柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的性能與排放研究

第41卷第3期西安交通大學(xué)學(xué)報Vol 41 No32007年3月JOURNAL OF XI' AN JIAOTONG UNIVERSITYMar.2007柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的性能與排放研究任毅,黃佐華,李蔚,蔣德明,苗海燕,王錫斌(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:為了給柴油/乙醇混合燃料的應用提供試驗和理論依據,進(jìn)行了柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的性能與排放研究研究結果表明:隨著(zhù)燃料中乙醇摻泥比例的增加,有效燃油消耗率有所增加,但當量柴油有效燃油消耗率降低,有效熱效率增加;在摻混比例較高時(shí),需要添加十六烷值改進(jìn)劑提高混合燃料的十六烷值;在同一工況下,發(fā)動(dòng)機排氣煙度隨乙醇的加入而減少,NO-排放則無(wú)明顯的増加;排氣煙度的下降率隨含氧量的増加而增大,未添加十六烷值改進(jìn)劑時(shí)升高的幅度小于添加十六烷值改進(jìn)劑后.減小供油提前角,NO排放下降,排氣煙度增加,關(guān)鍵詞:乙醇;排放;柴油機中圖分類(lèi)號:TK411.2文獻標識碼:A文章編號:0253-987X(2007)03028506Study on the Performance and Emissions of a Direct Injection DieselEngine Fuelled with Diesel/Ethanol BlendsRen Yi, Huang Zuohua, Li Wei, Jiang Deming, Miao Haiyan, Wang Xibin(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi an Jiaotong University, Xi an 710049, ChinaAbstract: In order to provide the theory and experimental basis for engine operating on the oxygenated fuels, combustion characteristics and emissions of direct injection diesel engine operatingon the diesel /ethanol blends were investigated. The results show that the brake specific fuel consumption increases with the increase of ethanol fraction in the blends. However, the diesel equivalent brake specific fuel consumption decreases and the thermal efficiency increases with the increase of ethanol fraction in the blends. In the case of high ethanol fraction in the blends, the addition of the cetane number improver is favorable to the increase of the cetane number of theblends. For the same brake mean effective pressure and fuel delivery advance angle, the exhaustsmoke decreases with the increase of ethanol fraction in the blends, while NO, shows little varia-tion with the addition of ethanol in the blends. The exhaust smoke reduction rate increases withthe increase of the oxygen fraction in the blends. The exhaust smoke reduction rate of the blended fuels without cetane number improver is lower than that of those with cetane number improver. The exhaust smoke increases and No, decreases with the decrease of the fuel delivery advanceKeywords: ethanol; emissions; diesel engine與汽油機相比柴油機擁有較高的熱效率和更進(jìn)一步加強以及排放法規的逐漸嚴格減小柴油機廣闊的應用范圍這使得很多研究者們長(cháng)期致力于的排放已成為一個(gè)主要的研究方向提高柴油機性能的研究然而,柴油機的發(fā)展卻始終減少柴油機排放的難點(diǎn)主要集中在NO和碳受著(zhù)排放問(wèn)題的制約由于近年來(lái)人們環(huán)保意識的煙H中國煤化工一項的同時(shí)會(huì )導致另CNMHG收稿日期:200608-14.作者簡(jiǎn)介:任毅(1978~),男,博土生和水八/,男,戊,得工生導師,基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50576070);西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文基金資助項目第41卷項的增加,這主要是由于NO和碳煙的生成是由程、強制水冷、直噴式柴油機排放測量所用裝置為溫度和混合氣濃度決定的解決這一問(wèn)題的一個(gè)非FS公司的FGA4015五氣分析儀和 AVI Disome常有效的方法就是在柴油中添加含氧燃料或直接用4000不透光煙度計.五氣分析儀可測量HC、CO含氧燃料代替柴油口.文獻[2-4]在經(jīng)過(guò)改造后的柴CO2、O2、NO及(過(guò)量空氣系數),不透光煙度計用油機上做了二甲醚(DME)的排放試驗結果表明在于柴油發(fā)動(dòng)機顆粒污染物的檢測,所得煙度結果有沒(méi)有改動(dòng)燃燒系統的情況下,發(fā)動(dòng)機可以達到超低2種,分別為消光系數(K)和不透光度X.2種儀器排放文獻[5]完成了壓縮點(diǎn)火內燃機燃用DME的的主要技術(shù)參數如表1所示燃燒和排放特性的研究,結果表明,燃用DME的柴油機具有較高的熱效率、較短的預混燃燒期和快速表1排放測量裝置主要技術(shù)參數的擴散燃燒期,這種結果的優(yōu)點(diǎn)是擁有低噪聲和零測量裝置名稱(chēng)參數測量范圖分辨率工作溫度/℃碳煙排放燃燒.x(HC)/10-60~10001但是,DME在常壓下是一種氣態(tài)燃料,這就要求對柴油機供油裝置進(jìn)行改造來(lái)適應氣體燃料的應FGA4015x(NO)/10-60~400010~40用,同時(shí)裝有這種發(fā)動(dòng)機的車(chē)輛也要進(jìn)行相應的改x(CO)/%0~100.01造以滿(mǎn)足燃油供給系統的要求在柴油中摻混液態(tài)AML. Disomke K/m-0~9.90.015~45含氧燃料則可以在不改變柴油機結構的同時(shí)降低排4000y/%0~1000放文獻[6-7]進(jìn)行了柴油機燃用柴油/甲醇混合燃料的燃燒和排放特性的研究.文獻[]在直噴柴油機表2和表3分別給出了柴油和乙醇的物性以及上進(jìn)行了燃用柴油/碳酸二甲酯(DMC的燃燒和排柴油/乙醇混合燃料的物性未添加十六烷值改進(jìn)劑放特性的研究文獻[8]研究了柴油摻混二甲氧基甲混合燃料在乙醇的體積分數g(C2H4O)分別為烷(DMM添加劑對降低柴油機顆粒物排放的影響0.5%、10%、15%20%時(shí)稱(chēng)為E0(柴油)、E5、E10在眾多柴油含氧添加燃料中,由于乙醇在產(chǎn)量E5、E20.添加十六烷值改進(jìn)劑的混合燃料中乙醇和成本方面的優(yōu)勢,并且在汽油機上已經(jīng)得到了商的體積分數(C2HO)分別為5%、10%、15%、20%業(yè)應用,因此國內外的研究人員希望也將它應用于時(shí)稱(chēng)為EA、ElOA、E15A和E20A.從表2和表3熱效率較高的柴油機上,為此他們做了大量的研究可以看出:由于乙醇的十六烷值較低,故乙醇的派加工作12.但是,仍有許多有價(jià)值的研究需要進(jìn)行,將導致混合燃料十六烷值下降混合燃料的滯燃期特別是要補充大量的研究數據和結果,為改善燃嬈增加;混合燃料低熱值H隨燃料中乙醇比例的增過(guò)程和降低排放提供更多的實(shí)際測量依據本文系加而降低,為此要得到相同的功率輸出就需要增加統地研究了混合燃料含氧量、十六烷值改進(jìn)劑以及供油量;混合燃料的汽化潛熱H隨著(zhù)乙醇摻混比供油提前角對排放的影響,以期為柴油/乙醇混合燃例的增加而增加,燃油的汽化會(huì )使缸內的溫度下降,料和柴油/含氧化合物混合燃料的應用提供試驗依進(jìn)而使滯燃期變長(cháng)據1試驗裝置與燃料性質(zhì)表2柴油和乙醇的物性本試驗采用乙醇作為柴油含氧添加燃料,在小參數柴油比例助溶劑的幫助下,形成不同添加比例的穩定混密度/(g·cm-3)合燃料在供油提前角(額定供油提前角)為25°低熱值/(M·kg-1)42.521°18°(均為上止點(diǎn)前,下同),轉速n為2000汽化潛熱/(kJ·kg-4)854~9041600和1200r/min,平均有效壓力b為0.70、自燃溫度/℃0.42和0.14MPa工況下,開(kāi)展了混合燃料添加十六烷值改進(jìn)劑前后排放特性的對比性研究,闡明了La中國煤化工5混合燃料的排放特性與混合燃料中含氧量、十六烷CNMHG值改進(jìn)劑和供油提前角的關(guān)系試驗用發(fā)動(dòng)機為T(mén)Y1100型立式、單缸、四沖u(O/%0.434.8第3期任毅,等:柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的性能與排放研究表3柴油/乙醇混合燃料的性質(zhì)燒效率的影響g(C2H4O)/低熱值/汽化潛熱/w(C)/w(H)/(O/燃料26087.012.60.4甲(C2H6O)=p(C2H6O)=15%o00n-120m0甲(C2HO)=0p(c2HO)E10●b--014MP二耄添加十六鰲徨改邏劑33183.312.64.07E1539.836681.512.75.85(a)混合燃料有效燃油消耗率E15A500(cH2o)=0/(c2H4O)=10C2H6O)=20%40079.812.77.26p(CHO)=5%|甲(CHO)-15%E20A2試驗結果與分析b.=0.70 MPa圖1為混合燃料組成的質(zhì)量分數.其中助溶劑◆bnp-0.14MP與乙醇的體積比為1:5,而十六烷值改進(jìn)劑的添加(O)%量為總體積的0.2%.由于十六烷值改進(jìn)劑添加比(b)混合燃料當量柴油有效燃油消耗率例非常小,因此忽略其對混合燃料十六烷值以外物圖2有效燃油消耗率(b)和當量柴油有效燃油性的影響消耗率(b)隨混合燃料含氧量的變化情況六烷值改進(jìn)劑圖3為混合燃料有效熱效率隨燃料中含氧量的變化曲線(xiàn)有效熱效率與當量柴油有效燃油消耗率幅慪名具有相同的物性意義,這可以從下式看出7n=3.6×10/(Hdwb)因此,從有效熱效率和當量柴油有效燃油消耗率隨E0 E5 ESAEIOA E15 E15A E20 E20A含氧量的變化曲線(xiàn)可以看出,隨燃料中含氧量的增圖1混合燃料組成物的質(zhì)量分數加混合燃料有效熱效率有所升高,而當量柴油有效燃油消耗率略有下降.這一結果表明,乙醇的添加有從圖2可以看出,有效燃油消耗率隨燃料中氧利于發(fā)動(dòng)機燃燒的改善,在一定程度上具有節能效含量的增加而增大,十六烷值改進(jìn)劑的添加沒(méi)有導果這主要是由于乙醇具有自帶氧能力,有效地緩解致有效燃油消耗率升高這是因為乙醇的添加使得了可燃混合氣形成過(guò)程中局部缺氧的情況,尤其在混合燃料的低熱值下降,因而發(fā)動(dòng)機在相同的負荷缺氧嚴重的擴散燃燒期,并且由于碳煙主要在擴散和轉速下燃用乙醇含量高的混合燃料時(shí),需要向缸燃燒期內形成而乙醇添加促進(jìn)了擴散燃燒期的燃內噴入更多的燃油.另外,從圖2還可以看出,有效燒故有利于降低碳煙排放.另外,從圖3和圖4中燃油消耗率換算成當量柴油有效燃油消耗率時(shí),當可以看出,在乙醇的體積分數為20%時(shí)添加十六量柴油有效燃油消耗率隨混合燃料含氧量的升高而烷值改進(jìn)劑使得混合燃料當量柴油有效燃油消耗率降低.當量柴油有效燃油消耗率的計算公式為下b=[(H,)blends/(H, diesel]中國煤m乙醇的體積分數達到的混合燃料燃燒開(kāi)從上式可以看出,當量柴油有效燃油消耗率的引入,始CNMHG摻混比例較高的混合可以消除燃料低熱值降低對有效燃油消耗率的影燃料需要添加十六烷值改進(jìn)劑來(lái)恢復十六烷值.響,從而更加直接地反映出乙醇添加對混合燃料燃試驗結果表明(見(jiàn)圖4):在中低負荷時(shí),混合燃西安交通大學(xué)學(xué)報第41卷cHO=09cH4O)10%cH9)20甲(C2H6O)15%30(C2H。O)0q(C2HO)=10%p(c2HO)20%p(C2H6O)=5%a bmep 0.70 MPa n-l200r/min100p(C2H6O)=5%(C2H6O)=15%-0.5◆b=0.14MPa添加十交烷復改劑n=1200r/禿添加十交嬈改蓬劑wo(o)%w(o)%(a)不同負荷下的有效熱效率(a)不同負荷下的NO排放(C2HO)-0(C2HO)=10%φ(C2H6O)=20%(C2H6O)=0p(C2H6O)=10%2.5p(C2H6O)=20%0.3p(C2H6O)=5%p(C2H6O=15%2.0b-0.70 MPp(C2H6)=5%°計∴2m6m二杏源盤(pán)十奕鱉鑫避欄C2H6O)=15%u(O)%v(0)/%(b)不同轉速下的有效熱效率圖3有效熱效率隨燃料中氧含量的變化b)不同供油提前角下的NO2排放圖4NO,排放隨燃料氧含量的變化料中NO2的排放隨燃料中氧含量的增加基本不變;在高負荷時(shí),混合燃料NO2排放隨燃料中氧含量的外,從圖5還可以看出,未添加十六烷值改進(jìn)劑,當增加略有減少,隨著(zhù)供油提前角的減小而顯著(zhù)降低.乙醇的體積數大于15%時(shí),排氣煙度的下降率隨氧這是因為乙醇具有較高的汽化潛熱,乙醇含量高的含量的升高而升高,但其幅度明顯減緩,而添加十六混合燃料噴入缸內將導致更大的溫降同時(shí)前人的烷值改進(jìn)劑后,煙度的下降率高于添加十六烷值改研究結果表明,乙醇的添加使得混合燃料缸內平進(jìn)劑前,與混合燃料氧含量成正比關(guān)系這是由于乙均溫度峰值明顯降低,并且柴油/乙醇混合燃料相對醇的添加使得混合燃料的十六烷值減小,滯燃期增于純柴油燃燒時(shí)缸內平均溫度上升相當平緩因長(cháng),當乙醇的體積分數大于15%時(shí),混合燃料燃燒此,混合燃料NO排放隨乙醇含量的增加而減少.開(kāi)始惡化,從而導致有效熱效率下降,排氣煙度下降此外,供油提前角增大使得滯燃期增長(cháng),滯燃期內形的幅度變緩·此外,在較小供油提前角下,排氣煙度成更多的可燃混合氣,使預混燃燒量增加,缸內最高的下降率更大,乙醇的添加使得排氣煙度下降的效平均氣體溫度升高,從而NO4排放增加果更明顯.這主要是因為隨著(zhù)供油提前角的減小,滯圖5給出了煙度和煙度下降率隨燃料中氧含量燃期縮短,滯燃期內形成的可燃混合氣量減小,預混的變化曲線(xiàn)在柴油中添加含氧化合物的主要目的燃燒量減小,擴散燃燒量增加,從而使得滯燃期和擴是:利用含氧化合物的自帶氧能力以及對燃燒的改散燃燒期內局部缺氧的情況加劇,排氣煙度增加此善效果,在不引起NO2排放增加的同時(shí)達到減少排時(shí)乙醇的添加對局部缺氧的緩解作用更加明顯,進(jìn)氣煙度的目標試驗結果表明,在十六烷值改進(jìn)劑添而排氣煙度下降的幅度增加加前后,隨著(zhù)混合燃料中氧含量(乙醇含量)的增加,從圖6可以看出,與燃用純柴油時(shí)不同,燃用混排氣煙度均明顯下降.這是因為乙醇的添加減小了合燃中國煤氣煙度的降低而明噴射初期的濃混合區域滯燃期內形成的可燃混合顯增菜化a)時(shí),添加十六烷氣量增加,從而預混燃燒量增加,擴散燃燒量減小,值改CNMHGNO排放同時(shí)減并且乙醇的添加改善了擴散燃燒期內混合燃料的燃少.此外,對于同一種混合燃料,減小供油提前角可燒狀況,最終使得混合燃料的排氣煙度明顯減少.此以明顯降低NO4排放,同時(shí)引起排氣煙度升高對第3期任毅,等:柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的性能與排放研究2.8醇含量增加p(C2H6O)10%(C2HO)=0p(c2HO)=20%65v二老添加十奕烷蓬劑02250. 42 MPan=1 200 r/minb-0.70 MPa200 r/min◆b=0.14MPa二香加十?huà)平└慕▌mp-0.42MP◆b=0.14MPa(a)不同負荷下的排氣煙度(a)不同負荷下排氣煙度與NO排放量的關(guān)系二加十奕驀儘改進(jìn)劑6a25°(額定供油提前角)O)=5p(C2H6O)=15p(C2H6O)=20%n-l 200 r/minT E10A6=0. 42 MPa●E20A(C2H6O)=0p(C2H6O)=10%(b)不同供油提前角下排氣煙度與NO,排放量的關(guān)系b)不同供油提前角下的排氣煙度圖6NO2排放量與排氣煙度之間的關(guān)系添加十六改遘劑b0M°的供油提前角下燃用乙醇的體積分數較高的柴油/n-l 200 r/min乙醇混合燃料,可以實(shí)現同時(shí)降低排氣煙度和NO排放的目的P(C2HgO)-p(C2H6O)=5%3結論(C2H60)=20%p(C2H6O=10%(1)柴油機摻混乙醇使燃燒得到改善,熱效率有所提髙,當量柴油有效燃油消耗率降低,在較高摻混a(0)%比例時(shí),燃燒開(kāi)始惡化,熱效率有所下降,需要添加(c)添加十六烷值改進(jìn)劑前后排氣煙度的下降率十六烷值改進(jìn)劑提高混合燃料的十六烷值(2)隨著(zhù)燃料中氧含量的增加,發(fā)動(dòng)機排氣煙度100已添加十六烷值改進(jìn)劑。18下降,NO2排放略有下降,在大負荷工況時(shí)效果更b=0.42MP421加顯著(zhù)排氣煙度下降的比例隨乙醇含量的增加而升高,但未添加十六烷值時(shí),升高幅度隨乙醇含量增p(C2H6O)=10%加而逐漸變緩添加十六烷值改進(jìn)劑后,升高幅度與p40-甲(C2HO)0P(C2Hgo)C2HgO)乙醇含量成正比關(guān)系△φ(C2H6O)=15%(3)減小供油提前角,可使NO,排放顯著(zhù)下降,排氣煙度明顯增大t(O)%(d)不同供油提前角下排氣煙度的下降率參考中國煤化工圖5排氣煙度及其下降率隨燃料中氧含量的變化zeng Ke. CombustionCNMHGanalysis of a direct in于同一供油提前角,增加乙醇的體積分數可以明顯jection compression ignition engine fuelled with diesel-降低排氣煙度,而NO4排放變化很小.因此,在較小dimethyl carbonate blends[J]. Journal of Automobile290西安交通大學(xué)學(xué)報第41卷Engineering,2003,217D(7):595-605.Paper, 1998, 982572[R]. Washington, USA: Society[2] Fleischs T, McCarthy C, Basu A. A new clean dieselof automotive Engineers Inc, 1998.technology: demonstration of ULEV emissions on a [9] de Caro P S, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al. In-Navistar diesel engine fueled with dimethyl ether[J]terest of combining an additive with diesel-ethanolSAE Transactions, 1995, 104(4): 42-53.blends for use in diesel engines[J]. Fuel, 2002, 80(4):[3 Kapus P, Ofner H. Development of fuel injection65-574equipment and combustion system for di diesels opera-[10]王建盺,閆小光程勇,等,乙醇柴油混合燃料的燃燒ted on dimethyl ether[J]. SAE Transactions, 1995和排放特性[].內燃機學(xué)報,2002,20(3):225-229104(4):54-69Wang Jianxin, Yan Xiaoguang, Cheng Yong, et al4] Sorenson S C, Mikkelsen S E Performance and emis-Investigation on combustion and emissions characterissions of a 0. 273 liter direct diesel engine fueled withtics of ethanol-diesel blend fuel[J]. Transactions ofneat dimethyl ether]. SAE Transactions, 1995, 104CSICE,2002,20(3):225-229(4):80-90[11]呂興才,黃震,張武高,等用光學(xué)可視化方法研究乙醇[5] Huang Zuohua, Wang Hewu, Chen Hongyan. Study柴油混合燃料的燃燒特性[].中國公路學(xué)報,2004,1on combustion characteristics of compression ignition(2):109-112.engine fueled with dimethyl ether[J]. Journal of Auto-Lu xingcai, huang Zhen, Zhang Wugao, et al. Opti-mobile engineering, 2000, 213D(3): 647-652al visualization of combustion characteristics of diesel[6]黃佐華,盧紅兵,蔣德明,等.柴油機燃用柴油/甲醇混engine fueled with ethanol-diesel blend fuel [].China合燃料時(shí)的燃燒特性研究[].內燃機學(xué)報,2003,21Journal of Highway and Transport, 2004, 17(2): 109(6):401-410Huang Zuohua, Lu hongbing, Jiang deming. Study[12]何邦全,王建昕,郝吉明著(zhù)火改進(jìn)劑對乙醇柴油燃料on combustion characteristics of a di diesel engine op-排放特性的影響[J].內燃機學(xué)報,2003,21(6):419erating on diesel/methanol blends [J]. Transactions ofCSICE,2003,21(6):401-410Hao Jim[冂]盧紅兵,柴油甲醇混合燃料燃燒與排放特性的實(shí)驗研combustion and emission characteristics of a diesel究[D.西安:西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,engine fuelled with ethanol/ diesel/methyl ester blends[J]. Transactions of CSICE, 2003, 21(6): 419-422.[8] Matti M, Chase R. The effect of dimethoxy methaneadditive on diesel vehicle particulate emissions. SAE(編輯王煥雪)[文摘預登]基于 Hamaker假設的黏著(zhù)接觸彈性模型樊康旗,賈建援1,朱應敏,陳光焱2(1.西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院,710071,西安;2.中國工程物理研究院電子工程研究所,621900,綿陽(yáng))為研究微納米系統中的黏著(zhù)接觸問(wèn)題,基于 Hamaker假設和 Lennard-Jones勢能定律,通過(guò)積分方法得到了球體與平面間的黏著(zhù)力,同時(shí)結合經(jīng)典彈性理論建立了一種新型的球體與平面黏著(zhù)接觸的彈性模型,該模型可以同時(shí)得到平面輪廓隨間距的變形過(guò)程及黏著(zhù)力和平面變形量隨間距的變化規律.當球體半徑較大時(shí),所建模型與基于 Derjaguin近似的黏著(zhù)模型給出的結中國煤化工的逕漸減小兩種模型的差異逐漸增大,這是由于 Derjaguin近似的誤差隨球體因此,當球體的半徑趨近納米級時(shí),基于 Hamaker假設的黏著(zhù)接觸模型可以給出人CNMHG