燃料乙醇在柴油机上应用研究的进展

陈红罗阔赵新夏长明:燃料乙醇在荣油机上应用研究的进展燃料乙醇在柴油机上应用研究的进展Application Research Progress of Fuel Ethanol in Diesel Engine陈红1罗阔2赵新2夏长明3(1肇庆工商职业技术学院2华南农业大学3广东金桥技工学校)〔摘要〕分析了乙醇的理化特性和作为柴油机代用燃料的可行性,介绍了乙醇在柴油机应用研究的进展情况,结合目前燃料乙醇在柴油机应用的研究成果,从机理上阐述了掺烧乙醇对柴油机性能的影响。〔关键词〕乙醇柴油机应用研究柴油机具有热效率髙、经济性好等优点,越实验研究发现,影响柴油、乙醇混合燃料互来越广泛的应用于国民经济的各领域,成为汽车、溶性的主要因素是柴油组成、含水量及环境温度。工程机械、农用机械等领域的主要动力源。但是表1乙醇、柴油的主要理化性质柴油机燃烧所产生的NOx、碳烟等有害排放物,理化性质柴油已成为大气的主要污染源之一,而且两者此消彼低热值(N/kg42.5涨的互斥关系,一直是困扰柴油机发展的难题。同时石油资源的有限性促使人们寻找有效的替代含氧量/%34.8能源。燃料乙醇是一种新型可再生、清洁燃料,密度(g!mL)而且含氧量高,燃烧迅速,燃烧后产生的有害排十六烷值放物低。另外,乙醇替代柴油,可节省石油资源自燃温度/℃有利于内燃机长期发展,因此,燃料乙醇在发动机上的应用一直是国内外内燃机界研究的热门课当量空燃比9.0题沸点/℃180-370燃料乙醇的特性闪点/℃65~8813-14醇类是烃基与羟基(-O组成的化合物,这粘度(20℃yP,3.0-80就从本质上决定了醇类可以作为内燃机的代用燃蒸发值/(kJ/kg)料。而羟基的存在又决定了它有很多不同于石油系燃料的特性,如表1叫所示。当含水量超过0.2%(V)时混合燃料发生分2燃料乙醇应用方法层现象不能在柴油内燃机中直接掺烧。为了在不乙醇难溶于柴油、易溶于汽油的特性,决定改变柴油内燃机结构的基础上使用乙醇柴油混合了乙醇应用在柴油机上要比应用在汽油机上复杂,燃料通常需要添加助溶剂。采用助溶剂使乙醇与方法和形式也多样化。目前主要方法有乙醇柴油柴油形成均相、稳定的混合燃料,可供柴油机使混合法、柴油/乙醇双喷射、柴油引燃进气吸入的用。助溶剂的研究国内外学者都做了大量的工作乙醇混合气、电热塞或电火花点燃乙醇混合气及美中国煤化工anol”添加剂,瑞典A乙醇均质压燃(HCCD等方法。CNMHG“ Braid”,英国的AAE料抆公句也这万的报道。国内天冠公21乙醇柴油混合法司已开发出一种性能稳定、乳化效果明显的助溶内燃机与配件2010年第5期剂“T℃”,中国科学院生态环境研究中心开发了缺点是容易在进气管喉口处节流甚至结冰堵塞。种新型助溶剂助溶剂的主要成分为A+B+C(A24电热塞点燃乙醇混合气等方法为不饱和酸B为高分子聚合物,C为卵磷脂),在内乙醇有很强的炽热着火倾向,它们的蒸气在燃机实验中烟度、NOx都有一定程度的降低。此炽热点的高温诱发下可以立即着火。利用这一特外还可以采用乳化法混合,就是将水、乙醇和柴点,可以在装有电热塞的柴油机上燃用乙醇。实油按一定比例在外界动力的作用下使其乳化,这是现本法的关键是选择合适的电热塞供电量、通电种简单易行的方式可以不变动内燃机的结构用时间和电热塞的位置。该方法不仅需要改动发动较简单的技术措施和较低的经济代价实现柴油与机,同时存在电热塞寿命的问题乙醇的互溶,既节约了柴油又可降低城市污染。25乙醇HCC|方式柴油乙醇混合法不用改变柴油机结构,就可均质充量压缩着火(HCCI)燃烧模式是一种以直接燃用乙醇,方法简单,但是也存在一些问新型的燃烧方式,有着不同于传统汽油机及柴油题有待解决,例如乳化燃料不稳定、易分层;加机的燃烧过程。工作于HCCI燃烧模式的发动机在入的助溶剂、表面活性剂等多是硝基化合物的十进气和压缩行程中形成均质混合气,当活塞到达六烷值改进剂,会增加发动机的碳烟和NOx排放,上止点附近时均质混合气被压缩自燃着火。因此同时增加使用成本。HCCI燃烧模式同时具备了汽油机的低NOx和颗粒22柴油/乙醇双喷射物的排放及柴油机热效率高的优点,被认为是内该方法是在柴油机气缸盖上再安装一个喷油燃机发展史上的一次技术飞跃。乙醇作为可再生器由该喷油器按一定提前角和压力喷射乙醇在燃含氧燃料,具有挥发性好、辛烷值高、抗爆性好烧室内与柴油混合燃烧采用这种方法的柴油机必等特点,因此成为HCCI发动机的理想燃料之一。须较大,否则因气缸盖太紧凑而无法安装喷醇嘴。吉林大学郭英男等人在一台单缸试验机上进行了德国道依茨公司用该方法在载重汽车柴油机上试乙醇燃料均质压燃HCI试验研究取得了良好的验,证明功率可以达到原机水平,扭矩储备系数研究结果。增加。这种方法的优点是它可以使用含水(一定量)乙醇,也可以使用常含水分和其他杂烃或杂3燃料乙醇对压燃发动机性能影响醇的工业副产品乙醇。这样的醇类价格便宜,来乙醇是一种含氧燃料,其氧含量为347%,而源广泛,而且可以就地取材,运输费少。本方法柴油的氧含量几乎为零,所以柴油中加入乙醇后的缺点是双喷射不仅需要改动缸盖,而且由于乙的燃烧性质和排放性质与柴油有很大不同。燃料醇的粘度很低,易加剧喷油偶件的磨损,存在乙乙醇加人柴油对发动机特性影响主要体现在以下醇喷射系统的寿命和可靠性问题几个方面:23柴油引燃进气吸入的乙醇混合气3.1功率采用该方法是通过在进气道加装化醇器(类在发动机其他条件相同的情况下,动力性决定似化油器)或喷嘴形成混合气,喷油器喷入引燃于可燃混合气的热值。虽然醇类的热值明显低于柴油进行燃烧。只是喷油量随着掺醇率的增加而烃油的热值,乙醇的低热值只有柴油的628%,但减少,掺醇率可达80%,即从以柴油为主,直到是醇类是含氧燃料,它们的理论混合气热值与烃以醇类为主,柴油仅作引燃燃料。喷嘴方式与化油相仿,乙醇这一比值是1019%,超过汽油和柴醇器方式相比,由于没有化醇器对进气的节流损油的相应值。这就是说,只要在柴油机中增加水平(因醇在进气管内吸热降低了进气温度,增可以超过。许多研究试验都证明的这点。甚至失,从而使充量系数达到甚至超过一般柴油机的定的供醇量,原机的功率和扭矩可以达到加了进气密度),这样发动机的最大功率和扭矩提32燃油消耗率高。另外,这种方法可以使进气管、气缸盖内的中国煤化工总热值降低,所进气道、进气门壁上的热量被醇类因气化需要而以在术CNMHG用乙醇柴油的油吸收部分热量。这是利用余热,有利于提高发动耗较使用纯柴油的油耗高,且乙醇含量越高,油机的热效率,同时降低了气缸盖和进气门的温度。耗也越高。发动机实验结果显示,10%和20%的乙陈红罗阔赵新夏长明:燃料乙醇在柴油机上应用研究的进展19醇柴油油耗率分别上升3%和7%。但是折合成能时E30燃料可降低烟度60%以上,研究结果也表耗率计算,则柴油中加入乙醇后能耗率有所降低,明,随乙醇掺混比的提高排气烟度明显下降在中且能耗率降低值随乙醇含量的变化有一个最大值。高负荷时尤其显著。王建昕等人的研究结果表明,含醇10%、20%、4结束语30%三种乙醇柴油中,20%乙醇柴油的能耗率降低乙醇作为一种取之不尽,用之不竭的可再生绿幅度最大达10%。色植物能源,作为柴油机替代燃料,不但能缓解33热效率柴油供应紧张的矛盾,还能在基本不损失功率同乙醇是含氧燃料,在燃烧过程中有自供氧效的条件下,显著降低有害物质的排放。随着对柴应,这就使内燃机中的燃烧较均匀,局部富氧和油机环保标准的提高和节约替代石油资源的需要,局部缺氧的概率减少,空燃比减小,燃娆热效率将乙醇和柴油混合作为柴油机的燃料,会越来越提高。有关试验结果显示,15%、20%乙醇柴油的引起重视。目前研究表明,乙醇燃料有可能成为热效率分别提高了36%和54%冈。种极为重要的代用燃料,其应用前景较为广阔。34排放性能参考文献醇类是含氧燃料,在燃烧过程有自供氧效应,何学良,詹永厚,李硫松内燃机燃料北京:中国石化出这就使内燃机机中的燃烧相对较为均匀,使局部版社,199富氧和局部缺氧的几率减小,燃烧趋于完善,使[2] Christensen M. Johansson PEB. Homogeneous Chargec0和HC的生成量和排放量较低,对改善扩散燃 Compression Ignition(HCcI) Using Isooctane, Ethanol and烧时由于油气混合不均匀而生成碳烟和微粒应该 Natural Gas Comparison With Spark- -Ignition Operation有积极的作用。上海交通大学李德钢等人,在SAEPaper 997Z5100型柴油机上,进行了10%、15%乙醇混合3] Oakley a, Zhao H and La dommatos Nodulation Efects on燃料和柴油的试验,试验结果表明乙醇混合燃料the Controlled Auto -Ignition CAI) Combustion ofHydrocarbon and AlcoholFuels SAEPaper, 2001的烟度比柴油总体上要有下降基本上随乙醇含量间4刘金山郭英男谭满志,等,乙醇燃料均质压燃(HC)的增高烟度的减少也越大。清华大学王建昕等燃烧边界燃烧科学与技术,20014):369-372人在一台非增压直喷式295型柴油机,进行了(5]李德钢吕兴才张武高黄震,乙醇混合燃料压燃式发E10、E20、E30和柴油的试验。在标定工况点20动机的性能农业机械学报,2005,36(2)kW2200rmin时纯柴油的排气烟度为27BSU,6刘晓辉.乙醇柴油混合燃料发动机特性研究U.湖北而E10、E20、E30燃料分别为23BSU、10BSU汽车工业学院学报06BSU分别降低了15%、60%、80%;在最大转矩上接9页[8]刘永长内燃机原理[M]武汉:华中理工大学出版社,[4]张志沛汽车发动机原理[M].北京:人民交通出版,2007[5]刘吉善.内燃机大行业国际技术交流基本情况汇编[C].[9MC瓦赫汽车发动机[M北京:人民交通出版社,上海:机械电子部内燃机大行业规划办公室,上海中行印刷1985.厂常熟分厂,1992[10]刘玉梅汽车节能技术与原理[M]北京:机械工业出版[6]李跃平CNC汽车的试验研究[J汽车技术,200,(1):社,2008YHE化学原理「M1北京:北京大学出版社,[7]严家騄工程热力学[M]北京:高等教育出版社,2007中国煤化工CNMHG