乙醇混合燃料压燃式发动机的性能

2005年2月农业机械学报第36卷第2期乙醇混合燃料压燃式发动机的性能李德钢吕兴才张武高黄震【摘要】进行了单缸柴油杋燃用乙醇、柴油混合燃料的试验,试验燃料为10%、15%乙醇混合燃料和柴油。试验测试了不同负荷、不同速度下各种燃料的燃油消耗率、热效率及排放等指标。结果显示混合燃料与柴油相比,燃油消耗率有所提髙,HC排放略有增加;但其热效率提高,烟度和CO、NO,排放有较大幅度降低关键词:柴油机乙醇混合燃料性能中图分类号:TK46+4文献标识码:A引言发动机的负荷特性以及速度特性根据国标GB3743-84《內燃机台架测试方法》进行测量。速度代用燃料的使用不但可以节约有限的石油资特性的测量点分别是1200r/min、1400r/min、源,而且可以有效地改善柴油机的排放。本文进行单1600r/min、1760r/min、2000r/min、2200r/min。缸柴油机燃用乙醇、柴油混合燃料的试验,并研究不测量负荷特性是在最大扭矩转速1760r/mi和最同比例混合燃料对发动杋动力性能、经济性能及有大转速2200r/min下进行的。负荷分别为25%害物排放的影响。50%、75%、90%和100%1试验设备和方法试验中数据的采集根据国标GB3743-84有关准则取得,包括:功率、转速、扭矩、燃油消耗率、烟试验用ZS1100型单缸柴油机,其参数如表1度、排气温度、水温、机油温度以及NO2、HC、CO的所示。试验设备有弈科水力测功机,弈科FCM油耗体积分数等。仪,FQD-102 Bosch烟度测试仪, AVL CEB系列气体排放测试仪。试验数据由弈科试验控制和数据采2试验结果与讨论集系统获得2.1燃油消耗率表1试验用ZS1100型柴油机的主要參数图1是燃用不同配比混合燃料时发动机的燃油类型单缸、4冲程、直喷消耗率,从图中可以看出:无论是负荷特性还是速度额定功率(转速)/kW(r·min-1)12.1(2200)特性,混合燃料的燃油消耗率在变化趋势上与柴油最大扭矩(转速)/N·m(r·min-1)58.9(1760)是很相似的直径×冲程/mm×mm100×115最大扭矩(转速1760r/min,75%负荷)时,所排量/L有燃料达到最小燃油消耗率。但是在相同负荷下的压缩比燃油消耗率随混合燃料中乙醇含量的增加而增加,吸气自然吸气其中 EthIoN的最小燃油消耗率比柴油高4.1%左冷却水冷强制润滑右,而Ethl5D的柴油要高5.6%左右。在额定转速(2200r/min)时,所有燃料在90%油料以θ号柴油作为基准,分别配制质量分数负荷处岀现最低燃油消耗率。同样,相同负荷下的燃为10%、15%的乙醇混合燃料(以下简称混合燃油消耗率随着乙醇含量的增加而增加。 Ethnol最料),即 EthIoN、Ethl5D其中所用乙醇为99.7%的小燃油消耗率比柴油提高了1.8%左右,而EthI5D分析级乙醇H中国煤化工提高4.5%左右CNMHG收稿日期:2003-05-2国家自然科学资金资助项目(项目编号:5012216李德钢上海交通大学机械与动力工程学院博土生,20030上海市吕兴才上海交通大学机械与动力工程学院博士生张武高月序数学机械与动力工程学院副教黄震上海交通大学机械与动力工程学院教授博士生导师136农业机械学报2005年不同燃料的燃油消耗率与发动机转速的关系如发动机热效率与转速之间的关系如图2c所示。图lc所示混合燃料和柴油的燃油消耗率的变化规发动机转速1200~2200r/min的所有燃料的热效律十分相似。所有燃料燃油消耗率,转速在1200率变动并不大。所有燃料有效热效率的变化趋势是oor/min的变化都不大。在相同转速下,燃油消类似的,不过在相同转速下,燃料的热效率随乙醇含耗率随乙醇含量的增加而増加。所有燃料的最低燃量的增加而增加。油消耗率出现在最大扭矩转速1760r/min附近,EthlωD的最小燃油消耗率比柴油提高了1%左右eEthlSD而Ethl5D的则比柴油提高2.8%左右。H Diese- EthIoNEthIsDIp/%不同燃料的热效率曲线)全负荷总体来说,相同负荷下燃料的热效率随乙醇含20014001600180020002200量的增加而增加;当转速一定的时候,热效率也随燃料中乙醇含量的增加而增加。这是因为当乙醇加入柴油以后,混合燃料的能量利用率都得到了提高,混图1不同燃料的燃油消耗率曲线合燃料的热效率也就优于柴油。燃料中添加乙醇后(a)1760r/min(b)2200r/min(c)全负荷能够提高发动机热效率的原因是乙醇中含有较多的综上所述,在相同条件下,燃油消耗率随燃料中氧,氧元素在燃料燃烧过程中起了助燃作用,特别是乙醇含量的增加而増加。混合燃料导致发动杋燃油在喷雾核心以及周围旳髙浓度燃料区域,燃料本身消耗率上升的原因在于燃料添加乙醇后,由于乙醇含的氧使空燃比提高,燃烧过程中的氧更加充足,另的热值低造成混合燃料的热值要比柴油低。所以要外乙醇的存在使混合燃料的雾化水平提高,燃料与达到相同的功率,混合燃料的燃油消耗率要比柴油空气更好的混合,这些都使燃料可以比较充分的燃略有提高烧。所以乙醇混合燃料的热效率比柴油有所提高2.2热效率2.3烟度发动机热效率与负荷之间的关系如图2a、b所所有燃料在负荷特性和速度特性下的烟度排放示。所有燃料的热效率的变化趋势都是一致的,负荷测试结果如图3所示。从图中可以看到,乙醇混合燃特性都是一开始燃料热效率随发动机的负荷增加而料的烟度比柴油总体上要有下降。基本上随乙醇含增加,当到达最大值后,随负荷增加热效率略有下量的增高,烟度的减少也越大降。燃料在相同负荷下的热效率是随燃料中乙醇含疸涅合榭N低烟度排放的原因是:乙中国煤化工量的增加而增加的。发动机在最大扭矩时,各种燃料醇CNMHG34.8%,在燃烧过程中达到最大热效率。其中Eth1oD的最大热效率比柴可以饮↓多以氧,凶屺低了燃料浓混合区缺氧油高1.4%左右,Ethl5D的比柴油高2%左右。在发的程度,也就在一定程度上抑制了碳烟的生成;另外动机额定转速时,各种燃料在9%负荷时达到最大乙醇的沸点比较低,这样乙醇在气缸内比柴油更容热效率。数捃的最大热效率比柴油高2.2%左易蒸发雾化,更有利于燃料与空气的混合,降低了缸右,而Eth15D比柴油高1.5%左右。内空燃比的不均匀性,从而降低了碳烟的排放。第2期李德钢等:乙醇混合燃料压燃式发动机的性能1372 200r/miDiesel日Eth15DDiesel 2200 r/minbEthethod2 200 r/min图3不同燃料的烟度曲线(a)1 760 r/min (b)2 200 r/min图4不同燃料的有害物排放曲线2.4有害物排放(a)HC排放(b)CO排放(c)NO排放各种燃料在不同负荷下的HC、CO、NO,的排放由图4给出。图中可以看出HC排放柴油最低,混所下降。混合燃料NO排放比柴油低的原因可能是合燃料都比柴油高。CO排放中,中低负荷时柴油最由于混合燃料的十六烷值低,着火延迟增加,从而使低大负荷时混合燃料的(O排放比柴油有所降低。滞燃期内喷入气缸的燃油量增加,预混燃烧增多,至于NO排放,柴油总体上最高,混合燃料中NO,NO排放有增加的趋势,但同时由于乙醇的汽化潜排放略有减少热比柴油高,使缸内最高燃烧温度下降,因此总体上混合燃料HC排放有所升高的原因,可能是由还是有利于NO排放的降低,所以乙醇混合燃料的于混合燃料中乙醇的雾化比较好,因此喷雾中的稀NO排放比柴油降低。薄的区域比纯柴油多,火焰无法传播到活塞顶岸与3结束语气缸壁之间的间隙以及气缸壁对火焰的淬熄作用使得间隙中以及壁面附近混合气中的部分燃料分子根据试验比较与分析可以看岀,除了混合燃料不能完全燃烧,因此HC排放有所升高。至于CO的燃油消耗率有所提高、HC排放增加以外,发动机排放,在中低负荷时混合燃料燃烧期间稀薄的混合的热效率反而有所提高,烟度较大幅度下降,CO、气在着火过程中出现局部火焰窒息,发生不完全氧NO排放也有所改善。因此,混合燃料适合压燃式化反应生成大量CO;而在大负荷时由于混合燃料发动机,而发动机本身不需要作任何的改动。的燃烧比较充分,所以混合燃料CO排放比柴油有参考文献杜德兴.混合甲醇和乙醇改善柴油机碳烟排放.环境科学学报,2001,21(6):759~7622王贺武.直喷式柴油机燃用二甲醚排放特性的研究.内燃机学报,2000,18(1):6~103 P Satge de Caro, Mouloungui Z. Interest of combining an additive with diesel-ethanol blends for use in diesel engineF4 Ajay E A, Bachchan Singh, Bhattacharya T K. Performance of a stationary diesel engine using vapourized ethanol assupplementary fuel. Biomass and Bioernergy,1998,15(6):493~5025 Jeewon Lee. Biological conversion of lignocellulosic biomass中国煤化工 holo,199,56:1-246 Hsieh W D, Chen R H. Engine performance and pollutantHC N MH Gg ethanol-gasoline blendedfuels. Atmospheric Environment, 2002, 36: 403-410