目前，柴油機在機動車中的應用比率逐年呈指數增長趨勢，而機動車尾氣排放已成為城市面臨的主要污染問題，柴油車的氮氧化合物( NOX) 和顆粒物( PM) 排放量較高，因此，高效清潔燃燒以及替代燃料的研究受到了越來越多的重視。而使用含氧燃料或含氧添加劑與柴油混合，被認為是降低柴油機排放的有效措施。國內外研究比較多的醇類替代燃料主要有甲醇和乙醇，丁醇是新近興起研究的新型替代燃料之一。正丁醇作為丁醇的同分異構體之一，與甲醇、乙醇相比，其最大的優點是親水性差，能夠與汽油、柴油高比例混合，主要的研究方向是用作生物燃料替代物或傳統石油燃料的助溶劑，以增加乙醇等與汽油、柴油的混合比例。正丁醇可以從生物質制取，屬于含氧燃料，十六烷值比柴油低，這些特性表明，柴油摻混正丁醇有利于改善柴油機的性能。國內外對柴油摻混正丁醇對發動機性能的影響有一定的研究。如在試驗臺架上研究了丁醇比例對重型柴油機燃燒和排放的影響規律。對正丁醇/柴油不同比例摻混的混合燃料及純柴油在固定轉速、不同負荷下排放情況進行了研究。在柴油乘用車中研究了丁醇和柴油混合燃料的燃燒及排放特性。研究了柴油中摻燒大比例丁醇( 丁醇體積分數為40%) 對柴油機燃燒和排放性能的影響。對正丁醇/生物柴油雙燃料高預混壓燃( HPCC) 作了試驗研究。研究了正丁醇及其同分異構體對柴油機低溫燃燒性能的影響。這些研究表明: 在柴油中摻混一定比例正丁醇，在保證較高的經濟性和動力性下，可以有效降低排放，在發動機上有較好的應用前景，但在增壓電控高壓共軌柴油機上的研究鮮有報道。因此，本文通過臺架試驗，研究了不同摻混比的正丁醇/柴油混合燃料對高壓共軌柴油機性能的影響。

　　1 試驗方法和燃料的主要理化特性

　　本次試驗在發動機臺架上進行，所用柴油機為一臺四缸增壓電控高壓共軌柴油機，其壓縮比為16. 7，額定功率為110 kW，額定轉速為4 000 r /min，最大轉矩為310 N·m。試驗中使用的主要設備有湘儀FC2000 發動機測控系統、GW250 電渦流測功機、湘儀FC2210Z 智能油耗儀和Horiba MEXA-7100D排放設備等。正丁醇體積分數分別為0%、10%、15% 和20%的柴油/正丁醇滋合燃料，分別記為D100、B5、B10、B15 和B20。

　　2 試驗結果與分析

　　2. 1 負荷特性

　　發動機轉速分別為2 000 r /min 和3 200 r /min 時，燃油消耗率隨轉矩的變化曲線可看出: 各種燃油的燃油消耗率隨著轉矩的變化總體趨勢基本相同。燃油消耗率曲線在負荷增加時先下降，下降到最低點后，隨著負荷的進一步增大，燃油消耗率有所上升，且轉速越高上升越明顯，但曲線整體變化較為平坦。這主要是由于在轉速不變時，機械損失變化不大，而平均有效壓力隨負荷增大而增大，因此機械效率隨負荷增大上升很快。因此，燃油消耗率一開始隨負荷增加下降很快，到某一負荷時達到最低。而在大負荷時，過量空氣系數變小，混合氣形成與燃燒開始惡化，燃油消耗率有所上升，而試驗所用柴油機為廢氣渦輪增壓柴油機，負荷增大時排氣能量增大，從而提高了進氣密度，又使過量空氣系數提高。所以在大負荷時，燃油消耗率曲線雖有所增加，但較為平坦。轉速升高后平均機械損失增大，使得燃油消耗率上升較快。

　　當轉速為2 000 r /min 時，油耗率隨著正丁醇摻混比例的增加而增加，但B15 和B20 的燃油消耗率變化不大，而在大負荷時變化較小。當轉速為3 200 r /min 時，B5 的燃油消耗率最低，其他燃料在小負荷下的油耗率隨著正丁醇摻混比例的增加而增加，而在較大負荷時，除B5 外，各種燃料的消耗率相差不大。這主要是由于柴油的十六烷值及低熱值比正丁醇的高，因此油耗率相對較低。而當混合比例為5%時，在高轉速下油耗低，這主要是因為在高轉速下，缸內溫度高，正丁醇摻混比小，汽化潛熱作用不明顯，但由于正丁醇的運動黏度比柴油的運動黏度小，在柴油中加入少量的正丁醇可以優化霧化效果，使混合燃料與周圍氣體的混合更好，提高了燃燒性能，降低了油耗。

　　發動機轉速分別為2 000 r /min 和3 200 r /min 時，燃燒不同燃料時排氣溫度隨轉矩的變化曲線。排氣溫度隨負荷的增大不斷升高，且在大負荷下轉速越高，排氣溫度越高，這主要是由于每循環供油量隨負荷及轉速增大而增大。當轉速為2 000 r /min 時，排氣溫度隨著正丁醇摻混比例的增加而降低，當轉速為3 200 r /min 時，各種燃料的排氣溫度在相同的工況下相差不大。這主要是由于正丁醇十六烷值低使滯燃期延長，著火推遲，同時正丁醇汽化潛熱較大、熱值較低，兩者綜合作用導致缸內溫度降低，所以排氣溫度隨著正丁醇摻混比例的增加而降低; 但當轉速較高時，使得燃燒時間變短，而混合燃料中含有氧，又有利于提高燃燒效率，所以高轉速時各種混合燃料的排氣溫度在相同工況下相差不大。

　　2. 2 排放特性

　　混合燃料在發動機轉速分別為2 000 r /min 和3 200 r /min 時的HC、CO、NOX排放量( 體積分數) 曲線。不同混合燃料HC 排放量隨發動機負荷的變化可看出: 隨著負荷的增大，混合燃料HC 排放量均明顯降低。這主要是由于柴油機排氣中的HC 是由發動機未燃盡的燃料分解而產生的氣體，在小負荷時，循環噴油量少，燃燒室內溫度和壓力低，超稀混合氣增加，局部熄火造成的HC 排放量增加; 而高負荷下，噴油量大，混合氣局部熄火的情況改善，所以HC 排放量很低。隨著摻混比的增加，HC 排放量先降低; 當正丁醇體積摻混比超過15%后，HC 排放量開始增大，如B5 和B10 混合燃料的HC 排放量明顯比D100 低，B15 混合燃料的HC 排放量與D100 的相差不大，但B20 混合燃料的HC 排放明顯比D100 的HC 排放量要高。這主要是由于正丁醇的運動黏度比柴油的運動黏度小，在柴油中加入少量的正丁醇可以優化霧化效果，使得混合燃料與周圍氣體的混合更好; 且正丁醇屬于含氧燃料，使燃燒更充分，提高了發動機的燃燒效率，同時降低了柴油燃燒過程中因缺氧而形成的HC 排放，使HC 排放量降低。但是正丁醇的汽化潛熱較柴油大，同時正丁醇的十六烷值較低，使著火延遲期延長，燃燒速度減慢，火焰溫度降低，噴霧過稀區增多，所以體積摻混比超過15% 時，HC 排放量增加。在轉速為3 200 r /min 時，各混合燃料HC 排放量的變化沒有在2 000 r /min 負荷特性下的大，這主要是由于轉速提高后，缸內溫度升高，使得HC 排放量隨摻混比例的變化沒有2 000 r /min 時那么敏感。

　　不同混合燃料CO 排放量隨發動機負荷的變化可知: 隨著正丁醇比例的增大，CO 排放量在中小負荷時增加，大負荷時降低。柴油機轉速越低這種變化越明顯。這是由于CO 是化學反應動力學的產物，即當溫度能夠使混合氣發生低溫和藍焰反應，但沒有熱焰反應發生時，會導致CO 不能得到繼續氧化而生成。因此，在氧氣充足且混合氣均勻時，CO 生成主要是由于缸內較低的燃燒溫度影響了其進一步氧化，在中小負荷及低轉速下，缸內溫度相對較低; 而正丁醇汽化潛熱較柴油的高，混合燃料中乙醇的蒸發需要吸收大量的熱量，進一步降低了缸內溫度，從而引起燃燒過程中淬熄層增多，影響了CO 的進一步氧化，導致CO 排放量增加。而在大負荷時，缸內溫度較高，正丁醇汽化潛熱對缸內溫度的影響減小，由于混合燃料中含有氧，在發動機氣缸內氧氣不足的情況下可以起到補充氧含量的作用，從而改善了發動機的燃燒狀況，使燃燒更完善，所以發動機燃燒混合燃料時，CO 排放量比燃燒純柴油低。而在高轉速下，在大負荷下CO 排放量隨正丁醇比例的增加降低不如在低轉速下明顯，這主要是因為高轉速下各種混合燃料的排氣溫度在相同負荷下相差不大，且當轉速較高時燃燒時間相對變短。

　　不同混合燃料NOX排放量隨發動機負荷的變化可以看出: 發動機燃燒同種燃料的NOX排放量隨著發動機負荷的增大而增大。這是因為NOX主要是在高溫、富氧以及足夠的持續時間條件下產生的。在相同轉速下，隨著發動機負荷的逐漸增大，氣缸內的平均有效壓力逐漸增大，最高燃燒溫度逐漸升高，因此，發動機的NOX排放量逐漸增大。轉速為2 000 r /min、體積摻混比小于20%時，中小負荷下NOX排放量隨混合燃料中正丁醇比例的增大而減少; 在大負荷時，NOX排放量隨正丁醇比例的增大而增加。這是因為在低速中小負荷時，缸內溫度相對較低，一方面，正丁醇的熱值低、汽化潛熱較高，導致缸內溫度降低，不利于NOX生成，使其排放量減少; 另一方面，混合燃料含氧使燃燒更完善，從某種程度會導致NOX排放升高，但在低速小負荷時前者起主導作用，所以NOX排放量降低。在大負荷時，缸內溫度較高，且混合燃料含氧使燃燒更完善，溫度更高，正丁醇汽化潛熱使缸內溫度的減小作用相對降低，進而使NOX排放量增加。當轉速為3 200 r /min 時，NOX排放量隨正丁醇比例的增大而增加，且負荷越大這種影響越明顯，這主要是因為轉速增加，發動機缸內溫度升高。在該轉速下各種混合燃料的排氣溫度在相同負荷下相差不大，所以混合燃料中的含氧量成為主要影響因素。因此，NOX排放量隨正丁醇比例的增大而增加，且負荷越大影響越明顯。

　　3 結論

　　( 1) 在相同的轉速下，柴油機燃用柴油/正丁醇混合燃料的油耗率隨著正丁醇體積摻混比的增加而增加，在小負荷時更明顯; 但在高轉速下，體積摻混比為5% 可以有效降低燃油消耗率。當轉速為2 000 r /min時，排氣溫度隨著正丁醇體積摻混比的增加而降低。當轉速為3 200 r /min 時，各種燃料的排氣溫度在相同負荷下相差不大。

　　( 2) 在相同的轉速下，柴油機燃用柴油/正丁醇混合燃料，當正丁醇體積摻混比小于15%時，隨著正丁醇體積摻混比的增加，HC 排放量明顯降低，CO 排放量在大負荷時降低、中小負荷時增加。但是，NOX排放量在高速或大負荷時增加，低速小負荷時略有降低。