柴油機燃用乙醇柴油燃料的燃燒與排放特性

汽車(chē)工程2004年(第26卷)第2Automotive Engineering2004(Vol.26)No.22004034柴油機燃用乙醇柴油燃料的燃燒與排放特性呂興才李德鋼楊劍光張武高黃震(上海交通大學(xué)內燃機研究所,上海200030)[摘要]對燃用多種比例乙醇柴油的柴油機燃燒與排放特性進(jìn)行了試驗研究。測試了5%~25%乙醇柴油燃料以及柴油和乙醇的基本物理性質(zhì),在ZS00柴油機上對各種比例的乙醇柴油測試了發(fā)動(dòng)機在主要工況下的性能與排放特性,并用光學(xué)可視化方法研究了柴油、15%乙醇柴油、15%乙醇柴油加十六烷值改進(jìn)劑的燃燒過(guò)程。對試驗進(jìn)行了分析。An Investigation into Combustion and Emission Characteristicsof Diesel Engine with Ethanol-Diesel Blend FuelLu Xingcai, Li Degang, Yang Jianguang, Zhang Wugao Huang ZhenInstitute of Internal Combustion Engine, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030Abstract] This paper presents an experimental study on emissions and combustion characteristics of asingle-cylinder Di diesel engine with ethanol-diesel blend fuels. Physical and chemical properties of diesel,ethanoland their blends in different ratio are measured. The engine tests were performed using diesel fuel blended with5%-25% ethanol on ZS1100 diesel engine. The performance parameters and emissions were measured and com-pared to the baseline diesel fuel. In order to gain insight into the combustion characteristics of ethanol-diesel blendfuel, the engine combustion processes for blended fuels and diesel fuel were also observed using an engine videosystem(AVL 513)Keywords: Diesel engine, Ethanol-diesel blend fuel, Emission, Combustion推廣應用。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步,英國AAE技術(shù)公司2、1前言美國純凈能源公司3等相繼開(kāi)發(fā)出低成本添加劑,解決了柴油與乙醇的互溶性、潤滑性、腐蝕性等問(wèn)題受環(huán)境保護和能源危機的影響,世界各國對乙后,由于它不需要對柴油機作任何改動(dòng),因此使乙醇醇在汽車(chē)上的應用進(jìn)行了廣泛的研究。乙醇是含氧柴油混合燃料的大量應用成為可能燃料,是一種生物能源,具有可再生性。利用生物酶為了優(yōu)化乙醇在柴油中的最佳替代比例,研究技術(shù)以及農產(chǎn)品發(fā)酵技術(shù)可以從糧食、蔗糖、纖維等燃料的物理化學(xué)性質(zhì)對燃燒與排放特性的影響,首各種生物材料制取工業(yè)用乙醇,并取得了明顯的進(jìn)先對柴油(Dese)、5%乙醇柴油(E5-D)、10%乙醇展。目前,乙醇在汽油機上的研究很多,也比較成柴油(E10-D)、15%乙醇柴油(E15-D)、20%乙醇熟,但是在柴油機上的研究不多1。柴油(E20-D)、15%乙醇柴油+十六烷改進(jìn)劑(E15乙醇與柴油很難直接互溶,20世紀80年代前D+ CN improver)的物理性質(zhì)進(jìn)行了分析,并在后,各國學(xué)者對乙醇在柴油機上的應用提出了各種Zs1100柴油機上對各種燃料在多種工況下(最高轉方法,但是由于需要對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行改動(dòng)而不能大量速下的負荷特性最大轉矩轉速的負荷特性)的動(dòng)力國家自然基金-福特基金(50122166)和國家自然基金重點(diǎn)項目中國煤化工稿收到日期為2003年4月3日,修改稿收到日期為2003年6CNMHG汽車(chē)工程204年(第26卷)第2期性和經(jīng)濟性進(jìn)行了測試,然后對柴油、E10-D、E15點(diǎn)。乙醇的閃點(diǎn)相當低,柴油的閃點(diǎn)比較高。從圖-D、E15-D+ CN improver的煙度和氣體排放進(jìn)中可以看出,在柴油中加入乙醇后,混合燃料的閃點(diǎn)行了測試。為進(jìn)一步分析乙醇柴油混合燃料的燃燒立即降低,與乙醇閃點(diǎn)相當接近。特點(diǎn),用缸內可視化系統( AVI EVS系統)對柴油、2,3混合燃料的表面張力E15-DE5-D+ CN improver的燃燒過(guò)程進(jìn)行了燃料的表面張力影響到燃料的流動(dòng)性、噴射特觀(guān)察研究。性和霧化質(zhì)量。圖3為實(shí)際測量得到的純柴油和各種比例的乙醇柴油混合燃料的表面張力。由于乙醇2燃料的制備與物理性質(zhì)的表面張力比較小,因此乙醇柴油混合燃料的表面張力都有不同程度的減小純乙醇在常溫下理論上能夠以0~30%或70%100%的比例與無(wú)水柴油互溶4,但是由于乙醇容易吸水,它與柴油混合后對水分和溫度相當敏感,因此當乙醇柴油中水含量超過(guò)一定比例后混合液會(huì )發(fā)生相分離,而且當溫度降低后乙醇與柴油的互溶性也會(huì )變差。試驗采用常規的商業(yè)柴油和無(wú)水乙醇DE2D(997%)為原料,借助于添加劑實(shí)現了乙醇與柴油圖2各燃料的閃點(diǎn)圖3各燃料的表面張的互溶。在配制所有比例的乙醇柴油混合燃料時(shí),2.4燃料的密度與熱值在其中加入了相同比例的助溶劑(如E15-D的成燃料的密度與熱2分(體積比)為:15%乙醇、83%柴油、2%助溶劑)°值影響到計算熱效率由于乙醇十六烷值很低,因此在柴油中加入乙的準確性。因此對混II醇后,混合燃料的十六烷值會(huì )有所降低。根據文獻合燃料的密度進(jìn)行了 Dicsel ES-D E IO-D E13H-DE20-DE23[4]在試驗中配制了15%乙醇柴油加十六烷值改進(jìn)測量。由于熱值測量劑的混合燃料,使十六烷值接近柴油。4各燃料的密度困難,因此在熱效率計乙醇和柴油按照一定比例互溶后,混合燃料的算時(shí)由密度反算出熱值。在混合燃料熱值計算中沒(méi)物理化學(xué)特性如密度、粘度、表面張力、閃點(diǎn)沸點(diǎn)、有考慮助溶劑和添加劑的熱值誤差很小。圖4為凝點(diǎn)等參數會(huì )發(fā)生變化,而且不會(huì )按照線(xiàn)性比例進(jìn)測量得到的密度值。行加權。因此對各種混合燃料的一些理化參數進(jìn)行2.5燃料的沸點(diǎn)了測量。乙醇的沸點(diǎn)遠比柴油低,因此混合燃料的沸點(diǎn)2.1粘度和潤滑性要比柴油低,從而改善了燃料的霧化效果,進(jìn)一步影柴油機的高壓噴3響到燃料的燃燒特征和發(fā)動(dòng)機排放性能。射系統要求燃料具有2.6燃料的十六烷值良好的潤滑性,如果燃料的十六烷值直接影響柴油機的著(zhù)火性能。潤滑性太差,則會(huì )加菜較高的十六烷值對改善發(fā)動(dòng)機的冷起動(dòng)性、降低燃劇高壓油泵的偶件磨燒噪聲和延長(cháng)發(fā)動(dòng)機壽命方面起著(zhù)相當重要的作損。粘度在一定程度用,如圖5所示。由于乙醇的十六烷值相當低,因此上能夠反映燃料的潤圖1各燃料的動(dòng)力粘度滑性。圖1為柴油、乙醇和各種比例的乙醇柴油混隨乙醇比例的增加,乙醇柴油的十六烷值線(xiàn)性下降27相分離和穩定性合燃料的粘度。由于乙醇的粘度很低,僅為柴油的乙醇柴油混合燃料中水含量較高時(shí)會(huì )發(fā)生相分1/3左右,因此乙醇柴油混合燃料的粘度也有所降離,混合燃料就不穩定。圖6所示為10%乙醇柴油低,并且隨乙醇比例的增加,粘度下降程度增加,中加入0.1%的水后在各種溫度下對助溶劑的需混合燃料的閃點(diǎn)求量。從中可以看出,為了保持混合燃料在各種溫閃點(diǎn)是在試驗室狀態(tài)下測量的燃料接觸火源時(shí)能夠著(zhù)火的溫度,它影響到燃料的運輸和存放、使用中國煤化工溶劑要求混合燃料過(guò)程的安全性。圖2為乙醇、柴油和混合燃料的閃TH的溫度升高,也有助CNMHG2004年(第26卷)第2期汽車(chē)工程于提高混合燃料的穩定性。值得注意的是,柴油機的熱效率卻與燃油消耗率的變化趨勢相反。柴油中加入乙醇后,發(fā)動(dòng)機的有效熱效率上升(見(jiàn)圖8)。在大部分工況下,乙醇柴油混合燃料的有效熱效率提高了1%-2%(絕對值),特別是在中高負荷,熱效率改變效果更顯著(zhù)。這主要是兩個(gè)方面的原因引起的。其一,乙醇是含乙醇比例%20-10溫1e04氧燃料,它在燃燒時(shí)起到自供氧的作用,特別是在富圖5乙醇比例對混合燃圖610%乙醇柴油的燃料區,使燃料燃燒更完全;其二,由于乙醇的沸點(diǎn)料的十六烷值的影響[4]穩定性試驗很低,混合燃料噴射到氣缸后容易汽化,加之乙醇柴油的粘度和表面張力較小,有效地改善了燃料的霧發(fā)動(dòng)機性能試驗化質(zhì)量,使油氣混合更均勻。綜合這兩方面的原因乙醇柴油混合燃料的燃燒效率提高,因此有效熱效試驗是在一臺單缸水冷、4沖程、直接噴射式柴率得到改善。另外,對比兩種含有15%乙醇的混合油機上進(jìn)行的,發(fā)動(dòng)機的基本參數見(jiàn)表1。試驗首燃料(E15-D、E15-D+ CN improver)的性能可以先進(jìn)行各種燃料的動(dòng)力性和經(jīng)濟性試驗,試驗時(shí)保發(fā)現,十六烷值對柴油機的燃油消耗率和熱效率無(wú)持發(fā)動(dòng)機的最大功率和最大轉矩不變。測試工況分明顯的影響。別為發(fā)動(dòng)機在標定轉速和最大轉矩轉速下的各種負荷,記錄在各種工況下的轉速、轉矩、燃油消耗、排氣溫度、機油溫度。然后對柴油、E10-D、E15-DE15-D+ CN improver的氣體排放和煙度進(jìn)行了測..E15-D+CN improver..El5-D+CN improver表1試驗發(fā)動(dòng)機的技術(shù)參數圖8不同工況下乙醇含量對柴油機有效熱效率的影響缸徑x行程/mm100×115排量/L壓縮比175噴嘴開(kāi)啟壓力/MPa18.13.2乙醇含量對柴油機煙度的影響功率/轉速/12120噴油提前角/CA20乙醇柴油混合燃料的煙度在大部分工況下都比kw/rmin純柴油的姻度要低。如圖9所示,在2200r/min下,最大轉矩/轉速/589/1760噴孔數x直徑/mm4×0.32乙醇柴油混合燃料的煙度在中高負荷下平均降低了50%以上。在1760r/min下,低負荷時(shí)的煙度接近3,1經(jīng)濟性與熱效率分析于0,在90%負荷和全負荷下的煙度比純柴油下降圖7是各種燃料在2200/min和1760r/min下了1~1.5BSU。乙醇柴油混合燃料的煙度降低同的各種負荷時(shí)燃油消耗率(BSFC)的比較。從圖中樣是由燃料的含氧和低沸點(diǎn)特性所決定的。正是由可以看出,乙醇柴油的燃油消耗率要比柴油高,而且于含氧使燃料燃燒更完全,低沸點(diǎn)改善了混合氣形燃油消耗率隨柴油中乙醇比例的增加而增加。很顯成質(zhì)量,所以煙度明顯降低,熱效率也得到改善。然,這是由于混合燃料的熱值降低的緣故,因為乙醇熱值只有柴油的2/3左右,因此隨混合燃料中乙5-D+CN improver醇比例增加要達到相同的輸出功率必須要消耗更"2mn=176Or/minI-N improver*CN improvern=2200r/m圖9不同工況下乙醇含量對柴油機煙度的影響%W》33乙醇含量對氣體排放物的影響排放討驗采田AVCB系列氣體排放測試中國煤化工圖10為柴油機在圖7不同工況下乙醇含量對柴油機經(jīng)濟性的影響CNMHG個(gè)負荷的氣體排134汽車(chē)工2004年(第26卷)第2期放物濃度。從中可以看出柴油機燃用乙醇柴油時(shí):由于混合燃料沸點(diǎn)降低,霧化特性改善,混合氣CO排放在中低負荷增加,而在75%和100%負荷顯成分均勻,因在中低負荷下整個(gè)混合氣很稀,加上乙著(zhù)降低,特別是E10-D在100%負荷降低了醇柴油的著(zhù)火延遲增加,因此缸內平均溫度很低,使48.9%,其它兩種乙醇柴油在100%負荷也降低得NOx排放降低,CO排放增加。而在大負荷下,混30%以上;NOx在中低負荷(≤75%負荷)降低,特合氣成分均勻,一旦缸內開(kāi)始燃燒后,燃燒速度很別是50%負荷降低程度明顯,但是在10%負荷稍快,缸內最高溫度上升,因此NOx排放增加,CO排有增加;加入十六烷值改進(jìn)劑后,CO和NOx排放在放降低。THC排放在整個(gè)工作范圍內都增加,這是所有試驗負荷下都有所下降;THC在各種負荷下都由于乙醇氣體汽化后竄到燃燒室死區,混合氣燃燒升高了,尤其是在10%負荷增加了將近1倍。不完全造成的4三BmmCN improverEsEIS-D+CN improver負荷汽負荷/%圖10燃用乙醇柴油時(shí)各種負荷下的氣體排放物接圖像法對乙醇柴油在缸內的燃燒過(guò)程進(jìn)行觀(guān)察,4混合燃料的燃燒特性分析試驗設備為 AVL EVS系統。圖11為柴油、E15DE15D+ CN improver3種燃料在同一工況下燃燒過(guò)為了進(jìn)一步研究乙醇柴油的燃燒特點(diǎn),運用直程的火焰照片。1n122Bn (oRFTTC .m UBTDC (4-:2 3re G : e8.me 3RETI (n2.Ix (s )RHin(3)幫褲aI: tea BTDe29BI (aoBTT (4)75 BC ()soTt< 3aBrDc 20Mtc (8)0.43IIN成()l18EITC e cr De ()82 BTDC 4)/otIC .3.2Hn (o)3B.Dc 0220. a480( agwa圖113種燃料在同一工況中國煤化工(1)從圖11中可見(jiàn),在柴油中加入乙醇后著(zhù)火延HHCNMHGD的著(zhù)火延遲增加04年(第26卷)第2期汽車(chē)工程了5.4CA(柴油在15.2° CA BTDO著(zhù)火);在E5(3)燃料含氧,有助于促進(jìn)燃燒,因而可降低煙D中加入十六烷值改進(jìn)劑后,著(zhù)火延遲明顯得到改度,在中高負荷下可降低50%以上(4)對3種乙醇柴油和純柴油的穩態(tài)8工況測(2)與柴油相比,乙醇柴油的燃燒持續期顯著(zhù)縮試表明,燃用15%乙醇柴油時(shí)一氧化碳可以降低短。這可能是由于兩方面的原因造成的:一方面是5.8%,氮氧化物降低4.2%,但是總碳氫卻升高了因為乙醇的粘度和沸點(diǎn)比柴油低,在柴油中加入乙40%以上;而在乙醇柴油中加入十六烷改進(jìn)劑后,醇后,改善了燃料的霧化效果,提高了混合氣形成質(zhì)氧化碳和氮氧化物進(jìn)一步降低,分別降低21%和量;另一方面,乙醇含氧,使得燃料的燃燒速率加快,7%,但總碳氫排放進(jìn)一步升高。燃燒更完全。(5)柴油中加入乙醇后,著(zhù)火滯燃期延長(cháng),但燃(3)乙醇柴油的火焰明顯比純柴油的火焰暗。燒持續期縮短,火焰輝度明顯減弱。由于火焰的明暗與碳煙的產(chǎn)生直接相關(guān),因此這也直接證明了乙醇柴油能夠降低柴油機的碳煙排放。參考文獻1金福祥,張武高,黃震等.乙醇燃料的研究發(fā)展與應用,柴油機5結論20022 Alan Rae. USA E- Diesel: An Immediate Practical Air Qualit(1)乙醇柴油的理化性質(zhì)測試表明乙醇加入到and Energy Security Solution. The 14th International SymposiumAlcohol Fuels( ISAF XIV), Phuket, Thailand, Now12-152002柴油中,混合燃料的表面張力、粘度有一定程度降3 shad Ahamed,E-Des:AU.S. Experience on the Development低;沸點(diǎn)與乙醇接近;十六烷值會(huì )有所損失;加入少量助溶劑可以得到穩定的混合燃料。14th International Symposium on Alcohol Fuels( ISAF XIV)(2)乙醇的低熱值只有柴油的2/3左右,因此乙Phuket, Thailand, Nov 12-15. 2002醇柴油混合燃料的燃油消耗率升高,尤其在低負荷De Caro P S, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al. Interest of Combining an Additive with Diesel-Ethanol Blends for Use in Diesel時(shí),但發(fā)動(dòng)機的熱效率平均可提高1%~2%。燃料Engines. Fuel, 2001, 8(4)的十六烷值對燃油經(jīng)濟性和熱效率影響不大。(上接第144頁(yè)14 Hertl W, Patil M D and williams J L. Hrdrocarbo Adsorber SystemEngine with Close Coupled Main Catalyst. SAE Paper 980418for Cold Start Emissions. SAE paper 96034718 Oliver J Murphy, Rajesh T Kukreja and Craig C Andrews. Electri15 Edward Gardetto and Ted Trimble. 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