不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性

第27卷第4期農業(yè)工程學(xué)報VoL27 No 41642011年4月Transactions of the CSAEApr,2011不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性陳振斌12,倪計民1,葉年業(yè)1,余峰',肖明偉2,何金戈2(1.同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海201804;2.海南大學(xué)機電工程學(xué)院,俯州571737)摘要:為了研究乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性,該文在雙缸直噴式柴油機和在用的柴油轎車(chē)上分別進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機臺架試驗和整車(chē)底盤(pán)測功機試驗。結果表明,在不調整柴油機條件下,使用乙醇柴油混合燃料能夠在一定程度上改善發(fā)動(dòng)機燃油經(jīng)濟性和降低排氣煙度和NOx排放,但HC排放增加。適當減小供油提前角有利于改善乙醇柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性和排放特性。對于試驗車(chē)輛,燃用E10有利于降低汽車(chē)在中、高速時(shí)的等速工況燃料消耗量和常溫下冷起動(dòng)后PM、NOx排放量。該研究結果對于改善乙醇柴油混合燃料的燃油經(jīng)濟性和排放性具有實(shí)用價(jià)值關(guān)鍵詞:乙醇柴油混合燃料,柴油機,柴油轎車(chē),油耗率,煙度,NO3doi:10.3969/ssn.1002-6819.2011.04.028中圖分類(lèi)號:TK464文獻標志碼:A文章編號:1002-6819(2011)-04-0164-06陳振斌,倪計民,葉年業(yè),等.不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性[J].農業(yè)工程學(xué)報,2011,27(4):164Chen Zhenbin, Ni Jimin, Ye Nianye, et al. Fuel economy and emissions of ethanol-diesel blends with different proportions UTransactions of the CSAE, 2011, 27(4): 164-169.(in Chinese with English abstract)0引言基的存在從本質(zhì)上決定了醇類(lèi)可以替代傳統的石油系燃料。此外,羥基的存在又決定了醇類(lèi)具有不同于石油系柴油機具有良好的可靠性、燃油經(jīng)濟性、耐久性以燃料的特性,乙醇與柴油的物化特性差異較大。常溫下,及較低的CO、HC和CO2排放,因而成為當今重型道路乙醇與柴油混合時(shí),只要混入微量的水分,將出現分層運輸機械、農業(yè)機械和工程機械主要動(dòng)力源。由于排氣現象。為了解決乙醇與柴油均勻混合問(wèn)題,需要選用合煙度和NOx排放較高,柴油機發(fā)展受到越來(lái)越嚴格的排適的助溶劑。本試驗選用中碳醇為助溶劑,該醇屬烷基放法規制約。設計新型燃料、改善尾氣后處理系統和采醇,也可作為發(fā)動(dòng)機代用燃料用新型燃燒模式(如HCCI)是降低柴油機排煙和NOx本試驗燃料由0柴油(市售)、無(wú)水乙醇(體積分排放的主要技術(shù)措施山引。數為995%,分析純)和中碳醇(分析純)混合配制而成乙醇作為一種可再生的發(fā)動(dòng)機代用燃料,具有廣闊試驗中使用了幾種不同配比的乙醇柴油,分別簡(jiǎn)稱(chēng)為前景。近年來(lái),國內外對乙醇柴油混合燃料(簡(jiǎn)稱(chēng)乙醇/E0、E10、E15、E20和E25,其含義如表1所示。所配柴油)的使用特性、燃燒特性、燃油經(jīng)濟性和排放特制的乙醇柴油穩定性良好,常溫下可在密閉容器中靜置性進(jìn)行了深入的研究,在供油時(shí)間和乙醇比例變化對40d以上,不發(fā)生分層現象。發(fā)動(dòng)機特性影響方面也進(jìn)行了一些研究,但常常局限于種乙醇比例的乙醇柴油在幾種負荷下或幾種不同乙醇表1試驗燃料配比Table 1 Different ratios of the fuels for experiment比例的乙醇柴油在最大扭矩、最大功率等工況下,研究%(體積分數)不夠完善4.本文通過(guò)發(fā)動(dòng)機臺架試驗,著(zhù)重分析在~燃料BE0不同負荷條件下,乙醇/柴油發(fā)動(dòng)機供油時(shí)間和乙醇比例組分E15E25變化對發(fā)動(dòng)機特性的相互影響;通過(guò)汽車(chē)底盤(pán)測功機試乙醇驗,測試等速工況燃油消耗量和常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物,完善乙醇柴油的經(jīng)濟性和排放性研究,為乙醇柴油的推廣應用提供試驗和理論依據。2發(fā)動(dòng)機試驗裝置與方法1試驗燃料發(fā)動(dòng)機臺架測試裝置為ESF-300電渦流測功機及控醇類(lèi)是烴基(R)與羥基(OH)組成的化合物,烴制試驗臺,尾氣排放測試裝置為 AVL Digas400型五氣體分adm刑不透光煙度計。試驗發(fā)基金項目:現代農業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系( (CARS12),海南省自然科學(xué)基金資助動(dòng)機中國煤化工項目(808126)CNMHG驗方法,首先在標定作者簡(jiǎn)介:陳振斌(1968),男,福建建甌人,海南大學(xué)副教授,同濟大學(xué)轉速下進(jìn)行不同配比的乙醇柴油發(fā)動(dòng)機負荷特性對比試博士生:主要從事發(fā)動(dòng)機節能與排放控制、發(fā)動(dòng)機代用燃料研究,儋州海驗,測量油耗、排氣煙度、NOx、CO、HC濃度,試驗時(shí)南大學(xué)機電工程學(xué)院,571737.Email:ebin1208@tom.com第4期陳振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性發(fā)動(dòng)機的供油壓力、噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角均供氧能力降低了混合氣在形成過(guò)程中局部缺氧的幾率為原機數值。然后調整供油提前角,在不同的供油提前使燃燒趨于完善。特別在大負荷工況時(shí),乙醇的自供氧角和標定轉速條件下,測量乙醇柴油的油耗、排氣煙度能力大大改善缺氧嚴重的擴散燃燒,從而能夠提高乙醇/及NOx排放值。柴油的燃燒效率。乙醇的汽化熱為854kJ/kg,約是柴油表2柴油機技術(shù)參數的3倍,乙醇柴油的汽化熱隨著(zhù)乙醇比例的增大而增大Table 2 Engine specification低負荷時(shí)缸內溫度較低,乙醇的汽化將進(jìn)一步降低溫度,295A,非增壓、直噴、水冷式使工質(zhì)膨脹功減少,導致燃燒效率下降;高負荷時(shí)缸內壓縮比溫度高,乙醇/柴油的燃燒效率受汽化熱的影響相對較小。缸徑×行程/ m mmm95×115乙醇十六烷值低、燃燒速度快,隨著(zhù)乙醇比例增大,乙醇柴油的著(zhù)火延遲期增長(cháng),燃燒持續期縮短,放熱速率排量幾L加快,有利于熱效率的提高79標定功率/W3.1.2排放特性標定轉速rmin)15001)排氣煙度及NOx排放標定供油提前角 oCA BTDC22如圖2a中所示,在22kW時(shí),乙醇柴油的排氣煙3結果與分析度基本上隨著(zhù)乙醇比例增大而增大。在其他負荷時(shí),乙醇/柴油的排氣煙度明顯減小,在88kW時(shí)特別突出,比3.1乙醇比例變化對發(fā)動(dòng)機特性的影響柴油低60%以上。3.1.1經(jīng)濟性如圖2b中所示,在2.2~66kW時(shí),燃燒乙醇柴油為了便于比較乙醇柴油對發(fā)動(dòng)機有效熱效率的影對降低NOx排放效果顯著(zhù),NOx排放隨著(zhù)乙醇比例增大響,本文將乙醇/柴油的比油耗按能量相等原則折算成與而明顯下降除了E10在88~1kW的NOx排放略高外柴油等值的當量比油耗,即其他的NOx排放都低于柴油bm=(b×HD)Ha(1)圖2a、b曲線(xiàn)的變化趨勢主要受下列因素的綜合影式中,bnq、b分別為乙醇柴油的當量比油耗、實(shí)際比油響,隨著(zhù)乙醇比例的增大,乙醇柴油的十六烷值減小耗,g/kWh);H、HL分別為乙醇榮柴油、柴油的質(zhì)量低著(zhù)火延遲期增長(cháng),乙醇的汽化進(jìn)一步降低了缸內溫度熱值,MJ/kg使燃燒惡化,導致排氣煙度增加和NOx排放減少。隨著(zhù)在不改變循環(huán)供油量的條件下,乙醇比例的變化對乙醇比例的增大,著(zhù)火延遲期內形成的混合氣量增加,乙醇柴油發(fā)動(dòng)機功率有很大影響。在供油提前角19~預混燃燒量增加,擴散燃燒量減小;乙醇的自供氧能力235° CA BTDC時(shí),E25的最大功率達不到額定功率的改善缺氧嚴重的擴散燃燒,從而使碳煙生成減少、NOx95%,因此不選用E25進(jìn)行負荷特性試驗。生成增加。隨著(zhù)負荷的增大,缸內溫度升高,乙醇的汽如圖1所示,乙醇柴油的bq基本上隨著(zhù)乙醇比例增化吸熱,降低了缸內峰值溫度和局部高溫,從而減少了大而減小,而且隨著(zhù)負荷的增大,這種減小趨勢越來(lái)越碳煙和NOx的生成。乙醇只有2個(gè)C原子、不含芳香烴明顯。乙醇柴油的b在小負荷時(shí)與柴油相近或略低,在也是減少碳煙生成的原因之一⑦。中、大負荷時(shí)明顯減小,其中E20在全負荷時(shí)降低10%2)CO及HC排放以上。如圖2c、d中所示,乙醇/柴油的CO排放在低負荷時(shí)明顯高于柴油,而且隨著(zhù)乙醇比例增大而明顯上升在中、高負荷時(shí)相近或略低于柴油。這是因為乙醇的汽-E10化進(jìn)一步降低了缸內溫度,從而使靠近壁面的淬冷層增x一-E15厚,乙醇/柴油燃燒初期的CO排放隨著(zhù)乙醇比例的增大而增大。隨著(zhù)負荷的增大,缸內溫度增加,靠近壁面的1 500 r/minA=22CA BTDC淬冷層厚度減小,乙醇柴油的CO排放隨著(zhù)負荷的增大相近或略低于柴油。乙醇柴油的HC排放比柴油高,而且隨著(zhù)乙醇比例增大而明顯上升。分析認為,混合氣過(guò)濃或過(guò)稀或過(guò)冷都有利于HC的生成。熱值相對低的乙醇/柴油降低了每功率/W循環(huán)的放熱量,使缸內溫度下降,從而導致HC排放增加乙醇圖1不同乙醇比例對燃油經(jīng)濟性的影響中國煤化工善,有利于HC排放減ig. 1 The effects of different ethanol content on the fuel economy小HCCNMHG缸內溫度,從而導致氧含量因素不能起主分析認為,乙醇氧質(zhì)量分數為34.8%,乙醇燃燒的自導作用時(shí),HC排放增加農業(yè)工程學(xué)報2011年一E-ElO1600日2.0崛1.5功率/W功率kW.排氣度功率/W圖2不同乙醇比例對發(fā)動(dòng)機排放的影響(1500rmin,22° CA BTDC)Fig 2 Effects of different ethanol content on the emissions32供油提前角變化對發(fā)動(dòng)機特性的影響E15和E20的NOx排放增加了10%~50%3.2.1經(jīng)濟性如圖3所示,當6從22減小到20.5° CA BTDC時(shí)→19CA--205A22CA235°CA乙醇比例相同的乙醇柴油的b四在低負荷時(shí)都略有上升、在高負荷時(shí)都略有下降。當6從20.5減小到19 CA BTDC時(shí),乙醇比例相同的乙醇柴油的b在中、低負荷時(shí)都略有下降,在高負荷時(shí)都有不同程度的上升。當θ從22增大到235℃ CA BTDC時(shí),乙醇比例相同的乙醇柴油的bq基本上有一定的上升功都3.2.2排放特性A E101)排氣煙度如圖4所示,從22減小到205° CA BTDC時(shí),E10除了在全負荷時(shí)明顯下降外,在其他負荷都有一定的上升;E5除了在22kW時(shí)都略有上升、全負荷時(shí)明顯上升外,在其他負荷都下降;E20除了在22kW時(shí)略有上升外,在其他負荷都下降;E15和E20在11kW時(shí)的降低率都大于46%。當θ從20.5減小到19 CA BTDC時(shí),除了E20在中、高負荷時(shí)明顯上升外,其他的都下降當θ從22增大到23.5° CA BTDC時(shí),除了E20在22~44kW時(shí)有一定的下降外,其他的都大幅度上升,E10E15和E20在中、高負荷升高率大于802) NOxrV中國煤化工如圖5所示,當6從22減小到205° CA BTDC時(shí),E10、10121E15和E20的NOx排放下降了10%40%。當0從205CNMHG減小到19 CA BTDC時(shí),除了E10在中、高負荷,E20圖3不同供油提前角對燃油經(jīng)濟性的影響(1500rmin在中、低負荷的有一定的上升外,其他的NOx排放下Fig 3 The effects of different fuel supply advance angles on the了7%~39%當θ從22增大到23.5° CA BTDO時(shí),E10、fuel economy第4期陳振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性16735排量為19L,最大功率為47kW,最大扭矩為125Nm,-20.5CA經(jīng)濟油耗為46L/l00kmk2.023.5°CA19A-×-205℃A22℃CA-23.5°A101214b.E15功率W0功率/W圖4不同供油提前角對排氣煙度的彩響(1500rminFig 4 The effects of different fuel supply advance angles on the圖5不同供油提前角對Nox排放的影響(1500rmin)smoke emissionFig. 5 The effects of different fuel supply advance angles on the基于試驗柴油機是以標定轉速、高負荷工作為主適當減小供油提前角對提高乙醇柴油的燃油經(jīng)濟性和排3.3.1等速工況燃油消耗量放特性有利。分析認為,隨著(zhù)供油提前角的減小,乙醇如圖6所示,在40~70km/h時(shí),E10的燃料消耗量柴油的著(zhù)火延遲期縮短,有利于改善燃燒過(guò)程,提高燃比柴油高,其中在40kmh時(shí)E10比柴油高754%;在燒效率;在著(zhù)火延遲期內形成的可燃混合氣量減少,則80-120kmh時(shí),E10的燃料消耗量比柴油低,其中在使預混燃燒量減少,擴散燃燒量增加,使擴散燃燒期內110kmh時(shí)E10比柴油低767%。局部缺氧的幾率增大,從而使排氣煙度增加和NOx排放減少;使乙醇柴油燃燒后的峰值溫度和局部高溫下降(乙一柴油醇的汽化吸熱也起一定作用),有利于減小排氣煙度和NOx濃度;此時(shí)乙醇含氧因素對局部缺氧的緩解作用更明顯,從而使排氣煙度減少和NOx排放增加。隨著(zhù)供油提前角的增大,乙醇柴油的著(zhù)火延遲期增長(cháng),預混燃燒量增加,缸內溫度進(jìn)一步升高,高溫因素起主要作用,從而導致排氣煙度和NOx排放增加。中國煤化工33汽車(chē)燃用E10的燃油經(jīng)濟性和排放性90100110120CNMHG在行駛里程大于80000km的捷達柴油轎車(chē)上進(jìn)行圖6等速工況燃料消耗量的比較底盤(pán)測功機試驗,測試等速工況燃油消耗量及常溫下冷Fig 6 Comparison of fuel consumption of a car in起動(dòng)后PM和NOx排放量。試驗車(chē)輛主要技術(shù)參數如下velocity conditions168農業(yè)工程學(xué)報2011年3.3.2常溫下冷起動(dòng)后PM和NO排放量[4] Satge'de Caro P, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al.按GB183523-2005附錄C規定的運轉循環(huán)、排氣nterest of combining an additive with diesel-ethanol blends取樣和分析方法、顆粒物取樣和稱(chēng)量方法進(jìn)行E10和柴油常溫下冷起動(dòng)后PM和NOx排放對比試驗。試驗結果Ry.., antander L A m, et al. Action如下:PM,E10為046gkam,柴油為047gkm;NOxE10為0.86gkm,柴油為0%6g/km(注:劣化系數為stability studies []. Energy and Fuels, 2009, 23(5): 2731PM=12;NOx=10)。分析認為,在車(chē)速較高、負荷較大工況時(shí),E10中含阿6 Chen Z O,Mxx,yuxT,etal. Physical-chemicalproperties of ethanol-diesel blend fuel and its effect on the氧因素起主要作用。乙醇的自供氧能力改善了缺氧嚴重performance and emissions of a turbocharged diesel engine的擴散燃燒,從而提高E10的燃燒效率、減少碳煙生成、U]. Intermational Journal of Automotive Technology, 2009,增加NOx排放。在車(chē)速較低、負荷較小工況時(shí),E10的10(3):297-303.汽化熱高因素(影響缸內溫度)起主要作用。此時(shí)缸內[冂何學(xué)良,詹永厚,李疏松.內燃機燃料M]北京:中國石溫度較低,乙醇的汽化將進(jìn)一步降低溫度,使工質(zhì)膨脹化出版社,1999:326-351功減少,導致燃燒效率下降,碳煙和NOx生成減少;隨(8]任毅,黃佐華,李蔚,等.柴油機燃用柴油乙醇混合燃料著(zhù)車(chē)速增高、負荷增大,缸內溫度升髙,乙醇的汽化吸的性能與排放研究西安交通大學(xué)學(xué)報,2007,41(3)熱,降低了缸內峰值溫度和局部高溫,從而減少了碳煙285-290.和NOx的生成。Ren Yi, Huang Zuohua, Li Wei, et al. Study on theperformance and emissions of a direct injection diesel engine4結論fuelled with dieselethanol blends []. Journal of Xi'AnJiaotong University, 2007, 41(3): 285-290.(in Chinese with1)在不調整柴油機及標定轉速的條件下,柴油機燃English abstract)燒不同配比的乙醇柴油時(shí),其當量比油耗在小負荷時(shí)與(9邢元,堯命發(fā),張福根,等、乙醇與柴油混合燃料燃燒特柴油相近,在中、大負荷時(shí)明顯低于柴油,而且基本上性及排放特性的試驗研究[內燃機學(xué)報,2007,25(1)隨著(zhù)乙醇比例增大而減小。其排氣煙度在小負荷時(shí)略高隨著(zhù)負荷增大,其排氣煙度大幅度降低。其N(xiāo)Ox排放在Xing Yuan, Yao Mingfa, Zhang Fugen, et al. Experimental中、小負荷時(shí)明顯低于柴油,而且隨著(zhù)乙醇比例增大而investigation on combustion and emission characteristics of明顯減小;但在大負荷時(shí)E10略高于柴油。其CO排放engine fuelled with ethanol-diesel blends []. Transactions of在低負荷時(shí)高于柴油,隨著(zhù)負荷增大,在中、高負荷時(shí)CSICE,2007,25(1):24-29.(in略低或相近于柴油。其HC排放高于柴油,且隨著(zhù)乙醇比abstract)例增大而增大。[10] Di Yage, Cheung CS, Huang Zuohua. Experimental study on2)對于試驗柴油機,適當減小供油提前角有利于改particulate emission of a diesel engine fueled with blendedethanol-dodecanol-diesel[J]. Aerosol Science, 2009, (40): 101善乙醇柴油發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性和排放特性。1123)對于試驗車(chē)輛,E10的等速工況燃料消耗量在車(chē)( I1] Jincheng Huang, Yaodong Wang, Shuangding Li,etal.速為40~70km/h時(shí)比柴油高;在80~120km/h時(shí)比柴Experimental investigation on the performance and emissions油低。E10常溫下冷起動(dòng)后的PM和NOx排放量都比柴of a diesel engine fuelled with ethanol-diesel blends[]油低Applied Thermal Engineering, 2009, 29(11/12): 2484-2490.[12] Liu Jie, Liu Shenghua, Wei Yanju, et al. Diesehol CI engine[參考文獻performances, regulated and nonregulated emissions[1] Leung P, Tsolakis A, Wyszynski M L, et al. Performance,characteristics[J]. Energy and Fuels, 2010, 24(2 ) 828-833emissions and exhaust-gas reforming of an emulsified fuel: A3]張煒,宋崇林,李方成,等乙醇柴油混合燃料醛、酮類(lèi)comparative study with conventional diesel fuel[]. SAE污染物排放特性的研究門(mén)內燃機學(xué)報,2008,26(3):238Paper,2009-01-1809[2] Abu-Jrai A, Tsolakis A. The effects of H2 and Co on theWei, Song Chonglin, Li Fangcheng, et al. Study onlective catalytic reduction on NOx under real diesel enginecarbonyl emissions from an Engine Fueled with ethanol/exhaust conditions over Pt/Al2O3[J]. Int. Journal of Hydrogendiesel blends[J]. Transactions of CSICE, 2008, 26(3): 238Energy,2007,32(12):2073-208042. (in Chine[3]陳振斌,蔣盛軍,肖明偉,等、復配乳化劑乳化柴油的經(jīng)濟卩14]李冠峰,陳亮,李遂亮,等.柴油機供油提前角性和排放特性門(mén)農業(yè)工程學(xué)報,2010,26(7):285-289.中國煤化工業(yè)工程學(xué)報,數2圖Chen Zhenbin, Jiang Shengjun, Xiao Mingwei, et al. Engineeconomical performances and emissions characteristics ofCNMHG et al Inffuence of fuelcompound-surfactants [). Trsupply advance angle on fuel economy of diesel engine withof the CSAE, 2010, 26(7): 285-289. (in Chinese withethanol-diesel blend fuel[J]. Transactions of the CSAE, 2006,English abstract22(12): 90-93. (in Chinese with English abstract)第4期陳振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性[15]肖陽(yáng),徐斌,吳健,等.供油提前角對柴油/乙醇發(fā)動(dòng)機經(jīng)supply advance angle on the economy and emission濟性和排放特性的影響[門(mén)柴油機,2010,32(1):31-35characteristics of diesel-ethanol engine []. Diesel Engine,Xiao Yang, Xu Bin, Wu Jian, et al. The influence of fuel2010, 32(1): 31-35. (in Chinese with English abstractFuel economy and emissions of ethanol-diesel blends with differentpropolChen Zhenbin,, Ni Jimin ', Ye Nianye, Yu Feng Xiao Mingwei, He jinge 2(1. Automotive College, Tongji University, Shanghai, 201804 China2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University, Danzhou, 571737 China)Abstract: In order to research fuel economy and emissions of ethanol-diesel blends, based on engine bench test andchassis dynamometer test, the fuel consumption and exhaust emissions of a 2-cylinder direct-injection diesel engine anda diesel passenger car in use were measured. The results indicated that without any modifications on the diesel engineethanol-diesel blends could proper improve fuel economy and reduce the emissions of smokes and NOx, but theemissions of HC increased. Besides, properly reducing the fuel supply advance angles was beneficial to improving fueleconomy and reducing emissions. In the case of vehicle testing, which fueled with E10, the fuel consumption reduced atmiddle and high speeds, and also the emissions of PM and NOx reduced after the cold starting at normal temperatureTherefore, the research results can provide practical references for the improvement of fuel economy and characteristicsof ethanol-diesel blendsKey words: ethanol-diesel blends, diesel engine, diesel passenger car, fuel consumption, smoke, NOx中國煤化工CNMHG