浅析掺烧乙醇小型农用柴油机的燃烧机理
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摘 要：作为农业大国，单缸柴油机对于我国经济的发展至关重要。但是高油耗、高排放、低升功率等问题，与能源逐渐匮乏、环保法规越发严格出现严重抵触。近些年，国内外开始对掺烧乙醇柴油机进行了较为深入的研究，从研究成果上看还是有一定成效的。本文对柴油机的工作原理进行了简单的描述，并对掺烧乙醇对柴油机均质压燃反应过程的影响进行了研究，以期能够进一步的提高柴油机的性能。
中图分类号：TK421.2 文献标识码：A
我国是世界第一单缸柴油机生产大国，占据着全球80%的市场份额。正是由于单缸柴油机在价格、操作方式、后期维护等方面的优势，使得其在我国广大农村地区倍受青睐。但就目前我国单缸柴油机市场实际情况而言，结构设计较为落后，耗能污染较为严重，极大的影响着单缸柴油机的发展。加之市场竞争日趋激烈，企业之间相互压价，导致利润大幅减少，企业投入研发的资金严重不足，加重了我国单缸柴油机的世界竞争压力。本文对柴油机的工作原理进行了简单的描述，并对掺烧乙醇对柴油机均质压燃反应过程的影响进行了研究。
1 柴油机工作原理简述
1.1 前处理技术
由于全球范围内的资源紧缺，以及各国对发动机排放标准的日趋严格，寻找高效清洁的石油替代品将是未来发动机能源领域的重要研究方向。
1.1.1 醇类
目前用于柴油机燃烧的醇类主要有甲醇、乙醇两种。甲醇的十六烷值很低，热值只能够达到汽油的一半，且难以在柴油机中直接压缩着火。但是甲醇的辛烷值较高，有较好的抗爆性，所以在将甲醇用于柴油机时，往往需要利用热面助燃法、柴油与甲醇掺混燃烧、甲醇中添加助燃剂等。乙醇相对于甲醇而言，更加受到人们的欢迎，因为其没有毒性，且辛烷值也比较高，抗爆性能较好。最重要的一点乙醇是含氧燃料，能够为燃油氧化提供一定量的氧，非常有利于一氧化碳以及HC的降低。
1.1.2 醚类
醚类是当前能源替代品中关注较多的一种，其含氧量高、排放性能以及发火性能均较好，而且还可以与柴油按任意比例互溶。其中二甲醚是醚类中使用最多的，而且常温下不易被氧化、无腐蚀、无致癌性。经辐射或加热后，即可分解为甲烷、乙烷、甲醛等，是目前研究发现理想清洁燃料的一种。
1.1.3 柴油乳化
柴油乳化技术就是将柴油、水、乳化剂按照一定比例混合成稳定的混合物，目前该项技术已经在国内外开展了深入研究，取得的成果也较为明显。譬如含水量为20%的乳化柴油，可以实现70d内不分层保持稳定状态，而且在功率不降低的前提下，大幅度降低NOx以及PM。
1.2 工作过程
1.2.1 高压共轨电喷技术
所谓高压共轨电喷技术，就是将喷射压力产生与喷射过程二者完全分开的一种供油技术。利用高压油泵将高压燃油输送至公共供油管，再利用该管内的油压实现精准控制，这样就可以完全解除高压油管压力大小与发动机转速的关系，从而大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。
1.2.2 增压中冷技术
增压中冷技术核心就是将温度不高的压缩空气送入气缸。因为压缩空气的密度要大于大气的密度，所以其单位体积内的含氧量较高，更有助于燃料的完全燃烧，降低NOx的排放，提高发动机低速性能。之所以要控制压缩空气的温度，是因为一旦温度升高后将会抑制空气的进一步压缩。
2 掺烧乙醇对柴油机均质压燃反应过程的影响
随着国家对非道路用柴油机排放要求的逐步提高，人们开始关注大分子碳氢燃料在广泛运行工况下的氧化机理。虽然柴油均质充量压缩燃烧技术能够在一定程度上改善发动机的燃烧效率，并降低NOx以及PM的排放，但是这种技术仍然无法解决HC、一氧化碳排放量大，高低负荷工况下燃烧不稳定，着火时刻难以控制等问题。乙醇作为一种含氧的可再生能源，对于柴油机排放情况的改善有着很大的帮助。因此，柴油掺烧乙醇是目前该领域的一个重点研究方向。
2.1 燃料对缸内压力、温度及放热率的影响
对于该过程研究，我们分别进行了纯柴油和柴油掺烧乙醇两个实验。经实验结果分析可知，柴油掺烧乙醇相较于纯柴油在放热的第一阶段产生的放热幅值有所降低，负温度系数区域有所延长；在放热的第二阶段，幅值出现了迅速增加现象，而且柴油机掺烧乙醇后，缸内的压力及温度都有所下降。之所以会出现缸内温度下降的原因，是因为乙醇的热值低于柴油，而且乙醇的气化潜热较高，能够将压缩的初始温度降低。实验中我们还发现，柴油均质压燃的起点是正庚烷与氧气的直接反应，主要反应过程是R1109以及R1111。但实际上该反应过程属于强吸热反应，对于正庚烷基C7H15的形成作用不大。具体的反应过程可以描述为：
对于柴油机掺烧乙醇与纯柴油来说，二者中柴油的燃烧时刻基本上是一致的，而乙醇的燃烧要比柴油滞后大概10°曲轴转角，所以我们可以认为乙醇是不参与柴油低温反应过程的。在对一氧化碳排放量作比较后可以发现，掺烧乙醇柴油的排放量明显降低，而且由于乙醇是含氧燃料，所以为一氧化碳的氧化提供了更为充足的氧气。
2.2 燃料对重要自由基及醛类的影响
在纯柴油以及柴油乙醇掺烧燃料中，H2O2、OH、HO2均是重要的自由基。高温阶段H2O2和HO2将在负温度系数区域内产生并消耗生成OH，相较于纯柴油，柴油掺烧乙醇在负温度系数区域内生成的OH量将有所减少，这就使得高温阶段OH自由基生成量响应减少，而且生成时间相对滞后，但是这对于柴油/乙醇双燃料的迅速完全燃烧还是有保证的。
乙醛是微毒物质，它的刺激性要比甲醛弱一些，但是对于人体中枢神经的抑制作用要比甲醛强。虽然说当前国内对于醛类非常规排放物的检测尚处于初级阶段，但是其对于环境的污染程度还是值得我们做出一定的研究。在实验中可以发现，柴油机掺烧乙醇后可以明显的降低乙醛和甲醛的排放量，而且柴油掺烧乙醇后还可以延长醇类物质的存放时间，推迟其消耗时间。
总的来说，柴油掺烧乙醇后从燃烧机理上看，相较于纯柴油而言，可以在一定程度上提高低温脱氢反应以及加氧反应的速率，并大幅度的降低二氧化碳、一氧化碳等有害物质的排放。在今后的工作中，笔者将继续对柴油掺烧乙醇的燃烧机理进行更为深入的研究，并对其低排放标准方面开展更为广泛的工作。
参考文献
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[2] 瞿国华.浅析石油替代燃料的开发[J].中外能源，2009（1）：22-26.
[3] 唐娟，任东军，张成涛.内燃机燃烧技术的研究现状及发展[J].内燃机与动力装置，2009（2）：1-7.
作者简介：杨志平（1973-），男，汉族，甘肃临洮人，本科，甘肃畜牧工程职业技术学院，副教授。研究方向：汽车专业教学和农业机械教学。