乙醇-柴油混合燃料对柴油机性能及排放的影响

第9卷第4期燃烧科学与技术Ⅴol.9No.42003年8月Journal of Combustion Science and TechnologyAug.2003乙醇柴油混合燃料对柴油机性能及排放的影响刘朋,宋崇林张延峰'王守元2贾贵启2杨润东1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072;2.东风朝阳柴油机有限责任公司朝阳122000摘要通过对乙醇含量分别为%、15%和20%的混合燃料及纯柴油5种油品的对比实验研究了燃用乙醇-柴油混合燃料时柴油机燃油经济性、功率及排放特性的变化规律.实验结果表明燃用乙醇-柴油混合燃料柴油机的能量消耗率在乙醇含量为15%时最佳功率有所下降但由于乙醇添加量较小总体来说对发动机性能影响不大在排放特性方面NO,的比排放量基本随着乙醇掺烧比例的增加而减少HC、CO的比排放量基本上随着乙醇掺烧比例的増加而增加着乙醇掺λ比例旳増加发动杋旳可见烟度和滤纸式烟度均有显著旳降低干碳烟(DS)的比排放量也呈下降趋势关键词柴油机乙醇-柴油混合燃料渫油杋性能排放特性中图分类号TK42文献标识码文章编号1006-8740(2003)40300.06Effects on the Performance and Emission Characteristics of Heavy-DutyDiesel Engine Using Ethanol-Diesel Blends as FuelLIU Peng, SONG Chong- lin', ZHANG Yan-feng, WANG Shou-yuanJIA Gui-qi, YANG Run-dong(l. State Key Laboratory of Engine Combustion Tianjin University Tianjin 300072, China i2. Dongfeng Chaoyang Diesel Co. Ltd, Chaoyang 122000, ChinaAbstract The effects of ethanol-diesel blend as fuel on fuel consumption power and emission characteristics of a heavy-duty diesel engine were investigated. Five kinds of test fuel were used in this study. The first one was standard diesel fuel thatwas used as a reference and base fuel for the preparation of ethanol/diesel blends the other four kinds of fuel were ethanol/diesel mixtures containing 5%0, 10%, 15%0, 20% of ethanol respectively. The experimental results shown that the brakespecific energy consumption was the best at combusting E15 and the power decreased according to the increase of the ethanols proportion in the mixtures, As to the small quantity of blended ethanol there were few effects on the performance ofdiesel engine. The exhaust emissions of No, basically decreased and that of THC and CO increased with the increasing pro-portion of ethanol. With the increase of blending ethanol, the OPAC, filter smoke number and brake emission of dry sootdecreased distinctlyKeywords diesel engine ethanol-diesel blend fuel diesel engine performance emission characteristics近十几年由于排放法规的日益严格及石油资源料可以部分掺入柴油或少量直接喷入气缸中燃烧以的短缺科研工作者除了开发、研究电控及后处理等技降低柴油机有害污染物排放.南非在20世纪70年代术应用于柴油机外还努力寻找新的替代能源以实就开始中国煤化工究其后德国和美现柴油机高效、低污染燃烧.乙醇作为一种含氧生物燃国也开HCNMHG1旨在减少柴油机微*收稿日期2002-10-22器孬瑾自然科学基金资助项目作者)男顽士研究生联系人宋崇林songchonglin@263.net2003年8月刘朋等乙醇-柴油混合燃料对柴油机性能及排放旳影响粒的排放、降低烟度.从目前的研究结果看乙醇替代表2使用设备名称及生产厂家柴油存在以下问题:)由于乙醇的热值低于柴油所设备名称生产厂家以乙醇的燃料消耗量高32)乙醇与柴油的互溶性发动机全自动试验台PUMA5.6.1奥地利AVL公司测功机ALPHA350AF奥地利AVL公司差大比例掺混有困难其混合物性质不稳定掺入废气分析仪奥地利AVL公司少量的水就可能引起分层13)乙醇的十六烷值低,全自动滤纸式烟度计AV415奥地利AVL公司自燃性差着火延迟期长71;4)乙醇的润滑性低于柴透光式烟度计AVI439奥地利AVL公司油36]5)由于乙醇自燃性差,着火延迟期长预混燃定容取样系统AVL 472奥地利AVL公司油耗仪733S奥地利AVL公司烧比例增加,易使发动机工作粗暴引起敲缸681;)流量计TP16A奥地利AVL公司由于乙醇的气化澘热大在小负荷工况下易引起火焰变量程分析天平AE240梅特勒托利多仪器上海有限公淬灭61燃油温控仪EME308东风汽车工程研究院标准进气系统西安新航自动化工程有限公司柴油机燃用乙醇主要是采用柴油-乙醇按一定比例进行掺烧掺烧技术主要有以下几种方式”:)柴油机进气中添加乙醇 alcohol fumigation method)叫熏1.2实验用燃料理化特性及SOF分析方法蒸法即利用乙醇表面张力及粘度低的特点通过不同实验用柴油为0号标准轻柴油,它是用直馏柴油形式的装置文丘利管、低压喷嘴等)将乙醇雾化并与馏分和催化裂化柴油馏分调配精制而成与欧共体标空气混合通过进气道在进气过程送入气缸并由柴油准柴油 Reference fuel CEC RF03-A84相当无水乙醇点燃2)双燃料喷射系统(dual- Injection system)柴油为分析纯.柴油和乙醇的性能指标见表3.本实验所用和乙醇分别由两套燃料供给系统喷入缸内3)无水乙的燃料为纯柴油(E0)5%乙醇+95%柴油(E5)醇和柴油混合 alcohol- diesel fuel blend)形成混合燃料10%乙醇+90%柴油(E10)15%乙醇+85%柴油供发动机使用4)使用乳化剂乳化柴油和乙醇(alco-E15)20%乙醇+80%柴油E20)种按一定质量比hol- diesel fuel emulsion)本文采用无水乙醇和柴油混配制的混合燃料燃料混合采用机械搅拌方式合的方法研究柴油机掺烧乙醇后对柴油机性能和法规限定THC、NO、CO、PM和可见污染物的影响规律表3标准柴油和乙醇的参数指标参数号柴油乙醇1实验系统及方法密度(20℃)(g·mL1)闪点/℃冷凝点/℃-117.31.1柴油机及实验设备沸点/℃78.4实验用柴油机为东风朝阳柴油机有限责任公司生着火温度/℃产的6102B?Q型废气涡轮增压柴油机其性能指标见理论空燃比/(kg·kg14.3-14.68.45六烷值CN表1.柴油机实验步骤严格按GB17691-1999中十三辛烷值RON工况法进行为保证数据的可靠性每种混合燃料的十低热值(MJkg-1)42,84526.778三工况循环实验进行两次实验数据取平均值所用的汽化热(kkg-1)水分仪器设备见表2.为考察掺烧乙醇对发动机功率的影硫含量/响在这十三个工况点中最大功率点和最大扭矩点采0.0012用等小时油量控制氧含量(质量分数)%0.02134.73苯胺点/℃机械杂质表1发动机性能参数运动粘度(20℃)(mm2:s-1)参量参数型号6102BZQ环保型107kW/2800r最大扭矩/转速431N·m/l400~1800r:min纸为聚H中国煤化工衩称重法采集用的滤CNMHG剂为二氯甲烷(分析排放指标欧I纯)为保证测试精度,二氯甲烷在使用前重蒸提纯缸数并经美国 Varian公司3800型气相色谱仪检测后无杂缸径x行程02mm×118mm5.785L质峰岀现方可使用.在样品采集前、后将滤纸放入干燥燃烧科学与技术第9卷第4期皿中待一定时间后取出称量质量稳定后方可使用采集的微粒样品装入60mL的全玻璃索式萃取装置中用超级恒温水浴加热温度稳定在65℃二氯甲烷的回流速度控制在8~10次h样品萃取时间为24h.兰2试验结果及讨论2.1对柴油机性能的影响规律实验是在发动机不做任何调整的条件下分别对1020305种不同比例的乙醇/柴油混合燃料按十三工况法进图31700r/min时能量消耗率的变化行的图1和图2给出了在最大扭矩转速1700r/min和标定转速2800r/min时燃油消耗率BSFC的变化的热值低于柴油使混合柴油燃油消耗率随乙醇含量规律由图1和图2可以看出加入乙醇后由于乙醇的增加稍有上升.但由于乙醇和柴油的热值相差较大直接采用BSFC考察燃料经济性是不合适的为此引2入能量消耗率BSEC进行对比如图3和图4所示.图中显示燃用E15时BSEC的改善效果最大改善效果为3%左右.但因为加入乙醇量较少所以总体来说燃油消耗率变化不大P/(kw)图42800r/min时能量消耗率的变化从图5可以看到在1700r/min时功率的变化并不明显在2800r/min时功率随乙醇含量的增加有下程中滞燃期延长而且加入乙醇后使循环放热量减小,降趋势这主要因为乙醇的气化澘热很大导致着火过同样使滞燃期延长火焰温度降低并且乙醇的热值低于柴油故功率出现降低的现象.另一方面由于乙醇燃料的自携氧性″混合燃料燃烧充分发动机功率会略有上升因此在1700r/min时燃用E10发动机E25400功率略小于燃用E5和E202800r/min时燃用E15的功率略小于燃用E20.1700r/min时燃用E15以及2800r/min时燃用E20的功率偏高可能因为混合燃料分层致使掺烧比例有些变化所致.P/(kw)1 7)r/ min2 800 r/ min图11700r/min时燃油消耗率的变化中国煤化工CNMHG图5两砰转遝卜以举的变化规律P/(kW2.2气体污染物CO、THC和NO)的变化规律另数r/min时燃油消耗率的变化图6~图11给出了1700r/min和2800r/r2003年8月刘朋等乙醇-柴油混合燃料对柴油机性能及排放旳影响时THC、CO和NO,排放浓度随负荷的变化规律.图12给出了掺烧不同比例乙醇后的THC、CO、NO.的十三工况比排放量.由图6~图11可见对于同一种燃料在1700r/s400min时,THC和CO排放浓度基本上是随着负荷的增加而减小注在2800r/min时,THC和CO的排放浓度隕着负荷的增加变化不明显.NO,排放浓度的变化规律与之相反在1700r/min和2800r/min时都是随1"曲着负荷的增加而增大负荷/%对于相同工况条件下在小负荷时随着乙醇掺烧图92800r/min时HC随负荷的变化规律EOEONESM E151000s800言游以之EI5负荷负荷/%图61700r/min时NO随负荷的变化规律图101700r/min时CO随负荷的变化规律200d血NE负荷/%负荷/%图112800r/min时CO随负荷的变化规律图72800r/min时NO随负荷的变化规律比例的增大,THC和CO的排放浓度增加幅度较大而NO排放浓度变化较小在中高负荷工况条件下乙醇掺烧比例的变化对THC、CO和NO.的排放浓度的影响相对较小出现以上结果主要是由于燃料的理化特性的影响柴油气化潜热为270kJ/kg低热值为42.5MJ/kg而乙醇中国煤化工热值为26.77MJ/kg,且乙醇CNMHG等小时耗油量条件下,负荷/%燃料掺入的乙醇量越多循环放热量就越少燃料蒸发所需的热量增加从而导致随着乙醇的掺λ量增加燃图81700r/min时THC随负荷的变化规律米的滞燃期延长燃烧速率减慢火焰温度降低.NO燃烧科学与技术第9卷第4期的形成条件是高温、富氧与高温持续时间因此随着乙从图12和表4中可以看到燃用E5混合燃料时醇的掺入量增加燃烧温度降低NO,的排放有下降趋柴油机NO,的比排放量最高为8.47g/(kW·h)燃势.但是滞燃期的延长使发动杋预混燃烧的比重加用EO和E20燃料时,NO,的比排放量较低分别为大加之乙醇是含氧燃料有利于NO,的形成由于以7.934g(kW·h)和7350g(kW·h)THC、CO的上两方面的相互影响和制约对于同一种工况乙醇掺比排放量基本上随着乙醇掺烧比例的增加而增加.燃烧比例的变化对NO的排放浓度的影响规律不显著.用EO时,THC的比排放量为1.112g/(kW·h),CO的比排放量为1.583g(kW·h),燃用E20时,THC的比排放量为1.702g(kW.h),CO的比排放量为2.699g/(kW.h)表4乙醇不同掺烧比例条件下污染物的比排放量g/(kW.h)污染物叶「N装THC1.1121.3561.3751.4151.7021.8172.280图12掺烧不同比例乙醇的( THC NO、CO)排放规律NO7.9348.4718.1728.1137.350柴油机排放中THC、CO等不完全燃烧产物主要2.3可见污染物的排放规律是由于氧缺乏或者反应过程温度较低造成的,由柴油图13~图15分别表示了柴油机燃用乙醇-柴油混喷注边缘稀火焰区及熄火焰区未完全氧化产物与喷注合燃料后可见烟度、滤纸式烟度 FSN filter smoke num-芯部缺氧燃烧产生的不完全燃烧产物组成因此随着ber)以及干碳烟(Ds)和有机可溶成分(SOF)的比排乙醇掺入量的增加燃料滞燃期延长燃烧速率减慢,放量随乙醇掺入量的变化规律火焰温度降低燃油喷注边缘的稀熄火焰区增大未完全氧化产物有增加的趋势.此外由于乙醇蒸气的冷却1 700r/min2 800r/ min作用使燃烧过程中出现淬灭层,也造成THC、CO的增多.另一方面随着乙醇的掺入量增加使喷注芯εe 0.11部的氧浓度增加不完全燃烧产物有减少的趋势.在1700r/min、小负荷工况下滞燃期延长燃烧00o速率减慢,火焰温度降低对THC、CO的排放影响较大而含氧量增加对它们的排放影响较小因此THCCO的排放有所增加.随着负荷的升高增压柴油机压005020乙醉掺烧比例缩终点的温度、压力大幅度地提高縮短了燃料的滞燃图13可见烟度隨乙醇掺入量的变化规律期隆降低了燃料燃烧的稀油限减小了稀熄火焰区含氧量增加从而使THC、CO的排放随着乙醇掺烧比例-D- 1 700r/ min的增加而有减少的趋势112800r/在2800r/min、小负荷的工况下THC、CO的排放浓度也是随着乙醇掺烧比例的增加而增加但是增加的幅度相对于1700y/mn时小这是由于在2800*中国煤化工min时喷油速度快、雾化好以及燃烧温度高等原因在CNMHG定程度上抑制了THC和CO排放的增加.在高负荷时由于两种因素的相互作用随乙醇掺烧比例的增乙醉挡烧比例/%加,THC和CO的排放浓度变化规律不明显图14FSN随乙醇掺入量的变化规律2003年8月刘朋等乙醇-柴油混合燃料对柴油机性能及排放旳影响0.323结论0.281)燃料中乙醇含量在5%~20%范围内燃用乙醇柴油发动机性能降低的幅度不大90.122)NO的比排放量基本随着乙醇摻烧比例的增0.08加而减少而THC、CO的比排放量基本上随着乙醇掺0.04烧比例的增加而增加乙醇烧比例/%随着乙醇掺入比例的增加柴油机的可见烟度和滤纸式烟度均有显著的降低随着乙醇掺烧比例的图15干碳烟DS)和SOF排入量随乙醇增加干碳烟DS)的比排放量呈下降趋势,而微粒的掺入量的变化规律比排放量随乙醇掺烧比例的增加变化不是很大.参考文献从图13和图14中可以看到随着乙醇掺入比例的增加在1700r/min和2800r/min两种工况下发[1 National Mechanical Engineering Research Institute. Council for scien动机的可见烟度和滤纸式烟度均有显著的降低.主要tific and industry research[ R ] Pretoria, Republic of South Africa1980.MEl584ME1651是因为↓)随着含氧燃料乙醇的掺入量增加,燃料的[2 Wetdmann K, Menrad H, FleetPerformance and emissions of滞燃期延长发动机预混合燃烧比例增大而扩散燃烧diesel engine using different alcohol fuel blend[ A ] SAE Papar C]比例减小使柴油、乙醇和空气有相对较充分的时间混1984841331合提高了混合质量减少了碳烟的排放队而降低了3] Doane H. cohol Fuels[ M] Boulder; iCo: Westview pres烟度2)柴油燃料燃烧易产生碳烟排放的一个重要原[4] Ajav E A, Bachchan Singh, Bhattacharya TK. Experimental study of因是柴油本身的HC比例小加入乙醇能增加燃料里some performance parameters of a constant speed stationary diesel en-的H的含量最终减少碳烟的排放12泚此外乙醇是ne using ethanol-diesel blends as fue[ J ]. Biomass and bioenerg含氧燃料含氧量的增加也使碳烟的的生成减少烟度1999,17357-365下降并且乙醇和柴油形成的微乳化液在燃烧室内的[5] Eugene E, Bechtold L, Timbario TJ et al. State-of-the-art report高温空气中可能产生微爆作用31,可以改善柴油机的on the use of alcohols in diesel engines[ A ] SAE Paper C ] 198440l18混合气形成和燃烧使烟度的排放减少[ 6] Broukhiyan E M H, Lestz S S. Ethanol fumigation of a light duty au图15显示随着掺烧乙醇比例的增加,干碳烟tomotive diesel engine A ] SAE Paperl C]. 1981 811209DS)的比排放量呈下降趋势而SOF呈上升的趋势.[7] Baranescu R A. Fumigation of alcohols in multi-cylinder diesel en-燃用E20时DS排放量最小为0.0863g(kW.h)gine-evaluation of potentia[ A ]. SAE Paper C ].1986 860308SOF比排放量最大为0.1697g(kW·h):燃用E[8 Heisey JB, Lestz s s. Aqueous alcohol fumigat时DS排放量最大为0.1501g(kW·h)der DI diesel engine[ A]. SAE Paper C ].1981 811208[9] Hayes TK, Savage L D, White R A et aL. The effect of fumigation of柴油机微粒主要由DS和SOF组成.SOF主要是different ethanol proofs on a turbo-charged diesel engine[ A ] SAE的增”有增大的趋势别是在燃用0的时候t00口SOF的比排放量要明显高于其它掺烧比例下的比排放量这主要是由于乙醇掺入量过多引起燃料燃烧恶化,sion management 2000 41 389-399燃烧不充分从而产生了大量未氧化或未完全氧化的碳[1J魏象仪内燃机燃烧学M大连大连理工大学出版社108[12ngom G et al. Interest of com-氢化合物.由于干碳烟的减少和SOF的增加微粒的中国煤化工lends for use in diesel engines比排放量随乙醇掺烧比例的增加变化不大,在燃用HCNMHGE10时微粒比排放量最小,为0.233g(kW·h)在[131张耀宏,使用含水乙醇和轻柴油WEO型)乳化燃料的压燃式燃用E20时比排放量最大为0.256g(kW·h)发动机的研究J]小型内燃机』993.130-33