乙醇-柴油-汽油混合燃料的燃燒與排放特性

008年(第30卷)第3期A(yíng)utomotive Engineering2008(vol.30)No.32008042乙醇-柴油-汽油混合燃料的燃燒與排放特性杜寶國,隆武強,魏勝利,董全,許鋒(大連理工大學(xué)內燃機研究所,大連116024)[摘要]以汽油為助溶劑配制出均勻穩定的乙醇-柴油汽油混合燃料,對比分析了單缸四氣門(mén)135柴油機燃用不同配比混合燃料時(shí)的燃燒與排放特性,同時(shí)研究了燃用混合燃料時(shí)供油提前角變化和使用HL傘噴油嘴對柴油機性能的影響。結果表明:柴油機燃用適當配比的乙醇柴油汽油混合燃料,動(dòng)力性、經(jīng)濟性基本保持不變,碳煙和NO,排放顯著(zhù)降低;著(zhù)火滯燃期延長(cháng),缸內平均溫度下降燃燒速率加快燃燒持續期縮短;當使用HL傘噴油嘴燃用E20G15燃料時(shí),著(zhù)火滯燃期進(jìn)一步延長(cháng),油氣混合速率和混合氣均勻度明顯提高在整個(gè)工況范圍內,氣缸壓力和缸內平均溫度均較低,碳煙和NO,排放同時(shí)降低,其燃燒過(guò)程具有明顯的熱預混合燃燒特征。關(guān)鍵詞:柴油機;混合燃料;乙醇-柴油;燃燒特性a Study on the Combustion and Emission Characteristics of a DieselEngine Fueled with Ethanol-Diesel-Gasoline BlendsDu Baoguo, Long Wuqiang, Wei Shengli, Dong Quan Xu Fengnstitute for Internal Combustion Engines, Dalian University of Technology, Dalian 116024Abstract] A homogeneous and stable ethanol-diesel-gasoline blend fuel is formulated withblizer. The combustion and emission characteristics of a 135 single-cylinder 4-valve diesel engine with fuels of dif-ferent blending ratios are comparatively analyzed, and the effect of different fuel supply advance angles and the useof Hl nozzle with conical spray on the performance of diesel engine are analyzed. The results show that when usingappropriate ratio of ethanol-diesel-gasoline blend fuel, the engine power output and fuel economy remain unchangedhile the soot and NOx emissions reduce remarkably; the ignition delay period becomes longer, the average temper-ature in the cylinder lowers, the combustion rate increases, and the combustion duration shortens. When the engineuses HL nozzle and E20G15 blend fuel (20% vol. of ethanol, 15% vol. of gasoline and 65% vol. of diesel),theignition delay period becomes even longer, the fuel-air mixing velocity and homogeneity rise obviously, the pressureand average temperature in the cylinder lower across the whole range of load and both soot and NOx emissionsduce. The combustion process shows obvious characteristic of hot premixed combustion modeKeywords: diesel engine; blended fuel; ethanol-diesel; combustion characteristics料的技術(shù)已經(jīng)比較成熟并獲得了成功應用,而在柴前言油機上應用乙醇燃料還存在一些問(wèn)題和困難,尚處于研究階段4-5)。乙醇是一種可再生的生物質(zhì)燃料,在內燃機上柴油機燃用乙醇燃料主要有以下幾種方式:進(jìn)應用乙醇燃料對于緩解石油資源日益枯竭、環(huán)境污氣管添加乙醇即熏蒸法;雙噴射系統;純乙醇直接染不斷加重等問(wèn)題有著(zhù)深遠意義,對此國內外已開(kāi)壓燃展了大量的研究工作1-3。目前汽油機燃用乙醇燃化劑H中國煤化工或添加助溶劑、乳CNMHG燃料。其中使用國家973重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目(2001CB209202)資助原稿收到日期為2007年3月29日,修改稿收到日期為2007年7月3日。2008年(第30卷)第3期柴油醇燃料因基本上不需要改變柴油機結構而最有以汽油作為乙醇和柴油混合的助溶劑?；旌先枷Ｍ麑?shí)現商業(yè)化。料配制采用體積法,如用60%柴油、20%乙醇、20%乙醇分子中含有34.8%的氧,理論空燃比低,汽油配制成的混合燃料,簡(jiǎn)記為E20020燃料,其它著(zhù)火界限寬,能夠促進(jìn)燃燒。乙醇與汽油一些性質(zhì)不同配比的混合燃料都以此規律用簡(jiǎn)稱(chēng),100%柴油較為接近,十六烷值和黏度均較低,二者相溶性好;燃料則記為E0。試驗中按照柴油、乙醇汽油的添乙醇和柴油的性質(zhì)則差別較大,熱值低、汽化潛熱加順序進(jìn)行配制,經(jīng)過(guò)攪拌、振蕩搖勻后即成均勻穩高與柴油的相溶性較差。利用汽油可分別與乙醇定的混合燃料。通過(guò)觀(guān)察不同配比混合燃料在密閉和柴油互溶的特點(diǎn)可以用汽油為助溶劑配制出均容器中的分層時(shí)間發(fā)現汽油的比例越高,混合燃料勻、穩定的柴油醇燃料。越穩定;在適當的配比范圍內,其分層時(shí)間可達60柴油機熱預混合燃燒(DHPC, diesel hot天以上甚至更長(cháng)。premixed combustion)概念是大連理工大學(xué)胡國棟教由于汽油比例較大,其既作為助溶劑,同時(shí)又是授于20世紀80年代初提出的°,其核心思想為:在燃料的重要組成部分,隨著(zhù)乙醇、柴油、汽油摻混比壓縮著(zhù)火前完成油氣的均勻預混合,并控制在上止的變化,混合燃料的物理性質(zhì)和燃燒特性較柴油均點(diǎn)附近壓燃著(zhù)火,從而實(shí)現在較低缸內壓力和溫度發(fā)生了較大改變?；旌先剂系酿ざ认陆递^大,試驗下的快速燃燒,達到高效清潔的目的。其實(shí)質(zhì)就是中為減少柱塞副的磨損添加微量的蓖麻油(0.5%)近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)的HCCⅠ燃燒模式,實(shí)現這種以改善潤滑;乙醇的熱值只有柴油的63%,汽油的燃燒方式的難點(diǎn)主要是均質(zhì)混合氣的形成與燃燒過(guò)熱值略高于柴油,因而混合燃料的熱值隨著(zhù)乙醇含程的控制。HL( high dispersion and long penetration)量的增加而降低。為便于比較試驗中的燃油消耗傘噴油嘴「的噴霧特性及其噴油速率快的特點(diǎn)非常計方法設計出適合HcC的燃料是控制著(zhù)火時(shí)刻和油消等原則折算為與柴油熱值相當的當量燃率按能量相有利于缸內均質(zhì)的混合氣的快速形成;應用燃料設燃燒速率的一種有效技術(shù)手段。近年來(lái)的一些研究成果表明具有低沸點(diǎn)高揮2試驗裝置和方法發(fā)性、高汽化潛熱、低十六烷值、高抗爆性特點(diǎn)的乙醇是一種非常有潛力的HCCI燃料”;汽油燃料也試驗發(fā)動(dòng)機為一臺單缸四氣門(mén)自然吸氣式直噴具有較高的揮發(fā)性和較低的著(zhù)火性能,其熱值高、燃135.油機,其主要技術(shù)參數如表1所示。燒速度快,但運行中易發(fā)生爆燃。由此可推測,使用表1試驗柴油機主要參數按一定比例配制的乙醇柴油-汽油混合燃料,有望排量幾L2.15實(shí)現改善燃油霧化性能、降低缸內平均溫度、推遲著(zhù)缸徑/mmx行程/mm135×140火時(shí)刻、延長(cháng)油氣混合時(shí)間提高混合氣均勻度的目標定轉速/(r/min)x標定功率/k1500x14.7標;而在此基礎上,同時(shí)采用HL傘噴油嘴,將更有壓縮比利于實(shí)現柴油機的熱預混合燃燒。噴油泵型式為了驗證乙醇-柴油汽油混合燃料在柴油機上柱塞直徑/mm應用的可行性及其作為HCCI燃料的適用性,在啟噴壓力/MPa臺單缸135四氣門(mén)直噴式柴油機上,研究了不同燃噴孔數x噴孔直徑/mm7x0.25料配比及供油時(shí)刻變化混合燃料的燃燒和排放特性,并應用HL傘噴油嘴燃用混合燃料進(jìn)行了熱預試驗裝置和主要測試設備如圖1所示。用AVL混合燃燒試驗。concerto v3.5后處理軟件進(jìn)行燃燒特性分析。試驗中選用EEl5G15、E20G15、E20G204種1燃料配制燃料作為對比。在標定轉速下按負荷特性進(jìn)行柴油機性中國煤化工壓縮比、噴油泵柱試驗中使用標準0#輕柴油標準90#汽油和符塞直CNMHG機轉矩、改變供油合GB18350-2001標準的燃料乙醇(含水率小于提前角換用不同噴油嘴型式等方式,比較柴油機燃0.8%用上述4種燃料時(shí)的燃燒與排放特性2008(vol.30)No.3杜寶國,等:乙醇柴油汽油混合燃料的燃燒與排放特性193范圍內均顯著(zhù)降低。在中低負荷工況接近于無(wú)煙排NOA7000型氣體分析儀[型煙度計放;在100%負荷工況,燃用E20G15和E0燃料的煙度分別為0.61BSU和1.37BSU,波許煙度值降低了約5%。這是因為:乙醇是含氧燃料,在燃燒時(shí)有AV6氣缸壓力信號「燃燒自供氧能力,增加了缸內的空燃比,使得局部燃油裂分析儀h水力測功器解生成碳粒的機會(huì )減少,從而降低了碳煙;另一個(gè)原集PC13袖機因是乙醇的汽化潛熱大,降低了缸內工質(zhì)溫度和最高燃燒溫度,顯著(zhù)地減少了燃油的熱裂反應,抑制了曲軸轉角信號碳煙的形成;同時(shí)混合燃料的十六烷值較低,導致可燃混合氣的著(zhù)火時(shí)刻延遲,燃料和空氣的混合時(shí)間圖1柴油機性能試驗裝置圖增加,進(jìn)而提高了混合氣形成的質(zhì)量,預混合燃燒份額增加,擴散燃燒相對減少,從而使碳煙的生成量降3試驗結果與分析低;再由于乙醇和汽油的沸點(diǎn)低、黏度小、揮發(fā)性好有利于燃料的霧化與蒸發(fā),提高了混合氣形成速率和分布的均勻度,在一定程度上減少了過(guò)濃區,因而3.1不同配比混合燃料的燃燒與排放特性圖2示出了供油提前角為17°CA、使用7×0.25碳煙排放降低。燃用混合燃料后NO,排放在中低負荷工況明顯1509型多孔油嘴、燃用不同配比混合燃料時(shí)的油下降,而在高負荷工況則降低較少;乙醇和汽油所占耗和排放對比曲線(xiàn)?？梢钥闯?在低負荷工況時(shí),燃比例越大則下降越顯著(zhù)。在50%負荷工況時(shí),燃用用混合燃料的當量油耗率比燃用F燃料時(shí)略高,在E20C20燃料的NO,排放從燃用EO時(shí)的895中負荷工況有所降低,而在高負荷工況時(shí)則相差不大。燃用混合燃料在50%負荷工況時(shí)具有最佳的10-降低到了525×10-4,降幅達41%。這是由于燃油經(jīng)濟性。乙醇的汽化潛熱大,使缸內溫度下降,燃燒推遲,滯燃用不同配比的混合燃料后碳煙排放在全負荷燃期延長(cháng);乙醇汽油燃料的低黏度、高揮發(fā)性提高了霧化質(zhì)量,促進(jìn)了缸內均質(zhì)混合氣的快速形成,燃燒過(guò)程中局部高溫區減少;乙醇和汽油的燃燒速度相對較快,燃燒持續的時(shí)間縮短,已燃混合氣經(jīng)留高溫區的時(shí)間減少,從而使NO,排放降低。圖3顯示了在100%負荷工況下,燃用不同配比供油提前角:17CA混合燃料時(shí)的示功圖比較?？梢钥闯?隨著(zhù)混合燃油嘴:7×0.25×150料中柴油比例的減少,燃燒始點(diǎn)向后推移,而燃燒結一E0束時(shí)刻基本不變,燃燒持續期縮短;由于燃燒推遲,并發(fā)生在上止點(diǎn)后,最高爆發(fā)壓力降低;隨著(zhù)乙醇和汽油比例的提高,燃燒過(guò)程加快。-E20G15中國煤化工CN MHG450 60負荷率%曲軸轉角()圖2混合燃料配比對油耗與排放的影響圖3不同混合燃料配比示功圖比較汽車(chē)工程2008年(第30卷)第3期3.2不同供油提前角下混合燃料的燃燒與排放特性上山弦混合燃料中乙醇和汽油比例相對較大,燃料的性質(zhì)較純柴油已發(fā)生很大變化,這樣燃用混合燃料時(shí)柴油機的最佳供油提前角也需要相應調整。為此研究了燃用混合燃料時(shí)供油提前角變化對燃燒和排放特性的影響。原機燃用純柴油時(shí)的最佳供油提前角為17°CA,現將供油提前角分別調整為15CA和供油提前角:15CA13°CA進(jìn)行性能對比試驗。圖4示出了燃用燃料:E20G15E20G15混合燃料3種供油提前角下油耗與排放的對比曲線(xiàn)。75%負0%負荷靠z曲軸轉角()燃料:E20G15圖5使用多孔油嘴、燃用F0G15燃料不油嘴:7x0.25X150同工況下油管壓力與氣缸壓力比較-1T° CABTDC0.8·13· CABTDO閥頭部錐臺的錐角為140°,且在噴射錐面上開(kāi)有10個(gè)R=0.05mm的凹槽圖6給出了供油提前角為15°CA時(shí),使用HL傘噴油嘴與多孔油嘴分別燃用E0、F20G15燃料的油耗和排放對比曲線(xiàn)。結果顯示,中低負荷工況下當量油耗率在使用HL傘噴油嘴且燃用E20G15混負荷率%3圖4供油提前角變化對油耗與排放的影響從試驗結果可看出,在低負荷工況,減小供油提供油提前角:15cA前角時(shí)當量油耗率有所降低,而在中高負荷工況則7X0.25x150°H中15×140變化不大;隨著(zhù)供油提前角的減小,碳煙排放升高◆H45×140°E2G150但NO,排放顯著(zhù)降低。在100%負荷工況,17°CA供油提前角下的NO,排放為1.170×10,而在13°CA條件下為675×10-,下降了42%。圖5為供油提前角15°CA時(shí),燃用E20G15燃料在不同工況下油管壓力和氣缸壓力的比較?？梢蕴m40o∴看出,在中低負荷工況,滯燃期較長(cháng),燃燒過(guò)程中預混合燃燒所占比例較大。對本試驗用柴油機,燃用中國煤化工E20G15混合燃料時(shí),應適當延遲噴油,即減小供油提前角,對改善柴油機的油耗和排放有利。CNMHG10033HL傘噴油嘴燃用混合燃料的燃燒與排放特性負荷率試驗中所用傘噴油嘴為H小1.5×140°型,即針圖6H傘噴油嘴與多孔油嘴燃用不同燃料的性能比較2008Vd.30)N3杜寶國,等:乙醇柴油汽油混合燃料的燃燒與排放特性195合燃料時(shí)下降非常明顯。圖7為不同負荷工況下油值壓力顯著(zhù)降低對應的曲軸轉角也相對后移;著(zhù)火管壓力與氣缸壓力的比較通過(guò)進(jìn)一步的分析可得時(shí)刻大幅度推遲,并且基本發(fā)生在噴油結束后。這出油耗率下降的原因:當使用HL傘噴油嘴并燃用是由于燃料的快速?lài)娙撕蛷娏业钠鼰嶙饔?導E20G15燃料后,乙醇汽油的低黏度、高揮發(fā)性使噴致缸內溫度迅速降低而使著(zhù)火延遲;整個(gè)燃燒過(guò)程霧的霧化質(zhì)量進(jìn)一步得到改善同時(shí)由于乙醇燃料主要發(fā)生在上止點(diǎn)后氣缸壓力相對降低;噴霧特性的自供氧特性使燃燒更加充分;乙醇、汽油的強汽和燃料特性的雙重作用使霧化質(zhì)量改善混合氣分化吸熱作用,使初期燃燒速率減緩,火焰溫度降低,布更加均勻,局部髙溫區減少,可燃混合氣在較低的著(zhù)火時(shí)刻延遲。這樣就使著(zhù)火前缸內形成了更多的缸內壓力和溫度下迅速燃燒,因而NO,排放下降。均質(zhì)混合氣,此時(shí)柴油機燃燒過(guò)程以預混合燃燒為圖8為在不同負荷下著(zhù)火滯燃期的比較?？芍?并且燃燒完全,使當量油耗率下降。見(jiàn),使用多孔油嘴燃用F20G15燃料時(shí),其著(zhù)火滯燃期較使用E0燃料在整個(gè)負荷范圍內均有所增加,但上增加幅度不大;而當使用傘噴油嘴時(shí),著(zhù)火滯燃期增加顯著(zhù),增加的幅度隨負荷加大而減小。這是因為HL傘噴油嘴噴油迅速、燃油霧化質(zhì)量好,混合燃料的蒸發(fā)汽化速率也相對提高,使缸內溫度大幅下降,因而滯燃期相應延長(cháng)供油提前角:15°CA,油嘴:H中5×140°7x0.25X150°B0燃料:E20G15270.25×150°E20G15sHL中1.5X140°E20G15曲軸轉角()負荷率%圖7使用H傘噴油嘴、燃用E20G15燃料不同工況下油管壓力與氣缸壓力比較圖8不同負荷下著(zhù)火滯燃期比較使用H傘噴油嘴、燃用E0燃料時(shí)的碳煙排放圖9示出了在100%負荷工況下油管壓力氣缸在中高負荷工況明顯升高,而燃用E015燃料后壓力放熱率及缸內平均溫度的比較?？梢?jiàn):在高負則顯著(zhù)下降。這是由于在中高負荷工況條件下,由荷工況,使用H傘噴油嘴燃用E20Gl5混合燃料于傘噴油嘴的噴霧貫穿距相對較小,隨著(zhù)燃油噴射后,噴油持續期縮短,氣缸峰值壓力顯著(zhù)降低燃燒量的增加而在噴嘴附近形成了過(guò)濃混合氣區,導致始點(diǎn)推遲,燃燒持續期減小,放熱率重心后移,缸內燃燒不充分,碳煙排放升高;而燃用E20G15混合燃平均溫度大幅度降低。同時(shí)也表明,應用傘噴料,可燃混合氣中的氧含量增加燃料的性質(zhì)促進(jìn)了油嘴、燃用適當配比的乙醇-柴油汽油混合燃料,著(zhù)燃油的快速蒸發(fā)與混合,并且著(zhù)火滯燃期的延長(cháng)使火前在缸內可形成較為均質(zhì)的預混合氣,燃燒在較混合時(shí)間增加因此混合氣分布的均勻度也顯著(zhù)提低的缸內壓力和溫度下進(jìn)行整個(gè)燃燒以預混合燃高局部過(guò)濃區減少燃燒迅速、充分,燃燒過(guò)程得到燒方式為主,其過(guò)程具有明顯的熱預混合燃燒特征,改善,碳煙排放降低?；緦?shí)現了保持經(jīng)濟性不變條件下,碳煙和NO,排柴油機使用H傘噴油嘴時(shí)No,排放較使用多放同時(shí)降低的目標?？子妥鞎r(shí)顯著(zhù)降低燃用E20G15燃料后,其N(xiāo)O,排中國煤化工放進(jìn)一步下降。從圖7與圖5的比較可看出,在相4CNMHG同工況下,H傘噴油嘴比多孔油嘴的噴油持續期短,噴油速率相對較快;使用HL傘噴油嘴后氣缸峰(1)汽油可作為乙醇與柴油混合的助溶劑,在2000年(第30卷)第3期(3)使用多孔油嘴燃用混合燃料時(shí),柴油機的供油提前角應在原機的基礎上適當減小;當使用HL傘噴油嘴時(shí)供油提前角應適當加大800(4)試驗證明,乙醇-柴油-汽油混合燃料具有霧化性能好、混合氣形成質(zhì)量高、著(zhù)火滯燃期長(cháng)、燃燒速率快、燃燒持續期短的特點(diǎn)。新的燃料設計方案有利于實(shí)現柴油機的熱預混合燃燒。參考文獻[1] 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