1 前言

乙醇是以一些植物的根茎为原料，经过发酵蒸馏而成。我国作为一个农业大国，种植制作乙醇的原材料是可以再生资源，是我国多渠道组成能源结构的一种途径，是自给自足的一种能源形势，具有国家战略意义。乙醇和汽油的添加燃烧已经在一些省份进行了推广，得到广大用户的认可，但柴油能否和乙醇组合燃烧，是对载重车和长途车的一种挑战。燃料乙醇是可再生的、清洁的绿色能源之一。开展乙醇在柴油机上研究推广，对缓解我国燃料短缺具有重要的研究价值。

2 试验装置和测量结果分析

2.1试验装置

本研究在增压中冷柴油机上，采用柴油与乙醇配合燃烧的方式，取同一台发动机为研究对象，采用不同的燃烧模式。即在冷启动和低转速，采用纯柴油工作状态，记录排放数值；而在中高负荷时，在进气歧管中另外喷入乙醇，利用乙醇含氧量高特点，降低了进气的要求，在进气策略没有改变的前提下，进入氧含量增加，减少柴油喷入量。乙醇在喷入的过程中，由于汽化吸收热量，进而降低了进气温度，进气温度的降低有利于单位体积的气体的含氧量提高，也有利于充分燃烧 。进而达到减少NOx和碳烟的排放。用压燃的柴油点燃甲醇在燃烧室形成的混合气，实现均质燃烧模式。试验用发动机主要参数如表1所示。

表1柴油机主要技术参数

乙醇/柴油配合燃烧。在柴油发动机的进气歧管上安装低压喷嘴将乙醇喷入进气道，乙醇借助进气道高温蒸发形成均质的混合气，在进气冲程中被吸入气缸，在进气、压缩冲程中进一步与空气混合。在压缩冲程末期由柴油引燃乙醇均质混合气。然后，安装发动机试验仪器，进行尾气排放测量。

试验用的油均为0号轻柴油，乙醇分为含水体积30%、40%、50%三种含量。100千瓦的电涡流测功机，测功机具备测量油耗、进气量等传感器；不透光计测量排烟（主要是碳烟微粒）；不分光红外气体分析仪测量NO_X、HC和CO；利用温度传感器（进气、排气、机油温度、水温）检测试验用发动机的工作状态。试验装置如图1所示。

图1 试验装置系统图

本研究主要围绕转速为2235 r／min条件下，掺水比例按照30%、40%、50%的乙醇进行配合燃烧，试验中选取负荷率为：100%、75%、50%和25%，开展尾气排放试验。前期试验过程挣发现，柴油和乙醇配合燃烧会产生大量的CO和HC以及乙醛，在本次试验中，在尾气排放处加装了氧化催化装置（简称氧化催化器），并比较了催化前后的效果。

2.2 氧化催化后排放试验结果

本研究根据试验需要，只是对比分析了高转速情况下的各种数据对比，能够明确看出不同掺水比例乙醇和柴油配合燃烧，所产生的污染物排放情况，经过试验得出，在转速为2235r/min的工况下NOx、HC、CO、乙醛对比图，如图2所示。

   (a)氧化催化前HC排放 （b）氧化催化后HC排放

（c）氧化催化前NOx排放   （d）氧化催化后NOx排放

（e）氧化催化前CO 排放 （f）氧化催化后CO排放

（g）氧化催化前乙醛排放      （h）氧化催化后乙醛排放

图2 排放数据对比图

2.3  试验结果分析

在转速为2235r/min的定转速工况下，有速度特性实验方法，由图2（a）利用观察出，在加入不同比例的掺水乙醇后，HC排放增加明显，增加量最多的是掺水比例50%的乙醇，在25%小负荷情况下，最高增加十倍左右。基本遵循负荷越小，HC排放越高的规律。HC的形成原因：在冷启动或低怠速的工况下，缸体和燃烧室温度较低，遇到燃料混合物后发生冷激效应，导致燃料部能充分燃烧；润滑油膜的吸附和解吸；燃烧室中沉积物的影响，以及燃料在燃烧室内分布不均匀，局部过浓或者过稀；狭隙效应：在缸套和活塞的间隙处有没有燃烧的燃料。在经过氧化催化后，尾气中HC的含量急剧减少，大部分都不超过20/10^-6PPM，由图2（b）看出，基本上随着负荷的增大HC的含量在减小。氧化催化器对HC含量的减少起到明显的作用。

在转速为2235r/min的工况下，燃烧过程中，生成NO₂的化学方程式如下：

NO+HO₂=NO₂+OH

同时NO₂又转化为NO的反应为

NO₂+O=NO+O₂

NOx的排放变化不明显。在氧化催化前除50%的含水乙醇，在负荷50%的工况下，NOx排放略有增加，其他工况都是随着掺水比例的增加，NOx排放在减少。整体观察，负荷越小，NOx排放越小，100%负荷工况下，NOx排放最大，但是各个工况下NOx排放的差值比较小，差值最大为300/10^-6。在氧化催化后，数值变化不大，数据没有较大波动。掺水比例为40%的乙醇在负荷为50%和75%的时候，NOx的排放有所增加，无明显规律可循，但和原机比较，排放都略有减少。

CO的排放由图2（e）可知，在氧化催化前原机的CO排放基本在249/10^-6。掺水50%的乙醇在负荷25%的工况下，CO增高到1750 /10^-6 ，排放增加明显，如此大幅度的增加，CO和 HC形成的原因基本相似，混合燃料在燃烧过程中燃烧不完全，或者因为缺氧得不到充分燃烧。在氧化催化后，CO的含量大幅降低，和原机相比可以忽略不计，主要原因是在氧化催化过程中，对尾气进行了二次燃烧，促使尾气中的可燃物进行了充分的燃烧。

乙醛来源主要有两部分：一是缸体内的乙醇没有完全燃烧生成乙醛；二是尾气中的未燃烧乙醇氧化后生成乙醛。乙醛在氧化催化前大幅度增加，在氧化催化后，得到了有效的控制，但是各个掺水比例的乙醇在负荷为25%的时候乙醛的排放增加明显。这就说明在小负荷工况下，纯柴油模式更适合，而在中高负荷工况下，添加掺水乙醇在不影响动力性和经济性的前提下，排放效果略有提高。

3 结论

    在转速为2235r／min工况，加入了不同比例掺水乙醇后，各个负荷下HC、CO、乙醛的排放都大幅增加，但是进过后期的氧化催化之后，和原机相比都大幅度降低。NOx的排放在各个工况变化不明显，和原机相比只是略有降低，总体优于原机效果。经过全面分析、观察30%、40%、50%的掺水乙醇哪种比例更优的过程中发现，掺水30%的乙醇排放效果优于其他两种情况。乙醛在柴油机上，在不改变动力性和经济性的前提下，部分替代柴油，可以降低发动机尾气污染物的排放。

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