個(gè)因素的研究分析，因此有必要對(duì)這兩個(gè)因素開(kāi)展定量研究。

1 試驗(yàn)方法和材料

傳統(tǒng)上采用稱質(zhì)量法或光學(xué)法測(cè)量顆粒物，存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、操作不便等缺點(diǎn)。近年來(lái)，為了適應(yīng)車輛實(shí)際行駛排放測(cè)量的要求，擴(kuò)散充電式（diffusion charging，DC）顆粒計(jì)數(shù)器因具有使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用。Ntziachristos等^[13]的研究表明，DC計(jì)數(shù)器的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和可靠性均較為理想。因此本研究中使用Pegasor PPS型DC計(jì)數(shù)器測(cè)量燃燒產(chǎn)物中的粒子數(shù)量（particle number，PN）。試驗(yàn)中，采樣頻率為10 Hz，連續(xù)記錄300 s的數(shù)據(jù)并取其平均值作為PN結(jié)果。

擴(kuò)散火焰容易生成顆粒物。Botero等^[14]研究表明，自然對(duì)流擴(kuò)散火焰易于控制，干擾因素少，是測(cè)量顆粒物的理想對(duì)象。本文中使用煤油煙點(diǎn)測(cè)定儀獲得自由對(duì)流擴(kuò)散火焰，燃料罐中的液體通過(guò)燈芯進(jìn)入燃燒室，空氣由燃燒室底部小孔進(jìn)入，在燃燒室內(nèi)形成擴(kuò)散火焰，廢氣自燃燒室頂部進(jìn)入排氣管道，DC計(jì)數(shù)器安裝在排氣管道上，空壓機(jī)為DC計(jì)數(shù)器提供清潔的壓縮空氣，測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)保存。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

作為一種常見(jiàn)的芳香烴，甲苯揮發(fā)性較好，適宜用作擴(kuò)散燃燒的燃料。研究甲苯被正丁醇稀釋對(duì)顆粒物排放的影響時(shí)，應(yīng)設(shè)法排除正丁醇中氧的干擾。正丁醇在自然對(duì)流擴(kuò)散火焰中產(chǎn)生的顆粒極低，若選擇一種類似性質(zhì)的不含氧燃料代替正丁醇稀釋甲苯，可以實(shí)現(xiàn)上述目的。Botero等^[14]研究發(fā)現(xiàn)，正庚烷在自然對(duì)流擴(kuò)散火焰中燃燒產(chǎn)生的顆粒物可以忽略，因而可以作為正丁醇的替代品，研究其對(duì)甲苯的稀釋作用對(duì)顆粒物排放的影響。

測(cè)量不同比例的正庚烷/甲苯二元燃料燃燒排放中的PN，可以定量研究燃料中甲苯體積分?jǐn)?shù)對(duì)顆粒物排放的影響，從而評(píng)估稀釋作用對(duì)顆粒物減排的作用；對(duì)比添加正丁醇后的正丁醇/正庚烷/甲苯三元燃料燃燒排放的PN，得到包含稀釋作用和燃料中的氧作用的總體減排效果，可單獨(dú)評(píng)估燃料中氧對(duì)PN的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 甲苯體積分?jǐn)?shù)對(duì)PN的影響

正庚烷/甲苯二元燃料燃燒排放的粒子數(shù)密度（單位體積PN）如圖2所示。由圖2可知：當(dāng)甲苯體積分?jǐn)?shù)小于14%時(shí)，粒子數(shù)密度接近于零，忽略不計(jì)；甲苯體積分?jǐn)?shù)大于14%時(shí)，粒子數(shù)密度迅速增加。采用普通市售柴油進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)甲苯體積分?jǐn)?shù)為17%、正庚烷體積分?jǐn)?shù)為83%的二元燃料燃燒產(chǎn)生的粒子數(shù)密度與柴油相同，約為60×10⁶cm^-3。因此，當(dāng)甲苯體積分?jǐn)?shù)為14%～18%時(shí)，對(duì)甲苯體積分?jǐn)?shù)x與粒子數(shù)密度y進(jìn)行擬合，得到兩者關(guān)系為y=24.19x+342.93，利用該式可以估計(jì)甲苯稀釋后燃燒排放的粒子數(shù)密度。

2.2 稀釋效應(yīng)和燃料中的氧對(duì)PN減排的作用

正丁醇稀釋作用對(duì)PN的影響比率

pdil=（nPN，ref－nPN，est）/（nPN，ref－nPN，mea）×100%，

式中：nPN，ref是甲苯體積分?jǐn)?shù)為17%、正庚烷體積分?jǐn)?shù)為83%的基準(zhǔn)二元燃料排放的粒子數(shù)密度，cm^-3；nPN，est是根據(jù)擬合方程和正丁醇/正庚烷/甲苯三元燃料中甲苯體積分?jǐn)?shù)計(jì)算得到的粒子數(shù)密度，cm^-3，代表稀釋作用；nPN，mea是實(shí)測(cè)三元燃料排放的粒子數(shù)密度，cm^-3，代表稀釋與燃料中氧的共同作用。

燃料中氧的作用對(duì)PN的影響比率

poxy=（nPN，est－nPN，mea）/（nPN，ref－nPN，mea）×100%。

三元燃料中甲苯/正庚烷的體積比固定為17/83。3種組分的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)、實(shí)測(cè)和估計(jì)的nPN、pdil、poxy如表1所示。根據(jù)表1繪制三元燃料的粒子數(shù)密度隨正丁醇體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖3所示，燃料中氧的作用比例隨正丁醇體積分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖4所示。

由表1和圖3、4可知：粒子數(shù)密度隨著燃料中正丁醇體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)高于13%時(shí)，粒子數(shù)密度在排氣中幾乎消失；當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)小于6%時(shí)，實(shí)測(cè)粒子數(shù)密度和估計(jì)粒子數(shù)密度非常接近，而當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)大于6%時(shí)，實(shí)測(cè)粒子數(shù)密度總是低于估計(jì)值，額外減排的粒子數(shù)密度來(lái)自于正丁醇帶入燃料中的氧的作用；燃料氧作用比例隨正丁醇體積分?jǐn)?shù)先升高后降低。

2.3 顆粒物排放機(jī)理分析

以上研究表明：對(duì)于正丁醇體積分?jǐn)?shù)中等（10.0%、13.3%）的三元燃料排放的nPN，稀釋效應(yīng)起主要作用，燃料中的氧起次要作用；當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)約為13.0%時(shí)，正丁醇中氧的作用比率最大，約為22.0%；對(duì)于正丁醇體積分?jǐn)?shù)較大（16.4%）的三元燃料，燃料中氧的作用極小，這是由于燃料中較少的甲苯使顆粒排放大大降低，不再需要燃料中的氧參與顆粒物的氧化；但當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)低于6.0%時(shí)，氧對(duì)減少PN的作用為負(fù)，正丁醇中的氧促進(jìn)了顆粒物形成。

解釋體積分?jǐn)?shù)低于6.0%時(shí)正丁醇中氧的作用為負(fù)的現(xiàn)象，需對(duì)燃料分子的詳細(xì)氧化過(guò)程進(jìn)行分析。燃料分子在擴(kuò)散火焰的高溫富油區(qū)裂解成小的活性物質(zhì)，正丁醇的裂解引入了活性氧或氧化性基團(tuán)。在富油區(qū)中，這些活性物質(zhì)既可能與較大的燃料分子反應(yīng)，也可能與較小的裂化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)。正丁醇體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，只有少量的活性成分出現(xiàn)，由于富油區(qū)內(nèi)燃料分子體積分?jǐn)?shù)很高，因此其與燃料分子之間的反應(yīng)是主要反應(yīng)。這些反應(yīng)促進(jìn)了燃料分子分解，形成不飽和烴，如乙烯和乙炔^[15-16]，然后聚合成多環(huán)芳烴。多環(huán)芳烴的生長(zhǎng)和凝聚正是顆粒物生成的主要原因^[17]。因此，正丁醇中的氧促進(jìn)了火焰中顆粒物的形成。隨著燃料中正丁醇體積分?jǐn)?shù)的增加，產(chǎn)生更多的氧化性基團(tuán)，其與小分子不飽和烴的反應(yīng)逐漸成為主流，多環(huán)芳烴的形成受到抑制，正丁醇中的氧表現(xiàn)出降低顆粒排放的效果。

3 結(jié)論

分析正丁醇作為添加劑對(duì)自然對(duì)流擴(kuò)散火焰中粒子數(shù)密度的影響。利用正庚烷/甲苯二元燃料研究甲苯稀釋對(duì)PN的影響，然后加入正丁醇，通過(guò)比較三元和二元燃料的PN排放數(shù)據(jù)，估算正丁醇中氧對(duì)PN的影響。

1）粒子數(shù)密度隨著燃料中正丁醇體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)高于13%時(shí)，粒子數(shù)密度約為0；當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)小于6%時(shí)，實(shí)測(cè)粒子數(shù)密度和估計(jì)粒子數(shù)密度非常接近，而當(dāng)正丁醇體積分?jǐn)?shù)大于6%時(shí)，實(shí)測(cè)粒子數(shù)密度總是低于估計(jì)值，額外減排的粒子數(shù)密度來(lái)自于正丁醇帶入燃料中的氧的作用。

2）當(dāng)正丁醇作為燃料添加劑時(shí)，甲苯稀釋對(duì)于減少PN起著決定性作用，特別是當(dāng)燃料中正丁醇體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)。

3）正丁醇中的氧對(duì)PN的影響取決于混合燃料中正丁醇的體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)燃料中正丁醇的體積分?jǐn)?shù)大于6%時(shí)，燃料中的氧具有減少PN的作用。

4）正丁醇體積分?jǐn)?shù)中等（13%左右）時(shí)，燃料中氧的作用比例最大，正丁醇體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，其燃料中氧減少PN的作用逐漸降低。

本研究的結(jié)果可以解釋為什么不同的研究對(duì)正丁醇效應(yīng)給出了不同的結(jié)論，有助于深化含氧燃料的相關(guān)研究，促進(jìn)清潔燃料的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] ZHANG P，SU Xin，YI C S，et al.Spray， atomization and combustion characteristics of oxygenated fuels in a constant volume bomb： a review[J].Journal of Traffic and Transactions Engineering（English Edition），2020，3：7.

[2] 計(jì)維斌，樓狄明.電噴汽油機(jī)燃用丁醇-汽油混合燃料超細(xì)顆粒排放特性[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014， 35（1）：20-25.

[3] 陳鵬，鄭尊清，劉海峰，等.正丁醇部分預(yù)混燃燒及其顆粒物排放特性試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2020， 38（6）：481-489.

[4] 韓偉強(qiáng)，盧耀，黃澤遠(yuǎn)，等.預(yù)混比和噴油定時(shí)對(duì)異丁醇/柴油RCCI燃燒與排放特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（9）：88-96.

[5] ZHU M M，SETYAWAN H，ZHANG Z Z，et al.Effect ofn-butanol addition on the burning rate and soot characteristics during combustion of single droplets of diesel-biodiesel blends[J].Fuel，2020，265：117020.

[6] RAULT T M，VISHWANATH R B，GLDER M L.Soot formation in turbulent swirl-stabilized spray flames in a model combustor fueled withn-butanol/Jet A-1 blends[J].Fuel，2020，287（4）：119452.

[7] NOUR M，SUN Z，CUI M， et al.Effect of flash boiling injection on combustion and PN emissions of DISI optical engine fueled with butanol isomers/TPRF blends[J].Proceedings of the Combustion Institute，2020，38（4）：5923-5931.

[8] YING Y Y，LIU D.Soot properties in ethylene inverse diffusion flames blended with different carbon chain length alcohols[J].Fuel，2020，287（113）：119520.

[9] CAMACHO J，LIEB S，WANG H.Evolution of size distribution of nascent soot inn-and i-butanol flames[J].Proceedings of the Combustion Institute，2013，34（1）：1853-1860.

[10] GHIASSI H，TOTH P，LIGHTY J S.Sooting behaviors ofn-butanol and n-dodecane blends[J].Combustion and Flame， 2014，161（3）：671-679.

[11] LIU F S，HUA Y，WU H，et al.Experimental and kinetic investigation on soot formation ofn-butanol-gasoline blends in laminar coflow diffusion flames[J].Fuel，2018，213：195-205.

[12] LIU H S，ZHANG P，LIU X L，et al.Laser diagnostics and chemical kinetic analysis of PAHs and soot in co-flow partially premixed flames using diesel surrogate and oxygenated additives ofn-butanol and DMF[J].Combustion and Flame，2018， 188：129-141.

[13] NTZIACHRISTOS L，SAMARAS Z.The potential of a partial-flow constant dilution ratio sampling system as a candidate for vehicle exhaust aerosol measurements[J].Journal of the Air amp; Waste Management Association，2010，60（10）：1223-36.

[14] BOTERO M L，MOSBACH S，KRAFT M.Sooting tendency and particle size distributions ofn-heptane/toluene mixtures burned in a wick-fed diffusion flame[J].Fuel，2016，169：111-119.

[15] ZHANG K S，LIANG Z，WANG J X，et al. Diesel diffusion flame simulation using reducedn-heptane oxidation mechanism[J].Applied Energy，2013，105：223-228.

[16] 應(yīng)遙遙.摻醇乙烯擴(kuò)散火焰碳煙顆粒的生成演化特性與調(diào)控研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2019.

[17] NOBILI A，CUOCI A，PEJPICHESTAKUL W， et al.Modeling soot particles as stable radicals： a chemical kinetic study on formation and oxidation：Part I：soot formation in ethylene laminar premixed and counterflow diffusion flames[J].Combustion and Flame，2022，243：112073.

Effect of butanol on the particle number emission in diffusion flame

ZHANG Kesong1， DING Wenhao2， CUI Fuxing3

1. School of Automotive Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China；

2. Shandong Qirui Energy Technology Co.， Ltd.， Jinan 250101， China；

3. State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250014， China

Abstract：To investigate the dilution effect of n-butanol on toluene and the influence of oxygen in n-butanol on particle number （PN）， using n-heptane/toluene/n-butanol as fuel， a diffusion charging particle counter is used to measure PN in a natural convection diffusion flame. Firstly， the effect of toluene volume fraction in binary fuel without n-butanol on PN is studied， and the effect of dilution on PN is evaluated;then maintain the volume ratio of n-heptane to toluene at 83/17， study the PN generated by ternary fuel adding n-butanol， and evaluate the effect of oxygen on PN by the difference in particle number density between the binary and ternary fuel. The results indicate that the dilution effect has a greater effect on reducing PN. When the volume fraction of n-butanol is greater than 6%， oxygen in the fuel begins to promote particle oxidation. When the volume fraction is 13%， the effect of fuel oxygen on promoting particle oxidation is the greatest.

Keywords：n-butanol; PN; diffusion flame

（責(zé)任編輯：臧發(fā)業(yè)）