中圖分類號：TK421.2 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）03-0046-08

當前，為應對日益嚴重的環(huán)境污染和能源危機，各國頒布了更為嚴格的排放法規(guī)，并大力推廣各種節(jié)能措施，其中可再生的含氧燃料成為了國際研究熱點。生物柴油是一種優(yōu)質(zhì)含氧替代燃料，發(fā)展?jié)摿薮?，但其存在黏度高、噴霧特性較差等缺陷，在發(fā)動機應用中易導致噴油器堵塞、燃燒室積碳等問題。同時，其生產(chǎn)工藝復雜且原材料收集困難，這些因素都限制了生物柴油的廣泛應用。因此，需通過摻混其他燃料的方法進一步改善其性能。

異丙醇 （C₃H₈O） 是一種可通過丙酮加氫法或利用藍藻、大腸桿菌生產(chǎn)的第二代生物質(zhì)燃料，相比于甲醇、乙醇，其十六烷值（CN）和熱值更高，且腐蝕性與汽化潛熱更低[1-2]。摻混異丙醇可以降低生物柴油的黏度，改善其噴霧性能，并延長滯燃期以提高放熱率峰值[3-5]。A.RIMKUS等[6]發(fā)現(xiàn)，在柴油機的中低負荷下，使用柴油-菜籽油生物柴油-異丙醇混合燃料能有效降低碳煙排放，但會使燃油消耗率、HC和 NO_x 排放增加，有效熱效率（BTE）略有下降。J.MOHANRAJ等發(fā)現(xiàn)，在柴油-生物柴油混合燃料中加入 20% 丙醇后，低負荷下其BTE降低，高負荷下碳煙和CO排放分別減少 28% 和 24% 但HC和 NO_x 排放有所上升。由此可見，生物柴油摻混異丙醇后其黏度和碳排放能得到有效改善，但會導致 NO_x 排放增加、中低負荷熱效率下降。

近年來，國際上常采用十六烷值改進劑以提升燃料的著火性能，降低廢氣排放。其中，2-乙基己基硝酸酯（2-EHN）因其較高的性價比而被廣泛使用。在國VI柴油中添加 1% 的2-EHN能使其CN提升8.6^[8] 。黃曉冬[9的研究發(fā)現(xiàn)，在小比例廢氣再循環(huán)（EGR）工況下，添加 0.5% 的2-EHN能使正戊醇-柴油混合燃料的熱效率提高 1.25% ，除碳煙外的常規(guī)排放物顯著減少。此外，在醇類-生物柴油混合燃料中加入少量2-EHN，能有效縮短滯燃期，提高缸壓峰值，并小幅降低煙度、 NO_x 和CO排放[10-11]

然而，目前關于在生物柴油中同時添加異丙醇和2-EHN以改進其性能的研究較為缺乏。因此，本研究探究不同負荷與EGR率下該混合燃料應用的最佳配比，以實現(xiàn)更優(yōu)異的燃燒和排放性能，以期為減輕化石燃料依賴、降低碳排放及緩解溫室效應提供參考。

1試驗裝置與方法

1.1 試驗設備

試驗采用一臺配備電控直噴高壓共軌系統(tǒng)的四缸、四沖程渦輪增壓水冷柴油機，其型號為YC4FA115-40，技術參數(shù)見表1，臺架裝置示意見圖1，測試設備及型號見表2。 NO_x . co 和HC排放采用尾氣分析儀測量，碳煙則采用不透光煙度計測量，4種排放物測量精度分別為 1×10^-6，0.01%，1×10^-6 和 0.01m^-1 。

1.2 試驗燃料

試驗以大豆生物柴油（B100）為主要燃料，按質(zhì)量分數(shù)分別加入 20% 和 30% 的異丙醇（I，并加入1% 的2-EHN（E），配制出三元混合燃料BI20E1和BI30E1 。生物柴油、異丙醇和2-EHN的理化性質(zhì)見表3[2，12-14]

1.3 試驗方案

中速代表了汽車發(fā)動機典型道路的負荷條件，該工況下，生物柴油摻混異丙醇-EHN對性能和排放的影響將更顯著。故設置試驗轉(zhuǎn)速為1 500r/min ，噴油起始角為 7.5^°BTDC ，對三種燃料分別進行平均有效壓力為 0.13～0.88MPa（10%～ 70% 的負荷特性試驗，及 0.63MPa 下的變EGR率試驗，以探究各燃料的燃燒與排放特性并確定最佳摻混比。所有試驗均在相同大氣環(huán)境下進行，冷卻液和潤滑油溫度控制在（ 85±2 ） C ，進氣溫度為（204號 。

2變負荷下混合燃料的燃燒排放特性

2.1不同負荷下的燃燒特性

如圖2所示，在 0.13MPa 小負荷工況下，異丙醇低CN和高汽化潛熱特性對燃燒過程影響較大，導致混合燃料的著火時刻和燃燒重心推遲。由于滯燃期較長，異丙醇的蒸發(fā)霧化性能較好，使得預混燃燒階段的可燃混合氣增加，放熱更為急劇，故缸內(nèi)壓力和放熱率峰值上升。當負荷為 0.38～0.63 MPa時，三種燃料的著火延遲相近，但隨摻醇比升高，霧化進一步改善，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增加，BI30E1的放熱過程更迅速且集中，其缸壓水平最高。在 0.88MPa 高負荷下，缸內(nèi)溫度較高，燃油蒸發(fā)加快，但BIE燃料的著火時刻和整體燃燒相位略微滯后，放熱更平緩，隨摻混比升高，燃燒性能逐漸惡化。此時BI2OE1放熱規(guī)律優(yōu)于BI30E1，表明BIE燃料動力性并非隨負荷改變而呈單一變化趨勢。

圖3中，低負荷下BIE燃料由于受異丙醇較高汽化潛熱值和低十六烷值影響，自燃性能惡化，滯燃期延長。當負荷為 0.38～0.63MPa 時，BIE燃料滯燃期與B1OO接近甚至更短。這是因為EHN能在著火前受熱迅速分解釋放大量自由基，且BIE中的低黏度異丙醇顯著改善了燃料蒸發(fā)霧化性能。在0.88MPa 高負荷下，噴射壓力和燃油溫度提高加劇了液滴破碎程度，燃油黏度下降[15]，滯燃期進一步縮短。而對EHN的機理研究表明[16]，其只在700K以下的溫度中具有較好的自燃性能增強作用，隨溫度上升，該作用反而減弱。這可能是導致BIE在高負荷下的滯燃期無法進一步縮短，甚至著火速度慢于B100的原因。此外，負荷大于0.38MPa 時，不同比例BIE燃料的滯燃期相等，表明此時EHN對燃料的自燃起主導作用。而高負荷下BI30E1燃燒性能較差，需進一步優(yōu)化燃料配比，適當延長滯燃期以改善其燃燒性能。

隨負荷增大，缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力上升，燃燒持續(xù)期縮短。由于BI30E1的含醇量高，霧化更好，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增加，預混燃燒放熱加劇，擴散燃燒占比更小，故其燃燒持續(xù)期比BI20E1略短。在 0.63MPa 負荷下，由于噴油量增加，滯燃期進一步縮短，導致BI20E1能形成的預混合氣減少，放熱速率在三種燃料中最為緩慢，不利于缸內(nèi)溫度提升和燃燒反應的進行，所以燃燒持續(xù)期反而延長。此外，為補償?shù)蜔嶂祹淼墓β蕮p失，同負荷下BIE燃料的噴油量增加，導致其燃燒持續(xù)期始終高于B100。

由于燃料熱值存在差異，故將混合燃料的燃油消耗率折算成能量等值的生物柴油消耗率，即當量燃油消耗率。其公式為

式中： b_x 為當量燃油消耗率； H_x 為混合燃料的低熱值； H_u 為生物柴油低熱值； b_BSFC 為混合燃料的有效

燃油消耗率。

因為混合燃料汽化潛熱高，滯燃期和燃燒持續(xù)期較長，燃燒重心滯后，加之異丙醇和EHN熱值較低，相同功率下需要的燃油量更多，因此BTE降低，油耗比B100更高。該現(xiàn)象在低負荷下尤為明顯：BI30E1的BTE相比B10O下降了 30.5%，b_x 上升53.3% 。但隨負荷增加，混合燃料與B100的經(jīng)濟性差距明顯縮小，當負荷大于 0.38MPa 時，三種燃料的BTE與 b_x 非常接近（見圖4）。

2.2 不同負荷下的排放特性

不同負荷下燃用三種燃料的排放特性見圖5。柴油機排放物主要由油氣混合不均勻?qū)е隆５拓摵上聡娪土可?，燃燒效率低且反應不完全，同時燃油蒸發(fā)霧化差，低溫缸壁面易出現(xiàn)由未燃混合氣形成的較厚淬熄層，導致B1OO的碳排放增加。而BIE燃料中的EHN增強了低負荷下的自燃性能，且低沸點和低黏度特性改善了蒸發(fā)霧化效果，減少了過稀薄區(qū)域，抑制了較厚淬熄層的形成，故其碳排放更低。

中負荷下，缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力上升促進了燃油霧化和CO氧化，燃燒反應進行更完全，B100的CO和HC排放持續(xù)下降。然而，EHN縮短了滯燃期，使缸內(nèi)溫度降低，導致擴散燃燒區(qū)內(nèi)混合氣不均勻程度增加，對CO和HC生成貢獻較大[12]。同時，BIE較好的蒸發(fā)性使其易受狹隙效應影響，綜合作用下HC排放上升，但其高含氧量在一定程度上抑制了CO排放。當負荷過大時，滯燃期縮短且噴油量增加，局部區(qū)域混合氣過濃導致缺氧，B100的CO和HC排放反而上升[17]。加入異丙醇能減小燃料中的碳氫比，從根源上減少碳排放，同時改善局部缺氧現(xiàn)象，促進了CO的氧化[18]。BI20E1的燃燒規(guī)律與B100相近，且較好的霧化性能在大噴油量下減少了濃混合氣區(qū)域，因此，HC排放最低。

BI30E1則因為異丙醇含量較高，導致高負荷下放熱過于滯后、燃燒惡化，HC排放略微增加。

NO_x 排放易在高溫、富氧和較長反應時間條件下產(chǎn)生。由圖5可知，不同負荷下，相比B100，燃用BIE的 NO_x 排放平均值分別減少了 33%，65.6% .48.7% 和 40% 。這是因為 2-EHN（C₈H₁₇NO₃） 能在750K 溫度下熱解生成 NO₂ 和3-庚基基團，大量庚基自由基縮短了著火延遲期和預混燃燒階段，使燃燒重心遠離上止點，同時，BIE燃料汽化潛熱高且熱值較低，良好的霧化能使油氣分布更加均勻，共同降低了燃燒溫度[19]，減少了局部高溫區(qū)域。此外，熱解生成的 NO₂ 在富烴環(huán)境中參與烴的氧化并生成O₂ 和 N₂ ，不會導致 NO_x 排放額外增加[14]。由此可見，BIE燃料具有顯著降低生物柴油 NO_x 排放的能力，且在中等負荷下效果最為顯著。

碳煙的生成與許多因素有關：混合燃料的良好霧化可以減少極濃混合氣區(qū)域，同時高含氧量能消耗 C₃H₃ 等能生成碳煙前驅(qū)體的主要物質(zhì)，使其轉(zhuǎn)化為不參與苯生成反應的碳氧化物[20；異丙醇中的羥基自由基能有效促進碳煙中間產(chǎn)物多環(huán)芳香烴的氧化，從而抑制碳煙顆粒的生成[21]；此外，EHN的降溫作用使缸內(nèi)溫度脫離了 1 600～2 200K 的高溫干碳煙生成區(qū)間。因此，在多因素協(xié)同作用下，BIE燃料的碳煙生成量始終保持較低水平。

3變EGR率下混合燃料的燃燒排放特性

3.1不同EGR率下的燃燒特性

為了進一步減少 NO_x 排放，探究BIE燃料在小比例EGR下的使用性能，在轉(zhuǎn)速 050% 負荷下進行變EGR率試驗。EGR率由進排氣中 CO₂ 體積分數(shù)之比確定。試驗中，EGR閥門開度設為 10% ， 20% ， 30% ，分別對應的EGR率為4%，8%，12% 。

如圖6所示，采用 4%EGR 率后，中等負荷下燃燒性能最佳的燃料由BI30E1變成BI20E1。隨EGR率增大，氧氣濃度下降， CO₂ 和 H₂O 等成分的增加導致工質(zhì)比熱容上升，缸內(nèi)最大壓力和燃燒溫度降低。在 8%EGR 率下，BI30E1表現(xiàn)最優(yōu)，其較高的含氧量減輕了廢氣量增加對燃燒性能的負面影響。但在 12% EGR率下，B100，BI20E1，BI30E1三種燃料缸壓峰值相比無EGR時分別下降0.4，0.5，0.75MPa 。這說明BIE燃料對小比例EGR率的敏感度比B10O更低，但不宜采用較高的EGR率。

高溫廢氣與新鮮充量混合提升了初始溫度，使B10O的滯燃期縮短。隨EGR率上升，BIE燃料因燃燒溫度進一步降低，其滯燃期受影響更大，呈現(xiàn)上升趨勢（見圖7）。此外，EGR率增大會導致燃燒始點滯后，主要燃燒過程發(fā)生在活塞下行階段，燃燒面積擴大、燃燒速度減緩、燃燒溫度降低，因此，燃燒持續(xù)期普遍延長。更高的異丙醇比例有利于燃料的蒸發(fā)霧化和燃燒反應的進行，因此，BI30E1的燃燒持續(xù)期較BI20E1更短。

由圖8可知，隨廢氣量的增加，燃燒惡化，導致BTE下降和 b_?x 上升，尤其是B100燃料更為明顯，其熱效率在 12%EGR 率下最大下降了 1.84% 。值得注意的是，加入EGR后，BI2OE1由于其良好霧化與高含氧量，減弱了缸內(nèi)當量比過大帶來的影響，依舊保持了較好的燃燒放熱規(guī)律，因此，其 b_x 與BTE最佳，在小比例EGR率下，BIE燃料經(jīng)濟性優(yōu)于B100。

3.2不同EGR率下的排放特性

如圖9所示，隨EGR率上升，BIE燃料的CO排放仍保持在較低水平。滯燃期適當延長有利于油氣充分混合，從而增加燃燒定容度，使燃燒反應更完全，此外，加入的廢氣也使得部分較稀薄區(qū)域的當量比上升，故BIE燃料的HC排放持續(xù)下降。采用4%EGR 率后，由于滯燃期延長，BI30E1燃料的放熱更為迅速集中，燃燒持續(xù)期縮短，燃燒過程更為完善，其未燃HC量顯著減少，而BI20E1的滯燃期和HC排放變化不大，這表明其可能對小比例EGR并不敏感。B100的高燃燒溫度導致排氣溫度較高，有利于提高初始缸內(nèi)溫度并促進燃燒[22]，小比例EGR下，燃油蒸發(fā)霧化加快，故HC排放下降；而當EGR率超過 8% ，B100因廢氣影響導致燃燒惡化程度加大，HC排放增加?？梢姡m當采用EGR可以提升BIE燃料的燃燒效率，進一步降低中等負荷下的碳排放。

由圖10可知，廢氣增加使得氧氣含量減少，同時工質(zhì)比熱容增加，導致缸內(nèi)溫度降低， NO_x 排放隨EGR率上升而下降。在 4%EGR 率下，B100的NO_x 排放相比無EGR降幅達 25.6% ，而其余兩種燃料的降幅分別為 6.7% 和 13.6% 。這一結果側(cè)面反映了BI20E1的燃燒在小比例EGR下受到的影響更小，與圖6a中展現(xiàn)出的燃燒性能一致。在12%EGR 率下，三種燃料的 NO_x 排放相比無EGR降幅均超過 75% ，而 8%EGR 率下該值約為 53% ，且BIE燃料降低 NO_x 排放的效率較高。EGR率上升后，BIE的 NO_x 排放依舊顯著低于生物柴油。

隨EGR率上升，缸內(nèi)整體空燃比下降，同時生物柴油的油氣混合不均勻，導致局部較濃混合氣區(qū)域增多，容易產(chǎn)生大量干碳煙。但異丙醇的高含氧和良好霧化性能促進了碳煙的氧化，使混合氣分布更為均勻，減少了較低過量空氣系數(shù)區(qū)域的形成，因此，BIE的碳煙排放受EGR的影響比B1OO更小。

4結論

a）在生物柴油中摻混異丙醇和EHN，總體上能提高缸內(nèi)壓力和放熱率峰值，改善霧化性能并增加預混合氣，有效抑制常規(guī)排放物尤其是 NO_x 的生成，但混合燃料的CN值與熱值低等缺陷會導致低負荷下經(jīng)濟性能與高負荷下燃燒性能明顯下降；b）BIE燃料對小比例EGR的敏感度較低，BI30E1的經(jīng)濟性幾乎不受EGR影響；加入EGR后，相比B10O，BIE燃料各排放物與燃油消耗率更低，熱效率更高；c）BIE20E1是適用工況更全面，性能更穩(wěn)定的替代燃料，在 8% 以下的EGR率時，降低 NO_x 排放的效率最高且燃燒性能下降較??；d）在不同工況下，不同配比BIE燃料間的燃燒性能、 NO_x 排放性能等優(yōu)劣交替變化，表明燃料比例與燃燒排放特性之間存在復雜關系，需要進一步優(yōu)化配比，研究異丙醇與2-EHN在燃燒動力學之間相互作用的潛在機制，使BIE燃料成為性能更優(yōu)的清潔能源。

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Abstract：Inordertomitigate thegreenhouseefectandreducefosilenergyconsumption，fromtheperspectiveofimproving thecombustionperformanceof biodiesel，bench tests wereconducted tostudythecombustionand emissionperformanceof biodiesel-isopropylalcohol-2-EHNblends withvaryingloadsandEGRratesonadieselengine.Theresultsindicatedthatiso propylalcoholand2-EHNaditioncouldefectivelyimprovetheatomizationandincreasethecombustiblemixtureduring the ignitiondelayperiod.Thecylinderpressureandheatreleasepeakofblendsincreasedatlowandmediumloads，and theemissions of CO，HC，soot and NO_x significantly reduced.At low load，the brake specific fuel consumption of blends was higher， and the brake thermal efficiency decreased by approximately 5% ，whereas the gap of economy performance between blends and biodiesel obviously shortened with load increase.In addition，applying EGR rates below 8% facilitated low-temperature combustion of the blends，which efficiently suppressed NO_x formation while maintaining superior power output and fuel economy relative to pure biodiesel.

Key Words：diesel engine;biodiesel;isopropyl alcohol;blended fuel;combustion;emission

[編輯：袁曉燕]