柴油/乙醇混合燃料特性及對增壓發(fā)動(dòng)機性能影響

2005年12月農業(yè)機械學(xué)報第36卷第12期柴油/乙醇混合燃料特性及對增壓發(fā)動(dòng)杋性能影響ˉ于世濤郭英男劉金山譚滿(mǎn)志卓斌【摘要】研究了不同摻混比例的柴油、乙醇混合燃料旳主要理化特性,結合十三工況實(shí)驗分析了混合燃料對增壓發(fā)動(dòng)機性能的影響。實(shí)驗結果表眀:隨著(zhù)乙醵摻混比例的増加,混合燃料的低熱值、十六烷值、粘度逐漸降低混合燃料的低溫蒸餾特性較強。發(fā)動(dòng)杋實(shí)驗結果表明:隨著(zhù)♂醇摻燒比例的増加,混合燃料的動(dòng)力性逐漸降低、小負荷工況下經(jīng)濟性惡化嚴重?；旌先剂系腃O、HC、微粒、NO-比排放逐漸增加,干碳煙比排放有所降低關(guān)鍵詞:柴油/乙醇混合燃料粘度蒸餾特性排放中圖分類(lèi)號:TK46+4文獻標識碼:AStudy on the Characteristics of Diesel-ethanol blend Fuel andEffects on Turbocharged Diesel EngineYu Shitao Guo Yingnan Liu Jinshan Tan Manzhi2 Zhuo B(1. Shanghai iao Tong University 2. ilin UniversityAbstractThe investigation was made on the main physical and chemical characteristics of dieselethanol blend fuel, the effects on the characteristics of turbocharged diesel engine were alsoinvestigated experimentally following the test procedure of ece r49. The result showed thatthe low heat value, cetane number, viscosity of blends decreased as the content of ethanolincreased in the blends. The distillation characteristic of the blends was very high in the lowrange of temperature. With the content of ethanol increasing in the blended fuel, the torqueoutput decreased the fuel economy deteriorated greatly at the low load, the brake specificCO, HC, particulate and NO, emission increased gradually, the soot emission was improvedKey words Diesel-ethanol blend fuel, Viscosity. Distillation characteristic, Emission已在汽油機上推行應用乙醇汽油(E7.7,E10,E20)引多年;然而乙醇在柴油機上的應用技術(shù)還不成熟,這隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展和汽車(chē)保有量的增加,石主要是由于乙醇與柴油兩種油品理化性質(zhì)有較大差油短缺問(wèn)題日益突岀,大氣環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴重。異口。目前,國內外在柴油機上應用乙醇多采用燃用尋求清潔的石油替代燃料成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)柴油/乙醇混合燃料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)混合燃料)的方式,對題。乙醇作為一種可再生含氧生物燃料,已越來(lái)越被E10進(jìn)行了較多的研究,然而對多種比例混合燃料認為是一種比較有前景的代用燃料。的性質(zhì)及其對發(fā)動(dòng)機性能的影響研究不多,因此本由于乙醇的性質(zhì)接近于汽油,在汽油機上摻文進(jìn)行與發(fā)動(dòng)杋應用相關(guān)的混合燃料理化特性的研燒乙醇燃料技術(shù)已十分成熟,美囯、巴西和歐共體等究,以及分析混合燃料對發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和中國煤化工收稿日期:2004-11-10“十五”國家科技攻關(guān)計劃資助項目(項目編號:2003BA408B11)CNMHG于世濤上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院博士生,200030上海市郭英男吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院教授博士生導師,130025長(cháng)春市劉金山吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院副教授要,賣(mài)汽車(chē)工程學(xué)院講師蘸學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院教授博士生導師農業(yè)機械學(xué)報2005年排放特性的影響。因為乙醇的沸點(diǎn)為78.5C,遠小于柴油的沸點(diǎn),因1實(shí)驗裝置和實(shí)驗方法而當混合燃料的溫度升高大于乙醇的沸點(diǎn)溫度時(shí)乙醇首先從混合燃料中大量蒸發(fā)出來(lái),當混合燃料采用TYN-3型石油產(chǎn)品運動(dòng)粘度測定儀,按溫度達到100C時(shí),乙醇已基本從混合燃料中完全照GB/T265實(shí)驗方法進(jìn)行混合燃料粘溫特性實(shí)蒸發(fā),混合燃料中僅剩下柴油燃料本身,所以當溫度驗、GBT6536實(shí)驗方法在蒸餾儀上進(jìn)行混合燃料在100℃以后,幾種混合燃料的粘溫曲線(xiàn)基本重合。蒸餾特性實(shí)驗。實(shí)驗用發(fā)動(dòng)杋為￠A6DEⅠ-21型增正因如此,在柴油杋上燃用混合燃料的供油系統中壓直噴式柴油機,壓縮比為17,標定功率(轉速)為應防止乙醇蒸發(fā)而發(fā)生氣阻和穴蝕現象。同時(shí),對于155kW(2300r/min),最大轉矩(轉速)725N·m柱塞式噴油泵而言,由于混合燃料的粘度下降,導致(140r/min)采用日本崛廠(chǎng)MEXA-822D型排燃料的節流效應下降,從而可能影響噴油泵每循環(huán)氣分析儀進(jìn)行氣體排放污染物的測量,采用日本小供油量野DF-313型油耗分析儀進(jìn)行發(fā)動(dòng)機燃油油耗測量,采用分流式微粒稀釋采樣系統進(jìn)行微粒采樣分2,0HElO析。實(shí)驗用油是以-35號柴油為基礎油的E0、E30E10、E15(E后面的數字代表混合燃料中乙醇所占的體積分數)2混合燃料的性質(zhì)2.1混合燃料的低熱值、十六烷值圖2混合燃料的粘溫特性對比曲線(xiàn)乙醇燃料的著(zhù)火性差,十六烷值僅為8,且其低of熱值為柴油的63%(設柴油的低熱值為100%)temperature of blend fuel因此隨著(zhù)乙醇摻混比例的增大,混合燃料的十六烷2.3混合燃料的餾程值、低熱值逐漸下降如圖1所示燃料油的蒸餾曲線(xiàn)是其餾岀率隨溫度變化的曲線(xiàn),其形態(tài)代表著(zhù)燃料油中輕、中、重餾分的分布比例。而這種分配比例對于燃料油在內燃機中的著(zhù)火、燃燒和放熱的時(shí)刻和強度起著(zhù)決定性的作用。圖3為E0、E10、E20、E30混合燃料蒸餾特性實(shí)驗結果。十六烷值圖1燃料低熱值百分比十六烷值隨乙醇摻混比的變化rE20Fig 1 Heating value percent and cetane number ofblend fuel versus ethanol fraction2.2混合燃料的粘度圖3混合燃料的蒸餾特性對比曲線(xiàn)在柴油機中,燃油在供油系統中兼起著(zhù)潤滑和ig. 3 Comparison of distillation of blend fuels防漏作用,燃油的粘度是發(fā)動(dòng)機燃料一個(gè)重要評價(jià)由圖3可見(jiàn),隨著(zhù)溫度的升高,燃料的餾出率在指標然而燃料的粘度隨溫度變化關(guān)系(粘溫曲線(xiàn))不斷增加,并且隨著(zhù)乙醇摻混比例的增加,相同餾出是燃料特別是代用燃料重要的品質(zhì)特性?？紤]到率所對應的餾出溫度也在不斷的降低,尤其在50發(fā)動(dòng)機燃油系統工作溫度范圍,以-35號柴油為基餾中國煤化工混合燃料的素餾曲線(xiàn)相礎油,在20~100C的溫度范圍內,對E0、E10、差CNMH邦點(diǎn)較柴油低的緣故由E20、E30混合燃料進(jìn)行粘溫特性實(shí)驗實(shí)驗結果如于頭進(jìn)行的時(shí)進(jìn)程較快,乙醇的完全蒸發(fā)圖2所示。需要一定的時(shí)間,因而當溫度達到200C左右時(shí),可由圖2可知,隨著(zhù)乙醇摻混比例的增大,混合燃以認為乙醇已經(jīng)完全從混合燃料中蒸發(fā)出來(lái)。所以料的粘度誘沔嫛獯,并且在溫度為100附近,幾種當混合燃料進(jìn)入50%蒸餾階段時(shí),可以認為此階段混合燃料的粘度和柴油的粘溫曲線(xiàn)保持一致。這是為純柴油燃料的蒸餾過(guò)程綜上所述,在儲存柴油乙第12期于世濤等:柴油/乙醇混合燃料特性及對增壓發(fā)動(dòng)機性能影響醇混和燃料時(shí),混合燃料的較大的低溫蒸發(fā)性是值由圖5a可見(jiàn),發(fā)動(dòng)機燃用E10、E15混合燃料得考慮的一個(gè)重要因素后,在中小負荷范圍內,燃料的比能耗較原機高,在3混合燃料對發(fā)動(dòng)機特性的影響高負荷范圍內,兩種燃料的比能耗與原機差別不大這是由于乙醇燃料汽化潛熱較大,著(zhù)火性差,且在中3.1對動(dòng)力性的影響小負荷范圍內,發(fā)動(dòng)機氣缸溫度較低,空燃比較大如圖4所示,發(fā)動(dòng)機燃用混合燃料后,發(fā)動(dòng)機轉從而導致混合燃料的燃燒差.所以隨著(zhù)乙醇摻混比矩下降較明顯。在最大轉矩點(diǎn),E1θ燃料較原機下降例的增加,燃料的比能耗逐漸惡化隨著(zhù)負荷的逐漸5%,E15燃料較原機下降10%。這主要是由于混合增加,缸內溫度逐漸升高,空燃比逐漸下降,混合燃燃料的熱值低,E10燃料熱值為原柴油的96.,4%料的燃燒得到改善,因而燃料的比能耗惡化程度降E15燃料熱值為原柴油的94.6%,在沒(méi)有提高循環(huán)低供油量的情況下,發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性必然有一定程度由圖5b可見(jiàn),E1θ燃料的比能耗在整個(gè)負荷范的下降。圍內與原機相當。E15燃料的比能耗在低負荷工況下較原機惡化,在中高負荷工況與原機相當。這也是由于小負荷工況下,空燃比較大,乙醇燃料著(zhù)火性差所引起的。E10總之,不同乙醇摻混比例的柴油乙醇混合燃料ElS的比能耗在小負荷時(shí)較柴油惡化,在中高負荷與原90012001500180021002400柴油相當圖4不同乙醇摻混比對動(dòng)力性的影響曲線(xiàn)3.3對排放的影響Fig 4 Effect on the torque output of diesel engi采用ECER49十三工況法對混合燃料的排放3.2對經(jīng)濟性的影響進(jìn)行實(shí)驗研究,采用分流式微粒稀釋采樣系統進(jìn)行由于乙醇與柴油的熱值相差較大直接采用燃微粒采樣分析。實(shí)驗結果如表1所示。圖6分別為油消耗率來(lái)考察燃料的經(jīng)濟性是不合適的,為此引CO、HC、可溶性有機成分、干碳煙和NO2的十三工入比能耗( brake specific energy consumption,)簡(jiǎn)稱(chēng)2比排放直方圖BSEC)進(jìn)行對比,如圖5所示。表1十三工況比排放對比Tab 1 Comparison of brake specific emission ofdifferent blend fuels一El5比排放/g·(kW·h)燃油種類(lèi)E101.10.995.780.1330.0840.0482.161.166.790.2460.0810.1633.3.1對CO排放的影響由表1可以看岀,隨著(zhù)乙醇摻混比例的增大,燃料的CO比排放逐漸增加,這主要是由于小負荷工況下乙醇燃料的不完全燃燒導致的(見(jiàn)圖6)。在小負荷工況下,缸內燃燒溫度較低,且由于乙醇燃料汽E15化潛熱較大,從而進(jìn)一步地降低小負荷工況下缸內的中國煤化工的氧化反應速率。所以層是 CNMHG致的較厚的火焰淬熄由貝何⊥卜牦合燃料CO排放過(guò)高的主要原因。然而隨著(zhù)負荷的增加,缸內溫度逐漸升圖5負荷特性高,有助于削弱乙醇燃料的淬熄效應,同時(shí).由于乙 Load characteristic醇燃料為含氧燃料,因而有助于提高CO的氧化反(a)n=1 400 r/min (b2300r/t應速率。從而導致在高負荷工況下,混合燃料的CO農業(yè)機械學(xué)報2005年排放有所改善3.3.2對HC和微粒排放的影響由表1可以看出,隨著(zhù)乙醇摻混比例的增加,混合燃料的HC排放逐漸增加,尤其在小負荷工況下E10(工況號:2,3,12,見(jiàn)圖6),混合燃料的HC排放惡mm dl il化嚴重。這主要是因為小負荷工況下缸內燃燒溫度較低,空燃比較大,且由于乙醇燃料具有較低的十六烷值和較大的汽化潛熱,從而導致小負荷工況下HC排放惡化。由于微粒中的可溶性有機成分(SOF)主要成為口E15主02未燃HC2,所以微粒中的可溶性有機成分也隨之增加(見(jiàn)圖6)。由圖6還可以看出,由于乙醇為含氧燃料,所以發(fā)動(dòng)機燃用混合燃料后,在一定程度上也改善了微會(huì )0.05粒中干碳煙的排放量,1MEOE【0由于混合燃料的可溶性有機成分的惡化量高于干碳煙的改善量,從而導致隨著(zhù)乙醇摻混比例的増加,混合燃料的微粒排放逐漸惡化(由表1所示)圍:r3.3.3對NO排放的影響由表1所示,隨著(zhù)乙醇摻混比例的增加,混合燃料的NO排放逐漸惡化。這主要是由于在高負荷工況下(見(jiàn)圖6),發(fā)動(dòng)機具有較高的燃燒溫度,且乙醇口EI5為含氧燃料,有助于NO排放物的生成4結論(1)隨著(zhù)乙醇摻混比例的增加,混合燃料的低熱值、十六烷值、粘度逐漸降低。(2)混合燃料的低溫蒸餾特性較強3)乙醇燃料較低的低熱值是導致發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性降低的主要原因I Il(4)乙醇燃料較低的十六烷值、較大的汽化潛熱工況號是導致小負荷工況下發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性,CO、HC、可圖6十三工況比排放的對比直方圖溶性有機成分排放惡化的主要原因。(5)含氧燃料在一定程度上改善了微粒中干碳emission in ece r49 mode煙的排放量以及高負荷工況下CO排放量;但同時(shí)導致了混合燃料NO排放量的增加。崔心存.內燃機的代用燃料.北京:機械工業(yè)出版社,19902周龍保.內燃機學(xué).北京:機械工業(yè)出版社,19993 Likeos b. performance and emission of ethanol and ethTH中國煤化工and pre-chamber dieselto N, Ogawa H Improvement of diesel combustiCNMHGvarious oxygenated agentsdiesel fuels. SAE Paper 962115,1996