柴油-乙醇-四氢呋喃混合燃料的燃烧与排放特性

2023年12月8日发(作者：最新款bj40柴油版多少钱)

第39卷（2021）第3期

内 燃 机 学 报

Transactions of CSICE

Vol.39（2021）No.3DOI: 10.16236/.202103025

柴油-乙醇-四氢呋喃混合燃料的燃烧与排放特性

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NOx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NOx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 Yangyi1，Wang Yue2, 3，Chen Shixu2, 3，Jin Chao2, 3，Liu Haifeng1，Yao Mingfa1

(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% increase in NOx emissions，5% increase in CO

emissions，2% increase in HC emissions and 25% reduction in soot emissions. Compared with diesel，diesel-ethanol-THF fuel has 38% reduction in soot emissions，7% reduction in CO emissions，but 16% increase in NOx

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

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：****************.cn. 通信作者：刘海峰，教授，博士生导师，E-mail：******************.cn.

乙醇作为一种石油替代燃料是当今研究[1]的热而且研究也发现化合物燃料前体反应的助溶剂[19]，点，大量研究表明，含氧燃料在优化排放方面较传统作为一种未来的生物燃料具有很好的发展前景[20]．

燃料有诸多优势，乙醇就是一种典型的含氧燃

基于以上文献综述可以发现，乙醇与柴油之间较·194· 内 燃 机 学 报 第39卷 第3期

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NOx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NOx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NOx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是一种无色与水混溶，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

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(AVL

415S)，碳烟排放的计算公式为

B1soot=0.405×5.32×FSN×

e0.3062FSN×0.001×mair+mfuel

1.292P(1)e式中：FSN是由烟度计测量的经过滤纸过滤的烟度；mair为进气流量；mfuel为燃油消耗率；Pe为有效功率．

表1 发动机参数

Tab.1 Engine 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

113

活塞行程/mm

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

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(AVL 415S) 0.001FSN

缸内压力传感器(Kistler 6125C) －160pC/MPa空气流量计(ToCeil 120N80) 0.1m3/h

燃油消耗率仪(AVL 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 THF

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/(mm2·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 1415 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)

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，白色区域为互溶区，灰色区域为分层区．THF与乙醇、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

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

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5 3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NOx排放相对较少；中、高负荷工况下缸内温度较高，NOx排放增多．THF的加入会增加混合燃料中的含氧量，有利于NOx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NOx排放增加；尽管汽化潜热升高降低温度，不利于NOx生成，但前两者含氧量和滞燃期影响占主导因素，NOx排放增加．燃 ·198· 内 燃 机 学 报 第39卷 第3期

料C中乙醇的加入相比燃料B含氧量增加，有利于NOx生成，但中、小负荷下由于汽化潜热的原因缸内因此，中、温度降低，对NOx排放降低的影响更显著．小负荷下燃料C的NOx排放相比于燃料B有降低的趋势，比柴油略高；高负荷工况缸内燃烧温度较高，汽化潜热影响较小，乙醇中较高的含氧量促进NOx的生成，乙醇的加入在高负荷下使燃料C的NOx排分，降低HC排放．小负荷时滞燃期延长，所以过多的混合气过稀区使HC增加，中、高负荷条件下空燃比较低，THF中的氧使燃烧充分，HC排放增加幅度与小负荷相比较小．乙醇的加入使燃料的汽化潜热变大，十六烷值降低，降低了缸内温度，滞燃期延长，挥发性较强形成较多的过稀混合气，HC排放增加，而乙醇中的氧有利于燃料充分燃烧，降低HC排放．

放增加．

图6b表明，小负荷工况点3、6、8和12碳烟排放相对较高，中、高负荷下，碳烟排放较低，这是因为该喷油策略接近上止点喷油，燃烧压力和放热率峰值在上止点之后，小负荷工况下过浓区高分子烃裂解后生成的碳烟在温度较低的环境下很难进一步氧化，因而小负荷条件下碳烟排放较高，而中、高负荷缸内温度较高，促进了碳烟的后期氧化，碳烟排放相对较少．THF和乙醇对碳烟排放的影响有：(1)含氧量较高可使燃烧更充分，降低发动机的碳烟排放；(2)十六烷值较低，滞燃期长，并且挥发性好，过浓区少，燃烧过程空燃比增大，碳烟生成减少；(3)二者的m(H)/m(C)高，碳烟生成减少．燃料C与燃料B相比具有更高的氧含量，所以可以进一步减少碳烟

排放．

图6c为不同燃料对CO排放影响的变化规律，小负荷工况点3、6、8和12中CO排放较多，THF和乙醇的加入对于CO排放没有明显改善，甚至会略微增大CO排放；中、高负荷下CO排放较少，并且添加THF和乙醇可以减少CO排放．乙醇和THF沸点低，挥发性好，减少了过浓区域，而且二者的含氧量高，使燃烧更充分，含碳量比柴油低，这些因素使CO有减小趋势，但小负荷下缸内温度较低，CO氧化减弱，滞燃期长，乙醇和THF的高挥发性使靠近壁面的淬冷层厚度增加，增大了CO排放．因此，小负荷下CO排放没有明显改变，中、高负荷THF和乙醇的加入使CO排放降低．因为乙醇的含氧量比THF高，燃烧更充分，所以燃料C的CO排放低于燃料B．

HC排放如图6d所示，小负荷工况点3、6、8和12中HC排放较多，并且添加THF和乙醇使HC排放增多，中、高负荷HC排放较少，THF使HC排放增多，乙醇的加入使HC排放较柴油-THF混合燃料降低．小负荷温度低、滞燃期较长，使得缸内混合气过稀区较多，余隙中存在未燃混合气，HC排放增多；中、高负荷温度高，HC的氧化增强，所以HC排放较少．THF的挥发性较强会产生较多过稀的混合气使HC排放增多，但是THF中含氧量较高，使燃烧更充

（a）NOx排放

（b）碳烟排放

（c）CO排放

（d）HC排放

图6 3种燃料对排放的影响

Fig.6 Effect of the test fuels on emissions

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

·199·

小负荷时空燃比较高，滞燃期延长是主要影响因素，乙醇挥发性较强，因而燃料C与燃料B的HC排放相近，而中、高负荷空燃比较小，含氧量成为主要影响因素，改善燃烧，乙醇中含氧量更高，燃料C与燃料B相比HC排放下降，但仍略高于柴油．

表6为3种测试燃料的冷、热怠速排放．THF的加入会使冷怠速工况下的CO排放与燃料A相比增加了146%，其他排放没有明显的变化．这是因为在冷怠速条件下过量空气系数较高，并且缸内温度较低，THF的汽化潜热会进一步降低温度，相比于乙醇氧含量较低，不利于CO的进一步氧化；乙醇的加入会使热怠速工况下的CO和HC排放分别减少了59%和49%．这是因为乙醇的氧含量较高，在缸内温度较高的情况下增加了NOx的生成，以及进一步氧化CO和HC．

表6 怠速工况排放

Tab.6 Emissions for idle

参数

排放/(g·kW-1·h-1)

NOx soot CO HC

燃料A 185.95 0.85 53.97 56.74

冷怠速

燃料B 231.74 0.72 132.88 62.68

燃料C 246.94 0.63 55.48 56.97

热怠速

燃料A 187.34 0.87 54.65 58.55

燃料B 210.76 0.97 61.36 64.03

燃料C 213.66 0.91 22.16 29.79

13工况排放测量结果如表7所示，THF的加入使NOx排放增加了8%，CO排放增加了5%，HC排放增加2%，THF中的氧会减少碳烟排放25%；而乙醇加入后的部分排放与柴油相比有了一定程度的降低，碳烟排放降低了38%，CO排放降低了7%，但是NOx排放增加了16%，HC排放增加了9%，可以通过进一步优化来改善排放．虽然THF、乙醇与柴油相比燃料的特性相似，但是燃料B的CO排放与燃料A相比在低负荷以及冷怠速工况下有明显的增加，而燃料C的CO排放与燃料A相比在低负荷工况下相当，并且在中、高负荷下有明显的改善，又由于13工况测试中、低负荷以及怠速的加权比重大，在CO排放方面燃料B与燃料C表现出来不同的趋势．

13工况的燃油消耗率和热效率如表8所示．THF的加入使燃料B的燃油消耗率增加了8%，

表7 13工况排放测量结果

Tab.7 Thirteen-mode specific emission results

-1参数

排放/(g·kW·h-1)

NOx soot CO HC

燃料A 6.312 0.016 0.418 0.235

燃料B 6.791 0.012 0.437 0.282

燃料C 7.351 0.010 0.388 0.256

热效率下降了4%．加入乙醇后，与燃料A纯柴油相比，燃油消耗率增加了7%，热效率下降了2%；与燃料B相比燃油消耗率下降了1%，热效率提升了2%．

表8 13工况燃油消耗率和热效率

Tab.8 Thirteen-mode specific BSFC and BTE results

参数 燃油消耗率/(g·kW-1·h-1) 热效率/%

燃料A 220.94 38.34

燃料B 238.25 36.81

燃料C 235.99 37.60

3 结 论

(1) 添加THF后，可显著改善柴油-乙醇燃料的互溶性；添加THF和乙醇会延长滞燃期，缸内最大爆发压力相位推迟，缩短燃烧持续期，提高放热率，燃烧等容度变大．

(2) 与纯柴油相比，THF的加入使燃油消耗率增加，有效热效率降低；柴油-乙醇-THF混合燃料的燃油消耗率与有效热效率均优于柴油-THF混合燃料，燃油消耗率与柴油相比有少量的增加，有效热效率略低于原机．

(3) 与纯柴油相比，THF添加使NOx排放增加，碳烟减少，HC排放增加，中、高负荷条件下CO的排放减少，冷怠速条件下CO排放增加了146%；13工况点中碳烟的排放降低了25%，其他3种排放均略有增加；柴油-乙醇-THF混合燃料使中、高负荷NOx排放有少量的增加，所有试验工况点的碳烟排放大幅降低，减少中、高负荷CO排放，HC排放少量增加，热怠速条件下CO和HC排放分别减少了59%和49%；13工况点中碳烟和CO的排放分别下降了38%、7%，NOx排放增加了16%，HC排放增加了9%．

参考文献：

［1］ Fernando S，Hanna M. Development of a novel biofuel

blend using ethanol-biodiesel-diesel microemulsions：EB-diesel[J]. Energy & Fuels，2004，18(6)：1695-1703.

［2］ Miyamoto N，Ogawa H. Improvement of diesel combus-tion and emissions with addition of various oxygenated

agents to diesel fuels[C] // SAE Paper. San Antonio，Texas，USA，1996，962115.

［3］ Bayraktar H. Experimental and theoretical investigation

of using gasoline-ethanol blends in spark-ignition en-gines[J]. Renewable Energy，2005，30(11)：1733-1747.

［4］ 祁东辉，刘圣华，李晖，等. 电喷汽油机燃用醇汽油混合燃料的试验研究[J]. 内燃机工程，2007， ·200· 内 燃 机 学 报 第39卷 第3期

28(2)：27-30.

［5］ 何邦全，闫小光，王建昕，等. 电喷汽油机燃用乙醇-汽油燃料的排放性能研究[J]. 内燃机学报，2002，20(5)：399-402.

［6］ Liu H F，Wang X，Zheng Z Q，et al. Experimental and

simulation investigation of the combustion characteristics

and emissions using n-butanol/biodiesel dual-fuel injec-tion on a diesel engine[J]. Energy，2014，74：741-752.

［7］ Liu H F，Ma G X，Hu B，et al. Effects of port injec-tion of hydrous ethanol on combustion and emission

characteristics in dual-fuel reactivity controlled compres-sion ignition(RCCI)mode[J]. Energy，2018，145：592-602.

［8］ Bodisco T，Troendle P，Brown R J. Inter-cycle variabil-ity of ignition delay in an ethanol fumigated common rail

diesel engine[J]. Energy，2015，84：186-195.

［9］ Wang Q G，Wei L J，Pan W，et al. Investigation of

operating range in a methanol fumigated diesel en-gine[J]. Fuel，2015，140：164-170.

［10］ 何邦全，王建昕，闫小光，等. 乙醇-柴油在线混合燃料的燃烧排放特性[J]. 清华大学学报：自然科学版，2003，43(11)：1523-1525.

［11］ 邢元，尧命发，张福根，等. 乙醇与柴油混合燃料燃烧特性及排放特性的试验研究[J]. 内燃机学报，2007，25(1)：24-29.

［12］ 王建昕，闫小光，程勇，等. 乙醇-柴油混合燃料的燃烧与排放特性[J]. 内燃机学报，2002，20(3)：225-229.

［13］ Rakopoulos C D，Antonopoulos K A，Rakopoulos D C.

Experimental heat release analysis and emissions of a

HSDI diesel engine fueled with ethanol-diesel fuel

blends[J]. Energy，2007，32(10)：1791-1808.

［14］ Jin C，Pang X T，Zhang X Y，et al. Effects of C3-C5

alcohols on solubility of alcohols/diesel blends[J].

Fuel，2019，236：65-74.

［15］ Liu H F，Hu B，Jin C. Effects of different alcohols

additives on solubility of hydrous ethanol/diesel fuel

blends[J]. Fuel，2016，184：440-448.

［16］ Jin C，Zhang X Y，Geng Z L，et al. Effects of various

co-solvents on the solubility between blends of soybean

oil with either methanol or ethanol[J]. Fuel，2019，244：461-471.

［17］ Kent D R，Petterson K A，Gregoire F，et al. An NMR

and quantum-mechanical investigation of tetrahydrofuran

solvent effects on the conformational equilibria of 1，4-butanedioic acid and its salts[J]. Journal of the American

Chemical Society，2002，124(16)：4481-4486.

［18］ Flora H B，Gilkerson W R. Association of alkali metal

cations with triphenylphosphine oxide in tetrahydrofuran

solvent[J]. The Journal of Physical Chemistry，1973，77(11)：1421-1427.

［19］ Todorovi? Z B，Stamenkovi? O S，Stamenkovi? I S，et

al. The effects of cosolvents on homogeneously and het-erogeneously base-catalyzed methanolysis of sunflower

oil[J]. Fuel，2013，107：493-502.

［20］ Giri B R，Khaled F，Sz?ri M，et al. An experimental

and theoretical kinetic study of the reaction of OH radi-cals with tetrahydrofuran[J]. Proceedings of the Com-bustion Institute，2016，36：143-150.

［21］ Liu H F，Li S J，Zheng Z Q，et al. Effects of n-butanol，2-butanol，and methyl octynoate addition to

diesel fuel on combustion and emissions over a wide

range of exhaust gas recirculation(EGR)rates[J]. Ap-plied Energy，2013，112：246-256.

［22］ Chen G S，Shen Y G，Zhang Q C，et al. Experimental

study on combustion and emission characteristics of a

diesel engine fueled with 2，5-dimethylfuran-diesel，n-butanol-diesel and gasoline-diesel blends[J]. Energy，2013，54(1)：333-342.

［23］ Zheng Z Q，Li C L，Liu H F，et al. Experimental study

on diesel conventional and low temperature combustion

by fueling four isomers of butanol[J]. Fuel，2015，141：109-119.

［24］ Smallwood I M. Handbook of organic solvent proper-ties[M]. New York：Halsted Press，1996.

［25］ Kessler T，Sacia E R，Bell A T，et al. Artificial neural

network based predictions of cetane number for furanic

biofuel additives[J]. Fuel，2017，206：171-179.