乙醇/柴油不同摻醇途徑的性能對比

第13卷第5期v.13N.520年10月Jourmal of Combustion Science and Technologyot.2007乙醇/柴油不同摻醇途徑的性能對比申立中,顏文勝,畢玉華,雷基林(昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院,昆明65022摘要:為了對乙醇柴油混合燃料的應用和研究獲取更全面的認識,在增壓柴油機上對比了燃用純柴油時(shí)與泵摻法(高壓油泵摻醇)化醇法和蒸氣法(進(jìn)氣道摻醇)對排放性能的影響研究結果表明,泵摻法的當量燃油消耗率優(yōu)于原機;化醇法和蒸氣法在低、中負荷范圍內的當量燃油消耗率增大在中、大負荷范圍內接近原機水平泵摻法的HC排放較原機有一定的增加;0排放在小負荷工況略有上升大負荷時(shí)明顯低于原機;NO排放有所下降,排氣煙度顯著(zhù)降低化醇法和蒸氣法與原機比較,在所有工況的HC、OO排放均大幅上升;NO排放降低的幅度不大排氣煙度有一定的降低高壓油泵摻醇方式對增壓柴油機性能的改善效果明顯優(yōu)于進(jìn)氣道摻醇方式關(guān)鍵詞:柴油機;乙醇;摻醇方式;排放中圖分類(lèi)號:TK464文獻標志碼:A文章編號:10058740(2007)05038904Performance Comparison of Ethanol/Diesel Blends Mixedin Different Methods of Diesel EngineSHEN Li-zhong, YAN Wen-sheng, BI Yu-hua, LEI Ji-linFaculty of Transportation Engineering, Kunming Uriversity of Science and Technology, Kunmming 650224, China)Abstract: For a more comprehensive understanding of ethanol/diesel blends application, the comparison experiments of emissionwere caried out on a turbo-charged to study the effects on performance of diesel engine of supplying pure diesel oil and dieselethanol blends mixed by high preseure pump, carburetor and evaporator(ethanol mixed through intake pipe). The results show thatequivalent oil consumption rate by using pump is better than that of the original engine, and that the equivalent oil consumptionrate by using carburetor and evaporator rises at low and medium loads, and is cloee to that o the original engine ad the full loadcondition. By using pump, the emission of HC has a little increase compared with that of the orginal engine; Co dischargeslightly rise at low load conditions, and are obviously lower than that of the original machine at high load conditions: NO, is de-creased to a certain agree and exhaust smoke is reduced notably. By using carburetor and evaporator, HC and co rise sharplycompared with the use of the original machine at all operating conditions: NO, emission is only decreased slightly, and exhaustsmoke is reduced to the extent. Therefore, supplying ethanol through high-pressure oil pump is obviously superior to that through inimproving the discharge performance of dieselKeywords: diesel engine; ethanol; supplying ethanol method; emission能源節約與資源綜合利用是中國經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展生的清潔燃料已成為具有發(fā)展前景的汽車(chē)代用燃料之的一項長(cháng)遠戰略方針.節約和替代燃料將有利于加快由于柴油機具有熱效率高及污染排放低等優(yōu)點(diǎn),許我國能源結構的調整和促進(jìn)能源結構的優(yōu)化,是促進(jìn)多從事于內燃機的科技工作者長(cháng)期致力于開(kāi)展乙醇燃經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展的有效途徑之一乙醇作為可再料在裝油機上的應用研2中國煤化工收稿日期:20612-11CNMHG基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(04600云南省自然科學(xué)基金資助項百(xDo作者簡(jiǎn)介:申立中(19),男碩土教授通識作者;申立中,bhn@ public如m,cm科學(xué)與技術(shù)第13卷第5期排放法規逐漸嚴格,對減少柴油機有害排放物提出了進(jìn)一步的要求目前國內外在柴油機上摻燒醇燃2試驗結果與分析料的途徑為通過(guò)高壓油泵摻醇和進(jìn)氣道摻醇方式郭英男、許滄粟、何邦全、劉朋和許鋒等在柴圖1為2200mmin負荷特性時(shí)3種摻燒方法的對油機上以不同方式進(jìn)行了醇燃料與柴油混合摻燒的性比圖1(a)中,3種摻燒方法的有效燃油消耗率b均高能試驗試驗結果表明,釆用柴油機高壓油泵摻醇的方于原機,泵摻法優(yōu)于化醇法和蒸氣法圖1(b)為當量式,碳煙、微粒(PM排放均明顯改善,NO,排放有所降燃油消耗率b(將乙醇的熱值按純柴油的63%折合低,HC排放增加,CO排放的變化與負荷有關(guān);采用通為純柴油的燃油消耗率)與負荷的關(guān)系曲線(xiàn)泵摻法在過(guò)柴油機進(jìn)氣道摻醇的方式碳煙微粒(PM)均明顯改負荷特性中的當量燃油消耗率均優(yōu)于原機,中大負荷善,NO,有所降低,HC和CO均增加范圍內更為明顯;化醇法和蒸氣法在低、中負荷范圍內的當量燃油消耗率上升,在中、大負荷范圍內的當量燃1試驗方法和試驗設備油消耗率接近原機水平試驗用發(fā)動(dòng)機為4100Z廢氣渦輪增壓直噴式柴油機(簡(jiǎn)稱(chēng)原機),標定功率轉速為64kW(3200r一日泵化醉mn),最大轉矩轉速為230N·m/(2200rmin),壓縮蒸氣比為175,增壓壓比為22,供油提前角13°CA試驗所用主要測試設備有奧地利AⅥ公司產(chǎn)的 AFA Drive250/48交流電力測功機、 AVL CEBⅡ直采式廢氣分析儀、AV733連續油耗儀、AⅥ439濾紙式煙度儀等試驗地點(diǎn)的海拔高度為1912m,大氣壓力81負荷/CN·m)kPa,相對濕度40%-60%,氣溫18-21℃,試驗數據(a)有效燃油消耗率為實(shí)測數據試驗用燃油為0號柴油,乙醇為95%濃度的含水乙醇為保證不同摻燒方式獲得的試驗數據一原機的可比性,在試驗過(guò)程中,乙醇柴油混合摻比控制在分35015%試驗期間未對增壓柴油機進(jìn)行任何調整,未添加化醇氣乳化劑和表面活性劑為了深入了解乙醇/柴油混合燃料摻燒方式的影響規律,在廢氣渦輪增壓柴油機上進(jìn)行了高壓油泵摻醇法(簡(jiǎn)稱(chēng)泵摻法)化醇法和蒸氣法等3種摻醇方式的試驗研究,以燃用純柴油為基礎,對比了不同摻醇途負荷/N·m)徑對柴油機性能的影響因素(b)當量燃油消耗率(1)泵摻法是在柴油機的高壓油泵上安裝一個(gè)液圖1負荷特性的燃油消耗率對比力振動(dòng)乳化裝置輸送乙醇柴油混合燃料,乙醇與柴油經(jīng)乳化裝置乳化后由泵一管一嘴噴入氣缸內燃燒該圖2為外特性時(shí)3種摻燒方法的當量燃油消耗率裝置具有自主知識產(chǎn)權其技術(shù)特點(diǎn)是:不對柴油機結b對比試驗曲線(xiàn),泵摻法的當量燃油消耗率優(yōu)于原構進(jìn)行任何調整,試驗過(guò)程中可隨時(shí)在不停機的狀態(tài)機;化醇法和蒸氣法的當量燃油消耗率接近原機水平下進(jìn)行摻燒乙醇或燃用純柴油的切換該技術(shù)不要求可以看出泵摻法在摻燒乙醇柴油混合燃料后,在中使用變性燃料乙醇可使用含水乙醇大負荷區域的當量燃油消耗率得到較好改善的主要原(2)化醇法是在增壓器壓氣機前安裝化油器,乙因是乙醇為含氧燃料,乙醇的表面張力和黏度低燃料醇通過(guò)化油器化醇后經(jīng)增壓器至進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸燃噴射中國煤化工料的霧化及可燃混合燒試驗期間對化油器適當加熱,以提高化醇效果氣CNMHG濃度的混合氣區域(3)蒸氣法是利用排氣余熱加熱嵌套在柴油機排而提高太雙平.出丁化胖達和蒸氣法摻醇是經(jīng)進(jìn)氣氣管上的蒸發(fā)器,乙醇通過(guò)蒸發(fā)器氣化后由進(jìn)氣道進(jìn)道進(jìn)入氣缸,各缸乙醇混合氣不均勻過(guò)量空氣系數入氣缸內燃燒中下降在低中負荷范圍內會(huì )有較多的乙醇混合氣以2007年10月申立中等:乙醇柴油不同摻醇途徑的性能對比末燃醇、HC、CO的形式排出機外,導致當量燃油消耗致HC排放量的大幅上升是難以解決的關(guān)鍵問(wèn)題.率上升圖3為2200r/min負荷特性時(shí)3種摻燒方法1200的排氣溫度對比曲線(xiàn)化醇法、泵摻法和蒸氣法的排氣口原機■泵排溫度均低于原機,化醇法更為明顯化醇S蒸氣原泵化蒸負荷/·m)圖4HC排放對比18002200260030003400轉速(·min')蒸氣法摻醇后進(jìn)入氣缸的路徑與化醇法相同,因圖2外特性的當量燃油消耗率對比此HC排放的產(chǎn)生原因、規律和試驗結果與化醇法相似,HC排放均比化醇法有一定的改善,但仍遠高于泵摻法原機圖5為3種摻燒方法的CO排放對比圖5表明日泵摻2200r/min時(shí)3種摻燒方法的CO排放有較大差異化醇500一蒸氣化醇法和蒸氣法所有工況的CO排放與原機比較均大幅上升,主要存在幾個(gè)方面因素的影響:①在進(jìn)氣道內的乙醇蒸氣占據了一定的氣體容積,柴油機的過(guò)量空氣系數下降;②乙醇蒸氣預先充滿(mǎn)氣缸后,缸內溫度下降,不利于Co的氧化反應過(guò)程負荷/N→m圖3負荷特性排氣溫度對比口原機口化醇■泵排囚蒸氣圖4為3種摻燒方法的HC排放對比圖4表明2200rmin時(shí)3種摻燒方法的HC排放均比原機的HC排放有所增加,但出現了明顯的差異性泵摻法時(shí),大、中、小負荷工況的HC排放較原機均有一定上升,增加范圍在27%~57%主要原因是摻燒乙醇后柴油機缸內溫度低,乙醇氣化潛熱大,缸內溫度進(jìn)一步下降及壁面激冷等因素導致HC排放升圖5co排放對比高化醇法時(shí)小負荷工況的HC排放較原機均有大泵摻法由于乙醇/柴油混合較均勻,并同時(shí)噴入燃幅上升增加范圍為39~8倍主要原因是除小負荷燒室內,解決了化醇法和蒸氣法不可避免的問(wèn)題與原工況時(shí)缸內溫度低、乙醇氣化潛熱大和自燃溫度高外,機比較摻醇后小負荷工況C排放受缸內溫度下降關(guān)鍵是摻人乙醇的途徑是通過(guò)進(jìn)氣道進(jìn)人氣缸內,在的影響均略有上升,中等負荷工況的c0排放變化不壓縮過(guò)程中部分乙醇蒸氣被擠人活塞活塞環(huán)和氣缸大大負荷工況的CO排放均明顯低于原機燃用純柴壁構成的間隙內(狹隙效應),柴油噴射時(shí)乙醇不能油的水平與柴油均勻混合,在排氣過(guò)程中部分以未燃醇和HC中國煤化工放對比圖6表明的形式排出機外另一方面由于乙醇通過(guò)進(jìn)氣歧管進(jìn)20的NO,排放均比人氣缸,還存在各缸乙醇混合不均勻的問(wèn)題因此化原機利CNMH種摻燒方式與原機醇法和蒸氣法與點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機HC排放高的部分特征NO排放的規律基本一致,表明乙醇的氣化潛熱作用相似乙醇通過(guò)進(jìn)氣道進(jìn)人氣缸內進(jìn)行摻燒的方法導在燃燒過(guò)程中會(huì )降低燃燒溫度,能減少NO,的產(chǎn)生燃燒科學(xué)與技術(shù)第13卷第5期(3)化醇法和蒸氣法控制有害排放物的效果基本接近,所有工況的HC、C0排放與原機比較均大幅上升;NO排放降低幅度不大,排氣煙度有一定降低(4)高壓油泵摻醇方式對增壓柴油機性能的改善效果明顯優(yōu)于進(jìn)氣道摻醇方式參考文獻:負荷/0N·m[1]周龍保.內燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005Zhou Longbao. Internal- Combustion Engine Study [M].Bei圖6NO2排放對比jing: China Machine Press, 2005(in Chinese[2]何學(xué)良,詹永厚,李疏松.內燃機燃料[M].北京:中國圖7為3種摻燒方法的煙度對比圖7表明2200石化出版社,1999rmin時(shí)3種摻燒方式和原機煙度的規律有一定的差He Xueliang, Zhan Yonghou, Ii Shusong. Fued of internal異,小負荷時(shí),蒸氣法和化醇法有一定的降煙效果,泵Combustion Engine [M]. Beijing: China Petro-Chemical Pub-摻法具有較明顯的降煙效果;中負荷時(shí)泵摻法的煙度[3]郭英男,譚滿(mǎn)志,劉金山自然吸氣直噴壓燃式發(fā)動(dòng)機降幅約為23%~42%,化醇法約為8%~21%,蒸氣法燃用柴油醇的性能和排放[]內燃機學(xué)報,205,23(1)約為10%~12%;大負荷時(shí),泵摻法的煙度降幅約為52-5732%~38%,化醇法約為0~21%,蒸氣法約為1%Guo Yingnan, Tan Manzhi, Liu Jinshan. The performanoe and17%由于蒸氣法產(chǎn)生的乙醇蒸氣有較高的溫度,降低discharges of firewood ethyl alcohol with the type of nature in了對進(jìn)氣溫度的吸熱能力,又占據了較多的氣體容積spires straight spurts Compression burning engine [J].Transac柴油機的過(guò)量空氣系數下降,導致蒸氣法在各種工況tions f CSICE, 2005, 23(1): 52-57 (in Chinese)下的降煙效果相對較弱試驗結果表明,泵摻法的降煙[4]許滄粟,杜得興.含水乙醇在內燃機的應用[].內燃機效果明顯優(yōu)于化醇法和蒸氣法工程,2004,25(4);4649Xu Cangshu, Du Dexing. The application of ethyl alcohol口原機25}■泵排bustion Engine Projedt, 2004, 25(4): 4649(in Chinese)[5]何邦全,王建昕,郝及明.著(zhù)火改進(jìn)劑對乙醇柴油燃料排放特性的影響[].內燃機學(xué)報,2003,21(6):419422.He yangquan, Wang Jiamin, Hao Jiming. The fire improvementdicinal influence to the diesel oil fuel discharges characteristic[]. Transactions of CS/CE, 2003, 21(6): 419-422(in Ch負荷/N·m)6]劉朋,宋崇林,張延鋒,等,乙醇柴油混合燃料對柴圖7煙度排放對比油機性能及排放的影響[門(mén).內燃機學(xué)報,2003,9(4)3結論of ethyl alcohol diesel oil blended fuel to the diesel engine per-(1)泵摻法的當量燃油消耗率優(yōu)于原機,中、大負formance[J]. Transactions of CSICE, 2003, 9(4): 300-305(in荷范圍內更為明顯;化醇法和蒸氣法在低、中負荷范圍內的當量燃油消耗率上升,在中、大負荷范圍內接近原[7]許鋒,楊曉英,杜寶國,等.柴油機燃用乙醇復合柴機水平實(shí)驗研究[J.大連理工大學(xué)學(xué)報,2003,43(5):60613(2)泵摻法的HC排放均較原機有所上升;小負荷Xu Feng, Yang Xiaoying, Du Boog, a al. The experimental shady工況的Co排放略有上升,中負荷工況的CO排放變化中國煤化工 t campound deed a[r]不大大負荷工況的CO排放均明顯低于原機;NO排,200,4B(5):6)63iCNMHG放有一定的降低排氣煙度降低明顯