乙醇-柴油混合燃料對柴油機性能及排放的影響

第9卷第4期燃燒科學(xué)與技術(shù)Ⅴol.9No.42003年8月Journal of Combustion Science and TechnologyAug.2003乙醇柴油混合燃料對柴油機性能及排放的影響劉朋,宋崇林張延峰'王守元2賈貴啟2楊潤東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.東風(fēng)朝陽(yáng)柴油機有限責任公司朝陽(yáng)122000摘要通過(guò)對乙醇含量分別為%、15%和20%的混合燃料及純柴油5種油品的對比實(shí)驗研究了燃用乙醇-柴油混合燃料時(shí)柴油機燃油經(jīng)濟性、功率及排放特性的變化規律.實(shí)驗結果表明燃用乙醇-柴油混合燃料柴油機的能量消耗率在乙醇含量為15%時(shí)最佳功率有所下降但由于乙醇添加量較小總體來(lái)說(shuō)對發(fā)動(dòng)機性能影響不大在排放特性方面NO,的比排放量基本隨著(zhù)乙醇摻燒比例的增加而減少HC、CO的比排放量基本上隨著(zhù)乙醇摻燒比例的増加而增加著(zhù)乙醇摻λ比例旳増加發(fā)動(dòng)杋旳可見(jiàn)煙度和濾紙式煙度均有顯著(zhù)旳降低干碳煙(DS)的比排放量也呈下降趨勢關(guān)鍵詞柴油機乙醇-柴油混合燃料渫油杋性能排放特性中圖分類(lèi)號TK42文獻標識碼文章編號1006-8740(2003)40300.06Effects on the Performance and Emission Characteristics of Heavy-DutyDiesel Engine Using Ethanol-Diesel Blends as FuelLIU Peng, SONG Chong- lin', ZHANG Yan-feng, WANG Shou-yuanJIA Gui-qi, YANG Run-dong(l. State Key Laboratory of Engine Combustion Tianjin University Tianjin 300072, China i2. Dongfeng Chaoyang Diesel Co. Ltd, Chaoyang 122000, ChinaAbstract The effects of ethanol-diesel blend as fuel on fuel consumption power and emission characteristics of a heavy-duty diesel engine were investigated. Five kinds of test fuel were used in this study. The first one was standard diesel fuel thatwas used as a reference and base fuel for the preparation of ethanol/diesel blends the other four kinds of fuel were ethanol/diesel mixtures containing 5%0, 10%, 15%0, 20% of ethanol respectively. The experimental results shown that the brakespecific energy consumption was the best at combusting E15 and the power decreased according to the increase of the ethanols proportion in the mixtures, As to the small quantity of blended ethanol there were few effects on the performance ofdiesel engine. The exhaust emissions of No, basically decreased and that of THC and CO increased with the increasing pro-portion of ethanol. With the increase of blending ethanol, the OPAC, filter smoke number and brake emission of dry sootdecreased distinctlyKeywords diesel engine ethanol-diesel blend fuel diesel engine performance emission characteristics近十幾年由于排放法規的日益嚴格及石油資源料可以部分摻入柴油或少量直接噴入氣缸中燃燒以的短缺科研工作者除了開(kāi)發(fā)、研究電控及后處理等技降低柴油機有害污染物排放.南非在20世紀70年代術(shù)應用于柴油機外還努力尋找新的替代能源以實(shí)就開(kāi)始中國煤化工究其后德國和美現柴油機高效、低污染燃燒.乙醇作為一種含氧生物燃國也開(kāi)HCNMHG1旨在減少柴油機微*收稿日期2002-10-22器孬瑾自然科學(xué)基金資助項目作者)男頑士研究生聯(lián)系人宋崇林songchonglin@263.net2003年8月劉朋等乙醇-柴油混合燃料對柴油機性能及排放旳影響粒的排放、降低煙度.從目前的研究結果看乙醇替代表2使用設備名稱(chēng)及生產(chǎn)廠(chǎng)家柴油存在以下問(wèn)題:)由于乙醇的熱值低于柴油所設備名稱(chēng)生產(chǎn)廠(chǎng)家以乙醇的燃料消耗量高32)乙醇與柴油的互溶性發(fā)動(dòng)機全自動(dòng)試驗臺PUMA5.6.1奧地利AVL公司測功機ALPHA350AF奧地利AVL公司差大比例摻混有困難其混合物性質(zhì)不穩定摻入廢氣分析儀奧地利AVL公司少量的水就可能引起分層13)乙醇的十六烷值低,全自動(dòng)濾紙式煙度計AV415奧地利AVL公司自燃性差著(zhù)火延遲期長(cháng)71;4)乙醇的潤滑性低于柴透光式煙度計AVI439奧地利AVL公司油36]5)由于乙醇自燃性差,著(zhù)火延遲期長(cháng)預混燃定容取樣系統AVL 472奧地利AVL公司油耗儀733S奧地利AVL公司燒比例增加,易使發(fā)動(dòng)機工作粗暴引起敲缸681;)流量計TP16A奧地利AVL公司由于乙醇的氣化澘熱大在小負荷工況下易引起火焰變量程分析天平AE240梅特勒托利多儀器上海有限公淬滅61燃油溫控儀EME308東風(fēng)汽車(chē)工程研究院標準進(jìn)氣系統西安新航自動(dòng)化工程有限公司柴油機燃用乙醇主要是采用柴油-乙醇按一定比例進(jìn)行摻燒摻燒技術(shù)主要有以下幾種方式”:)柴油機進(jìn)氣中添加乙醇 alcohol fumigation method)叫熏1.2實(shí)驗用燃料理化特性及SOF分析方法蒸法即利用乙醇表面張力及粘度低的特點(diǎn)通過(guò)不同實(shí)驗用柴油為0號標準輕柴油,它是用直餾柴油形式的裝置文丘利管、低壓噴嘴等)將乙醇霧化并與餾分和催化裂化柴油餾分調配精制而成與歐共體標空氣混合通過(guò)進(jìn)氣道在進(jìn)氣過(guò)程送入氣缸并由柴油準柴油 Reference fuel CEC RF03-A84相當無(wú)水乙醇點(diǎn)燃2)雙燃料噴射系統(dual- Injection system)柴油為分析純.柴油和乙醇的性能指標見(jiàn)表3.本實(shí)驗所用和乙醇分別由兩套燃料供給系統噴入缸內3)無(wú)水乙的燃料為純柴油(E0)5%乙醇+95%柴油(E5)醇和柴油混合 alcohol- diesel fuel blend)形成混合燃料10%乙醇+90%柴油(E10)15%乙醇+85%柴油供發(fā)動(dòng)機使用4)使用乳化劑乳化柴油和乙醇(alco-E15)20%乙醇+80%柴油E20)種按一定質(zhì)量比hol- diesel fuel emulsion)本文采用無(wú)水乙醇和柴油混配制的混合燃料燃料混合采用機械攪拌方式合的方法研究柴油機摻燒乙醇后對柴油機性能和法規限定THC、NO、CO、PM和可見(jiàn)污染物的影響規律表3標準柴油和乙醇的參數指標參數號柴油乙醇1實(shí)驗系統及方法密度(20℃)(g·mL1)閃點(diǎn)/℃冷凝點(diǎn)/℃-117.31.1柴油機及實(shí)驗設備沸點(diǎn)/℃78.4實(shí)驗用柴油機為東風(fēng)朝陽(yáng)柴油機有限責任公司生著(zhù)火溫度/℃產(chǎn)的6102B?Q型廢氣渦輪增壓柴油機其性能指標見(jiàn)理論空燃比/(kg·kg14.3-14.68.45六烷值CN表1.柴油機實(shí)驗步驟嚴格按GB17691-1999中十三辛烷值RON工況法進(jìn)行為保證數據的可靠性每種混合燃料的十低熱值(MJkg-1)42,84526.778三工況循環(huán)實(shí)驗進(jìn)行兩次實(shí)驗數據取平均值所用的汽化熱(kkg-1)水分儀器設備見(jiàn)表2.為考察摻燒乙醇對發(fā)動(dòng)機功率的影硫含量/響在這十三個(gè)工況點(diǎn)中最大功率點(diǎn)和最大扭矩點(diǎn)采0.0012用等小時(shí)油量控制氧含量(質(zhì)量分數)%0.02134.73苯胺點(diǎn)/℃機械雜質(zhì)表1發(fā)動(dòng)機性能參數運動(dòng)粘度(20℃)(mm2:s-1)參量參數型號6102BZQ環(huán)保型107kW/2800r最大扭矩/轉速431N·m/l400~1800r:min紙為聚H中國煤化工衩稱(chēng)重法采集用的濾CNMHG劑為二氯甲烷(分析排放指標歐I純)為保證測試精度,二氯甲烷在使用前重蒸提純缸數并經(jīng)美國 Varian公司3800型氣相色譜儀檢測后無(wú)雜缸徑x行程02mm×118mm5.785L質(zhì)峰岀現方可使用.在樣品采集前、后將濾紙放入干燥燃燒科學(xué)與技術(shù)第9卷第4期皿中待一定時(shí)間后取出稱(chēng)量質(zhì)量穩定后方可使用采集的微粒樣品裝入60mL的全玻璃索式萃取裝置中用超級恒溫水浴加熱溫度穩定在65℃二氯甲烷的回流速度控制在8~10次h樣品萃取時(shí)間為24h.蘭2試驗結果及討論2.1對柴油機性能的影響規律實(shí)驗是在發(fā)動(dòng)機不做任何調整的條件下分別對1020305種不同比例的乙醇/柴油混合燃料按十三工況法進(jìn)圖31700r/min時(shí)能量消耗率的變化行的圖1和圖2給出了在最大扭矩轉速1700r/min和標定轉速2800r/min時(shí)燃油消耗率BSFC的變化的熱值低于柴油使混合柴油燃油消耗率隨乙醇含量規律由圖1和圖2可以看出加入乙醇后由于乙醇的增加稍有上升.但由于乙醇和柴油的熱值相差較大直接采用BSFC考察燃料經(jīng)濟性是不合適的為此引2入能量消耗率BSEC進(jìn)行對比如圖3和圖4所示.圖中顯示燃用E15時(shí)BSEC的改善效果最大改善效果為3%左右.但因為加入乙醇量較少所以總體來(lái)說(shuō)燃油消耗率變化不大P/(kw)圖42800r/min時(shí)能量消耗率的變化從圖5可以看到在1700r/min時(shí)功率的變化并不明顯在2800r/min時(shí)功率隨乙醇含量的增加有下程中滯燃期延長(cháng)而且加入乙醇后使循環(huán)放熱量減小,降趨勢這主要因為乙醇的氣化澘熱很大導致著(zhù)火過(guò)同樣使滯燃期延長(cháng)火焰溫度降低并且乙醇的熱值低于柴油故功率出現降低的現象.另一方面由于乙醇燃料的自攜氧性″混合燃料燃燒充分發(fā)動(dòng)機功率會(huì )略有上升因此在1700r/min時(shí)燃用E10發(fā)動(dòng)機E25400功率略小于燃用E5和E202800r/min時(shí)燃用E15的功率略小于燃用E20.1700r/min時(shí)燃用E15以及2800r/min時(shí)燃用E20的功率偏高可能因為混合燃料分層致使摻燒比例有些變化所致.P/(kw)1 7)r/ min2 800 r/ min圖11700r/min時(shí)燃油消耗率的變化中國煤化工CNMHG圖5兩砰轉遝卜以舉的變化規律P/(kW2.2氣體污染物CO、THC和NO)的變化規律另數r/min時(shí)燃油消耗率的變化圖6~圖11給出了1700r/min和2800r/r2003年8月劉朋等乙醇-柴油混合燃料對柴油機性能及排放旳影響時(shí)THC、CO和NO,排放濃度隨負荷的變化規律.圖12給出了摻燒不同比例乙醇后的THC、CO、NO.的十三工況比排放量.由圖6~圖11可見(jiàn)對于同一種燃料在1700r/s400min時(shí),THC和CO排放濃度基本上是隨著(zhù)負荷的增加而減小注在2800r/min時(shí),THC和CO的排放濃度隕著(zhù)負荷的增加變化不明顯.NO,排放濃度的變化規律與之相反在1700r/min和2800r/min時(shí)都是隨1"曲著(zhù)負荷的增加而增大負荷/%對于相同工況條件下在小負荷時(shí)隨著(zhù)乙醇摻燒圖92800r/min時(shí)HC隨負荷的變化規律EOEONESM E151000s800言游以之EI5負荷負荷/%圖61700r/min時(shí)NO隨負荷的變化規律圖101700r/min時(shí)CO隨負荷的變化規律200d血NE負荷/%負荷/%圖112800r/min時(shí)CO隨負荷的變化規律圖72800r/min時(shí)NO隨負荷的變化規律比例的增大,THC和CO的排放濃度增加幅度較大而NO排放濃度變化較小在中高負荷工況條件下乙醇摻燒比例的變化對THC、CO和NO.的排放濃度的影響相對較小出現以上結果主要是由于燃料的理化特性的影響柴油氣化潛熱為270kJ/kg低熱值為42.5MJ/kg而乙醇中國煤化工熱值為26.77MJ/kg,且乙醇CNMHG等小時(shí)耗油量條件下,負荷/%燃料摻入的乙醇量越多循環(huán)放熱量就越少燃料蒸發(fā)所需的熱量增加從而導致隨著(zhù)乙醇的摻λ量增加燃圖81700r/min時(shí)THC隨負荷的變化規律米的滯燃期延長(cháng)燃燒速率減慢火焰溫度降低.NO燃燒科學(xué)與技術(shù)第9卷第4期的形成條件是高溫、富氧與高溫持續時(shí)間因此隨著(zhù)乙從圖12和表4中可以看到燃用E5混合燃料時(shí)醇的摻入量增加燃燒溫度降低NO,的排放有下降趨柴油機NO,的比排放量最高為8.47g/(kW·h)燃勢.但是滯燃期的延長(cháng)使發(fā)動(dòng)杋預混燃燒的比重加用EO和E20燃料時(shí),NO,的比排放量較低分別為大加之乙醇是含氧燃料有利于NO,的形成由于以7.934g(kW·h)和7350g(kW·h)THC、CO的上兩方面的相互影響和制約對于同一種工況乙醇摻比排放量基本上隨著(zhù)乙醇摻燒比例的增加而增加.燃燒比例的變化對NO的排放濃度的影響規律不顯著(zhù).用EO時(shí),THC的比排放量為1.112g/(kW·h),CO的比排放量為1.583g(kW·h),燃用E20時(shí),THC的比排放量為1.702g(kW.h),CO的比排放量為2.699g/(kW.h)表4乙醇不同摻燒比例條件下污染物的比排放量g/(kW.h)污染物葉「N裝THC1.1121.3561.3751.4151.7021.8172.280圖12摻燒不同比例乙醇的( THC NO、CO)排放規律NO7.9348.4718.1728.1137.350柴油機排放中THC、CO等不完全燃燒產(chǎn)物主要2.3可見(jiàn)污染物的排放規律是由于氧缺乏或者反應過(guò)程溫度較低造成的,由柴油圖13~圖15分別表示了柴油機燃用乙醇-柴油混噴注邊緣稀火焰區及熄火焰區未完全氧化產(chǎn)物與噴注合燃料后可見(jiàn)煙度、濾紙式煙度 FSN filter smoke num-芯部缺氧燃燒產(chǎn)生的不完全燃燒產(chǎn)物組成因此隨著(zhù)ber)以及干碳煙(Ds)和有機可溶成分(SOF)的比排乙醇摻入量的增加燃料滯燃期延長(cháng)燃燒速率減慢,放量隨乙醇摻入量的變化規律火焰溫度降低燃油噴注邊緣的稀熄火焰區增大未完全氧化產(chǎn)物有增加的趨勢.此外由于乙醇蒸氣的冷卻1 700r/min2 800r/ min作用使燃燒過(guò)程中出現淬滅層,也造成THC、CO的增多.另一方面隨著(zhù)乙醇的摻入量增加使噴注芯εe 0.11部的氧濃度增加不完全燃燒產(chǎn)物有減少的趨勢.在1700r/min、小負荷工況下滯燃期延長(cháng)燃燒00o速率減慢,火焰溫度降低對THC、CO的排放影響較大而含氧量增加對它們的排放影響較小因此THCCO的排放有所增加.隨著(zhù)負荷的升高增壓柴油機壓005020乙醉?yè)綗壤s終點(diǎn)的溫度、壓力大幅度地提高縮短了燃料的滯燃圖13可見(jiàn)煙度隨乙醇摻入量的變化規律期隆降低了燃料燃燒的稀油限減小了稀熄火焰區含氧量增加從而使THC、CO的排放隨著(zhù)乙醇摻燒比例-D- 1 700r/ min的增加而有減少的趨勢112800r/在2800r/min、小負荷的工況下THC、CO的排放濃度也是隨著(zhù)乙醇摻燒比例的增加而增加但是增加的幅度相對于1700y/mn時(shí)小這是由于在2800*中國煤化工min時(shí)噴油速度快、霧化好以及燃燒溫度高等原因在CNMHG定程度上抑制了THC和CO排放的增加.在高負荷時(shí)由于兩種因素的相互作用隨乙醇摻燒比例的增乙醉?yè)鯚壤?%加,THC和CO的排放濃度變化規律不明顯圖14FSN隨乙醇摻入量的變化規律2003年8月劉朋等乙醇-柴油混合燃料對柴油機性能及排放旳影響0.323結論0.281)燃料中乙醇含量在5%~20%范圍內燃用乙醇柴油發(fā)動(dòng)機性能降低的幅度不大90.122)NO的比排放量基本隨著(zhù)乙醇摻燒比例的增0.08加而減少而THC、CO的比排放量基本上隨著(zhù)乙醇摻0.04燒比例的增加而增加乙醇燒比例/%隨著(zhù)乙醇摻入比例的增加柴油機的可見(jiàn)煙度和濾紙式煙度均有顯著(zhù)的降低隨著(zhù)乙醇摻燒比例的圖15干碳煙DS)和SOF排入量隨乙醇增加干碳煙DS)的比排放量呈下降趨勢,而微粒的摻入量的變化規律比排放量隨乙醇摻燒比例的增加變化不是很大.參考文獻從圖13和圖14中可以看到隨著(zhù)乙醇摻入比例的增加在1700r/min和2800r/min兩種工況下發(fā)[1 National Mechanical Engineering Research Institute. Council for scien動(dòng)機的可見(jiàn)煙度和濾紙式煙度均有顯著(zhù)的降低.主要tific and industry research[ R ] Pretoria, Republic of South Africa1980.MEl584ME1651是因為↓)隨著(zhù)含氧燃料乙醇的摻入量增加,燃料的[2 Wetdmann K, Menrad H, FleetPerformance and emissions of滯燃期延長(cháng)發(fā)動(dòng)機預混合燃燒比例增大而擴散燃燒diesel engine using different alcohol fuel blend[ A ] SAE Papar C]比例減小使柴油、乙醇和空氣有相對較充分的時(shí)間混1984841331合提高了混合質(zhì)量減少了碳煙的排放隊而降低了3] Doane H. cohol Fuels[ M] Boulder; iCo: Westview pres煙度2)柴油燃料燃燒易產(chǎn)生碳煙排放的一個(gè)重要原[4] Ajav E A, Bachchan Singh, Bhattacharya TK. Experimental study of因是柴油本身的HC比例小加入乙醇能增加燃料里some performance parameters of a constant speed stationary diesel en-的H的含量最終減少碳煙的排放12泚此外乙醇是ne using ethanol-diesel blends as fue[ J ]. Biomass and bioenerg含氧燃料含氧量的增加也使碳煙的的生成減少煙度1999,17357-365下降并且乙醇和柴油形成的微乳化液在燃燒室內的[5] Eugene E, Bechtold L, Timbario TJ et al. State-of-the-art report高溫空氣中可能產(chǎn)生微爆作用31,可以改善柴油機的on the use of alcohols in diesel engines[ A ] SAE Paper C ] 198440l18混合氣形成和燃燒使煙度的排放減少[ 6] Broukhiyan E M H, Lestz S S. Ethanol fumigation of a light duty au圖15顯示隨著(zhù)摻燒乙醇比例的增加,干碳煙tomotive diesel engine A ] SAE Paperl C]. 1981 811209DS)的比排放量呈下降趨勢而SOF呈上升的趨勢.[7] Baranescu R A. Fumigation of alcohols in multi-cylinder diesel en-燃用E20時(shí)DS排放量最小為0.0863g(kW.h)gine-evaluation of potentia[ A ]. SAE Paper C ].1986 860308SOF比排放量最大為0.1697g(kW·h):燃用E[8 Heisey JB, Lestz s s. Aqueous alcohol fumigat時(shí)DS排放量最大為0.1501g(kW·h)der DI diesel engine[ A]. SAE Paper C ].1981 811208[9] Hayes TK, Savage L D, White R A et aL. The effect of fumigation of柴油機微粒主要由DS和SOF組成.SOF主要是different ethanol proofs on a turbo-charged diesel engine[ A ] SAE的增”有增大的趨勢別是在燃用0的時(shí)候t00口SOF的比排放量要明顯高于其它摻燒比例下的比排放量這主要是由于乙醇摻入量過(guò)多引起燃料燃燒惡化,sion management 2000 41 389-399燃燒不充分從而產(chǎn)生了大量未氧化或未完全氧化的碳[1J魏象儀內燃機燃燒學(xué)M大連大連理工大學(xué)出版社108[12ngom G et al. Interest of com-氫化合物.由于干碳煙的減少和SOF的增加微粒的中國煤化工lends for use in diesel engines比排放量隨乙醇摻燒比例的增加變化不大,在燃用HCNMHGE10時(shí)微粒比排放量最小,為0.233g(kW·h)在[131張耀宏,使用含水乙醇和輕柴油WEO型)乳化燃料的壓燃式燃用E20時(shí)比排放量最大為0.256g(kW·h)發(fā)動(dòng)機的研究J]小型內燃機』993.130-33