第39卷（2021）第3期
内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE
V ol.39（2021）No.3
收稿日期：2020-07-14；修回日期：2021-02-15．
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0806302)；国家自然科学基金资助项目(51922076). 作者简介：吴洋亦，硕士研究生，E-mail ：****************.
通信作者：刘海峰，教授，博士生导师，E-mail ：******************.
DOI: 10.jxb.202103025
吴洋亦1，王 跃2, 3，陈诗旭2, 3，金 超2, 3，刘海峰1，尧命发1
(1. 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072；
3. 天津大学 天津市生物质废物利用重点实验室，天津 300072)
摘要：在一台6缸增压柴油机上开展了无水乙醇、四氢呋喃(THF)与柴油混合燃料对柴油机燃烧和排放影响的研究，所用燃料为纯柴油、体积分数为15%THF 和85%柴油的柴油-THF 混合燃料及10%乙醇、5%THF 和85%柴油的柴油-乙醇-THF 混合燃料．结果表明：添加5%THF 可以明显改善柴油-乙醇混合燃料的互溶性，添加THF 使发动机燃油消耗率增加，有效热效率降低；而柴油-乙醇-THF 混合燃料的有效热效率略低于原机；THF 的加入导致NO x 排放增加了8%，CO 排放增加了5%，HC 排放增加2%，碳烟排放降低25%；柴油-乙醇-THF 混合燃料与柴油相比碳烟排放降低了38%，CO 排放降低了7%，但是NO x 排放增加了16%，HC 排放增加了9%．13工况加权结果表明，柴油-乙醇-THF 混合燃料的排放和有效热效率较柴油-THF 混合燃料更好．添加少量THF 不仅能够实现柴油-乙醇燃料稳定互溶，而且较柴油-THF 混合燃料获得更优的排放和燃油经济性． 关键词：无水乙醇；四氢呋喃；助溶剂；燃烧；排放
中图分类号：TK428.9 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2021)03-0193-08
Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine
Fueled with Diesel -Ethanol -THF Blends
Wu Yangyi 1，Wang Yue 2, 3，Chen Shixu 2, 3，Jin Chao 2, 3，Liu Haifeng 1，Yao Mingfa 1
(1. State Key Laboratory of Engines ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2. School of Environmental Science and Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；3. Tianjin Key Laboratory of Biomass/Wastes Utilization ，
Tianjin University ，Tianjin 300072，China ) Abstract ：The effects of blends of anhydrous ethanol ，tetrahydrofuran (THF )and diesel on the combustion process
were studied on a six-cylinder turbocharged diesel engine. The three test fuels selected are pure diesel ，the blends of diesel-THF (15% THF and 85% diesel in volume )and the blends of diesel-ethanol-THF (5% THF ，10% ethanol and 85% diesel in volume ). The results show that the addition of 5% THF can significantly improve the solubility of the blends of diesel and ethanol. The addition of THF also increases the fuel consumption and reduces the effective thermal efficiency ，while the effective thermal efficiency of the blends of diesel-ethanol-THF is slightly lower than that of the pure diesel. The addition of THF results in 8% in crease in NO x emission s ，5% in crease in CO emissions ，2% in crease in HC emission s an d 25% reduction in soot emission s. Compared with diesel ，diesel-ethanol-THF fuel has 38% reduction in soot emissions ，7% reduction in CO emissions ，but 16% increase in NO x emissions and 9% increase in HC emissions. It can be seen from thirteen operating mode test results that the emis-sions and the brake thermal efficiency of the
blends of diesel-ethanol-THF are better than those of the blends of die-sel-THF. It can be seen that the addition of a small amount of THF can not only achieve stable miscibility of the blends of diesel-ethanol ，but also obtain lower emissions and better fuel economy than that of the blends of the diesel-THF.
Keywords ：anhydrous ethanol ；tetrahydrofuran ；co-solvent ；combustion ；emissions
·194·内 燃 机 学 报第39卷 第3期
乙醇作为一种石油替代燃料是当今研究[1]的热点，大量研究表明，含氧燃料在优化排放方面较传统燃料有诸多优势，乙醇就是一种典型的含氧燃 料[2]．燃料乙醇的制备是以纤维素和其他废弃物为原料，属于可再生能源，生物燃料乙醇可以减少二氧化碳以及机动车尾气中的颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物等有害排放，有利于改善生态环境．乙醇作为一种含氧可再生燃料，已经被广泛研究并应用到汽油机上改善排放和替代化石燃料[3-5]．Bayraktar[3]指出汽油中加入乙醇使燃烧缸内压力和温度升高，燃烧持续期变短，从而提高有效热效率．祁东辉等[4]试验发现，发动机的动力性略有减小，经济性优于汽油，使用乙醇汽油混合燃料时乙醛排放显著增加．何邦全等[5]研究发现，添加乙醇使HC排放减少30%，并且在某些工况下NO x和CO的排放均有明显地改善．
柴油机上针对乙醇的应用也开展了相应的研究．活性控制压燃(RCCI)的燃烧策略[6-7]以及熏蒸 法[8-9]
均实现了乙醇在柴油机上的应用．还有一些研究者采用一定比例乙醇和柴油直接掺混方式[10-13]．何邦全等[10]指出由于乙醇较低的十六烷值和较高的汽化潜热使滞燃期延长，放热率相位后移，峰值增大．邢元等[11]在一台增压柴油机上进行乙醇柴油混合燃料的试验，结果发现在高速大负荷工况下，混合燃料中乙醇比例过高会使热效率明显变差．王建昕等[12]指出乙醇的加入使NO x排放增加、烟度减小，采用推迟喷油时刻等喷油策略可以同时减小NO x和烟度．随着乙醇比例的增加，排气中乙醛和未燃乙醇浓度上升，在小负荷工况时乙醛和乙醇浓度更大．但是，乙醇和柴油之间互溶性不好，使得加入乙醇的比例十分有限且混合溶液的稳定性较差．因此，需要通过添加助溶剂来提高掺混燃料中乙醇的比例以及掺混燃料的稳定性．丁醇和其他高碳醇被视为潜在的一类助溶剂，相比于低碳醇，高碳醇拥有更高的十六烷值、热值和黏度等，因而其运输和处理都更安全，并且较差的吸湿性更有利于保持燃料稳定[14]．目前，短链高碳醇(如正丁醇)已有研究用来作为乙醇柴油和甲醇柴油的助溶剂[15-16]，并发现适量正丁醇添加可保持乙醇柴油混合燃料更加均匀稳定，而在Jin等[16]对大豆油和乙醇混合燃料助溶剂的研究中，四氢呋喃(THF)相比于丁醇具有更好的助溶性．
THF是一种无与水混溶，常温、常压下有较小黏稠度的有机液体，是一种重要的有机合成原料，化学式为(CH2)4O，也是一种常用的中等极性非质子性溶剂[17-18]．THF已被用作甲醇分解反应和生产碳氢化合物燃料前体反应的助溶剂[19]，而且研究也发现
作为一种未来的生物燃料具有很好的发展前景[20]．
基于以上文献综述可以发现，乙醇与柴油之间较
差的互溶性影响喷油和燃烧稳定性，制约了乙醇作为
生物燃料在柴油机上的推广应用．笔者首先通过在
20℃条件下的滴定试验确定柴油-乙醇-THF混合燃
料的互溶性，之后根据试验结果确定掺混比例，主要
分析3种燃料的燃烧和排放特性，3种燃料分别为纯
柴油、含有体积分数为15%THF的柴油-THF混合燃
料以及含有5%THF、10%无水乙醇的柴油-乙醇-THF
混合燃料，开展燃料稳定性以及柴油机不同转速和负
荷下的燃烧排放研究．上述研究可为乙醇和THF燃
料在柴油机上的应用提供参考．
1试验装置及方法
1.1试验装置
试验在一台6缸四冲程、增压中冷重型柴油机上
进行，采用高压共轨燃油喷射系统．发动机参数如表
1所示．试验装置示意如图1所示，通过压力传感器(Kistler 6125C)、电荷放大器和数据采集系统进行缸
内压力测量，以0.5°CA为增量，在各工况点连续测
量100个循环的压力数据．通过建立单区放热模型，
并假设空气和燃料混合物和缸内温度是均匀的来分
析缸内压力数据，通过Woschni传热模型获得传热系
数，之前研究[21-23]已经使用过该模型计算放热率．通
过排气分析仪(HORIBA MEXA 7100DEGR)进行气
体排放测量，碳烟测量通过滤纸式烟度计(A VL
415S)，碳烟排放的计算公式为
soot
1 5.32FSN
0.405
B=×××
0.3062FSN air fuel
e
e0.001
1.292
m m
P
+
××(1)
式中：FSN是由烟度计测量的经过滤纸过滤的烟度；
m air为进气流量；m fuel为燃油消耗率；P e为有效功率．
表1发动机参数
Tab.1Engine specifications
参数数值
发动机类型直列6缸每缸四气门，水冷增压中冷
缸径
螺柱焊
活塞行程/mm
113
140
连杆长度/mm 209
排量/L 8.42 压缩比 17.5 燃烧室型式缩口ω型
标定功率/kW 243(2200r/min)
最大转矩/(N·m)1280(1200～1700r/min)
电控燃油系统 BOSCH第二代高压共轨
2021年5月 吴洋亦等：柴油-乙醇-四氢呋喃混合燃料的燃烧与排放特性 ·195·
式(1)中FSN 的适用范围为0
～8.08．试验过程中冷却水温度控制在(85±2)℃，机油温度控制在(110±2)℃，每个测试点待发动机运行状况稳定数分钟后记录数据．仪器的测量精度如表2所示．
图1 试验台架示意
Fig.1 Experiment device schematic diagram
发泄壶表2 测量仪器精度 Tab.2 Uncertainties of the measurement instruments 测量仪器 精度
排气分析仪(HORIBA 7100DEGR ) 1×10-6
烟度计(A VL 415S ) 0.001FSN
缸内压力传感器(Kistler 6125C ) －160pC/MPa 空气流量计(ToCeil 120N80) 0.1m 3
/h 燃油消耗率仪(A VL 733S ) 0.01kg/h
1.2 试验燃料
由于乙醇含碳量较低并且具有较高极性，柴油-乙醇的混合溶液总有相位分离趋势，因而添加助溶剂提升互溶性是必要的．试验中使用滴定法来确定助
溶剂添加比例，滴定试验分别在温度为0、10和20
℃下进行，通过高精度移液管向装有柴油-乙醇混合溶液的试管中滴入THF ，直到出现均匀稳定的溶液后记录数据，为了保证结果的准确性，试验重复3次
并将溶液静置观察48h ．由于试验条件的限制，低温
固废焚烧
区间的试验将在之后研究中进行． 试验选用的3种燃料分别命名为燃料A (中国商
用第五阶段0号柴油)、燃料B (柴油-THF 混合物)和
燃料C (柴油-乙醇-THF 混合物)．表3为柴油、无水 表3 柴油、无水乙醇和THF 的主要特性
Tab.3 Main properties of diesel ，pure ethanol and THF
参数
柴油
无水乙醇 T HF
十六烷值 51.0 8.0 26.8[26]
氧质量分数/% — 34.73 22.19密度/(kg ·L -1) 0.834 0.794 0.890低热值/(MJ ·kg -1
) 42.60 26.83 32.74汽化潜热(20℃)/(kJ ·kg -1
)
232.00 918.42 420.00
黏度/(mm 2
·s -1) 2.00～4.50 1.13 0.47
沸点/℃ 180～370 78 66
饱和蒸气压/kPa — 5.8 19.3 乙醇和THF 的主要特性[16, 24-25]．燃料掺混体积分
数、十六烷值、氧质量分数、密度、体积低热值以及汽化潜热如表4所示，十六烷值和低热值依次降低，氧质量分数和汽化潜热依次增加．
表4 试验燃料主要特性
Tab.4 Main properties of test fuel
参数
燃料A
燃料B
燃料C
柴油体积分数/% 100 85 85 乙醇体积分数/% 0 0 10 THF 体积分数/% 0 15 5 十六烷值 51.00 47.37 45.49 氧质量分数/% — 3.52 4.50
密度/( kg ·L -1
) 0.834 0.843 0.833
低热值/(MJ ·L -1
) 35.54 34.58 33.79
汽化潜热/(kJ ·kg -1
) 232.00 261.68 307.49
1.3 试验方法
为了更好分析乙醇和THF 对柴油燃烧的影响，
首先针对乙醇柴油的互溶性以及添加THF 后对混合
燃料的互溶性和燃料稳定性的提升进行研究；之后对
1137r/min 、263N ·m 工况下的缸内燃烧压力、放热
率、压力升高率以及燃烧相位进行分析；最后根据原机国Ⅵ排放标准的脉谱在全球统一稳态试验循环
(WHSC )下的13工况点进行试验，不同燃料在相同工况点的喷油策略保持一致，具体测试点如表5所示，并根据数据分析添加乙醇和THF 对燃烧和排放的影响． 表5 WHSC 循环13工况点
Tab.5 Thirteen -mode in WHSC 工况点转速/(r ·min -
1) 转矩/(N ·m )
1 650 2(冷怠速)
2 1415 1100
3 1415 275
4 141
长效复合肥5 770 5 1137 1050
6 998 238
7 1276 770
8 1276 275 9 1415 550
10 1694 1100
11 1137 525
12 1137 263
13 650 2(热怠速)
射线灯2 结果与分析
2.1 互溶性
图2为柴油与乙醇互溶性试验结果，曲线上方是
互溶区，曲线下方为二者不能互溶的分层区，乙醇与柴油互溶区所需环境温度较高，正常使用过程如果不添加助溶剂，很容易导致两者分层，混合燃料不
·196· 内 燃 机 学 报 第39卷 第3期
稳定．
图3为柴油-乙醇-THF 混合燃料互溶结果，白区域为互溶区，灰区域为分层区．THF 与乙醇、THF 与柴油之间完全互溶，并且与图2对比可知，添加少量THF 对柴油与乙醇互溶性有很大提升，体积分数为5%THF 在20℃下就可以实现各个不同比例的柴油-乙醇混合燃料的助溶，因而试验中燃料C 的THF 体积分数为5%，并且为了分析THF 对燃烧和排放的影响以及其与乙醇的对比，在试验中燃料C 添加10%乙醇以及燃料B 中添加15%THF ，试验选用的混合比例使燃料的十六烷值在可正常使用范围内，并且从表4可以看到，3种燃料体积低热值差异很小，即使直接在柴油机上应用测试用的混合燃料，其对现有供油系统和动力性影响较小，无需进行相应改造．针对试验测试的乙醇比例最高为10%，添加5%THF 就保证了柴油-乙醇-THF 三者完全互溶，混合燃料具有很好的稳定性，不出现燃料分层．此外，从图3中也可看出，THF
的添加可以显著改善不同比例的乙醇-柴油混合物的燃料稳定性，有潜力实现更高比例的乙醇添加．
图2
无水乙醇与柴油之间的互溶性
Fig.2 Phase behaviors of anhydrous ethanol -diesel blends
图3 20℃时柴油-乙醇-THF 的互溶性
Fig.3 Phase behaviors of three -component system of
diesel -ethanol -THF at 20℃
2.2 燃烧特性
选取1137r/min 、263N ·m 工况点进行燃烧分
析，为之后燃油经济性、发动机排放分析提供依据．3
种燃料的缸内压力、放热率、压力升高率以及燃烧相位如图4所示．图4a 表明，相对于纯柴油燃料A ，加入THF 后的燃料B 缸内最大爆发压力相位推迟，进一步加入乙醇后的燃料C 缸内最大爆发压力相位进一步推迟，3种燃料A 、B 和C 的放热率峰值依次增大，相位依次推迟．THF 与乙醇较强的挥发性以及较高的汽化潜热使缸内温度降低，因而燃料B 与燃料C 压力曲线的第一个峰值降低，并且爆压相位推迟，又因为乙醇的汽化潜热高于THF ，缸内温度更低，燃料C 爆压相位进一步推迟．由于燃料的汽化潜热依次增加，缸内温度降低，燃料B 和燃料C 的滞燃期延长，滞燃期内喷入缸内的燃料增加，预混时间增长；另外THF 和乙醇黏度低，燃料的雾化质量更好，改善混合气质量，加快燃烧速度，因而燃烧定容度变大，燃烧放热更集中，3种燃料A 、B 和C 的放热率曲线
峰值依次升高，相位依次推迟．
（a ）缸内压力和放热率
（b ）压力升高率
（c ）燃烧相位
空气源热泵技术图4 燃烧分析
Fig.4 Combustion analysis
2021年5月吴洋亦等：柴油-乙醇-四氢呋喃混合燃料的燃烧与排放特性 ·197·
图4b表明，3种燃料A、B和C的压力升高率依次增大并且峰值相位推迟，THF和乙醇的加入会延长滞燃期，虽然燃烧放热始点燃烧室容积增大，会降低压力升高率，但是燃料B与燃料C含氧量较高，黏度低，改善了混合气质量，燃烧持续期缩短，燃烧更集中．因此，3种燃料的压力升高率依次增大并且峰值相位推迟．图4c为3种燃料A、B和C的燃烧相位．滞燃期为从喷油时刻开始至燃烧释放出总热量10%的曲轴转角(CA10)，急燃期为CA10至燃烧释放出总热量50%的曲轴转角(CA50)，燃烧持续期为CA10至燃烧释放出总热量90%的曲轴转角(CA90)．柴油滞燃期最短，燃烧持续期最长，燃料B 与燃
料C的滞燃期延长，燃烧持续期依次缩短，3种燃料的急燃期基本相同．THF和乙醇的汽化潜热较高，降低了缸内温度，滞燃期延长；燃料B与燃料C 的挥发性也较好，同时含氧量较高，提高了燃烧反应速率，但THF和乙醇的加入会降低缸内温度；另一方面降低了燃烧反应速率，因而3种燃料的急燃期基本相同．从整个燃烧持续期来看，滞燃期越长，预混燃烧比例越大，燃烧越集中，燃烧持续期越短，因而3种燃料的燃烧持续期依次缩短．
2.3乙醇和THF对燃油消耗率和有效热效率影响
图5为13工况点其中11个工况点下的燃油消耗率和有效热效率(第1和第13冷、热怠速工况点的数值与其他工况点的差异较大，不画入图中，这两点的燃油消耗率及排放会单独进行分析以及在之后的加权结果中计入)．燃料B的燃油消耗率较燃料A增大，有效热效率降低，小负荷工况点3、6、8和12燃油消耗率增幅较大，有效热效率降幅较大；燃料C与燃料B相比燃油消耗率降低，有效热效率有所提高，但经济性和热效率仍比纯柴油燃料A差．THF对燃油消耗率的影响有：(1)THF的含氧量比柴油高，可以提高混合燃料中的含氧量，使燃烧更完全；(2)汽化潜热较高，降低缸内的温度，燃烧速率减小；
(3)THF沸点较低，挥发性较强，提高预混比例，但小负荷时温度低，滞燃期延长，部分区域混合气过稀，燃烧效率变差；(4)THF的热值与柴油相比明显降低，相同工况下会使燃油消耗率升高．其中第(4)点是主要影响因素，燃料B的燃油消耗率与燃料A相比升高，并且小负荷时温度降低，效率降低，燃油
消耗率增加幅度变大．乙醇的加入对于燃油消耗率的影响有：(1)含氧量高燃烧更完全；(2)汽化潜热更大降低了缸内的燃烧温度，燃烧效率降低；(3)十六烷值低，滞燃期延长；(4)乙醇热值是三者中最低的，混合燃料中加入乙醇，会使燃油消耗率有升高的趋势．图5表明，在中、低负荷工况，乙醇十六烷值较低，滞燃期延长，含氧量较THF更高，燃烧更充分，同时更长的滞燃期导致燃料C燃烧持续期变短，如图4c所示，燃料C的CA90结束更早，燃烧定容度提高，有效热效率较燃料B有所提高，但燃油经济性和热效率仍然比柴油差．在中、
高负荷，缸内燃烧温度升高，汽化潜热、滞燃期影响相对较小，喷油量变大，燃烧持续期相对变长，含氧量成为影响燃烧的主要因素，燃料C含氧量更高，燃烧更充分，与燃料B 相比燃油消耗率减少，有效热效率少量提升．整体来看，柴油-乙醇-THF混合燃料热效率较柴油-THF混合燃料更高，仍略低于柴油．
（a）燃油消耗率
（b）有效热效率
图53种燃料的燃油消耗率和有效热效率
Fig.5Brake specific fuel consumption and brake ther-mal efficiency of the test fuels
2.4乙醇和THF对排放影响
3种燃料在11个工况下的排放如图6所示．图6a表明，小负荷工况点3、6、8和12由于缸内燃烧温度较低，发动机的NO x排放相对较少；中、高负荷工况下缸内温度较高，NO x排放增多．THF的加入会增加混合燃料中的含氧量，有利于NO x生成；滞燃期延长，并且挥发性好，燃烧过程中的空燃比变大，燃烧放热集中，这些因素使发动机的NO x排放增加；尽管汽化潜热升高降低温度，不利于NO x生成，但前两者含氧量和滞燃期影响占主导因素，NO x排放增加．燃
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