一、引言
随着能源供需矛盾的加剧和环境保护意识的增强，车用燃料的研究被推到了风口浪尖。柴油机相对于汽油机来说，压缩比大、燃油消耗率低、耐久性高，寿命达到百万公里以上，CO 、CO2 、HC等排放量较汽油机低得多。柴油机除广泛应用于船舶、铁路、汽车、农业机械、工程机械、军事车辆、发电机组等传统领域外，轿车上使用柴油发动机的也越来越多，因此，柴油机用油已经成为我国化石燃料的第一大用户。然而，相对于汽油发动机，柴油发动机碳烟排放量大，是碳烟污染的主要来源。如何解决柴油发动机碳烟排放就成为人们关切的问题。本文从应用乙醇柴油燃料方面对柴油机经济性和排放进行了实验研究。
二、碳烟生成机理及危害
柴油机微粒是由三个部分组成的。 即干碳烟(DS)、可溶性有机物(SOF)和硫酸盐[2]。
碳烟生成机理，概括地说是烃类燃料在高温缺氧的条件下裂解生成。在整个燃烧过程中，碳烟要经历生成和氧化两个阶段。
碳烟往往粘附有SO2及致癌物3？4苯丙砒等有机化合物及臭气，对人和物均有严重危害。一般2-10%26micro;m的碳烟吸入人体内可排出体外。2%26micro;m以下的碳烟吸入肺部后会沉积起来，而0.1%26micro;m -0.5%26micro;m的碳烟对人体危害最大，除致癌作用外，这种碳烟吸入肺部后，会导致慢性病、肺气肿、皮肤病等疾病。
三、乙醇柴油对柴油机排放的影响
3.1试验台架总体布置
试验是在意大利索菲姆公司制造的四冲程AS106UY39型柴油机上进行的。在进气阻力试验中加装节流阀、空气流量计和U型水压计。台架布置如图1所示。
不透光烟度计Dismoke 4000[10]的测量原理如图2所示。
不透光烟度计可以进行连续测量，在低烟度时有较高的分辨率，可以用来研究柴油机的瞬态碳烟排放特性，以及按排放法规的要求测量自由加速烟度。不透光烟度计不仅能测量黑烟的烟度，而且也能测量排气中水汽和油雾等成分的烟气。图中1为光源，2为排气入口，3为排气测试管，4为光电池，5为转换手柄，6为空气校正器，7为鼓风机，8为排气出口。
3.2试验用混合燃料配置及燃料能耗率计算
本试验是在柴油发动机未作改动并将发动机调整到最佳工作状态的前提下，对比柴油发动机燃烧不同比例的乙醇柴油混合燃料及纯柴油的动力性能、经济性能及烟度排放性能。
试验中所用的柴油为0#柴油。试验中所用乙醇基本参数为：相对分子质量46.07,乙醇含量不小于99.7%,密度(20℃)为0.789～0.791g/ml，蒸发残渣≤0. 001%,水分≤0.3%，甲醇(CH3OH)≤0.05%,异丙醇((CH3)2CHOH)≤0.01%。
乙醇和柴油的互溶与否受温度和乙醇的添加比例所决定。参照图3，大气温度在0℃以上，乙醇与总的混合燃料体积比不超过10%都不需要添加剂就能够互溶，并且混合溶液长时间稳定，保证发动机燃烧均匀。因为乙醇价格高于柴油价格，在柴油中添加乙醇过多会使燃料价格上涨且乙醇添加柴油中的比例过大会造成混合燃料难以互溶、混合燃料闪点降低、需要改变发动机参数等问题，所以本项试验决定采用小比例乙醇添加到柴油中，即制备5%、8%两种乙醇柴油。
由于醇类的热值远低于柴油的热值，所以用燃油消耗率
来比较掺烧乙醇的柴油发动机与燃烧纯柴油的发动机的经济性不合理。因此，为了增加发动机燃用乙醇柴油混合燃料时的燃料消耗可比性，发动机燃用乙醇柴油混合燃料时的每小时燃油消耗量
按燃料的质量低热值折算为柴油的每小时燃油消耗量，而燃油消耗率
则用能耗率
其换算公式为：
其中： 
: 乙醇柴油混合燃料的质量低热值(MJ/kg)；
: 柴油的质量低热值(MJ/kg)；
: 折算后的每小时燃料消耗量(kg/h)；
: 燃油消耗率(g/kw？h)；
: 燃料的质量低热值(MJ/kg)；
: 燃料的能耗率(MJ/kw？h)；
3.3外特性对比
全负荷烟度的测量根据GB17691-2001《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》。国标规定，柴油机全负荷排气烟度在柴油机稳定运转时测量，自最低转速至额定转速之间选取7到8个转速进行烟度测量，其中包括最大扭矩转速和最大功率转速。同时，对在柴油机上燃用柴油、乙醇柴油混合燃料的动力性、经济性和排放性能进行对比分析。
全负荷烟度对比如图4所示，外特性对比如图5、图6所示。
从图4可以看出，燃用柴油、5%乙醇柴油和8%乙醇柴油时烟度曲线在整个转速范围内曲线变化趋势相一致。柴油机的烟度在试验的起始转速点1800r/min处烟度值最高；而在中间转速范围内烟度较小，在2500r/min的转速下烟度值最小。
这主要是因为在柴油机油量调节机构固定在功率循环供油量位置(循环供油量不变)，在低转速范围内，空气涡流较弱而造成空气与燃料混合不充分；在高转速范围内通常充气效率下降，混合气形成条件恶化。
燃用5%乙醇柴油与柴油的烟度值相比，在低转速范围内(小于2000r/min),它们的烟度值基本相当。在转速大于2000r/min后，燃用5%乙醇柴油比柴油烟度有所下降，在中间转速下降幅度最大，在高转速范围内，燃用两种燃料的烟度又趋向于一致。
燃用8%乙醇柴油与柴油时的烟度值相比，在整个转速范围内，燃用8%乙醇柴油时的烟度都低于燃用柴油，而且烟度下降的幅度基本相同。同时由图4可知，两种混合燃料的烟度只有在2500r/min时相当，而在其它转速范围中，前者的降烟幅度都大于后者。由此可得出结论，8%乙醇柴油降烟效果5%乙醇柴油。
随着乙醇含量增加，混合燃料的含氧量增加，这是8%乙醇柴油混合燃料的降烟效果好于5%乙醇柴油混合燃料的主要原因。
在整个转速范围内，燃用5%乙醇柴油发出的功率、扭矩与其它两种燃料相比最高，8%乙醇柴油混合燃料次之，燃用柴油发出的功率、扭矩最小。其中，燃用8%乙醇柴油与柴油发出的功率基本相同；从发动机发出的扭矩来看，在低转速范围内前者发出的功率大于后者，在中、高转速范围内两者相差不大。柴油的低热值较乙醇低热值要大，所以混合燃料的低热值要小于柴油的低热值。经过计算得出，柴油低热值为42500kJ/kg；5%乙醇柴油混合燃料低热值为41762 kJ/kg；8%乙醇柴油混合燃料低热值为41317 kJ/kg。从燃料的低热值来看，燃用柴油发出的功率、扭矩应当最大。但是，由于燃烧时的缸内工质是燃料与空气的可燃混合气，所以影响发动机的功率、扭矩是可燃混合气的热值。乙醇中含氧量多，自身的氧也参与燃烧，所需加入的空气量就相应的下降，所以乙醇柴油与柴油的混合气热值相差不多，甚至比柴油燃料的混合气热值更高。
可燃混合气质量热值
按下式被定义为，单位摩尔混合气在标准状况下完全燃烧所释放的热量[10]。
其中：
:可燃混合气热值，[kJ/kmol]；
: 燃料的低热值，[kJ/kg]；
:一千克燃料形成的可燃混合气，[kmol/kg]；
: 过量空气系数；
: 一千克燃料完全燃烧需要的理论空气量，[kmol/kg]；
: 燃料的分子量；
由于过量空气系数未知，按照柴油机燃烧时的过量空气系数，范围取1.2—1.8；
通过上式计算得：
1). 柴油
当=1.2时，=70183.5 kJ/kmol；当=1.8时，=46932.5 kJ/kmol；
2). 5%乙醇柴油
当=1.2时，=70267.8 kJ/kmol；当=1.8时，=47012.6 kJ/kmol；
3). 8%乙醇柴油
当=1.2时，=70191.3 kJ/kmol；当=1.8时，=46954.1 kJ/kmol；
计算结果与实验数据完全吻合，5%乙醇柴油混合燃料与8%乙醇柴油混合燃料的混合气热值大于柴油的混合气热值，同时 8%乙醇柴油混合燃料的混合气热值更接近柴油的混合气热值,即随着在柴油中添加乙醇比例的增加，混合燃料的混合气热值逐渐减小，最后会达到比柴油略低的水平。正是由于上述原因使得燃烧混合燃料的功率、扭矩比燃烧柴油的大。
如图6所示，5%乙醇柴油混合燃料的能耗率曲线最低，8%乙醇柴油混合燃料的能耗率曲线居中，柴油的能耗率曲线最高。在相同工况下(相同转速、相同负荷)，燃用三种燃料发出的功率5%乙醇柴油混合燃料最大、8%乙醇柴油混合燃料次之、柴油最小；而要发出相同功率必然是柴油消耗燃料的量即能耗率最多，8%乙醇柴油混合燃料能耗率次之，5%乙醇柴油混合燃料能耗率最小。三种燃料的能耗率曲线与图4所显示的功率曲线是一致的。
3.4负荷特性对比
为了研究乙醇柴油混合燃料对发动机经济性能的影响，试验分别进行了索菲姆型柴油机燃用柴油、5%乙醇柴油、8%乙醇柴油的转速为2600r/min的负荷特性，负荷特性对比如图7所示。
从图7中可以看出，燃用柴油、5%乙醇柴油混合燃料与8%乙醇柴油混合燃
料能耗率曲线变化趋势一致即随着负荷的增加，能耗率先是大幅度减小，然后又有小幅上扬。在整个负荷范围中，燃用乙醇柴油混合燃料的能耗率始终小于燃用柴油的能耗率，在小负荷范围内燃用5%乙醇柴油混合燃料的能耗率效果明显好于柴油，在中、大负荷范围内三种燃料的能耗率水平基本相当。混合燃料能耗率下降的主要原因是由于乙醇的自供氧效应，改善了燃烧使得燃烧更加充分、更加均匀。
3.5自由加速烟度对比
自由加速烟度的测量根据国标GB17691-2001《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》进行。
AVL Dismoke 4000不透光烟度计对于自由加速烟度的测量是很方便的，它有一个法规测量模式。
表1 燃用柴油、乙醇柴油混合燃料的加速烟度值
1
2
3
4
平均值
柴油
2.52
2.72
2.76
2.55
2.63
5%乙醇柴油
1.61
1.64
1.39
1.49
1.53
8%乙醇柴油
1.29
1.29
1.29
1.27
1.28
由表1可以得出，燃用5%乙醇柴油的加速烟度值只有燃用柴油的58.2%,而燃用8%乙醇柴油的加速烟度值只有柴油的48.7%。同时，表1也表明8%乙醇柴油的加速烟度值要好于5%乙醇柴油。
四、技术参数对柴油机碳烟排放的影响
对碳烟排放有影响的参数很多，有喷油器开启压力[7]、喷孔直径[8] [9] 、喷油嘴凸出度[9]、供油提前角[3] [4]、进气阻力等，这里主要说明进气阻力对碳烟排放的影响。台架布置如图8所示。
本实验是研究进气阻力对发动机性能尤其是排放性能的影响，通过改变发动机的进气阻力来模拟空气滤清器堵塞对发动机的影响。进气阻力的测量可通过空气流量来表示。为了比较出不同进气阻力的影响,在转速n=2600r/min、全负荷定工况下，测出发动机的功率、扭矩、有效燃油消耗率、烟度,在怠速工况下测出发动机的自由加速烟度,然后改变节流阀使进气阻力改变，再测量上述参数，最后对比分析试验数据。试验中直接测出的是水压计读数，需要将它代入下式中计算得出空气流量。
—空气流量 (
);
—水压计读数 (
);H2O
—大气压力 (
);
—大气温度 (℃);
进气阻力和烟度如图9所示，发动机动力性对比如图10所示、发动机经济性对比如图11所示。
从图9可以看出进气阻力对柴油机烟度的影响很大。随着进气阻力的加大，烟度大幅度上升。最高点处的值是表示进气阻力最大时的烟度，后者的烟度仅仅为前遮掩度的11.7%,后者的进气量为前者的1.27倍。
图10、图11分别为进气阻力增加对柴油机动力性、经济性的影响。随着进气阻力增大，功率、扭矩下降幅度很大。当空气滤清器严重堵塞时的功率、扭矩比空气滤清器清洁时分别下降了12.3%和11.9%，有效燃油消耗率则增加了19%。
用 A B C D E F G H 分别代表不同进气阻力时进气截流阀的流通截面积。通过测量和计算得出A= 11.35cm2; B =13.75cm2; C =16.17cm2; D =18.59cm2; E =21.01cm2; F =23.43 cm2; G =25.85cm2; H =28.27cm2。因为测量柴油机的加速烟度时，空气流量与定工况时不同，它不是定值，因而采用流通截面积来表示进气阻力的大小。如图12所示，柴油机的加速烟度值随着进气阻力的增加而增加，空气滤清器严重堵塞时的烟度值较空气滤清器清洁时的烟度值增加了45.7%,可见进气阻力对于柴油机的加速烟度影响非常的大。
五、结语
(1)乙醇的基本物理化学特性适合乙醇柴油混合燃料。乙醇本身含氧能改善柴油机的燃烧性能，提高热效率；
(2)乙醇虽然易溶于水而较难溶于油，但是在柴油中加入乙醇的比例较小及在0℃以上温度的情况下，可以配置完全互溶的乙醇柴油混合燃料；
(3)本文给出了能耗率的概念，给出了计算能耗率的公式，使得乙醇柴油混合燃料与柴油燃料消耗量具有可比性；
(4)混合后乙醇柴油能够有效降低碳烟的排放，提高热效率。随着燃料中乙醇含量的增加，降低碳烟的效果更加明显；
(5)燃用小比例的乙醇柴油混合燃料不但不会使功率、扭矩下降，反而会有小幅度的上升，同时它的燃料消耗量也比燃用柴油时的要好；
参考文献：
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