乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃燒與排放特性

第23卷(2005)第4期Transactions of CSICEVol.23(2005)No.4文章編號:1000-0909(2005)040343-0523-054乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃燒與排放特性何邦全1,王建昕2(1.天津大學(xué)內燃機燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,天津300072;2.清華大學(xué)汽車(chē)安全與節能?chē)抑攸c(diǎn)實(shí)驗室,北京100084)摘要:對燃料甲酯作為乙醇/柴油混合燃料助溶劑的可行性進(jìn)行了研究,并對比了柴油機分別使用柴油、乙醇/柴油/甲酯混合燃料、乙醇/甲酯混合燃料和純甲酯燃料時(shí)的燃燒與排放特性。結果表明,燃料甲酯可用作乙醇/柴油的助溶劑。與原機相比,含氧燃料可以大幅度降低柴油機在中高負荷時(shí)的煙度,其中E30M0燃料的煙度最小。但當使用含有乙醇的混合燃料時(shí),著(zhù)火延遲,THC排放增加,且在中高負荷時(shí)的壓力升高率大,NO2排放較高。關(guān)鍵詞:柴油機;燃料;燃燒;排放中圖分類(lèi)號:TK421.2文獻標志碼:AStudy on Combustion and Emission Characteristics of a DieseEngine Fuelled with Ethanol/Diesel/Methyl Ester BlendsHE Bang-quan, WANG Jian-xin(1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. State KeyLaboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The feasibility of methyl ester as an additive for the ethanol-diesel blends was investigated, and thecomparisons in combustion and emission characteristics of a diesel engine fuelled with diesel, ethanol/ dieselmethyl ester, ethanol/methyl ester and pure methyl ester were made respectively. The results showed thatmethyl ester could be used as an additive for ethanol/diesel blends, and oxygenated fuels could significantlyreduce the exhaust smoke at the medium and high loads compared to that of diesel operation. blend containing 30% volume of ethanol and 70%volume of methyl ester gave the lowest smoke emission. Howeverignition delay and total hydrocarbon (THC)emissions would be increased along with high value of pressurerise rate and NO, at medium and high loads with the use of ethanol/ diesel blends.Keywords: Diesel engine; Fuel; Combustion: Emissions機上使用。最實(shí)用的方法是將乙醇摻人到柴油中,形成乙醇/柴油混合燃料,但乙醇是極性分子,用生物質(zhì)含氧燃料部分替代柴油不僅可以緩使得乙醇柴油混合燃料的穩定性受柴油中碳氫解柴油的供求矛盾,而且能減少柴油機的有害排化合物的構成、含水量、比重、溫度和添加劑量的放物。目前研究最多的生物質(zhì)含氧燃料是乙醇和影響。燃料甲酯(也稱(chēng)生物柴油)。為此需要體用助溶劑以提高乙醇/柴油混合乙醇的十六烷值較低,難以直接在普通柴油燃料的中國煤化工入,使得乙醇/CNMHG收稿日期:20040430;修訂日期:2004-08-02基金項目:天津大學(xué)青年教師基金資助項目(W50301作者簡(jiǎn)介:何邦全(1964-),男,博士,副教授,主要研究方向為內燃機燃燒過(guò)程和代用燃料344·內燃機學(xué)報第23卷第4期柴油/助溶劑混合燃料的物理化學(xué)性質(zhì)不同于柴為了降低燃料甲酯的黏度,在其中添加乙醇,油。隨著(zhù)乙醇含量的增加,乙醇/柴油混合燃料的制備黏度比純甲酯燃料低,氧含量比甲酯高的甲黏度和十六烷值降低,而且柴油機有新的排放酯/乙醇混合燃料物—未燃乙醇排出口燃料甲酯是脂肪酸與甲醇反應的產(chǎn)物,可以表1燃料甲酯、乙醇及0柴油的理化性質(zhì)從植物油和動(dòng)物脂肪制取。當然,制備的原料和Tab.1 The physicochemical properties of methyl ester,工藝不同,所得燃料甲酯的成份和理化性質(zhì)亦不ethanol and o" diesel fuels相同。由于燃料甲酯的十六烷值較高,因此,它可名稱(chēng)甲酯乙醇0#柴油以直接用作柴油機的燃料21燃料低熱值/(MJ/kg)42.5燃料甲酯能分別與柴油和乙醇互溶。為此十六烷值8.050.1提出用燃料甲酯作為乙醇/柴油混合燃料助溶劑硫質(zhì)量分數/%0.00390.00000.0169的設想,并對其可行性進(jìn)行研究。在此基礎上,對密度(20c)/(kg/m3)879.7794.0836.6比研究柴油、乙醇/柴油/甲酯混合燃料、乙醇/甲運動(dòng)黏度(20℃)(mm2/)6.9321.5103.744酯混合燃料及純甲酯燃料的燃燒與排放特性,為新型組合燃料的推廣應用提供指導。作為對比,本試驗研究了4種燃料,即0#柴1試驗裝置油,0#柴油、乙醇、甲酯體積分數分別為60%試驗所用的發(fā)動(dòng)機是一臺自然吸氣直噴式30%和10%的混合燃料(D60E30M10),乙醇和甲295TA型柴油機,其壓縮比為17,最大轉矩/轉酯體積分數分別為30%和70%的混合燃料速為99N·m/(1540r/min)(E0M70)和純甲酯燃料(M100)的燃燒與排放特排氣成份由AVL公司產(chǎn)的CEBⅡ型氣體分性。其中0·柴油、D60E30M10、E30M70和M100析儀來(lái)分析,其中NO2用化學(xué)發(fā)光法(CLD)分的低熱值分別為42.5MJ/kg、37.44MJ/kg、析,總碳氫(THC)由氫火焰離子法(FID)分析,34.43M/kg和37.4M/kgCO由不分光紅外線(xiàn)法(NDR)分析。柴油機的3試驗結果與討論煙度用FBY-200型全自動(dòng)煙度計測量。氣缸壓力由 Kistler6617A壓力傳感器經(jīng)圖1給出了不同燃料在1540r/min時(shí)的示Kistler501l電荷放大器放大后,由高速數據采集功圖?？梢钥闯?在平均有效壓力paP為0.18系統測取。為便于對比,試驗時(shí)柴油機未作調整。MPa和0.63MPa時(shí),M100、純柴油、E30M7032試驗燃料種燃料的最大爆發(fā)壓力依次增大。D60E30M10的最大爆發(fā)壓力在pBEP=0.18MPa最低,而在本研究所用的燃料甲酯是由黃連木果制成的pME=0.63MPa時(shí)最高。由于燃料甲酯在燃油植物油經(jīng)酯化而得。試驗所用基礎燃料的理化性溫度小于333K和壓力小于60MPa時(shí)的體積模質(zhì)如表1所示。數大于柴油的,使得其噴油壓力上升早于柴油的可見(jiàn),乙醇不含硫,甲酯的硫含量遠低于柴噴油時(shí)刻比柴油的提前2。本研究所用噴油器啟油,但乙醇的黏度很低,甲酯的黏度明顯高于噴壓力為22MPa,所以也應遵循這一規律。甲柴油酯的十六烷值比0柴油略高,加上噴油提前,所為了研究燃料甲酯對乙醇/柴油混合燃料的以燃料甲酯的著(zhù)火比04柴油的早。盡管甲酯的助溶能力,對不同乙醇/柴油摻混比時(shí)所需燃料甲密度中國煤化工其熱值比柴油低酯的添加量進(jìn)行了試驗。研究發(fā)現體積分數為1294CNMHG力,使用甲酯燃料10%乙醇/柴油中添加5%的甲酯,30%乙醇/柴時(shí),需要噴射更多體積的燃料,加上甲酯的黏度比油中添加10%的甲酯,都能形成均勻穩定的混合0柴油高得多,使得甲酯燃料的霧化質(zhì)量比0“柴燃料,而且長(cháng)期放置不分層。油的差,限制了著(zhù)火前形成的可燃混合氣量。由2005年7月何邦全等:乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃燒與排放特性·345于甲酯的熱值低于柴油的,致使它的預混燃燒放0.18MPa時(shí),D60E30M10著(zhù)火延遲較多,所以即熱量減少,最大燃燒壓力低于柴油的。在柴油或使預混合燃料較多,但其最大爆發(fā)壓力仍然是這甲酯中加入高汽化潛熱的乙醇后,降低了可燃混四種燃料中最低的。而在pBMP=0.63MPa時(shí)合氣的溫度和可燃混合氣的形成速率3,使得含D60E30M10燃料的著(zhù)火滯燃期相對于 PEEP醇混合燃料的著(zhù)火滯燃期增加,其中D60E30M100.18MPa的縮短了,著(zhù)火提前,燃燒放熱的等容的滯燃期增加得比E30M70的更明顯(如圖2所度更高,使得它的壓力升高率最大,最大爆發(fā)壓力示),這是因為D60E30M10和E30M70兩種混合在4種燃料中達到最高。在 PEEP=0.18MPa和燃料中均含有相同體積的乙醇,但后者的甲酯含BMP=0.63MPa時(shí),M100、純柴油、E30M70和量高,所以表現出較好的著(zhù)火性,由于在M=D60E30M104種燃料的著(zhù)火滯燃期依次增大。n=15401540r/m純柴油純柴油·Ml00:--D60E30M10D60E30M0E30M70…E30M70曲軸轉角/°CA曲軸轉角/CA0.18MPb)PAMEr=0.63 MPa圖1各種燃料燃燒時(shí)柴油機的氣缸壓力2.4n=1540 r/minn=1540 r/min純柴油1.6純柴油D60E30M10D60E30M10E30M700.8E30M7030.0己0.0330360曲軸轉角°CA曲軸轉角CAD PHMEP0. 18 MPa)PBMsP=0.63 MPa圖2各種燃料燃燒時(shí)柴油機的壓力升高率Fig 2 Comparison of the rate of pressure rise of various fuels圖3給出了柴油機燃用各種燃料時(shí)的煙度。MPa時(shí),使用0*柴油、D60E30M10、E30M70和由圖可知當pMP小于0.5MPa時(shí),各種燃料對M100共中國煤化工午煙度分別為柴油機的碳煙排放影響很小,因為此時(shí)缸內混合.3BstCNMHG和0.8BsU氣較稀燃燒完全。當pP大于0.5MPa時(shí),隨著(zhù)D60E30Ml0E30M70和M100比柴油的煙度分負荷的增加,柴油機的煙度逐漸加大,其中0*柴油別降低了53.8%、61.5%和38.5%。使用含氧燃的煙度最大,E30M70的最小。在mMmP=0.63料后,柴油機碳煙減少的主要原因是:含氧燃料可·346·內燃機學(xué)報第23卷第4期以為油束中心的富油區提供氧原子,抑制濃混合D60E30M10和M100來(lái)說(shuō),除了乙醇降煙效果明氣區的碳煙生成,這在高負荷時(shí)尤其明顯,因為含顯外,前者的著(zhù)火滯燃期比后者的長(cháng),是氧燃料中的氧原子始終與碳原子相連,沒(méi)有基元D60E30M10的煙度比M100低的另一個(gè)原因反應能打破C—O鍵,使得這個(gè)碳原子不能參加E30M70是混合燃料中含氧量最大的,而且全部生成不飽和產(chǎn)物,最終導致芳香烴和碳粒生成的由含氧燃料組成。雖然D60E30M10燃料的滯燃反應;含氧燃料不含芳香烴,添加到柴油中后可期最長(cháng),但由于其中的柴油含量比E30M70的大,以降低混合燃料中的芳香烴含量,減少生成碳煙所以其降低煙度效果比E30M70稍差一些。的先趨物。硫含量低的甲酯和不含硫的乙醇也會(huì )圖4給出了各種燃料對柴油機NO排放的影降低柴油機燃燒過(guò)程中形成硫酸鹽微粒的排放。響?？梢钥闯?在中、高負荷時(shí),隨著(zhù)負荷的增加,高汽化潛熱的乙醇使得預混燃燒比例增加,而且NO2排放增加,而且0*柴油的NO2排放最低,其隨著(zhù)混合燃料中氧含量增加,燃燒進(jìn)行的更充分。它三種燃料的NO2排放比較接近,但均高于柴油就乙醇與甲酯相比,前者的氧質(zhì)量含量為34.的。在相同轉速和負荷下,使用含氧燃料時(shí)柴油8%,分子中只有一個(gè)C-C鍵,而且還有一個(gè)OH機的燃燒在更強的氧化性氣氛下進(jìn)行,因此更容基,可以消耗掉燃燒過(guò)程中生成的炔丙基和苯,易形成NO2。含有乙醇的混合燃料的滯燃期長(cháng)對降低碳煙的生成有利。甲酯(分子式為預混燃燒量增加,等容燃燒程度增加,提高了柴油RCOOCH3)含有兩個(gè)氧原子和一個(gè)含有15~20機的燃燒溫度,也是NO2排放增加的原因之個(gè)碳原子的烷基團R。甲酯的含氧量比乙醇的而在低負荷時(shí),燃料甲酯的噴油和著(zhù)火提前仍然少,而且又有比較長(cháng)的烷基團,所以在燃燒時(shí)生成使得其N(xiāo)O2排放高于柴油。但含有高汽化潛熱碳煙的傾向比乙醇大,這是E30M70煙度比乙醇的混合燃料因燃燒溫度低,反而使M100低的主要原因之一。E30M70比M100長(cháng)D60E30M10和E30M70的NO2排放低于柴的滯燃期也有助于減少前者的碳煙生成。就油的。n=1540r/2000純柴油D60E30M10E30M701600M1001200n=1 540 r/min純柴油△-D60E30M0E30M70▲-MI000.2AP圖3燃用各種燃料時(shí)柴油機的煙度圖4燃用各種燃料時(shí)柴油機的NO2排放Fig 3 Comparison of bosch smoke of various fuelsFig 4 Comparison of NO, emissions of various fuels圖5給出了THC排放與負荷的關(guān)系?？梢粤蠠嶂递^低,噴油時(shí)間延長(cháng)也是THC排放高的看出純柴油與M00的THC排放相對較低。但另一個(gè)原因另外,D60E30M1o混合燃料的E30M70和D60E30M10燃料的THC排放較高,TH中國煤化工隹遲有關(guān)。因為這兩種燃料中均含有乙醇,使得混合氣形成CNMHG種燃料時(shí)的CO排過(guò)程中缸內溫度降低,可燃混合氣的形成速度減放。小負荷時(shí),E30M70和D60E30M10兩種燃料?、?未參與燃燒的燃油量增加。乙醇的十六烷的CO排放量較高,其原因主要是高汽化潛熱的值低,著(zhù)火性差也會(huì )使THC排放增加?；旌先家掖际沟煤幸掖嫉幕旌先剂显诠ぷ鬟^(guò)程中平均2005年7月何邦全等:乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃燒與排放特性347·循環(huán)溫度降低,造成不完全燃燒的燃料增加。隨還能用排氣中的THC將NO2還原成N2,達到同著(zhù)負荷的增加,乙醇的吸熱影響減小,含氧燃料中時(shí)降低THC、NO2和微粒的目的。的氧原子對促進(jìn)燃燒起更大的作用,使得柴油機的CO排放減少。在最大負荷點(diǎn),CO排放從小到4結論大的順序是:E30M70