柴油机燃烧乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性研究

第39卷第2期小型内燃机与摩托车Vol 39 No. 22010年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2010柴油机燃烧乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性研究陆克久张金迎肖银培(解放军汽车管理学院安徽蚌埠233011)摘要:在一台单缸直喷式柴油机上分别燃用柴油、乙醇-柴油一生物柴油混合燃料,对不同掺烧比的乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性进行了对比研究。试验结果表明,随着乙醇掺混比例的增大,燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放情况是:烟度排放大幅度降低,中高负荷下CO排放大幅度减少,HC排放量明显增加,NO,排放变化不大。关键词:柴油机乙醇生物柴油排放特性中图分类号:TK421.2文献标识码:A文章编号:1671-0630(2010)02-0078-04Study on Emission Characteristics of Diesel EngineFueled with Ethanol-Diesel-Biodiesel Blend Fuelu Kejiu, Zhang Jinying, Xiao YinpeiAutomobile Management Institute of PLA( Bengbu, Anhui, 233011, China)Abstract: An experimental study is made on the emission characteristics of a single-cylinder direct injectiondiesel engine with different proportions of diesel and ethanol-diesel-biodiesel. The results show that, while themixed proportion of alcohol getting larger, the emission circumstances of diesel engine burning the ethanoldiesel-biodiesel blend fuel are that the smoke decreases significantly, that the Co emission decreases significantly at the medium and high loads, that the HC emission increases obviously, that the NO, emission does neKeywords: Diesel engine, Ethanol, Bio-diesel, Emission characteristics引言就是柴油机比较理想的燃料,而且也可以作为混合燃通常降低内燃机的有害气体排放可以从完善内燃料的添加剂。生物柴油不但能够分别与乙醇和柴油互机的设计尾气后处理以及使用清洁燃料3个方面入溶,而且通过生物柴油的助溶作用,可以使乙醇与柴油手。对于柴油机而言,在设计和排气后处理方面目前在一定范围内形成稳定的乙醇-柴油-生物柴油混合还没有经济可行的简便措施可以大幅度降低这些有害燃料-9。由于乙醇的物理化学性质不同于柴油而物的生成与排放因而清洁燃料的研兖和应用成为目且随着乙醇含量的增加,乙醇-柴油-生物柴油混合前研究的热点之一1)。近年来国内外研究人员对柴燃料的热值和十六烷值都会降低、汽化潜热增大,影响油机燃用乙醇进行了大量的研究,但其技术难点是必柴油机的燃烧与排放性能。为此本文将乙醇-柴油须使用价格昂贵的助溶剂,才能形成比较稳定的乙醇生物柴油混合燃料与柴油进行对比试验,研究乙醇柴油混合燃料←“。生物柴油是由各种脂肪酸与甲在不中国煤化工醇-柴油-生物柴醇进行酯化反应的产物其理化特性接近柴油它本身油混CNMHG作者简介:陆克久(1969-),男,讲师主要研究方向为内燃机结构与排放控制技术。第2期陆克久等:柴油机燃烧乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性研究1试验燃料E30(柴油、乙醇、生物柴油的体积分数分别为60%试验研究了柴油、El0(柴油、乙醇生物柴油的体30%和10%)的排放特性。试验用基础燃料和乙醇积分数分别为85%、10%和5%)、E20(柴油、乙醇和柴油-生物柴油混合燃料的理化特性如表1所示。生物柴油的体积分数分别为7%、20%和5%)以及表1柴油、乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的理化性质理化特性生物柴油乙醇柴油E10E20E30密度(20℃)/(kg·L)0.8750.7890.8350.8320.8280.825十六烷值50.345.9运动黏度(20℃)/(mm2·s-1)6.41.23.93.3低热值/(MJ·kg-)37,426.842.540.9339.4237.45氧含量(%)1034.783.977.4511.432试验设备与方法试验用发动机为s5单缸涡室柴油机其技术3试验结果分析水温度80℃。主要设备有XP-10B转速数字显示碳烟是柴油机尾气的主要污染物之一,一般多仪: Automex AMX电涡流型测功机;FS公司的在高负荷或加速的条件下产生。图1为燃用混合燃FGA415五气分析仪在线测量NO、c、HC有害气体料的烟度排放对比。由图1可见,燃用乙醇-柴油浓度; AVL Dismoke4000不透光烟度计;AMX240动生物柴油混合燃料时烟度的排放较柴油有大幅度态油耗仪; Sensycon P空气流量计。下降,满负荷时E0较柴油烟度下降20.7%左右试验时选取200r/min转速的负荷特性进行台E20较柴油烟度下降38.8%,E30烟度最大下降50架试验研究。柴油机在更换柴油和各种比例的混合6%。主要原因是乙醇和生物柴油均为含氧燃料,含燃料后,首先观察一段时间,看柴油机是否出现粗暴氧燃料可在燃烧过程中提供较多的氧,因此降低了运转,然后进行性能测试。每一个工况下的性能测燃料浓混合区缺氧的程度,也就在一定程度上抑制试均当柴油机在该工况下运转处于稳定后进行。在了碳烟的生成;另外乙醇的沸点比较低使得乙醇在柴油机动力燃油耗废气测定试验过程中,不同燃气缸内比柴油更容易蒸发雾化更有利于燃料与空料切换后,柴油机稳定运转足够长时间,以消除燃油气的混合降低了缸内空燃比的不均匀性,从而降低系统内的残余燃料对新试燃料的影响。整个试验过了碳烟的排放。程中,原发动机参数未做任何调整,即发动机的供油压力喷油嘴的启喷压力、供油提前角等参数均为原4.0一E10机数值2.5e-E30表2柴油机主要技术参数技术参数指标缸径/mm行程/mm负荷(%)排量/L0.82涅^她叶〓烟排放对比图压缩比中国煤化工标定功率/kWCNMHG个重要指标就是8.8自由冊及,出四么咧以看出,混合燃料标定转速/(r·min1)00自由加速下烟度排放较柴油有比较明显的下降,其小型内燃机与摩托车第39卷中E10、E20和E30分别较柴油下降了10.8%、HC排放增加;由于乙醇的汽化潜热大,缸内温度低31.8%和40.1%。同时末燃乙醇也会有一定的排放。HC排放主要是燃烧不完全引起,这在扩散燃烧的柴油机中表现更为明显,它与过量空气系数的关系不大。因此,由于乙醇柴油一生物柴油混合燃料的汽化潜热大,导致其HC排放升高。9乙醇含量/(%9图2不同燃料自由加速时的烟度排放对比图43213.2Co排放对比-E30CO是碳氢燃料在柴油机燃烧过程中生成的不完80负荷(%全燃烧产物之一。图3为混合燃料对CO排放的影图4燃用不同燃料时的HC排放对比图响。由图可见,在中低负荷范围内,随着乙醇含量的增3.4NO,排放对比加,CO的排放略有增加。这是由于发动机在低负荷时,气缸内混合气过稀,燃料雾化较差,乙醇汽化潜热高温、富氧足够的滞燃期时间是产生NO排放高,缸内燃烧温度低不利于C0的继续氧化反应。在的主要原因。图5为燃用混合燃料NO,的排放情大负荷时,CO排放大幅减少。其原因是气缸温度较况。由图可见随着负荷的增加NO,排放逐渐增高有助于燃料的雾化,乙醇和生物柴油是含氧燃料,加同一负荷下混合燃料NO.的排放相差不大,但有利于燃料的燃烧。可见,乙醇-柴油-生物柴油混E10的NO2排放值最大,而E3O的NO,排放值最小。合燃料的CO排放主要是由缸内温度与氧含量共同作兖其原因可能是E10的乙醇添加量相对较少,其汽用的结果。化潜热造成的温度降低对NO2的减小作用不如乙醇中氧元素促进NO,的生成作用;而E30正好相反,由于乙醇添加量已很大,其汽化潜热使得缸内温度下降很大,温度的降低极大地抑制了NO,的生成。此外,混合燃料的燃烧持续期缩短也是导致NO,排放E30下降的另一个原因。E101000一E20800E30负荷(%)图3燃用不同燃料时的CO排放对比图3HC排放对比在柴油机的燃烧过程中,由于燃料和空气的混合负荷(%)不均匀,燃烧室内混合气局部过浓或过稀,致使燃烧不图5燃用不同燃料时的NO,排放对比图完全而产生HC排放;另外,在靠近气缸壁面的可燃混合物受到冷激效应的影响,导致燃烧不完全,产生HC4结论排放;在活塞和缸套的间隙内有未燃烧的燃料,亦导致中国煤化工乙醇和柴油互溶而HC排放产生。图4为混合燃料HC的排放情况。且通CNMHG使乙醇与柴油在由图可以看出,随着负荷的增加,HC排放逐渐增加。定范疋m呼-采酒-生物柴油混合燃这是由于乙醇的着火性能较差,主要靠柴油引燃,使得料,而且随着乙醇含量的增加,乙醇-柴油-生物柴氵第2期陆克久等:柴油机燃烧乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性研究混合燃料的热值和十六烷值都会降低、汽化潜热增大prover on heat releasnd emissions of high speed diesel影响柴油机的排放性能。ol diesel blend fuelFuel2)燃用乙醇一柴油一生物柴油混合燃料时烟度2004,83:2013的排放较柴油有大幅度下降,满负荷时E0较柴油烟度下降20.7%左右,F20较柴油烟度下降38.8%,E30diesel blend fuel and its effect on performance and emis-ns of diesel engines[J]. Renewable Energ烟度最大下降50.6%。随着乙醇掺混比例的增大,乙967~976醇-柴油-生物柴油混合燃料的HC排放呈现增加趋6何邦全,王建新闰小光乙醇一柴油在线混合燃料的燃势,NO,排放变化不大;CO的排放在中小负荷时略高烧排放特性[].清华大学学报,2003,43(11):1523-于柴油,中高负荷时明显低于柴油。参考文献7黄忠水.生物柴油的理化性质及其燃烧排放特性研究[D].北京:中国农业大学,2041 Yeh L I, Rickeard D J. Oxygenates: an evaluation of their 8 Yamane K, Ueta A, Shimamoto Y. Influence of physical andeffect on diesel emissions[ C]. SAE Paper 2001-01-2019chemical properties of biodiesel fuels2 Curran HJ, Fisher E M, Glaude P A, et al. Detailed chemtion and exhaust emission characteristics in a direct injectioncompression ignition engine[J]. Intemational Journal of En-fuels[ C]. SAE Paper 2001-01-0653gine Research,2001,2(4):249~2613 Natarajan Mani, Frame Edwin A, Naegeli David W, et al.9符太军.乙醇-柴油一生物柴油混合燃料的配制及其应Oxygenates for advanced petroleum-based diesel fuels(I):用研究[D].北京:中国农业大学,2006Screening and selection methodology for the oxygenates[C]10王忠,袁银南梅德清等.生物柴油的排放试验研究[J]SAE Paper2001-01-3631内燃机工程,2007,28(1):83~854 Lv X C, Yang J G, Zhang WG. Effect of cetane number im-(收稿日期:2009-05-07)③4433a34四444443633否4④公③③③4③4否⑤④4④④3(上接第53页)在缸体平衡孔处应力值为450MPa,远大于缸体材料的拉伸强度极限值05MPA2)为了增强原发动机缸体的强度,减少了平衡孔处的直径并改变其形状,增加了缸体加强筋的数量;缸体改进方案1的强度还未满足要求,方案2和方案3在缸体平衡孔处应力值相当并满足要求,而方案3的应力值比方案2小,因此建议采用方案3。参考文献图5缸体改进方案2应力分布图1刘晓波黄其柏.转子叶片裂纹扩展故障诊断实验研究.华中科技大学学报(自然科学版),2005(9):24-26Lsyr2袁伟;王炯耿420h锅炉再热器向空排气管座及其附近管道裂纹的原因分析及对策浙江电力,2000(4):383胡玉梅,邓兆祥.发动机缸体瞬态强度分析内燃机工程,2005(1):12-14收稿日期:200906-22)图6缸体改进方案3应力分布图中国煤化工结论CNMHG1)19000发动机T9000690003#在试验中发生裂纹的原因是缸体增加开窗口结构,导致缸体刚度下降,