乙醇-柴油混合燃料的燃烧与排放特性

第20卷(2002)第3期内燃机学报Transactions of CSICEVol.20(2002)No文章编号:1000-0909(2002)03-0225-05乙醇柴油混合燃料的燃烧与排放特性王建昕,闫小光,程勇,蒋恒飞(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)摘要:研究了柴油机燃用不同掺混比的乙醇-柴油混合燃料对排气烟度以及NO气体排放成分的影响分析了尾气排放中甲醛、乙醛以及未燃乙醇的含量。研究结果表明,加入一定比例的乙醇可改善缸内燃烧过程,大幅度降低排气烟度提高燃油经济性。随着乙醇掺混比的提高,尾气中NO含量、乙醛和未燃乙醇的含量有明显增加关键词:代用燃料;含氧燃料;燃烧特性;排放特性中图分类号:TK46文献标识码」引言点、气化热、闪点、着火温度、活化能、辛烷值、十六烷值、蒸气压、比热容、液态气态粘度、液体表面张力以及大量旳试验结果证明,含氧燃料在排放特性上比液态气态的热导率等一系列物理_化学特性传统的内燃机燃料有很多优势,对含氧燃料的研究在表1列出了醇类燃料与柴油、汽油的物化特性。可解决內燃机的广泛应用与石油资源日益枯竭、环境污以看岀,由于醇类燃料的“自携氧”特点,燃烧时理论上染日益严重的矛盾上有深远的意义。乙醇是一种可取所需空气只有汽油或柴油的一半左右。这对于改善扩自于植物和农作物下脚料旳可再生燃料,也是一种典散燃烧时由于油气混合不均匀而生成碳烟和微粒应该型的含氧燃料:2具有积极的作用。当然,甲醇或乙醇掺入柴油中的比率乙醇在汽油机上的应用研究开展得比较多,在柴(称为混合比,以体积计)越高,在混合燃料含氧量提高油机上的应用很少,并且研究工作主要着眼于燃料“替的同时,燃料热值会成比例下降,如图1所示代”性上,同时对于由于乙醇燃料的掺入引起的新排放污染物的研究也很不够。本研究主要着眼于利用乙醇表1几种燃料的主要物化特性比较Tab. 1 Comparison of physical and chemical的含氧特性改善柴油杋燃烧和排气烟度这一目标。对characteristics of several fuels乙醇柴油混合燃料的动力性、经济性及排放特性进行物化特性甲醇乙醇汽油轻柴油了试验与分析,利用色谱分析仪对排气中醛类和未燃分子式 CH3OH CH CH2OH C512C10-21醇类的含量进行了测量,并测录了燃用混合燃料时的分子量3246含氧量/%300示功图结果表明加入一定比例的乙醇可以大幅度降度(2)0.7920.78930.72-0.780.83-0.86低排气烟度,但必须注意由此带来的NO排放上升和78,440~210180~370乙醛及未燃乙醇等新的有害排放问题。凝点/C97.8-1173-60~-56-1~3闪点(闭)/C11-1213~14-45~-3865~88粘度(20C)1醇类燃料的物化特性0,6111.200.28~0.593.0~801.0880.8540.31~0.340.25~0.30醇类是烃基(一R)与羟基(-OH)组成的化合物,在热值19.91626.77843.9~4.442.5~42.8这就从本质上决定了醇类可以替代传统的石油系燃料50~468270~350包括汽油、柴油成为内燃机的燃料。而羟基的存在又决焰传播速度0,520.38~0.58定了它有很多不同于石油系燃料的特性。內燃机在压着火界限/%(o)6.0~36.53.5-18.01.3~7.6缩过程后期开始着火,并在随后很短的时间内完成燃中国煤化工14.7-15.014.3-1.6CNMHG5~2545~65烧过程。燃料的着火燃烧特性取决于燃料的挥发性、沸收稿日期:2001-10-15;修订日期:2001-12-2基金然科学基金重点项目(50136040)作者简介:王建昕(1953-),男,教授,博士,主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制的研究226·内燃机学报第20卷第3期示功图测录采用 Kistler公司的6617A压力传感器,配用 Kistler5011电荷放大器。利用自行开发的高42速数据采集系统测取缸内压力。3排放特性及新的有害排放物在发动机不做任何调整的条件下,分别进行了标定转速2200r/min和最大转矩转速1540r/min的负乙醇掺混比/荷特性试验,考察了纯柴油(号柴油)以及乙醇掺混比分别为10%、20%、30%(分别记为E10、E20、E30)时的NO、烟度、甲醛、乙醛、未燃乙醇的排放特性,以1燃料含氧量和热值随乙醇掺混比的变化及燃料经济性。本次试验着重关注排放效果,燃油是现rig, I The relationship between oxygen content and heat value场摻混,掺混10%以及20%乙醇时未加助溶剂,掺混2试验方法及试验装置30%乙醇时加入5%的汽油助溶。3.1烟度及NO排放试验用发动机为一非增压直喷式295型柴油机,图2给出了不同乙醇掺混比时的排气烟度对比压缩比为17,标定功率/转速为20kW/2200r随乙醇掺混比的提高,排气烟度明显下降,在中高负荷min-1,最大转矩/转速为99N·m/1540r·min-1。时尤其显著。在标定工况点20kW/2200m·min时,排气气体成分的分析采用AVL公司的GE纯柴油的排气烟度为2.7BSU,而E10、E20、E30燃料11型发动机排气分析仪;对醛类和未燃醇类的分析分别为2.3BsU、1.0BsU、0.6BSU,分别降低了采用SP-502型气相色谱仪,固定相成分为二乙烯苯15%、60%、80%;在最大转矩时,E30燃料可降低烟度检测器为FID方式;排气烟度的测量采用FBY-1型波60%以上。许式烟度计。笔漕540 r/min2 200 rimin46810121416182468101161820立P/kwP/kw图2不同乙醇掺混比对排气烟度的改善效Fig. 2 The relationship between smoke and ethanol content in diesel ft同样条件下,NO排放特性的变化如图3所示。的前提下降低排气烟度随乙醇掺混比的提高,NO排放明显上升,在最大负3.2燃料经济性变化荷的80%~90%时上升幅度最大,可以认为这主要是图4给出了不同乙醇掺混比时的燃油消耗率由于氧化气氛提高造成的。当负荷继续提高时,由于混(Bsc)合气浓度提高,氧化气氛被减弱,NO的上升幅度减由于中国煤化坦高,Bsc呈上升趋势。但大,直接采用Bsc考察CNMHG小燃料经旦以。八,引入能量消耗率BsEc由此说明,乙醇柴油混合燃料在大幅度降低排气( Brake Specific Energy( onsumption)进行对比,如图烟度的同时,会按照 Trade-o规律岀现NO排放特5所示。显然,使用乙醇混合燃料时,在不同工况下的性的恶化亮要瞎采用推迟喷油提前角或优化喷油规能量消耗率Bm均有不同程度的改善。E20燃料的律等措施降低NO,在抑制NO排放不超过原机水平Bsεc改善效果最大,改善效果可达10%左右。这说明2002年5月王建昕等:乙醇-柴油混合燃料的燃烧与排放特性227Bsc改善效果并不是随掺混比变化单调增或减,而是统的不同而变化存在一个最佳值,这个最佳值会随具体发动机燃烧系24002001600t 2FE30540 r/min图3不同乙醇掺混比对NO,排放的影响Fig 3 The relationship between NO and ethanol content in diesel fuel「520E301214161824681012i4i6182022图↓不同乙醇掺混比时的燃油消耗率变化Fig4 The relationship between Brake Specific Fuel Consumption and power主2 200 r/min。图5不同乙醇掺混比时的能量消耗率变化Fig. 5 The relationship between Brake Specific Energy Consumption and power3.3醛类和未燃醇类排放中国煤化工、甲醛和乙醇随乙醇采用气相色谱仪分析了排气中醛类和未燃乙醇成掺混比CNMHGE放浓度在纯柴油和乙分,图6给出了分析结果的一例图中横坐标表示被测醇混合燃料时悬本相同,开且不随乙醇掺混比的不同气体在色谱柱中的滞留时间,纵坐标表示FI输出电而变化。因此可以认为,在本试验条件下,乙醇的添加压,与某一气体成分的浓度对应。由图中可以清晰地辨对甲醛的生成无影响别出乙醛弜醇这三种本研究所关心的新的有由图7还可看出,纯柴油燃烧时,无论是在高负荷害排放成分。还是低负荷,乙醛排放浓度大约均为6左右;228·内燃机学报第20卷第3期随乙醇掺混量的增加,排气中乙醛浓度上升。但值得注n=l 540 r/min意的是,尽管在小负荷时每循环喷入气缸的乙醇质量P=3.2 kw成倍地小于在大负荷时的喷入量,但排气中的乙醛浓度却是小负荷时高于大负荷,这可能是燃烧温度不同而造成的。另外,纯柴油燃烧时排气中未检测到乙醇,而随乙醇掺混比的提高,排气中的未燃乙醇成倍地增长同乙时s醛排放特性相似,小负荷时的未燃乙醇浓度高于大负荷,如使用E10燃料时,小负荷时未燃乙醇浓度是大负荷的2倍,E30燃料时是3.5倍6排气成分色谱分析结果Fig. 6 The other emissions by chromatogram analysis/Fl 540 r/mi柴油柴油P-3, 2 kwn=】540rmin□E30乙醇甲醛图7甲醛、乙醛和未燃乙醇的排放特性Fig. 7 Emission characteristics of formaldehyde, aldehyde and UBE(无论负荷大小,E10较柴油延迟1°CA,E30延迟4燃烧特性的对比3°CA),燃烧结束时间未拖后,甚至提前(小负荷时,图8显示了不同乙醇掺混比时的示功图。由图可E10落后不到1°CA,E30提前约1°CA;大负荷时,见,在低负荷时,随掺混比的增加,缸內的峰值压力略玊1θ和E3θ都提前2.5°℃A),因此燃烧持续期减少有降低;而在大负荷时,随掺混比增加,峰值压力却明(小负荷时,Elθ燃烧持续期基本不变,E3θ燃烧持续显增加。期缩短近4°CA;大负荷时,E10缩短3.5°CA,E30缩利用统一式计算模型,对不同乙醇掺混比时的示短5.5°CA),即等容度提高,说明乙醇的加入会有效功图进行了放热计算。计算结果显示在图9中。地改善缸內的燃烧,这也解释了除前述的氧化氛围提图9表明,随着掺混比增加,着火延迟期有所增长高之外的另一个使NO上升和Bε改善的原因1 540 r/min1 540 r/min154kW中国煤化工CNMHG36039曲轴转角p℃A曲轴转角φC图8不同乙醇掺混比时的气缸压力Fig8 Comparison of cylinder pressure tracks under different ethanol content2002年5月王建昕等:乙醇-柴油混合燃料的燃烧与排放特性229·曲轴转角g℃A曲轴转角中/℃CA(a)1540r/min,3.2kW(b)1540r/min,15.4kW图9不同乙醇掺混比时的放热规Fig 9 Comparison of heat release ratios under different ethanol content5结论降低;在大负荷时,随着掺混比增加,缸内峰值压力增加。随着掺混比增加,着火延迟期有所増长;燃烧结束(1)在对发动杋不做任何改动的条件下,柴油中时间未拖后,甚至提前,燃烧持续期减少,即等容度提加入一定比例的乙醇,可大幅度降低排气烟度。乙醇混高,有效地改善了缸內的燃烧。合比例为30%时,标定工况点的烟度可降低80%,燃料经济性有一定程度的改善,NO按 Trade-off规律参考文献变化,因此在使用乙醇-柴油混合燃料时,应同时采用1L. ikos b. Performance and Emission of Ethanol and Et降低NO-的技术措施hanol-Diesel Blends in Derect-Injection and Pre-cham-(2)在本试验条件下,排气中甲醛排放并未因柴ber Diesel Engines[C]. SAE Paper 821039, 1982油中加入乙醇而恶化,乙醛和未燃乙醇的排放随乙醇「2」 Miyamoto n, Ogawa I. Improvement of Diesel Com-掺混比的增加而大幅度上升,并且小负荷时的排放数bustion and Emissions with Addition of various Oxy倍于大负荷时的排放Fuels [C ]. SAE Paper962115,1996.)小负荷时,随着掺混比增加,缸内峰值压力Investigation on Com bustion and emissions characteristics of ethanol-Diesel blend fuelWANG Jian-xin, YAN Xiao-guang, CHENG Yong, JIANG Heng-fei(State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: This investigation is made on the combustion of ethanol-diesel blend fuel in diesel engine and its influence on PM and NO, emissions. The concentrations of formaldehyde, aldehyde and unburned ethanol in theexhaust gas are analyzed. The results show that the blend of a proper proportion of ethanol to diesel fuel cangreatly reduce smoke, improve engine performance and thermal efficiency. NO,, aldehyde and unburnedethanol emissions will increase when more ethanol is added to diesel fuelKeywords: Alternative fuel: Oxygenated fuel Combustion chaTH中国煤化工CNMHG