柴油机燃烧乙醇柴油混合燃料的排放特性研究

第38卷第6期小型内燃机与摩托车Vol 38 No 62009年12月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEoec.2009柴油机燃烧乙醇柴油混合燃料的排放特性硏究陆克久徐寅生(解放军汽车管理学院安徽蚌埠23011摘要:将乙醇与柴油混合配制出不同比例的混合燃料,在一台双缸直喷式柴油机上进行排放对比试验,研究了在柴油中添加乙醇及助溶剂能降低柴油杋排放废气中所含污染物的机理,并分析了排放污染物随发动机负荷变化的规律。研究结果表明,在柴油中添加体积分数为20%的乙醇,可使柴油机碳烟和C0、HC排放大幅度降低,№O排放稍有下降。不添加助溶剂时,乙醇的掺混导致排放尾气中产生乙醇、微量乙醛等有机物,而添加助溶剂可使乙醇、乙醛排放的浓度明显降低。关键词:柴油机乙醇助溶剂混合燃料排放特性中图分类号:TK428.9文献标识码:A文章编号:1671-0630(2009)06-0063-04Study on Emission Characteristics of DieselEngine Fueled with Ethanol-diesel Fuel BlendsLu Kejiu, Xu YinshengAutomobile Management Institute of PLA( Bengbu, Anhui, 233011, China)Abstract: An experimental study is made on the emissions of a dual-cylinder direct injection diesel enginewith different proportions of ethanol and diesel. The study shows the mechanism when ethanol and additive isadded to diesel in order to reduce the pollutants in diesel engine emissions. And an analysis of pollutant emissions is made on the regularities ofvanation with engine load changesdiesel oil in the volume fraction of 20% of ethanol can substantially decrease carbon smoke and Co, HC emissions,and slightly lessen the NO, emissions. Without the addition of additive, the blend of ethanol producednew organic compounds such as ethanol and acetaldehyde in tail gas. However, the addition of additive obviously reduced the emission of ethanol and acetaldehydeKeywords: Diesel engine, Ethanol, Additive, Mixed fuel, Emission characteristic引言HC、CO排放的有效措施。大量研究表明,柴油机燃通常降低内燃机的有害气体排放可以从完善内燃烧含氧燃料可大大改善废气排放特别是可大幅度减机的设计尾气后处理以及使用清洁燃料3个方面入少碳烟排放因此对含氧燃料的研究与探讨已成为世1l对于柴油机而言,在结构设计和排气后处理方界各国研究的热点之一。。乙醇作为一种含氧且具面,目前还没有经济可行的简便措施可以大幅度降低有可再生性的生物能源被认为是一种较理想的代用这些废气的生成与排放,因而清洁燃料的研究和使用燃料”。由于乙醇和柴油能够均匀混合,且含氧量是柴油机的重要研究课题。如使用含氧燃料或作为含高H中国煤化工为柴油的部分替代氧添加剂与柴油混合被认为是降低柴油机烟度及燃料CNMHG中所含污染物。本作者简介:陆克久(1969-),男,硕士,讲师主要研究方向为内燃机结构与排放控制小型内燃机与摩托车第38卷试验探索了乙醇柴油混合燃料和助溶剂的制备方法,3试验结果与分析研究了掺混乙醇对柴油机排放的影响。考虑到摻混乙3.1烟度特性醇会导致新有害物质的生成,所以除了考察排放标准碳烟是柴油机尾气的主要污染物之一,一般多在规定的烟度、NO、HC和CO指标外,还对乙醇乙醛的高负荷或加速的条件下产生。图1给出了各种燃料的排放进行了研究。烟度排放与负荷的关系。由图1可知,同种燃料的烟1试验燃料度排放会随着负荷的增大而增加。这是由于随着负荷1.1助溶剂的制备的增大,每循环的喷油量增加,即α降低,缸内局部出助溶剂的主要成分为不饱和酸+高分子聚合物+现过浓混合气的几率变大,所以烟度的排放随负荷的卵磷脂。助溶剂的制备方法是将不饱和酸和高分子聚增大而增加。当负荷小于7kW时,烟度的排放维持在合物按3:1的体积比混合,置于真空旋转蒸发仪中,较低水平。随着负荷的增加,当负荷达到138kW时加入体积约为不饱和酸15%的二甲苯和5%的酞酸四排气烟度显著增加。其中纯柴油的烟度为3.1BU,而丁酯。反应过程中,水温控制在0℃,真空泵抽真空,E10、E20、E30乙醇柴油混合燃料分别为2BsU反应时间3~4h。加入体积约为不饱和酸2%的卵磷1.4BSU、1.8BSU,分别降低了35.5%、54.8%、脂,得到棕黄色的粘稠状液体助溶剂。41.9%。可见,掺混乙醇的柴油较纯柴油燃烧排气烟1.2乙醇柴油混合燃料的制备度有显著的降低,并当乙醇掺混量为20%时,烟度排本试验采用市售0柴油与无水乙醇将乙醇和柴放降低效果最为显著。掺混乙醇导致烟度降低的主要油按不同的体积比进行混合,得到混合乙醇柴油(EX原因,一是因为乙醇燃料在高温下会发生微爆效应,有乙醇+柴油X为乙醇的掺混比)。本试验首先将无助于缸内混合气的均匀混合及燃烧,从而抑制了碳烟水乙醇按10%、20%和30%的体积比(分别记为E10、的生成;另外因为乙醇是一种含氧燃料,这等于增大了E20和E30纯柴油记为EO)与柴油混合,然后在搅拌a,在一定程度上促进了混合燃料的燃烧减少了由于的条件下加人总体积2%的助溶剂,经高速剪切搅拌、燃烧不充分而产生的碳烟颗粒超声波震荡、过滤等工艺,得到乙醇柴油混合燃料(EX乙醇+柴油+助溶剂)。在室温条件下放置15d,观oE0一E10+助溶剂察相态。一E20+助溶剂2试验设备与方法E30+助溶剂本试验是在配有 Automex AMX电涡流型测功机的发动机台架上进行的,所用发动机为双缸非增压直喷式295TA型柴油机,缸径95mm,行程115mm,压缩比为17,额定功率为19kW,该功率下的转速为2200min1,最大转矩9N·m,该转矩下的转速为1540功率/kWmin。整个试验过程中静态喷油定时按纯柴油机运行的最佳值设定,试验时没有改变原机的供油系统图1不同燃料的烟度特性对比及其他参数。32NO,排放特性排放气体分成2路,一路进入排气分析系统高温、富氧、足够的滞燃期时间是产生NO,排放( AVLGEM-110型),用于测量排气中的NO,、HC和的主要原因。图2给出了各种燃料的NO,排放与负CO浓度,过量空气系数根据各排气成分组成计算而荷的关系。从图2中可以看出,同种燃料的NO排放得排气烟度测量采用FBY-1型波许式烟度计;另浓度随着负荷的增大而增加。这是因为随着负荷的提路被收集在气袋中,用于分析排气中的乙醛和乙高中国煤化工最高燃烧温度升高,醇含量采用色谱689N-质谱5973N(4gnt公所以CNMH荷时乙醇掺混比越司,美国)联用手段,配有PLOT-Q极性毛细管柱,大NO,的排放越少,而高负荷时乙醇的掺混比越大,进行定量分析。NO,的排放越多。这是因为低负荷时气缸内的温度较第6期陆克久等:柴油机燃烧乙醇柴油混合燃料的排放特性研究低,不利于NO,的生成而且乙醇越多缸内温度越荷较低时虽然燃烧室温度相对较低,但缸内局部区低所以掺混比越大,NO,的排放越少;随着负荷的增域燃料浓度相对较高的几率较低,故HC排放浓度较大,缸内温度升高,而乙醇越多燃料中的氧含量也越低;随着负荷的增加,缸内局部区域燃料浓度相对增多,所以摻混比越大,NO,的排放越多。但是,在乙醇加,HC的排放有所增加。当掺混乙醇燃烧时,乙醇作柴油混合燃料中添加助溶剂,可有效地降低NO2的排为一种含氧有机燃料,在高负荷氧气不足的状态下,有放,不同乙醇掺混比的混合燃料其NO,排放浓度相利于促进HC的燃烧,导致HC的排放浓度显著降低。当,且接近于纯柴油燃烧排放的NO浓度。34CO排放特性排气中的CO主要是混合气不完全燃烧的产物E10+助溶剂图4给出了各种燃料的CO排放与负荷的关系。从图E20+助溶剂一E30+助溶剂4中可以看出,对于同种燃料,CO排放浓度随着负荷的增大先减少后增加。在低负荷时,CO排放浓度变化挺不大;当达到高负荷时,CO排放浓度急剧增加。这是由于在高负荷时,燃烧温度高,CO2分解还原加剧,CO的排放浓度急剧增加。掺混乙醇有助于降低CO排放,在相同负荷的情况下,CO的排放随乙醇掺混比例功率kW的提高而降低。对于掺混30%乙醇的混合燃料,在负图2不同燃料的NO,排放特性对比荷为13.8&kW时,CO排放浓度为1531μL/L,其降低幅33HC排放特性度为44.8%。原因是在高负荷时,会出现局部浓混合在柴油机的燃烧过程中,存在燃料和空气的混合气,而乙醇自身携带的氧会缓解这种缺氧状况降低了不均匀燃烧室内混合气局部过浓或过稀,致使燃烧不气缸内空燃比的不均匀性,从而降低CO排放。完全而产生HC排放;在靠近气缸壁面的可燃混合物-OEO受到冷激效应的影响,导致燃烧不完全,也产生HC排助溶剂放;在活塞和缸套的间隙内有未燃烧的燃料,亦导致+助溶剂30+助溶剂HC排放产生。图3给出了各种燃料的HC排放与负荷的关系。从图3中可以看出,随着负荷的增加,不同燃料的HC排放浓度随负荷增加而增大。纯柴油燃烧时,HC的排放浓度较高,当负荷为13.8kW时,HC的排放浓度高达2764μL/L;乙醇的添加导致HC浓度下46810121416功率/kw降至1480μLL;助溶剂的添加,有助于乙醇在混合燃图4不同燃料的CO排放特性对比料中的均匀分布,进一步使HC的排放显著降低。当负荷为138kW时,HC的排放浓度可降低70%。负3.5乙醛排放特性由于研制乙醇柴油混合燃料的主要目的之一是着3500HEld+眼于保护环境的燃烧排放效果,因此本研究高度重视助溶剂+助溶剂乙醇、乙醛等新有害物质的产生和排放。乙醛是一种具辛辣刺激性气味的有害气体,它是乙醇不完全燃烧形成的产物。图5给出了各种燃料的乙醛排放与负荷,的关系。从图5中可以看出,纯柴油燃烧只产生微量乙BrV中国煤化工2左右。添加30%CNMHG排放的乙醛在低负功率/kW荷点3./kw的,8.6μL/L。助溶剂的添加有助于降图3不同燃料的HC排放特性对比低乙醛的排放使乙醛的排放浓度接近于纯柴油燃烧小型内燃机与摩托车第38卷排放的水平。总体来看,乙醛是在燃烧过程中产生的,时掺混20%乙醇的混合燃料可降低烟度55%,降低无论是纯柴油还是乙醇柴油混合燃料,乙醛的排放浓HC排放70%降低CO排放45%。度均较低,乙醇的摻混并不会带来新的环境问题。2)纯柴油的燃烧不会产生乙醇,却会产生微量的乙醛。乙醇的掺混导致乙醛的排放明显增加,但添加适当的助溶剂,可以使乙醛排放量降低到可以忽略不计的程度,即纯柴油燃烧排放的水平。乙醇的掺混导E10+助溶剂赵后NAE20+助溶剂致乙醇排放量明显增加,助溶剂的添加可在很大程度上降低乙醇的排放浓度。在适当的催化条件下,残余的乙醇可以作为还原NO2的有效还原剂参考文献2468101214161 Yeh L I, Rickeard D J. Oxygenates: an evaluation of their图5不同燃料的乙醛排放特性对比effect on diesel emissions[C]. SAE Paper 2001-01-20193.6乙醇排放特性2 Curran H J, Fisher E M. Glaude PA. et al. Detailed chem-图6给出了各种燃料的乙醇排放与负荷的关系。ical kinetic modeling of diesel combustion with oxygenated当不掺混乙醇时,排气中没有检测到乙醇,掺混乙醇导fuels[C]. SAE Paper 2001-01-0653致排气中的乙醇浓度显著增加。添加30%乙醇得到3 Natarajan Mani, Frame Edwin A, Naegeli David W,ea的混合燃料,其燃烧排放的乙醇在低负荷点3.7kW时Oxygenates for advanced petrolbased diesel fuels(I)高达132μLL。乙醇排放的增加是由于添加的乙醇在Screening and selection methodology for the oxygenates[C]混合燃料中分布不均匀导致自身燃烧不完全所致。对SAE Paper 2001-014 Beatrice C, BertoliC. D于乙醇柴油混合燃料来说,乙醇的排放浓度随乙醇摻oxygenated synthetic fuel and reformulated fuel on emissions混比的增加而增加,助溶剂的添加有助于乙醇和柴油from a modem DI diesel engine[ C]. SAE Paper 1999-01的均匀混合,因而大大降低了乙醇的排放浓度。由此可见纯柴油燃烧时并不产生乙醇,单纯添加乙醇会使5 Huang Zuohua, u hongbing, Jiang deming,etal.etom乙醇的排放明显增加,但可通过添加助溶剂的方法来ance and emissions of a compression ignition engine fueled降低乙醇的排放,并且在适当的催化条件下,尾气中残with diesel/oxygenate blends for various fuel delivery advance余的乙醇可以作为还原NO2的有效还原剂。angles[J ]. Energy and Fuels, 2005, 19(2): 403-4106 Guo Hejun, Zhen Li, Liu Shenghua, et al. Study on ethanol140and ethylene glycol dimethyl ether blends ether blends as ox-E1o+助溶剂ygenated diesel fuels[J]. Division of Petroleum Chemistry一E20+助溶剂2006,51(2):862-864墨80E30+助溶剂7王建昕闫小光程勇.乙醇一柴油混合燃料的燃烧与排放特性[J].内燃机学报,2002,20:225~2298贾元华,于喜顺鲁永良,等.乙醇-柴油混合X195柴油机燃料性能实验研究与分析[].佳木斯大学学报(自然科学版),2001,19(3):275-277功率/kW(收稿日期:2009-02-08)图6不同燃料的乙醇排放特性对比4结论中国煤化工1)柴油机燃烧乙醇柴油混合燃料(特别是添加助CNMHG溶剂),与纯柴油相比较可明显降低烟度、HC和CO排放。在高负荷(功率为138kW、转速为1540r·min1)