柴油機燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的試驗研究

第23卷第3期農業(yè)工程學(xué)報Vol 23 No. 31802007年3月Transactions of the CSaeMar.2007柴油機燃用乙醇柴油-生物柴油混合燃料的試驗研究紀威,符太軍,姚亞光,周慶輝(中國農業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京100083)摘要:研究了乙醇柴油生物柴油混合燃料旳互溶性和理化性質(zhì),測量了柴油杋燃用柴油、乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟性與排放特性。結果表明,當溫度高于10C、生物柴油的體積分數大于17.6%時(shí),乙醇、柴油和生物柴油可以仼意比例穩定互溶。隨著(zhù)乙醇摻混比例的増大,燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的燃燒與排放情況是:燃油消耗率逐漸增大,但能量消耗率變化不大;轉矩逐漸諴小;煙度排放大幅度降低,中高負荷下CO排放大幅度減少,HC排放量明顯增加,Nx排放變化不大;最大燃燒壓力和放熱率峰值逐漸升高并后移。關(guān)鍵詞:柴油機;乙醇;生物柴油;煙度中圖分類(lèi)號:TK421.2文獻標識碼:A文章編號:1002-6819(2007)3-018006紀威,符太軍姚亞光,等.柴油機燃用乙醇-柴油生物柴油混合燃料的試驗研究[].農業(yè)工程學(xué)報,2007,23(3):180-185.Ji Wei, Fu Taijun, Yao Yaguang, et al. Experimental etudy on diesel engine burning ethanol-diesel-biodiesel blend fuel[J].Transactions of the CSAE, 2007, 23(3): 180-185. (in Chinese with English abstract油混合燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟性與排放特性,為這種新型混合燃料的推廣應用提供理論和試驗依據。近年來(lái)國內外研究人員對柴油機燃用乙醇進(jìn)行了試驗用儀器設備大量的研究,這些研究主要包括以下幾個(gè)方面:完全燃用乙醇-4,其技術(shù)難點(diǎn)是由于乙醇的十六烷值小、氣試驗用發(fā)動(dòng)機為S195單缸渦流室柴油機(常州柴化潛熱大,在缸內著(zhù)火非常困難;乙醇和柴油雙燃料系油機廠(chǎng)),其技術(shù)參數是:缸徑95mm,行程115mm,壓統-η,主要問(wèn)題是在柴油機上需要另外增加一套乙醇縮比20,標定功率8.8kW(2000r/min)。噴射裝置;乙醇-柴油混合燃料8·,其問(wèn)題是必須使用測試設備:CW37型電渦流測功機(浙江遂昌動(dòng)力價(jià)格昂貴的助溶劑,才能形成比較穩定的乙醇柴油混測試設備廠(chǎng)),FBY-1型煙度計(佛山分析儀器廠(chǎng)),合燃料在此基礎上研究燃用乙醇對發(fā)動(dòng)機燃燒與排放MEXA-441型排氣分析儀(日本 HORIBA公司),性能的影響情況10-131NOA-7000型NOX排放分析儀(日本島津公司),生物柴油是由各種脂肪酸與甲醇進(jìn)行酯化反應的FC024油耗儀(日本 ONO SOKKI公司)產(chǎn)物,其理化特性接近柴油它本身就是柴油機比較理2試驗用燃料想的燃料43,而且也可以作為混合燃料的添加劑5。作者通過(guò)研究發(fā)現,生物柴油不但能夠分別與乙醇和柴油為了研究乙醇、柴油和生物柴油的互溶能力和穩定互溶,而且通過(guò)生物柴油的助溶作用可以使乙醇與柴性,在不同溫度下對乙醇柴油、生物柴油的不同添加量油在一定范圍內形成穩定的乙醇柴油生物柴油混合進(jìn)行了互洛性試驗。研究發(fā)現:溫度升高,乙醇、柴油和燃料。由于乙醇的物理化學(xué)性質(zhì)不同于柴油,而且隨生物柴油的互溶能力增強。圖1是10C時(shí)乙醇、生物柴著(zhù)乙醇含量的增加乙醇柴油生物柴油混合燃料的熱油、柴油互溶三相圖圖中曲線(xiàn)上方為互溶區,曲線(xiàn)下方值和十六烷值都會(huì )降低、氣化潛熱增大影響柴油機的為不洛區。由圖可見(jiàn),只要生物柴油的體積分數在燃燒與排放性能。為此,通過(guò)與柴油進(jìn)行對比試驗,研究17·.6%以上,柴油和乙醇就可以任意比例互溶,而且長(cháng)乙醇在不同摻燒比例下,柴油機燃用乙醇柴油生物柴期放置凵中國煤化工CNMHG,E10柴油、乙醇、生物收稿日期:2006-01-25修訂日期:2007-01-25柴油的體積分數分別為85%、10%和5%),E20(柴油基金項目:清華大學(xué)汽車(chē)安全與節能?chē)抑攸c(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放基金乙醇和生物柴油的體積分數分別為75%、20%和5%)作者簡(jiǎn)介:紀威,教授,博士生導師,從事內燃機和生物柴油方面以及E30(柴油、乙醇、生物柴油的體積分數分別為的研究數赭東路17號中國農業(yè)大學(xué)工學(xué)院,1000360%、30%和10%)混合燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟性與排放Email:jiwei2lst@163.com特性。試驗用基礎燃料和乙醇_柴油-生物柴油混合燃料第3期紀威等:柴油機燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的試驗研究的理化特性如表1所示。12000入100l100一E0E3020406080圖110C時(shí)乙醇、柴油和生物柴油互溶性三相圖負荷/Fig 1 Three phasigran圖2燃用不同混合燃料時(shí)的be對比of ethanol and diesel and biodiesel at 10CFig 2 Comparison of be of burning various fuels表1柴油、乙醇柴油-生物柴油混合燃料的理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of diesel fuel360B0·E10+E20-E310and ethanol-diesel-biodiesel blend fuel生物柴油乙醇柴油E10E20E30240密度(20C)0.8750.7890.8350.8320.8280.825m:豐850.145.941.6937.49運動(dòng)黏度(20C)燃料低熱值014001600180020002200/MJ·kg-16.842.540.9339.4237.45n/min氧含量/%4,783.977.4511.43圖3不同轉速下燃用不同混合燃料時(shí)的be和Ttq對比Fig 3 Cfuels at various speed3試驗結果分析3.1對發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性和動(dòng)力性的影響同時(shí)由圖3也可看出,隨著(zhù)乙醇含量的增加,各轉圖2給出了燃用不同混合燃料的負荷特性(2000速下的全負荷轉矩逐漸減小,E10、E20和E30的轉矩r/min)由圖可以看出,隨著(zhù)乙醇添加比例的增加柴油比柴油平均減小了3.19%、8.90%和16.69%,這同樣機燃油消耗率呈上升趨勢,在低負荷時(shí)增加最大,在中是由于乙醇熱值低,使得混合燃料的熱值減小,發(fā)動(dòng)機高負荷時(shí)差距有所縮小。10%負荷時(shí)E10、E20和E30的動(dòng)力性下降?？梢?jiàn)在使用乙醇柴油生物柴油混合的燃油消耗率比柴油平均分別增加了2.4%、13.5%和燃料時(shí),為保證發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性,需要調整嘖油泵,加大23.4%。這是因為乙醇的熱值比柴油低很多,相同體積循環(huán)供油量的乙醇柴油-生物柴油混合燃料釋放的能量較柴油明由于乙醇與柴油的熱值相差較大,僅僅采用燃油消顯降低在全負荷時(shí)混合燃料與純柴油燃油消耗率差距耗率考察燃料經(jīng)濟性是不合適的,引用能量消耗率有所縮小,這是由于在中高負荷時(shí)缸內溫度較高,乙醇BSEC( Brake Specific Energy Consumption)來(lái)進(jìn)行對和生物柴油中的氧元素發(fā)揮作用,燃料燃燒比較充分的比分析。圖4為以BSEC表示的燃用不同混合燃料結果的負荷特性。由圖可見(jiàn),混合燃料與柴油的能量消耗率圖3為燃用不同混合燃料的外特性。由圖可見(jiàn),隨比較竹能懣蠔率比柴油還有所改善中國煤化工著(zhù)乙醇添加比例的增加,燃油消耗率同樣呈上升趨勢.大約0負荷特性的能量消耗CNMHE10、E20和E30的燃油消耗率比柴油平均分別增加了率在不出心了大約5.70%和6.50%,3.43%、12.75%和24.68%,這也是由于乙醇和生物柴這是由于發(fā)動(dòng)機在小負荷工況工作時(shí),氣缸內混合氣過(guò)油的熱值都比柴油低,隨著(zhù)乙醇和生物柴油含量的增稀,乙醇氣化潛熱較大導致的缸內溫度較低影響了整加,要使發(fā)動(dòng)出相同的功率就必須要消耗更多的個(gè)燃燒過(guò)程,隨著(zhù)負荷的增加,空燃比逐漸降低而且由熱值較低的燃料于乙醇和生物柴油均為含氧燃料,氧元素在燃燒過(guò)程中農業(yè)工程學(xué)報2007年起到了助燃作用,特別是在噴霧核心等燃料濃度較高的由加速下煙度排放較柴油有比較明顯的下降,其中區域,燃料含氧后提高了燃料與空氣的混合比例,削弱E10、E20和E30分別較柴油下降了11.3%、32.3%和了燃料缺氧燃燒的幾率,因而有助于缸內燃燒過(guò)程的充4.3%分進(jìn)行,故混合燃料的能量消耗率惡化程度逐漸改善甚至好于柴油,蘭,出E10E30∠醉含量/310圖6不同燃料自由加速時(shí)的煙度排放對比Comparison of smoke emissionof various fuels at free acceleration20406080100負荷/高3.2.2CO和HC排放對比圖4燃用不同混合燃料的BSEC對比圖7為混合燃料對CO排放的影響(2000r/min)。ig. 4 Comparison of BSEC for burning various fuel由圖可見(jiàn),在中低負荷范圍內,隨著(zhù)乙醇含量的增加CO的排放略有增加。這是由于發(fā)動(dòng)機在低負荷時(shí),氣3.2對發(fā)動(dòng)機排放特性的影響缸內混合氣過(guò)稀,燃料霧化較差,乙醇氣化潛熱高,缸內3.2.1煙度排放對比燃燒溫度低,不利于CO的繼續氧化反應。在大負荷時(shí),圖5為負荷特性下(2000r/min)燃用混合燃料的CO排放大幅減少。其原因是氣缸溫度較高,有助于燃煙度排放對比。由圖5可見(jiàn),燃用乙醇柴油-生物柴油料的霧化,乙醇和生物柴油是含氧燃料,有利于燃料的混合燃料時(shí)煙度的排放較柴油有大幅度下降,滿(mǎn)負荷時(shí)燃燒?？梢?jiàn),乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的CO排放E10較柴油煙度下降20.5%左右,E20較柴油煙度下降38.6%,E30煙度最大下降50.0%。主要原因是:乙主要是由缸內溫度與氧含量共同作用的結果。醇和生物柴油均為含氧燃料,含氧燃料可在燃燒過(guò)程中0.l8提供較多的氧,因此降低了燃料濃混合區缺氧的程度,0.14也就在一定程度上抑制了碳煙的生成;另外乙醇的沸點(diǎn)s0.10比較低,使得乙醇在氣缸內比柴油更容易蒸發(fā)霧化,更有利于燃料與空氣的混合,降低了缸內空燃比的不均勻0.06性,從而降低了碳煙的排放0負荷/3.5圖7燃用不同燃料時(shí)的CO排放對比Fig 7 Comparison of CO mission of various fuels5圖8為混合燃料HC的排放情況(2000r/min)。由圖可以看屮陌著(zhù)負荷的檀加HC排放逐漸增加。這是020406080100由于中國煤化工要靠柴油引燃,使得HC負荷/k排放CNMHG大,缸內溫度低,同時(shí)未圖5燃用不同混合燃料時(shí)的碳煙排放對比燃乙醇也會(huì )有一定的排放。HC排放主要是燃燒不完全Fig 5 Comparison of smoke emission of various fuels引起,這在擴散燃燒的柴油機中表現更為明顯,它與過(guò)另外用柴油機排放的一個(gè)重要標準就是量空氣系數的關(guān)系不大。因此,由于乙醇柴油生物柴自由加速下的煙度排放,由圖6可以看出,混合燃料自油混合燃料的汽化潛熱大,導致其HC排放升高第3期紀威等:柴油機燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的試驗研究長(cháng),著(zhù)火時(shí)有更多的燃料參加燃燒:乙醇低的沸點(diǎn)和粘10度可降低燃料的表面張力,使含乙醇量較大的混合燃料987E20更容易霧化和蒸發(fā),提高了混合氣形成質(zhì)量;乙醇和生物柴油都為含氧燃料,燃燒速率快。所有因素都導致最大壓力升高、峰值位置后移。432876負荷/3圖8燃用不同燃料時(shí)的HC排放對比Fig 8 Comparison of HC emission of various fuel3.2.3NOx排放對比40350360370380390400圖9為燃用混合燃料NOx的排放情況(2000曲軸轉角/CAr/min)。由圖可見(jiàn),隨著(zhù)負荷的增加,NOⅹ排放逐漸增圖10燃用不同燃料的缸壓比較加,同一負荷下混合燃料NOⅹ的排放相差不大,但E10Fig 10 Comparison of the pressure for burning various fuels的NOx排放值最大,而E30的NOx排放值最小。究其原因可能是E10的乙醇添加量相對較少,其氣化潛熱混合燃料的放熱率和累計放熱率如圖11和圖12造成的溫度降低對NOx的減小作用不如乙醇中氧元素所示。從圖11可看出,混合燃料放熱率的第一峰值均大促進(jìn)NOⅹ的生成作用;而E30正好相反,由于乙醇添于柴油時(shí)的峰值,且E20的峰值最大,E20混合燃料第加量已很大,其氣化潛熱使得缸內溫度下降很大,溫度峰值比純柴油約推遲1CA,E20的第二峰值略高于的降低極大地抑制了NOⅹ的生成。此外,混合燃料旳燃純柴油;E3θ混合燃料著(zhù)火延遲更大,第一峰值比純柴燒持續期縮短也是導致NOⅹ排放下降的另一個(gè)原因油約推遲3°CA,第二峰值比E0推遲6CA。主要原因在于:乙醇氣化潛熱大,十六烷值小,故混合燃料中乙醇比EC例愈高,著(zhù)火推遲愈大。另一方面,當乙醇和生物柴油添加比例較小時(shí)(E10、E20),對燃料的燃燒促進(jìn)作用明顯,放熱率升高,而當乙醇比例較大時(shí)(E30),由于混合燃料的熱值過(guò)低,反而導致放熱率峰值有所降低?？梢?jiàn)混合燃料中乙醇的添加比例不易過(guò)高。EO負荷/圖9燃用不同燃料時(shí)的NOⅹ排放對比E30Fig 9 Comparison of NOx mission for burning various fuels20.043.3混合燃料對燃燒影響圖10為燃用乙醇柴油生物柴油淚合燃料的示功翻0(2000r/min,8.8kW)。由圖10可見(jiàn),隨著(zhù)乙醇含量的增加,發(fā)動(dòng)機的著(zhù)火延遲增加,最大壓力峰值增大且中國煤化工出現的位置后移,E0、E10、E20和E30的最大壓力值分CNMHGI別為7.3、7.6、7.9和8.3MPa,E10、E20和E30對應410420430440450的曲軸轉角分別較E0推遲了1A、2℃A和4°CA。其曲軸轉角/°CA原因是乙醇的氣化潛熱較大,使得燃料在霧化時(shí)周?chē)鷾貓D11不同燃料燃燒時(shí)柴油機放熱率比較度迅速降媽漫乖燃料中乙醇的十六烷值較柴油小很Fig. 11 Comparison of heat release rate多,造成了混合燃料的滯燃期隨乙醇含量的增加而延for burning various fuels184農業(yè)工程學(xué)報2007年[參考文獻][1]Hecold start performance of alcohol fueled engines using arich combustor device [A]. SAE 981359.equipped with EGR, Catalyst and DOFLA]. SAE 2004[31 Simonsen H, Chomiak J. Tesignition improvers for ethanol in a DI diesel engine [A]SAE952512.[4 Holland T G, Swain M N. Using ethanol/diesel mixtures340350360370380390400410420430110450In a compression ignitioh ignition improver曲軸轉角/°CAdditives[A]. SAE 922191圖12不同燃料燃燒時(shí)柴油機累計放熱率比較[5 Kowalewicz A. Eco-diesel engine fuelled with rapeseed oilFimethyl ester and ethanol. Part 1: Efficiency and Emisrate for burning various fuelssion. Proc. IMechE, Part D[J]. J Automobile Engineer從放熱率曲線(xiàn)還可看出棠油中添加乙醇和生物柴[6] Abu-Qudais M, Haddad Q, Qudaisat M. The effect of油后,滯燃期延長(cháng),因而能夠產(chǎn)生的可燃混合氣較多,預alcohol fumigation on diesel engine performance and混合燃燒階段的放熱速率增加,且峰值略向后移。從累emissions [J]. Energy Conversion and Management積放熱率曲線(xiàn)(圖12)可以發(fā)現,燃燒雖然有所滯后,但1999,41:389-399混合燃料的預混燃燒和擴散燃燒速度均高于柴油,使得]HeBQ, wang jⅹ, Shuai s. Homogeneous charge燃燒持續期縮短。combustion and emission of ethanol ignited by pilot diesel其他工況的試驗情況也表明:乙醇柴油-生物柴油on diesel engines[A]. SAE 2004-01-0094混合燃料對柴油機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放特性的影響「δ]崔心存.內燃機的代用燃料[M·北京:機械工業(yè)岀版社,規律與上述情況基本相同1990:89-196[9]何邦全,王建昕,閻小光.柴油機含氧燃料的研究進(jìn)展[]4結論農業(yè)機械學(xué)報.2003,34(1):134-1381)溫度升高,乙醇、柴油和生物柴油的互溶能力增101LXC, YangJ G, Zhang W G. Effect of cetane number強,當溫度高于10C、生物柴油的體積分數大于17.6%improver on heat release rate and emissions of high speed時(shí),乙醇、柴油和生物柴油可以任意比例穩定互溶。diesel engine fueled with ethanol-diesel blend fuel [J].2)隨隨著(zhù)乙醇和生物柴油摻混比例的增大,乙醇-柴油生物柴油混合燃料的燃油消耗率逐漸增大,轉矩逐]LiDG, Huang Z. Physico-chemical properties of ethanol漸減小,但能量消耗率變化不大。diesel blend fuel and its effect on performance3)乙醇柴油生物柴油混合燃料的碳煙排放隨混ons of diesel engines [J]. Renewable Energy, 2005,30967-976合燃料含氧量的增加而明顯降低12]何邦全,王建新,閆小光.乙醇柴油在線(xiàn)混合燃料的燃燒4)隨著(zhù)乙醇摻混比例的增大,乙醇-柴油-生物柴排放特性[].清華大學(xué)學(xué)報,2003,43(11):1523-1525.由混合燃料的HC排放呈現增加趨勢,NOⅹ排放變化13]方顯忠,劉巽俊,李國良,等,壓燃式發(fā)動(dòng)機燃用柴油/乙醇不大;CO的排放情況是,中小負荷時(shí)略高于柴油,中高負荷時(shí)明顯低于柴油。[14]HYH中國煤化工,36(3):23-26CNMH其燃燒排放特性研究[D]乙醇柴油生物柴油混合燃料的滯燃期隨乙醇北京:中國農業(yè)大學(xué),2004和生物柴油含量的增加而逐漸延長(cháng),氣缸最大壓力峰值151 Yamane K, Ueta A, Shimamoto y. Influence of physical和放熱率峰值均增大且峰值位置后移,但燃燒持續期縮and chemical properties of biodiesel fuels on injectioncombustion and exhaust emission characteristics in a directtion ens第3期紀威等:柴油機燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的試驗研究185Journal of Engine Research, 2001, 2(4): 249-261社,2006:287-290.[16]符太軍.乙醇柴油生物柴油混合燃料的配制及其應用研18 Zhiyuan Hu, Fang fang, DaoFeng ben,etal. Net ener究[D].北京:中國農業(yè)大學(xué),2006gy, CO, emission, and life-cycle cost assessment of assa17]符太軍,紀威,姚亞光,等.乙醇-柴油-生物柴油混合燃料va-based ethanol as an alternative automotive fuel in china的制備及其熱物理性質(zhì)研究[A].中國內燃機學(xué)會(huì )第四屆J]. Applied energy,2004,78(1):247-256青年學(xué)術(shù)年會(huì )論文集[C].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)岀版Experimental study on diesel engine burningethanol-diesel-biodiesel blend fuelJi Wei, Fu Taijun, Yao Yaguang, Zhou Qinghui(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)Abstract: The mutual solubility and the physicochemical properties of the ethanol-diesel-biodiesel blend fuel wereinvestigated, and the power and fuel economy and emission characteristics of the diesel engine were measuredunder the condition of burning diesel fuel and the ethanol-diesel-biodiesel blend fuel. The results show thatethanol and diesel fuel and biodiesel can steadily mutually solubilize when the temperature is higher than 10C andthe volume fraction of biodiesel is more than 17. 6%. As the mixed proportion of alcohol gets larger, the combustion and emission circumstiesel engine burning the ethanol-diesel-biodiesel blend fuel are that the brakecific fueldually, that the braketion dhange soevidently though, that the torque increases gradually, that the smoke decreases significantly, that the Coemission decreases significantly at the medium and high loads, that the HC emission increases obviously, that theNOx emission does not basically change, and that the peak value of the maximum combustion pressure and therate of heat release increase gradually as well as moving backKey words diesel engine; ethanol; bio-diesel; smoke中國煤化工CNMHG