乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃烧与排放特性

第23卷(2005)第4期Transactions of CSICEVol.23(2005)No.4文章编号:1000-0909(2005)040343-0523-054乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃烧与排放特性何邦全1,王建昕2(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;2.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)摘要:对燃料甲酯作为乙醇/柴油混合燃料助溶剂的可行性进行了研究,并对比了柴油机分别使用柴油、乙醇/柴油/甲酯混合燃料、乙醇/甲酯混合燃料和纯甲酯燃料时的燃烧与排放特性。结果表明,燃料甲酯可用作乙醇/柴油的助溶剂。与原机相比,含氧燃料可以大幅度降低柴油机在中高负荷时的烟度,其中E30M0燃料的烟度最小。但当使用含有乙醇的混合燃料时,着火延迟,THC排放增加,且在中高负荷时的压力升高率大,NO2排放较高。关键词:柴油机;燃料;燃烧;排放中图分类号:TK421.2文献标志码:AStudy on Combustion and Emission Characteristics of a DieseEngine Fuelled with Ethanol/Diesel/Methyl Ester BlendsHE Bang-quan, WANG Jian-xin(1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. State KeyLaboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The feasibility of methyl ester as an additive for the ethanol-diesel blends was investigated, and thecomparisons in combustion and emission characteristics of a diesel engine fuelled with diesel, ethanol/ dieselmethyl ester, ethanol/methyl ester and pure methyl ester were made respectively. The results showed thatmethyl ester could be used as an additive for ethanol/diesel blends, and oxygenated fuels could significantlyreduce the exhaust smoke at the medium and high loads compared to that of diesel operation. blend containing 30% volume of ethanol and 70%volume of methyl ester gave the lowest smoke emission. Howeverignition delay and total hydrocarbon (THC)emissions would be increased along with high value of pressurerise rate and NO, at medium and high loads with the use of ethanol/ diesel blends.Keywords: Diesel engine; Fuel; Combustion: Emissions机上使用。最实用的方法是将乙醇掺人到柴油中,形成乙醇/柴油混合燃料,但乙醇是极性分子,用生物质含氧燃料部分替代柴油不仅可以缓使得乙醇柴油混合燃料的稳定性受柴油中碳氢解柴油的供求矛盾,而且能减少柴油机的有害排化合物的构成、含水量、比重、温度和添加剂量的放物。目前研究最多的生物质含氧燃料是乙醇和影响。燃料甲酯(也称生物柴油)。为此需要体用助溶剂以提高乙醇/柴油混合乙醇的十六烷值较低,难以直接在普通柴油燃料的中国煤化工入,使得乙醇/CNMHG收稿日期:20040430;修订日期:2004-08-02基金项目:天津大学青年教师基金资助项目(W50301作者简介:何邦全(1964-),男,博士,副教授,主要研究方向为内燃机燃烧过程和代用燃料344·内燃机学报第23卷第4期柴油/助溶剂混合燃料的物理化学性质不同于柴为了降低燃料甲酯的黏度,在其中添加乙醇,油。随着乙醇含量的增加,乙醇/柴油混合燃料的制备黏度比纯甲酯燃料低,氧含量比甲酯高的甲黏度和十六烷值降低,而且柴油机有新的排放酯/乙醇混合燃料物—未燃乙醇排出口燃料甲酯是脂肪酸与甲醇反应的产物,可以表1燃料甲酯、乙醇及0柴油的理化性质从植物油和动物脂肪制取。当然,制备的原料和Tab.1 The physicochemical properties of methyl ester,工艺不同,所得燃料甲酯的成份和理化性质亦不ethanol and o" diesel fuels相同。由于燃料甲酯的十六烷值较高,因此,它可名称甲酯乙醇0#柴油以直接用作柴油机的燃料21燃料低热值/(MJ/kg)42.5燃料甲酯能分别与柴油和乙醇互溶。为此十六烷值8.050.1提出用燃料甲酯作为乙醇/柴油混合燃料助溶剂硫质量分数/%0.00390.00000.0169的设想,并对其可行性进行研究。在此基础上,对密度(20c)/(kg/m3)879.7794.0836.6比研究柴油、乙醇/柴油/甲酯混合燃料、乙醇/甲运动黏度(20℃)(mm2/)6.9321.5103.744酯混合燃料及纯甲酯燃料的燃烧与排放特性,为新型组合燃料的推广应用提供指导。作为对比,本试验研究了4种燃料,即0#柴1试验装置油,0#柴油、乙醇、甲酯体积分数分别为60%试验所用的发动机是一台自然吸气直喷式30%和10%的混合燃料(D60E30M10),乙醇和甲295TA型柴油机,其压缩比为17,最大转矩/转酯体积分数分别为30%和70%的混合燃料速为99N·m/(1540r/min)(E0M70)和纯甲酯燃料(M100)的燃烧与排放特排气成份由AVL公司产的CEBⅡ型气体分性。其中0·柴油、D60E30M10、E30M70和M100析仪来分析,其中NO2用化学发光法(CLD)分的低热值分别为42.5MJ/kg、37.44MJ/kg、析,总碳氢(THC)由氢火焰离子法(FID)分析,34.43M/kg和37.4M/kgCO由不分光红外线法(NDR)分析。柴油机的3试验结果与讨论烟度用FBY-200型全自动烟度计测量。气缸压力由 Kistler6617A压力传感器经图1给出了不同燃料在1540r/min时的示Kistler501l电荷放大器放大后,由高速数据采集功图。可以看出,在平均有效压力paP为0.18系统测取。为便于对比,试验时柴油机未作调整。MPa和0.63MPa时,M100、纯柴油、E30M7032试验燃料种燃料的最大爆发压力依次增大。D60E30M10的最大爆发压力在pBEP=0.18MPa最低,而在本研究所用的燃料甲酯是由黄连木果制成的pME=0.63MPa时最高。由于燃料甲酯在燃油植物油经酯化而得。试验所用基础燃料的理化性温度小于333K和压力小于60MPa时的体积模质如表1所示。数大于柴油的,使得其喷油压力上升早于柴油的可见,乙醇不含硫,甲酯的硫含量远低于柴喷油时刻比柴油的提前2。本研究所用喷油器启油,但乙醇的黏度很低,甲酯的黏度明显高于喷压力为22MPa,所以也应遵循这一规律。甲柴油酯的十六烷值比0柴油略高,加上喷油提前,所为了研究燃料甲酯对乙醇/柴油混合燃料的以燃料甲酯的着火比04柴油的早。尽管甲酯的助溶能力,对不同乙醇/柴油掺混比时所需燃料甲密度中国煤化工其热值比柴油低酯的添加量进行了试验。研究发现体积分数为1294CNMHG力,使用甲酯燃料10%乙醇/柴油中添加5%的甲酯,30%乙醇/柴时,需要喷射更多体积的燃料,加上甲酯的黏度比油中添加10%的甲酯,都能形成均匀稳定的混合0柴油高得多,使得甲酯燃料的雾化质量比0“柴燃料,而且长期放置不分层。油的差,限制了着火前形成的可燃混合气量。由2005年7月何邦全等:乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃烧与排放特性·345于甲酯的热值低于柴油的,致使它的预混燃烧放0.18MPa时,D60E30M10着火延迟较多,所以即热量减少,最大燃烧压力低于柴油的。在柴油或使预混合燃料较多,但其最大爆发压力仍然是这甲酯中加入高汽化潜热的乙醇后,降低了可燃混四种燃料中最低的。而在pBMP=0.63MPa时合气的温度和可燃混合气的形成速率3,使得含D60E30M10燃料的着火滞燃期相对于 PEEP醇混合燃料的着火滞燃期增加,其中D60E30M100.18MPa的缩短了,着火提前,燃烧放热的等容的滞燃期增加得比E30M70的更明显(如图2所度更高,使得它的压力升高率最大,最大爆发压力示),这是因为D60E30M10和E30M70两种混合在4种燃料中达到最高。在 PEEP=0.18MPa和燃料中均含有相同体积的乙醇,但后者的甲酯含BMP=0.63MPa时,M100、纯柴油、E30M70和量高,所以表现出较好的着火性,由于在M=D60E30M104种燃料的着火滞燃期依次增大。n=15401540r/m纯柴油纯柴油·Ml00:--D60E30M10D60E30M0E30M70…E30M70曲轴转角/°CA曲轴转角/CA0.18MPb)PAMEr=0.63 MPa图1各种燃料燃烧时柴油机的气缸压力2.4n=1540 r/minn=1540 r/min纯柴油1.6纯柴油D60E30M10D60E30M10E30M700.8E30M7030.0己0.0330360曲轴转角°CA曲轴转角CAD PHMEP0. 18 MPa)PBMsP=0.63 MPa图2各种燃料燃烧时柴油机的压力升高率Fig 2 Comparison of the rate of pressure rise of various fuels图3给出了柴油机燃用各种燃料时的烟度。MPa时,使用0*柴油、D60E30M10、E30M70和由图可知当pMP小于0.5MPa时,各种燃料对M100共中国煤化工午烟度分别为柴油机的碳烟排放影响很小,因为此时缸内混合.3BstCNMHG和0.8BsU气较稀燃烧完全。当pP大于0.5MPa时,随着D60E30Ml0E30M70和M100比柴油的烟度分负荷的增加,柴油机的烟度逐渐加大,其中0*柴油别降低了53.8%、61.5%和38.5%。使用含氧燃的烟度最大,E30M70的最小。在mMmP=0.63料后,柴油机碳烟减少的主要原因是:含氧燃料可·346·内燃机学报第23卷第4期以为油束中心的富油区提供氧原子,抑制浓混合D60E30M10和M100来说,除了乙醇降烟效果明气区的碳烟生成,这在高负荷时尤其明显,因为含显外,前者的着火滞燃期比后者的长,是氧燃料中的氧原子始终与碳原子相连,没有基元D60E30M10的烟度比M100低的另一个原因反应能打破C—O键,使得这个碳原子不能参加E30M70是混合燃料中含氧量最大的,而且全部生成不饱和产物,最终导致芳香烃和碳粒生成的由含氧燃料组成。虽然D60E30M10燃料的滞燃反应;含氧燃料不含芳香烃,添加到柴油中后可期最长,但由于其中的柴油含量比E30M70的大,以降低混合燃料中的芳香烃含量,减少生成碳烟所以其降低烟度效果比E30M70稍差一些。的先趋物。硫含量低的甲酯和不含硫的乙醇也会图4给出了各种燃料对柴油机NO排放的影降低柴油机燃烧过程中形成硫酸盐微粒的排放。响。可以看出,在中、高负荷时,随着负荷的增加,高汽化潜热的乙醇使得预混燃烧比例增加,而且NO2排放增加,而且0*柴油的NO2排放最低,其随着混合燃料中氧含量增加,燃烧进行的更充分。它三种燃料的NO2排放比较接近,但均高于柴油就乙醇与甲酯相比,前者的氧质量含量为34.的。在相同转速和负荷下,使用含氧燃料时柴油8%,分子中只有一个C-C键,而且还有一个OH机的燃烧在更强的氧化性气氛下进行,因此更容基,可以消耗掉燃烧过程中生成的炔丙基和苯,易形成NO2。含有乙醇的混合燃料的滞燃期长对降低碳烟的生成有利。甲酯(分子式为预混燃烧量增加,等容燃烧程度增加,提高了柴油RCOOCH3)含有两个氧原子和一个含有15~20机的燃烧温度,也是NO2排放增加的原因之个碳原子的烷基团R。甲酯的含氧量比乙醇的而在低负荷时,燃料甲酯的喷油和着火提前仍然少,而且又有比较长的烷基团,所以在燃烧时生成使得其NO2排放高于柴油。但含有高汽化潜热碳烟的倾向比乙醇大,这是E30M70烟度比乙醇的混合燃料因燃烧温度低,反而使M100低的主要原因之一。E30M70比M100长D60E30M10和E30M70的NO2排放低于柴的滞燃期也有助于减少前者的碳烟生成。就油的。n=1540r/2000纯柴油D60E30M10E30M701600M1001200n=1 540 r/min纯柴油△-D60E30M0E30M70▲-MI000.2AP图3燃用各种燃料时柴油机的烟度图4燃用各种燃料时柴油机的NO2排放Fig 3 Comparison of bosch smoke of various fuelsFig 4 Comparison of NO, emissions of various fuels图5给出了THC排放与负荷的关系。可以料热值较低,喷油时间延长也是THC排放高的看出纯柴油与M00的THC排放相对较低。但另一个原因另外,D60E30M1o混合燃料的E30M70和D60E30M10燃料的THC排放较高,TH中国煤化工隹迟有关。因为这两种燃料中均含有乙醇,使得混合气形成CNMHG种燃料时的CO排过程中缸内温度降低,可燃混合气的形成速度减放。小负荷时,E30M70和D60E30M10两种燃料小③,未参与燃烧的燃油量增加。乙醇的十六烷的CO排放量较高,其原因主要是高汽化潜热的值低,着火性差也会使THC排放增加。混合燃乙醇使得含有乙醇的混合燃料在工作过程中平均2005年7月何邦全等:乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃烧与排放特性347·循环温度降低,造成不完全燃烧的燃料增加。随还能用排气中的THC将NO2还原成N2,达到同着负荷的增加,乙醇的吸热影响减小,含氧燃料中时降低THC、NO2和微粒的目的。的氧原子对促进燃烧起更大的作用,使得柴油机的CO排放减少。在最大负荷点,CO排放从小到4结论大的顺序是:E30M70