柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的燃燒特性

第40卷第9期西安交通大學(xué)學(xué)報2006年9月JOURNAL OF XI AN JIAOTONG UNIVERSITY2006柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的燃燒特性李蔚,黃佐華,蔣德明,任毅(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗室,710049,西安)摘要:分析了柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的燃燒特性和放熱規律,硏究了相同十六烷值條件下混合燃料中含氧量對燃燒特性和放熱過(guò)程的影響,為柴油機燃用含氧混合燃料提供理論指導和試驗依據.研究結果表明:十六烷值改進(jìn)劑(亞硝酸異戊酯)的體積分數為0.2%時(shí),可使其著(zhù)火性能與乙醇的體積分數減小10%時(shí)的水平相當.當保持十六烷值不變,混合燃料中氧的質(zhì)量分數提高3.6%,擴散燃燒期和總燃期的曲軸轉角平均縮短0.8°,中高負荷放熱率曲線(xiàn)型心位置的曲軸轉角向上止點(diǎn)平均靠近0.25,可以認為,試驗結釆反映了混合燃料含氧量對燃燒的影響.關(guān)鍵詞:燃燒;柴油機;柴油/乙醇混合燃料;十六烷值改進(jìn)劑中圖分類(lèi)號:TK411.2文獻標識碼:A文章編號:0253-987X(2006)09-1019-05Combustion Characteristics of a Compression ignition EngineFuelled with Diesel/Ethanol BlendsLi Wei, Huang Zuohua, Jiang Deming, Ren Yi(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi an Jiaotong University, Xi an 710049, China)Abstract: The combustion characteristics and heat release were investigated in a compression ignition engine fuelled with diesel/ethanol blends. The cetane number improver was employed torecover the cetane number of the blended fuels due to the addition of ethanol with low cetanenumber. The results show that added 0. 2% volume fraction of cetane number improver(iso-amylnitrite)the combustion performances of diesel/ ethanol blends are equivalent to that of the mixedblends reduced 10% ethanol fraction. Maintaining cetane number constantly, for every 3.6%increase in oxygen mass fraction, the diffusive combustion duration and total combustion durationdecreased by 0. 8 crank angle degree, and the position of the center of heat release curve movedclose to the top dead center by 0. 25 crank angle degree under middle and high loads, which can beregarded as the influence of the ethanol addition as extracting the effect from ignition delayKeywords: combustion; diesel engine; diesel/ethanol blends; cetane number improver在內燃機髙效清潔燃燒的硏究和石油替代燃燒十六烷值改進(jìn)劑(亞硝酸異戊酯)對燃燒和排放的影發(fā)動(dòng)機的開(kāi)發(fā)研究中,內燃機燃用柴油/含氧化合物響時(shí),均未能在完全消除由于十六烷值變化而帶來(lái)混合燃料或直接燃用含氧燃料是一條有效途徑.由的滯燃期和預混燃燒變化的情況下進(jìn)行,本文硏究于乙醇產(chǎn)量和成本方面的優(yōu)勢,以及在汽油機上已的出發(fā)點(diǎn)正基于此經(jīng)得到了商業(yè)應用,國內外研究人員希望也將它應干價(jià)格和實(shí)用方面的因素,本試驗采用乙醇用于熱效率較高的柴油機上,為此研究人員做了大作中國煤化工比例助溶劑的幫助下,量的研究工作.目前,在研究混合燃料含氧量和形CNMHG合燃料在供油提前角收稿日期:2006-01-06.作者簡(jiǎn)介:李蔚(1980~),男,碩士生;黃佐華(聯(lián)系人),男,教授,博士生導師.基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50576070);國家基礎研究計劃資助項目(2001(B209208);優(yōu)秀國家重點(diǎn)實(shí)驗室基金資助項目(503230011020第40卷0為-25°、-21°、-18°(負號表示上止點(diǎn)前,下同),表1混合燃料的物性參數轉速為20001600、1200r/min,平均有效壓力p低熱值/汽化潛熱/為0.70、0.42、0.14MPa和有、無(wú)十六烷值改進(jìn)劑燃料(C)/%c(H)/%v(O)/%的情況下,開(kāi)展了混合燃料燃燒和放熱過(guò)程的對比260硏究,闡明混合燃料的燃燒特性與混合燃料中含氧量的關(guān)系,尤其消除了滯燃期對預混燃燒的影響,其E5/E5A85.112.62.2541.6中轉速為1600r/min時(shí)僅在O為-25°工況下進(jìn)行E10E10A83.312.64.0740.331了測量.El5/E15A81.512.65.8539.81試驗裝置與試驗燃料E20/E20A792.67.6239.0試驗用發(fā)動(dòng)機為T(mén)Y1100型立式、單缸、四沖程、強制水冷、直噴式柴油機,其缸徑為100mm,排混比例的增加而增加.圖1b則顯示添加十六烷值改進(jìn)劑后EoΔ燃料燃燒始點(diǎn)和預混燃燒峰值均恢復量為903cm3,ω型燃燒室,壓縮比為18,額定功率額定轉速為11kW/2300r·min1,供油提前角為到純柴油的水平,而擴散燃燒階段擴散燃燒放熱率3士1°曲軸轉角.試驗測量?jì)x器為:針閥升程儀;峰值在中等負荷時(shí)比柴油高岀大約8%,擴散燃燒的結束點(diǎn)曲軸轉角平均比柴油早約0.8°,在E15AKISTLER角標器和 KISTLER石英壓力傳感器;與E5、E20A與E10的對比中出現了類(lèi)似的結論AVL數據采集分析系統.試驗中壓力數據的采樣間隔為0.1°曲軸轉角.(雖然具體數據有小差別).這說(shuō)明體積分數為試驗選用乙醇作為含氧添加燃料,其與柴油的0.2%的十六烷值改進(jìn)劑可以恢復乙醇體積分數每物性比較可分別參見(jiàn)文獻[5-6],表1給出了9種不提高10%帶來(lái)的混合燃料十六烷值的降低.同時(shí),同比例混合燃料的物性參數,其中EO、E5、El0乙醇柴油混合燃料在降低到與柴油相同的滯燃期和El5、E20分別表示乙醇的體積分數分別為0%(純預混燃燒峰值的情況下仍然加快了燃燒的進(jìn)程其柴油)、5%、10%、15%、20%的混合燃料.為了保持原因將在后面詳細分析燃料穩定,額外加入了與乙醇量成正比的助溶劑,乙圖2給出了本文下面用到的滯燃期g,預混燃醇與其體積比為5:1.試驗發(fā)現加入體積分數為燒期q以及擴散燃燒期9定義的圖示滯燃期為0.20%的十六烷值改進(jìn)劑后,可以將E10燃料恢復從噴油開(kāi)始到著(zhù)火開(kāi)始的一段時(shí)間.在本實(shí)驗中,將到與純柴油相同的滯燃期水平,故對E5~E20均添噴油器針閥信號迅速上升并達到最大值的10%的加該劑量的十六烷值改進(jìn)劑,形成改進(jìn)型燃料,分別時(shí)刻作為噴油始點(diǎn),而將放熱率曲線(xiàn)開(kāi)始急劇升高用E5A、E10A、E15A、E20A表示,以克服乙醇對著(zhù)的時(shí)刻作為著(zhù)火始點(diǎn).預混燃燒期定義為從放熱率火性能降低的影響.這樣,微量的十六烷值改進(jìn)劑的曲線(xiàn)快速增加的時(shí)刻開(kāi)始,到放熱率曲線(xiàn)2個(gè)峰值加入基本上對混合燃料的性能不產(chǎn)生影響.各混合中間的谷點(diǎn)結束.擴散燃燒期為從預混燃燒結束時(shí)燃料的滯燃期(按照乙醇和柴油的十六烷值插值計刻開(kāi)始到燃燒放熱結束.由于燃燒末期放熱量微小算和本文試驗確認的)由高到低排列為:E5A、E0與且受到壓力波動(dòng)影響燃燒結束時(shí)刻讀取誤差較大,E10A、E5與E15A、E10與E20A、E15、E20,其十六故本試驗中定義累計放熱率X為0.99時(shí)的時(shí)刻為烷值由高到低依次為47.1、45.0、42.9、40.8、38.7、擴散燃燒末端的燃燒結束點(diǎn),其單位均為(°)36.7滯燃期的變化一般由十六烷值的變化所導致.2試驗結果與分析前面計算出混合燃料中氧的質(zhì)量分數每增加約3.6%(乙醇體積分數提高10%),燃料的十六烷值從圖1a可以看出,混合燃料的放熱初期曲線(xiàn)隨平中國煤化工出,未添加十六烷值改著(zhù)乙醇添加比例的增加而推后,放熱率峰值隨著(zhù)乙進(jìn)CNMHG氧量的增加而近似線(xiàn)醇添加比例的增加而增大.由于乙醇的十六烷值低,性增加,而添加十六烷值改進(jìn)劑的體積分數為使得混合燃料的十六烷值隨著(zhù)燃料中乙醇摻混比例0.2%時(shí),可抵消添加φ(乙醇)為10%(乙醇的體積的增加而降低,導致混合燃料的滯燃期増加,預混燃分數)所帶來(lái)的滯燃期變化.這證實(shí)在試驗的誤差范燒階段的氣增多,使預混燃燒量隨乙醇摻圍內,乙醇添加到柴油中對燃料的十六烷值的降低李蔚,等:柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的燃燒特性1021確實(shí)是線(xiàn)性的,所得燃料的十六烷值與本文插值推測值相同.在一定范圍內,加人定量的十六烷值改進(jìn)E20:1600 imin劑對滯燃期的恢復幅度也是基本確定的,不受改進(jìn)Pe=0. 42 MPa燃料自身十六烷值高低的影響.從圖4a中可以看出,預混燃燒期隨著(zhù)含氧量的增加而增加.這是由于隨著(zhù)含氧量的升高,在著(zhù)火滯燃期內形成的可燃混合氣數量增加,預混燃燒期增加添加體積分數為0.2%的十六烷值改進(jìn)劑,使得曲軸轉角(°)混合燃料的預混燃燒期恢復到未添加改進(jìn)劑時(shí)燃料的氧的質(zhì)量分數降低約3.6%的水平.圖4b顯示了a)未添加十六烷值改進(jìn)劑時(shí)不同含氧量的燃料添加十六烷值改進(jìn)劑前預混燃燒放熱量隨氧含量的增加而增長(cháng)的近似線(xiàn)性關(guān)系,而添加體積分數為0.2%的十六烷值改進(jìn)劑使得混合燃料的預混燃燒ed=-25Mel 600 r/min放熱量也恢復到改進(jìn)前燃料的氧的質(zhì)量分數降低約Pn =0.42 MPa3.6%的水平.這個(gè)結果同時(shí)印證了滯燃期的長(cháng)短主要決定了滯燃期內形成的可供預混燃燒期內燃燒的可燃混合氣數量多少的理論,同樣適用于小比例摻混的(乙醇的體積分數低于20%)乙醇/柴油混合燃料.15-10曲軸轉角(°)由圖5a可以看出:對于不添加十六烷值/或添加十六烷值的燃料,擴散燃燒期均隨著(zhù)氧含量的增(b)相同十六烷值不同含氧量的燃料加而縮短.這主要由于乙醇的添加使預混燃燒量和圖1混合燃料放熱率曲線(xiàn)預混燃燒期增加,相應減小了擴散燃燒放熱量和擴散燃燒期.同時(shí),乙醇含氧加快了燃燒速度.保持燃曲軸轉角")30-20-1001020304050料含氧量不變,加入十六烷值改進(jìn)劑后擴散燃燒期100般增加,理由是相同的.對相同十六烷值、不同含E5An=2000r/min 11.2氧量的混合燃料擴散燃燒期的比較,體現了燃燒速Pme-0.70MPa11.0度加快對擴散燃燒期縮短的影響,該影響大約為縮p6票短0.8曲軸轉角由于相同十六烷值的混合燃料燃燒始點(diǎn)相同以及預混燃燒放熱也基本相同,其擴散20燃燒期的縮短主要是因為乙醇的添加使得擴散燃燒期內混合燃料燃燒速度加快.由圖5b可知,擴散燃燒期放熱量隨燃料中氧含量的增加而減小.添加十圖2滯燃期、預混燃燒期和擴散燃燒期六烷值改進(jìn)劑(體積分數為0.2%)后,混合燃料的擴散燃燒量恢復到改進(jìn)前燃料的氧質(zhì)量分數降低(乙醇)=5%p(乙醇)=13.6%的水平(乙醉)=10%4p(乙醇)=0%p(乙醉)=20%由圖6可知,無(wú)論有無(wú)十六烷值添加劑,總燃燒製的增加有所縮短.對于所有混合燃料,中高中國煤化工的質(zhì)量分數每提高6a-21°Pme0. 70 MPaCNMHG.2°曲軸轉角.這是因△▲n=200 min o末添●n-1200r/min▲·添為:一方面,預混燃燒的增大使燃料更早被消耗,而(0)%燃料富氧又提高了擴散燃燒階段的燃燒速率;另方面,總燃燒期的縮短克服了由于混合燃料熱值降圖萬(wàn)方料著(zhù)火滯燃期隨氧含量的變化低的影響.對于具有相同十六烷值的混合燃料(如,第40卷8}(乙醇)0%/(乙醉5%(乙醇)=10%p(乙醇)15%(乙醇)=20%q(乙醇)辛豐°P-04MP。入h-1870 MPa▲Pm=0.70MPa2°·p=042MPa°黍谿去復蓬潸熠●Pac=042MPa值改進(jìn)劑◇◆Pm=0.14MPa▲·◆添加改進(jìn)劑后(a)預混燃燒期圖6混合燃料的總燃燒期q(乙醇)=15值相同,混合燃料中氧質(zhì)量分數每提高3.6%,總燃(乙醇)=10%(醇)=5%↓億乙醇)=20%期平均縮短0.8°曲軸轉角.這可以認為是燃料含氧p(乙醇)=0%促進(jìn)擴散燃燒的結果,與擴散燃燒期的縮短量是致的由圖7可知,隨著(zhù)混合燃料含氧量的增加,放熱丌=2000r/min率曲線(xiàn)型心位置移向上止點(diǎn)(其中正值表示上止點(diǎn)后)在試驗中,對于混合燃料,氧質(zhì)量分數每提高3.6%,對應放熱率曲線(xiàn)型心位置均向上止點(diǎn)靠近約w(o)r%0.35°曲軸轉角.這是因為:一方面,乙醇摻混比例的(b)預混燃燒期放熱量增加使預混燃燒量増加,擴散燃燒量減小,燃燒的等圖4混合燃料的預混燃燒期和預混燃燒期放熱量容度提高,從而使放熱率曲線(xiàn)型心位置向上止點(diǎn)靠近;另一方面,隨著(zhù)含氧量的增加滯燃期增長(cháng),燃燒p(乙醇)=5559(醇)=0%↓乙圖=10%(乙醇)15%始點(diǎn)推后,但放熱速率和放熱速率峰值增加,放熱率曲線(xiàn)型心位置仍移向上止點(diǎn).在相同十六烷值的燃p(乙醇)=20%料(如,E10A與E,E15A與E5,E20A與E10)之間進(jìn)行比較,發(fā)現含氧量升高時(shí)放熱率曲線(xiàn)型心位△▲Pa=0.70MPao·P042MPa△a◇未置仍然移向上止點(diǎn).在試驗的中高負荷范圍內,具有◇◆Pm:=0.14MPa會(huì )含沒(méi)是相同十六烷值的混合燃料的氧質(zhì)量分數提高t(O)/%3.6%,放熱率曲線(xiàn)型心位置曲軸轉角向上止點(diǎn)平均靠近約0.25其原因與燃料十六烷值不變而含氧(a)擴散燃燒期量變化時(shí)對擴散燃燒期及總燃燒期變化的分析相1.6同.1.29(乙醇)-0%p(乙醇)=10%(乙醇)=20%由圖8可知,未添加十六烷值改進(jìn)劑時(shí),最大壓力升高率隨燃料中氧含量的增加而大致線(xiàn)性增加S%、叫5%(乙醇)=15%在試驗范圍內,中高負荷工況下,氧的質(zhì)量分數提高▲Pm=0.70MPa3.6%(十六烷值降低4.2)對應燃料的最大壓力升o·pm=0.42MPa△o◇未添加十04L°◆Pm=0.14MPa▲·◆添加十六烷值改進(jìn)劑高率平均上升大約20%.添加十六烷值改進(jìn)劑的體v0)/%積中國煤化工的最大壓力升高率與(b)擴散燃燒期放熱量改CNMHG條低3.6%且未添加改圖5混合燃料擴散燃燒期和擴散燃燒期放熱量進(jìn)劑時(shí)的水平相當.由于恢復到相同十六烷值的對不同含氧量混合燃料預混燃燒放熱率大致相同,E1OA與E0,El5A與E5,E20A與E10)中,含氧量且滯燃期相同導致燃燒始點(diǎn)相同,故這一對混合燃較高的燃料意較短.在試驗范圍內,保持十六烷料由燃燒放熱帶來(lái)的主要壓力升高相同,而且該曲李蔚,等:柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的燃燒特性軸轉角上來(lái)自發(fā)動(dòng)機活塞運動(dòng)帶來(lái)少量的壓力升高不同的混合燃料預混燃燒期、預混燃燒放熱量、最大也相同,這2個(gè)壓力升高的疊加即使最大壓力升高壓力升高率相同,燃料中氧的質(zhì)量分數每提高率也相同.圖8表明,乙醇的添加增加了發(fā)動(dòng)機工作3.6%,擴散燃燒期和總燃期平均縮短0.8°曲軸轉粗暴程度,而添加十六烷值改進(jìn)劑的體積分數為角,中高負荷下放熱曲線(xiàn)型心位置向上止點(diǎn)平均靠0.2%時(shí),可使得發(fā)動(dòng)機工作粗暴程度降低,燃燒噪近0.25°曲軸轉角,可以認為它反映了排除滯燃期音從而降低對燃燒的影響后,燃料含氧量對燃燒的影響.(2)著(zhù)火滯燃期、預混燃燒期和預混燃燒量隨混18c醇0%↓以(醇10%(乙醇)15%合燃料中含氧量的增加而增加,最大壓力升高率上p(乙醇)=20%升,這被認為是十六烷值降低而滯燃期延長(cháng)的影響擴散燃燒期、擴散燃燒放熱量和總燃燒期隨混合燃8料中含氧量的增加而縮短,放熱曲線(xiàn)型心位置隨混合燃料中含氧量增加而向上止點(diǎn)靠近.這是滯燃期=2000r/min2::6盤(pán)平大會(huì )備傻簽滑票變化和燃料含氧促進(jìn)燃燒的共同作用的結果.十六烷值改進(jìn)劑(亞硝酸異戊酯)的體積分數為0.2%t()%時(shí),可抵消添加乙醇的質(zhì)量分數為10%時(shí)所引起的十六烷值降低.圖7混合燃料放熱率曲線(xiàn)型心位置曲軸轉角(3)試驗確認乙醇/柴油混合燃料在添加小比例乙醇(體積分數在20%以下)的情況下,通過(guò)滯燃期q(乙醇)=15反推的混合燃料十六烷值仍然呈現出線(xiàn)性變化關(guān)(醇)=0%g(乙醇)=10%g(乙醇)=59q(乙醇)=20%系,符合由插值計算獲得的十六烷值.可以通過(guò)恢復燃料十六烷值的手段使用乙醇體積分數高達20%的乙醇/柴油混合燃料0▲n=2000rmin△oo·r=1200r/min▲·加十六參考文獻:[1 de Caro P S, Mouloungui Z, vaitilingom G, et al. In(O)/%圖8混合燃料最大壓力升高率endsuse Indiesel engines[J][2]王建盺,閆小光,程勇,等.乙醇-柴油混合燃料的燃燒3結論和排放特性[].內燃機學(xué)報,2002,20(3):225-22采用小比例助溶劑獲得了穩定的柴油/乙醇混3]呂興才,張武高,楊劍光,等.十六烷值改進(jìn)劑對乙醇-柴油發(fā)動(dòng)機熱效率與排放的影響[.燃燒科學(xué)與合燃料,并確認了滯燃期恢復后對混合燃料燃燒參技術(shù),2005,11(1):56-61數的影響大小在3個(gè)供油提前角、個(gè)轉速、3個(gè)負[何邦全,王建昕,郝吉明著(zhù)火改進(jìn)劑對乙醇柴油燃料荷的工況下,燃用1種基礎油、4種未改進(jìn)十六烷值排放特性的影響[].內燃機學(xué)報,2003,21(6):419的混合燃料和4種經(jīng)十六烷值改進(jìn)的混合燃料,分析了直噴柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料時(shí)的燃燒「5]何學(xué)良,詹永厚,李疏松.內燃機燃料[M.北京:中國特性,獲得的主要結論如下石化出版社,1999:245-246(1)利用改進(jìn)劑恢復混合燃料的十六烷值,可以[6]周龍保內燃機學(xué)M北京:機械工業(yè)出版社,19在具有相同十六烷值的混合燃料之間精確地比較燃中國煤化工料含氧量對燃燒帶來(lái)的影響.滯燃期相冋而含氧量CNMHG(編輯王煥雪)