0 引言

当今世界面临两大问题，即化石燃料缺乏和环境污染。燃用化石燃料对环境造成的影响主要有大气污染、局部地区酸雨增多以及加剧全球温室效应[1]。与汽油机相比，柴油机具有CO2排放低、动力性能好、热效率高等优点，能有效改善温室效应，因此，汽车柴油化已经成为了一种趋势[2]。但是，由于柴油燃烧会产生大量的NOx和PM，对人体健康构成威胁，因此，寻找一种清洁可靠的替代燃料成为了柴油机研究领域的热点 [3]，[4]。目前，选用生物柴油、醇类燃料和煤制油等作为柴油机替代燃料的研究较多，而对于醇类燃料与煤制油形成的混合燃料的研究相对较少[5]。

F-T柴油是一种十六烷值高、硫含量低和几乎不含芳香烃的高品质柴油，通常通过煤或者天然气间接液化得到[6]～[8]。有研究表明，将F-T柴油与醇类燃料进行掺混可以有效改善柴油机的排放性能。苏志伟在研究中发现，增加甲醇占能比能有效改善NOx和碳烟的排放，压力振荡与压缩比、供油提前角、甲醇占能比均有密切的联系[9]，[10]。杨甜甜研究发现，F-T柴油掺烧生物柴油能有效降低发动机的NOx排放量[11]。

在不同的掺混燃料中，乙醇和正丁醇作为较常见且廉价的醇类燃料，以其可再生和含氧丰富的特点成为燃油添加剂的优良之选。F-T柴油十六烷值过高，添加十六烷值较低的乙醇或正丁醇，能改善混合燃料的低温流动性，适当延长滞燃期，使得发动机的动力性和经济性有所提升，并且能够减少未燃混合气的比例。为了探究F-T柴油掺烧乙醇/正丁醇对发动机排放性能的影响，本文研究了不同掺混比例的乙醇/F-T柴油、正丁醇/F-T柴油在不同工况下的排放特性。

1 材料与方法

1.1 试验设备

试验所用的发动机为单缸四冲程直喷柴油机，未对发动机结构进行任何改动。发动机的具体参数见表1。

1）对于先底板后边墙（边顶拱）混凝土浇筑，局部底板混凝土面平整度不足，导致边墙模板与底板混凝土缝隙过大，密封不严，导致漏浆，产生烂根。2）振捣棒未完全插到底部，导致底部可能漏振、欠振。

 

表1 柴油机的主要参数Table 1 Parameters of diesel engine

  

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CO主要是由燃烧过程中烃类燃料的不完全燃烧而产生的。图6为在发动机转速分别为2 700 r/min和3 600 r/min的工况下，负荷变化对5种燃料的CO排放量的影响。

  

图1 试验系统示意图Fig.1 The schematic diagram of test system

1.2 燃料种类

第三，国家通过制定一些标准、一些技术要求，规范科学研发、科研产品的应用等。比如，我国存在国家标准、行业标准、地方标准等，这些标准很多是对于科技类产品或者服务的要求。

 

表2 燃料的理化特性Table 2 Physical and chemical characteristics of fuels

  

燃料种类 F-T柴油 乙醇 正丁醇密度/g·c m-3 0.7 6 5 0.7 8 8 0.8 1 0十六烷值 7 9 8 2 5汽化潜热值/k J·k g-1 - 8 4 0 5 8 5低热值/M J·k g-1 4 4.2 2 6.8 3 3.1含氧量/% 0 3 4.7 3 2 1.5 9

1.3 测量方法

试验不对原发动机做任何改动，按照八工况法进行试验研究。为保证试验数据的可靠性，每种燃料的排放特性均进行两次试验并取平均值。试验按照GB 1105.1-87《内燃机台架性能试验方法》进行。对5种燃料按照GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》进行排放物测量，分别测量尾气烟度以及NOx，HC和CO的排放量。

2 试验结果及分析

2.1 NOx排放

图2为在发动机转速分别为2 700 r/min和3 600 r/min的工况下，负荷变化对5种燃料的NOx排放量的影响。

表2列出了试验中所用燃料的部分理化特性。燃料中氧的质量分数对燃料的燃烧特性具有重要影响，为了保证混合燃料的氧含量相同，试验配制了两组混合燃料。从表2中的数据可以计算出，为了得到相同氧含量的混合燃料，添加乙醇与正丁醇的体积比为1∶1.6。因此，配制乙醇与F-T柴油的体积比为5∶95的混合燃料和正丁醇与F-T柴油的体积比为8∶92的混合燃料，分别记作E5和B8；为了增加对比的燃油种类，再配制乙醇、F-T柴油和乳化剂的体积比为 10∶88.5∶1.5的混合燃料和正丁醇与 F-T柴油的体积比为16∶84的混合燃料，分别记作E10和B16。

  

图2 负荷变化对5种燃料的NOx排放量的影响Fig.2 The effects of load change on NOxemission of 5 kinds of fuels

从图2可以看出：随着负荷的增加，5种燃料的NOx排放量整体上呈上升的趋势；负荷为100%时，E10的NOx排放量有所下降；添加了乙醇或正丁醇的混合燃料的NOx排放量较F-T柴油低。这是因为随着负荷的增加，缸内燃烧温度和燃烧持续期不断增加，NOx的排放量相应增大。当F-T柴油中添加乙醇或正丁醇之后，一方面，由于乙醇和正丁醇具有较高的汽化潜热，燃烧吸热使得缸内温度有所降低；另一方面，醇类燃料是含氧燃料，在一定程度上能够改善燃烧的质量，为燃烧过程提供更充足的氧。这两个因素会对NOx的生成产生不同的影响，出现试验中这种变化趋势是由于前一个因素占据了主导地位。负荷为100%时，燃烧温度高，E10中有更多的乙醇参与燃烧，消耗了更多的氧，因此，NOx的排放量出现下降的趋势。

其中，vR(f)为频率为f的瑞利面波的相速度。根据式(1)即可求出不同频率f的相速度vR，即vR-f频散曲线(见图1)。

本报讯 11月5日，安徽六国化工公告披露，其控股子公司江西六国化工有限责任公司长期亏损，资不抵债，已无力持续经营，拟申请破产重整。

从图3可以看出，随着负荷的增加，尾气烟度不断增大，高转速的尾气烟度比中等转速的尾气烟度大。这是因为随着负荷的增加，每循环的喷油量逐渐增加，较易形成过浓的混合气，燃烧过程中缺氧的问题愈发严重，燃烧恶化；发动机转速升高，每循环进入缸内的新鲜充量减少，充量系数下降，难以形成均匀混合气，缸内混合气局部过浓区域增多，最终导致尾气烟度增大。燃用混合燃料时的尾气烟度要比燃用纯F-T柴油时小，且高负荷时表现得更明显。这是因为，一方面，乙醇和正丁醇是含氧燃料，燃烧过程中能够提供一定的氧，缓解燃烧过程中的缺氧情况；另一方面，乙醇和正丁醇的十六烷值较低，使得混合燃料的十六烷值也相应降低，使得滞燃期延长，参与预混燃烧阶段的燃油量增加，而扩散燃烧阶段的燃油量减少，最终导致燃烧时间缩短，尾气烟度减小。

2.2 尾气烟度

图3为在发动机转速分别为2 700 r/min和3 600 r/min的工况下，负荷变化对燃用5种燃料时的尾气烟度的影响。

当发动机转速为3 600 r/min，负荷为100%时，燃用 E5，E10，B8和 B16混合燃料产生的NOx分别比燃用纯F-T柴油降低了40.9%，70.6%，36.4%和37%。乙醇/F-T柴油混合燃料的NOx排放量比正丁醇/F-T柴油混合燃料的NOx排放量要低得多，这是因为当混合燃料中氧的质量分数一致时，乙醇的汽化潜热比正丁醇大，乙醇/F-T柴油混合燃料的燃烧过程中会吸收更多的热量，降低了缸内燃烧温度，抑制了NOx的生成。对比E5和E10两种燃料，当发动机转速为2 700 r/min时，燃用E5的NOx排放量更低，这是因为E5中的氧含量比E10低，燃烧过程中氧含量减少对抑制NOx生成的影响比乙醇汽化吸热降低燃烧温度的影响更明显。B8和B16这两种燃料的NOx排放量几乎没有差别。

  

图3 负荷变化对燃用5种燃料时的尾气烟度的影响Fig.3 The effects of load change on smoke intensity of 5 kinds of fuels

实验主要研究下列问题：(1)根据学习者的眼动数据判定PPT课件的可用性是否良好；(2)PPT课件的不同设计要素对可用性的影响。

图5为在发动机转速分别为2 700 r/min和3 600 r/min的工况下，负荷变化对5种燃料的HC排放量的影响。

图4为燃用5种燃料时，尾气烟度与NOx排放量的trade-off关系图。

  

图4 尾气烟度与NOx排放量的trade-off关系Fig.4 Trade-off relationship between smoke intensity and NOxemission

尾气烟度在一定程度上能够反应碳烟排放量的大小，因此，借用尾气烟度来描述碳烟与NOx排放量的trade-off关系。从图4可以看出，当F-T柴油中添加了乙醇/正丁醇之后，尾气烟度和NOx的排放量同时减小，这说明F-T柴油掺烧乙醇/正丁醇能同时减小尾气烟度和NOx的排放量，且混合燃料中醇类的掺混比例越大，改善效果越明显。

2.3 HC排放

当发动机转速为3 600 r/min，负荷为100%时，燃用E5，E10，B8和B16时的尾气烟度分别比燃用纯F-T柴油时减小低了50.3%，55%，33.3%和43.3%。燃用乙醇/F-T柴油混合燃料时的尾气烟度比燃用正丁醇/F-T柴油混合燃料时小。这是因为，一方面，乙醇的汽化潜热比正丁醇大，乙醇/F-T柴油混合燃料的滞燃期更长，预混燃烧阶段消耗了大量的燃油，扩散燃烧阶段的燃油量减少，燃烧持续期缩短，抑制了碳烟的生成，尾气烟度减小；另一方面，与正丁醇相比，单位质量乙醇的碳原子数更少，碳烟前驱体的生成量较少，从而减少了碳烟的生成量，尾气烟度减小。掺烧同种醇类燃料时，醇类的掺混比例越大，尾气烟度越小。这是因为随着醇类添加比例的增加，混合燃料中的氧含量增大，混合气燃烧得更充分，有利于抑制碳烟的生成。

  

图5 负荷变化对5种燃料的HC排放量的影响Fig.5 The effects of load change on HC emission of 5 kinds of fuels

从图5可以看出，混合燃料的HC排放量比F-T柴油高，低负荷时表现得更明显。这是因为乙醇或正丁醇的汽化潜热高，燃烧过程需要吸收更多的热量，使得燃油的雾化效果变差，从而增加HC的排放量，且乙醇和正丁醇的挥发性较好，部分未燃的混合气直接排出，同样也增加了HC的排放量。乙醇/F-T柴油混合燃料的HC排放量比正丁醇/F-T柴油混合燃料的HC排放量高。这是因为乙醇的挥发性比正丁醇高，会有更多未燃的混合气直接排出，从而增加HC的排放量。掺烧同种醇类燃料时，混合燃料中正丁醇比例的变化对HC排放量的影响较小。当发动机转速为3 600 r/min时，E10的HC排放量比E5高，这是因为燃用E10时，直接排出的未燃混合气更多，且E10降低燃烧温度的程度更明显，使得燃烧恶化，从而增加了HC的排放量。

2.4 CO排放

尾气通过FGA-4100型尾气分析仪进行测量，排气烟度通过AVL公司的415S型烟度计进行测量。试验中所用的测功机为杭州中成CWF25D型电涡流测功机以及EST2010型内燃机测控系统。试验系统示意图如图1所示。

  

图6 负荷变化对5种燃料的CO排放量的影响Fig.6 The effects of load change on CO emission of 5 kinds of fuels

从图6可以看出：中低负荷时，混合燃料的CO排放量比F-T柴油高，这是因为乙醇和正丁醇的十六烷值较低，使得混合燃料的滞燃期延长，燃烧持续期缩短，不完全燃烧程度加剧；高负荷时，混合燃料的CO排放量比F-T柴油低，这是因为高负荷时缸内燃烧温度高，燃料的十六烷值对燃烧的影响被削弱，并且乙醇和正丁醇是含氧燃料，在一定程度上弥补了缺氧的不利条件，因此，CO的排放量有所降低。

中低负荷时，乙醇/F-T柴油混合燃料的CO排放量比正丁醇/F-T柴油混合燃料高。这是因为乙醇的汽化潜热比正丁醇高，十六烷值比正丁醇低，形成的混合气更不均匀，燃烧持续期缩短，使得燃烧不完全程度加剧。掺烧同种醇类燃料时，中低负荷的工况下，混合燃料中醇类的比例越大，CO的排放量越高；高负荷的工况下，混合燃料中醇类的比例越大，CO的排放量越低。这是因为中低负荷时，燃烧温度较低，混合燃料中醇类的比例越大，缸内燃烧温度的降低程度就越明显，燃烧越不充分；高负荷时，燃烧温度高，削弱了醇类燃料汽化潜热的影响，并且醇类燃料含氧，更有利于混合气的充分燃烧。

LIU Yulin， LIU Changmiao， LIU Hongzhao, et al. Utilization technology of mine tailings in China and exploitation suggestions[J]. Conservation and utilization of mineral resources, 2018(6):140-144,150.

3 结论

①与F-T柴油相比，燃用F-T柴油与乙醇或正丁醇形成的混合燃料时，尾气烟度和NOx的排放量均较小，且尾气烟度与NOx排放量的tradeoff关系得到改善，混合燃料中醇类的比例越大，改善效果越明显。与F-T柴油相比，混合燃料的HC和CO排放量略有增加，为了进一步降低CO和HC的排放量，可在后续试验中加装后处理装置以达到降低CO和HC排放量的目的。

②在混合燃料中氧含量相同的情况下，燃用乙醇/F-T柴油混合燃料时的尾气烟度和NOx排放量均比燃用正丁醇/F-T柴油混合燃料时小，HC排放量比燃用正丁醇/F-T柴油混合燃料时高；中低负荷时，燃用乙醇/F-T柴油混合燃料的CO排放量更高，高负荷时，燃用正丁醇/F-T柴油混合燃料的CO排放量更高。考虑到柴油机的主要污染物为NOx和碳烟，因此，乙醇比正丁醇更适合作为F-T柴油的添加剂。

③掺烧同种醇类燃料时，掺混比例对污染物排放量的影响各有差异。掺混小比例的乙醇/正丁醇对降低NOx排放量的效果更明显，而掺混大比例的乙醇/正丁醇能够减小尾气烟度。因此，为寻求醇类燃料的最佳掺混比，还须在之后的试验中进行进一步的研究。

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