乙醇、乙二醇二甲醚與柴油混合燃料排放特性研究

第33卷第2期拖拉機與農用運輸車(chē)Vol, 33 No. 2arm Transporterpr.,2006乙醇、乙二醇二甲醚與柴油混合燃料排放特性研究鄭利,郭和軍(第二炮兵工程學(xué)院,西安710025)摘要:提出了將乙二醇二甲醚作為乙醇柴油燃料的一種蛆成成分,利用乙二醇二甲醚好的發(fā)火性來(lái)改善乙醇柴油燃料差的發(fā)火性。試驗表明乙二醇二甲醚與乙醇、柴油互溶,具有較好的穩定性。對三種比例混合燃料測試了柴油機在主要工況下的性能與排放特性,得出乙二醇二甲醚加入量以E20為最佳,此時(shí),煙度降低了約80%,NO、略有增加,燃油消耗率略有下降。此外考察了隨著(zhù)十六烷值的變化對混合燃料的排放特性的影響,得出隨著(zhù)十六烷值的增加,NO,排放逐漸增加,對煙度和經(jīng)濟性存在一個(gè)最佳值。關(guān)鍵詞:柴油機;乙醇;乙二醇二甲醚;十六烷值;排放中圖分類(lèi)號:TQ517.2;TK4文獻標識碼:A文章編號:1006-0006(2006)02-0050-03An Investigation into Emission Characteristics of Diesel Engine Fuelledby Mixture of Ethanol, Ethylene Glycol Dimethyl Ether and Diesel-FuelZHENG Li, GUo He-junThe Second Artillery Engineering College, Xi'an 710025, China)Abstract: This paper presents that to take ethylene glycol dimethyl ether as the elements of ethanol-diesel fuel so asimprove the bad ignition property of ethanol-diesel fuel. The experiment shows that ethylene glycol dimethyl ether can bedissolved in ethanol and diesel, and the blended fuel has a good stability. The engines performance and emissions with thefuels of three blending ratio are measured and compared to that with baseline diesel fuel the result is that the best ratio ofethylene glycol dimethyl ether is E20, and the engine's emissions of smoke could be approximately reduced by 80%,whilethe emissions of No, only slightly increased. The effects of cetane number changes on the emission characteristics are alsinvestigated, we can conclude that emissions of NO, will increase slowly with improvement of cetane number, and there is abest number of it to the smoke emissions and economy propertyKeywords: Diesel engine; Ethanol; Ethylene glycol dimethyl ether; Cetane number; Emission乙醇和乙二醇二甲醚均是含氧燃料,含氧量分別為1混合燃料的配制34.8%和35.6%,均可作為柴油燃料的部分替代燃料,它們1.1原料引人柴油中可大大降低柴油機的煙度排放。清華大學(xué)王建原料采用工業(yè)用無(wú)水乙醇(99.7%)、工業(yè)用乙二醇二甲昕等研究表明,常規柴油機不作任何改動(dòng),可以成功地燃燒一定比例的乙醇柴油,并且可以大幅度降低排氣煙度,乙醚(99.9%)和商用0°柴油1.2配制方法醇摻合比例為30%時(shí),標定工況點(diǎn)的煙度可降低80%,燃料的經(jīng)濟性也有一定程度改善,但乙醇的十六烷值很低,僅為先將乙醇與乙二醇二甲醚按十六烷值為45,50和55配8,它的引入大大降低了柴油的發(fā)火性能,不利于混合燃料的制成醇醚混合物,然后分別將柴油與十烷值為50的醇醚混燃燒。而乙二醇二甲醚的+六烷值很高約為98,發(fā)火性能合物按10%,20%和30%配制[分別簡(jiǎn)稱(chēng)E0(50),好,國外的Bero等研究表明2),在柴油機不作任何改動(dòng),E0(50),E30(50)],與十六烷值為45和550的醇醚混合物燃燒一定比例的乙二醇二甲醚與柴油混合燃料,可大幅度降按20%配制[分別簡(jiǎn)稱(chēng)E20(45)、E20(55)],得到5組乙醇低排氣煙度,但醚類(lèi)物質(zhì)的抗磨性能差,不利于減少機械磨乙二醇二甲醚與柴油的混合燃料。損。因此,我們把乙醇、乙二醇二甲醚按一定比例混合作為中國煤化工由的混合燃料倒入試管柴油機的燃料,一方面利用乙二醇二甲醚的高的發(fā)火性能,另一方面充分發(fā)揮乙醇和乙二醇二甲醚的高的含氧量,降低中,CNMHG止穩定后,觀(guān)察互溶性柴油機煙度的排放與穩定分層性,所得結果如表1。收稿日期:2005-06-24;收修改稿日期:2005-12-28鄭利等:乙醇、乙二醇二甲醚與柴油混合燃料排放特性研究表1三種比例混合燃料的穩定性試驗結果醇、醚含量的增加而上升,隨著(zhù)負荷的增加而降低,且在Tab 1 Stable Results of Three Blending Fuels燃料2300r/min下,混合燃料的燃油消耗率要比柴油要高,這主E10(50要是因為隨著(zhù)醇醚含量的增加,含氧量逐漸增加,而C/H比2004-11-13奶一和熱值逐漸減少所造成。而在1800/min下,E10和E20燃2004-12-13油消耗率比柴油要低。其原因一是乙醇與乙二醇二甲醚都2005-01-13是含氧燃料,在低速運轉下,易使燃料完全燃燒;二是混合燃2005-02-132005-03-13√v√√√料的沸點(diǎn)、運動(dòng)粘度和表面張力較低,改善了燃料的霧化質(zhì)2005-04-13量使燃料與氣體能夠混合充分,促使燃料完全燃燒,綜合這2005-05-13兩方面原因,混合燃料的燃料消耗率下降。由圖可見(jiàn)注:①表中“v”表示試樣均勻穩定1800r/min下,E0在低負荷下燃油消耗率比柴油平均下降了由表1可知在密封的情況下可以長(cháng)時(shí)間儲存,不會(huì )出42%,在中高負荷下平均下降了34%,具有較好的經(jīng)濟性現分層現象。2試驗設備及試驗條件I 800 r/min2.1試驗用柴油機柴油機臺架試驗是在單缸、四沖程、水冷直噴式柴油機上進(jìn)行,柴油機的主要技術(shù)參數如表2所示。衰2柴油機主要技術(shù)參數Tab 2 Main Parameters of Diesel Engi技術(shù)參數指標技術(shù)參數氣缸直徑/mm100‖噴油提前角/(°)CA多蘭,兇哥軍果一EO氣缸行程/mm15燃燒室連桿長(cháng)/mm90‖柱塞直徑/mm2 300 r/min塞排量/L0.903標定轉速/(r·min-)比13定功率八W22排放測定儀器多蘭迎30柴油機排氣煙度采用透光式煙度計在線(xiàn)測定,儀器采用AVL DiSmoke4000不透光煙度計,煙度值以消光度表示;使用佛山分析儀器廠(chǎng)的5氣分析儀在線(xiàn)測量NO,CO,HC有害功率kW氣體濃度。圖1含量對燃油經(jīng)濟性的彩響23動(dòng)力性、經(jīng)濟性的測定裝置Fig 1 Effect of Mixed Fuel on Specific Fuel Consumption采用型號為D150的水力測功機測定柴油機的功率轉3.1.2對煙度的形響(圖2)矩;采用電子秤測定不同工況下運轉一定時(shí)間所消耗的燃油,評定柴油機燃油經(jīng)濟性。24試驗環(huán)境條件800 r/mi室內溫度:26.2℃;室內濕度:50.5%;柴油機冷卻水溫E3080℃;機油溫度:>40℃25試驗選取外特性和1800r/min轉速的負荷特性進(jìn)行了臺架柴油機試驗研究。柴油機在更換燃燒柴油與混合燃料各種比例的混合燃料后,首先觀(guān)察一段時(shí)間柴油機是否出現粗暴運轉,之后進(jìn)行性能測試。每一個(gè)工況下的性能測定均當柴油機在該工況下運轉E20 2300 r/min處于穩定后進(jìn)行。在柴油機動(dòng)力、燃油耗、廢氣測定試驗過(guò)程中,不同燃料切換后,柴油機穩定運轉足夠長(cháng)時(shí)間,以消除燃油系統內的殘余燃料對新試燃料的影響。中國煤化工3臺架試驗結果及分析CNMH3.1乙醇、乙二醇二甲醚含量對柴油機性能影響3.1.1對燃油消耗率的影響圖1是各種燃料在2300/min和l800r/min下的各種圖2含量對煙度排放影響負荷條件下燃油消耗率的比較。由圖可知,燃油消耗率隨Fig. 2 Effect of Mixed Fuel on Smoke拖拉機與農用運輸車(chē)第2期2006年4月由圖2可見(jiàn),隨著(zhù)乙醇、乙二醇二甲醚含量增加,混合燃料的煙度呈遞減趨勢,且在大部分負荷條件下,均低于柴油)o rimin一E20(50)的煙度。在低負荷條件下,煙度幾乎實(shí)現零排放,且含量對排放影響較小,因為此時(shí)燃燒室內的過(guò)量空氣系數較大。在2300r/min中高負荷條件下,20的煙度比柴油降低近80%;在I800r/min中高負荷條件下,F20,E30的煙度比柴油降低近75%,煙度排放性能良好。這一現象的原因是:①高負荷時(shí)噴油時(shí)間長(cháng),此時(shí)進(jìn)入油束中心的乙醇、乙二醇二甲醚可抑制炭煙的形成;②高的含氧量、低的C/H比也有利一E20(45)于減少炭煙排放;③高的過(guò)量空氣系數使得局部缺氧的可能2300 Nmin -E20(50)性降低;④高負荷時(shí)溫度高促進(jìn)了高CH物質(zhì)分解,有利于炭煙的生成31.3對NO,的影響(圖3)E0E102000-E20 1800 r/min功率W圖4對燃油經(jīng)濟性的影響1500Fig 4 Effect of Cetane Number on Specific Fuel Consumption一E20(50)800rminE0E10E202300rmE300.6E20(45)E20(50)2300rmin功率kWE20(55)3對Nox排放彩響Fig 3 Effect of Mixed Fuel on NO, Emission由圖3可見(jiàn)隨著(zhù)負荷的增加,NO,排放呈遞增趨勢,高負荷增加趨勢要低于中低負荷,原因一是由于負荷低時(shí),混合氣的氧化能力強,而高負荷時(shí),混合氣的氧化能力弱,這不利于NO,的生成;二是隨著(zhù)負荷的增加,溫度升高促使NO功率kW的生成。在2300r/min中低負荷條件下,乙醇、乙二醇二甲圖5對煙度排放的影響Fig 5 Effect of Cetane Number on Smoke醚含量對NO、排放影響較小,但相對F0其排放卻有所增加,規律為F20(55)>E20(45)>E20(50)。因此,在大部分負主要是氧化成分增加促使NO,的生成;高負荷時(shí)含量的增荷條件下,E20(50)的煙度最低。加對No,排放影響不大。在1800rmn低負荷條件下,乙3.2.3對NO,的影響(圖6)醇、乙二醇二甲醚含量對NO.排放影響不大。由圖6可見(jiàn),隨著(zhù)負荷的增加,NO,排放逐漸增加,且隨3.2醇釀十六烷值對柴油機性能的影響著(zhù)十六烷值的增加而逐漸增加。2.1對燃油消耗率的彩響(圖4)由圖4可見(jiàn)在2300r/mn條件下低負荷時(shí)燃油消耗4結論率E20(55)>E20(45)>F20(50);高負荷時(shí),F20(50)>1)在對柴油機不做任何改動(dòng)的條件下,柴油中加入一定E20(45)>E20(55)。在1800r/min時(shí),燃油消耗率比例的田醚可士度降低煙度排放。在E20(50(45)>B20(5)。因此在大部分負荷條件230中國煤化工的煙度比柴油降低近下,F20(50)的燃油消耗率最低。CNMHG,E20,E30的煙度比柴3.2.2對煙度的影響(圖5)油降低近75%,而NO,排放卻有所增加。因而在使用該混由圖5可見(jiàn),隨著(zhù)負荷的增加,煙度排放逐漸增加。在合燃料時(shí),應同時(shí)采用降低NO,的技術(shù)措施,如國外常用的低負荷下,煙度排放很低,幾乎接近零;在中負荷下,變化規EGR循環(huán)系統。律為E數0);在高負荷情況下,變化(下轉第55頁(yè))孟煒:從EPA排放認證探討燃油系統技術(shù)開(kāi)發(fā)策略些柴油機將很容易滿(mǎn)足2008年NMHC+NO,排放標準指標。對于37~75kW功率段柴油機,75-130kW功率段柴4.9r2008年NMHC+NO標準,19-37kW油機可采用方法①增壓、增壓中冷,高壓噴射及精確正時(shí)加EGR廢氣再循環(huán)技術(shù);②采用電控多次噴射技術(shù),必要時(shí),加EGR廢氣再循環(huán)技術(shù)1。3結論2142004年NMHC+NO標準,375k/4937kw1)高壓噴射燃油系統是滿(mǎn)足未來(lái)排放法規關(guān)鍵技術(shù),對037~55k于DI直噴柴油機而言噴射壓力至少在100MPa以上。2008年P(guān)M標準2)電控多次噴射是滿(mǎn)足未來(lái)排放法規關(guān)鍵技術(shù)0070.140.210.280.35PMIg·(kw·h)"3)帶冷卻EGR是一種既可獲得較好燃油經(jīng)濟性又可獲圖2EPA2004年19-55kW非道路柴油機認證資料統計(3得合理降低NO,的有效的方法Fig 2 EPA 2004 Emission Certification Data for 19-55 kW Engines4)對于功率小于37kW的柴油機而言,采用IDl非直噴2現有滿(mǎn)足2008年Ter3排放標準主要技術(shù)手段技術(shù)是達到T3及以上標準最經(jīng)濟有效的方法,而對于功率小于75kW的柴油機而言,D非直噴技術(shù)也是達到Ter3傳統降低排放主要方法如下:標準可選用的方法之一。1)減少顆粒排放方法。通過(guò)改善混合燃燒來(lái)減少碳煙5)機械燃油系統對于功率小于130kW的柴油機而言,生成。即使用較小的噴孔直徑同時(shí)提高噴孔流量系數以獲存在達到Te3標準的技術(shù)方案得較好的霧化和蒸發(fā)效果;提高噴射壓力噴油速率和噴油能量,以縮短噴油持續期并同時(shí)降低進(jìn)氣渦流比參考文獻1] EPA Certification Guidance 40 CER PART 86[ EB/OL].[20052)減少氮氧氣體排放方法?？s短沖量在高溫下停留時(shí)10-20].http://www.epa.gov/nonroad-diesel/regnlations.htm間降低氣缸內燃燒溫度。最有效方法是采用推遲噴油正[2 EPA Nonroad Engine and Vehicle Emission Study Report[ EB/時(shí)、中冷和EGR控制技術(shù)L.[2005-10-11].http://www.epagow/nonroad.本文主要關(guān)注功率小于130kW的柴油機[3] EPA. Large Engine( On-highway and Nonroad Compression-I對于大于130kW柴油機采用方法通常與道路車(chē)輛柴油CertificationDataEb/oL.[2005-10-19.http://ww機控制策略相同“,即應用高壓噴射燃油系統電控高壓多次噴射技術(shù),同時(shí)根據具體情況適當應用EGR廢氣再循環(huán)技術(shù)。[4] LINGENS A. Fuel Injection Strategies for Medium Duty Engines to對于19~37kW功率段柴油機,可采用方法:①I(mǎi)D柴油Meet Future Emission Standards[ C]. FISTTA, Helsinki, 2002機傳統技術(shù);②低增壓、高壓噴射及精確正時(shí)控制技術(shù);③釆[5] Reducing Air Pullution from Nonroad Engines[EBL.200用電控多次噴射技術(shù)。10-10].http://www.epagov/nonroad(編輯史洛晨)(上接第52頁(yè)3000低負荷下燃油消耗率比柴油平均下降了4.2%,在中高負荷一E20(45)下平均下降了3.4%,具有較好的經(jīng)濟性E2050)1800r/mi3)由試驗結果可得,乙醇、乙二醇二甲醚加入的比例不2000一E20(55)能太大,本試驗可以看出E20的性能總體要優(yōu)于E10,E3015004)十六烷值對乙醇二甲醚與柴油混合燃料性能有一定影響。隨著(zhù)十六烷值的增加,NO,排放逐漸增加。對于煙度排放和經(jīng)濟性,存在一個(gè)最佳值為E20(50),這時(shí)煙度排放和經(jīng)濟性最好。1600)2300r/r參考文獻一E20(55)[1]王建昕,閆小光程勇,等.乙醇-柴油混合燃料的燃燒與排放特性[]內燃機學(xué)報,2002,20(3):226-229[2] BERTOLI C, GIACOMO N K, BEATRICE C Diesel CombustiM凵中國煤化工smep(0.AECNMHG對乙醇柴油燃料排放特功率/kW性的影響[J].內燃機學(xué)報,2003,21(6):419~42圖6對No排放的彩響(編輯郭聚臣)Fig 6 Effect of Cetane Number on NO, Emission2)燃用乙醇、乙二醇二甲醚與柴油混合燃料時(shí),E20在作者簡(jiǎn)介:痹利(1980-),男,碩士,主要從事含氧清潔燃料的研究