乙醇-柴油混合燃料在柴油机上的应用

第31卷第4期上海海事大学学报Vol, 31 No 42010年12月Journal of Shanghai Maritime UniversityDec.2010文章编号:1672-9498(2010)04-0045-04乙醇一柴油混合燃料在柴油机上的应用朱建元1,洪亮(1.上海海事大学商船学院,上海201306;2.中国船级社上海分社,上海200135)摘要:为降低柴油杋的废气排放,研究含氧代用燃料乙醇对柴油机废气排放以及经济性的影响通过对燃用乙醇含量不同的乙醇一柴油混合燃料的柴油机排放情况和经济性的对比试验得出:适当配比的乙醇一柴油混合燃料能有效改善柴油机的有害气体排放性能,特别是能明显降低柴油机的碳烟排放,且柴油杌的烟度随乙醇含量的增加而明显降低;添加乙醇能改善发动机燃料的经济性,而对发动机的动力性没有明显影响.关键词:柴油机;废气排放;含氧燃料;乙醇一柴油混合燃料图分类号:U664.121;TK16;TQ23.12文献标志码:AApplication of ethanol-diesel fuel mixture to diesel engineZHU Jianyuan, HONG Liang(1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ, Shanghai 201306, China2. Shanghai Branch, China Classification Society, Shanghai 200135, ChinaAbstract: In order to reduce the diesel engine exhaust emission, the effects of oxygenated fuel ethanol onhaust emission and fuel efficiency of diesel engine is researched. Contrast experiments are conducted onexhaust emission and fuel efficiency of diesel engine which burns ethanol-diesel fuel mixture with differentethanol additive. Results show that suitable additive amount of ethanol can reduce the exhaust emission ofdiesel engine effectively, especially for soot reduction, and the amount of soot emission decreases whenthe amount of ethanol additive increases. Adding ethanol additive into diesel oil can improve the enginefuel efficiency, while the engine power is hardly influencedKey words: diesel engine; exhaust emission; oxygenated fuel; ethanol-diesel fuel mixture0引言能、降低对石油资源的依赖性和保证能源安全具有重大意义含氧燃料的特性与柴油十分相似,只是分柴油机作为热效率最高的发动机一直受到高度子结构中存在氧,因此很多含氧燃料被用于减少柴重视近几年来,柴油机废气排放要求的日益严格对油机的废气排放柴油机的代用燃料和低排放燃烧研究提出新的挑以乙醇为代表的醇类燃料,具有辛烷值高、汽化战发展新型清洁含氧代用燃料对改善柴油机的性潜热中国煤化自身含氧,在发收稿日期:200-1011修回日期:2010-08-27CNMHG基金项目:上海市教育委员会科技基金(06Fm39)作者简介:朱建元(1946),男,江苏无锡人,教授,硕士,主要研究方向为轮机工程、柴油机抓动噪声和排放控制,(Emai)hugy86@ hotmail上海海事大学学报第31卷动机中燃烧可提高氧燃比,使发动机的CO排放比低非常明显,故图中未标出),见图1.汽油和柴油少,并减少碳烟排放;另外,因其汽化潜热高,可降低发动机的进气温度,提高充气效率,纯柴油降低最高燃烧温度,减少发动机的NO,排放(4).乙E15-D醇一柴油混合燃料能有效减少柴油机的碳烟和微粒排放6。,同时可有效减少对柴油的需求量,因此有望成为一种新的柴油机清洁代用混合燃料本文主要以含氧燃料乙醇作为柴油的添加剂,通过对乙醇添加量不同的乙醇一柴油混合燃料的柴油机排放情况和经济性的对比试验及分析,对乙醇乘油机负荷/在柴油机上应用的可行性作出评价图1不同负荷时乙醇添加量对柴油机烟度排放的影响1试验装置及设备由图1可知,在中高负荷(>85%额定功率)下,柴油中添加乙醇能明显降低烟度,并且随着乙醇试验在D6114柴油机上进行该机为6缸直列添加量的增加,烟度进一步减小.这是由于醇类燃料式废气涡轮增压中冷四冲程柴油机,缸径114mm,自身含氧,在柴油机中燃烧可提高氧燃比,加快燃烧活塞行程135mm,额定转速2200r/min,额定功率速度并使燃烧更完全,从而使烟度降低184kW,压缩比16.8.该机采用缩口型直喷式燃烧在低负荷(≤50%额定功率)下出现多种情况:室,供油提前角4° CA BIDC,喷油器喷孔直径0.27m,当乙醇添加量为5%时,随着负荷的增加,柴油机的5孔,启喷压力290MPa试验中未对柴油机燃油供烟度升高(约0.5Rb);当乙醇添加量为10%时,随给和喷射系统的结构作任何改造着负荷的增加,柴油机的烟度先增加后减少;当乙醇当D6114柴油机转速为2200r/min时,对乙醇添加量为15%时,柴油机的烟度随负荷的增加而下体积占燃料总体积分别为5%,10%,15%和20%的降在各负荷下,烟度平均降低50%乙醇一柴油混合燃料发动机与纯柴油燃料发动机的低乙醇添加量的混合燃料在低负荷时烟度上升负荷特性进行对比试验,研究各种比例的乙醇一柴的原因可能是:混合燃料的汽化潜热较大,低负荷时油混合燃料对柴油机排放性能和经济性的影响.为燃烧温度降低导致部分燃料未充分燃烧便于表述,以下分别将乙醇体积占燃料总体积5%,2.2乙醇添加量对CO排放的影响10%,15%和20%的混合燃料简记为F5-D,E10-D,当D6114柴油机转速为2200r/min而负荷不El5-D和E20-D.同时,乙醇添加量对柴油机CO排放的影响见图2.排气采集分析装置主要包括烟度计和有害气体排放分析仪有害气体排放分析仪器的主要作用是纯柴油测量分析发动机排气中HC,CO和NO,的含量.烟度测量采用FQD-102排气烟度计,最小刻度为0.1Rb气体排放测量采用 AVL LIST公司的气体排放仪 AVLCEBIL和颗粒分析仪AV472,其具体参数及指标见 AVL LIST公司的《AVL气体分析仪简易使用手册》和《AVL472颗粒分析仪简易使用手目h册》柴油机负荷/%2乙醇添加量对气体排放的影响图2不同负荷时乙醇添加量对柴油机Co排放的影响从图2可知,在将乙醇作为燃料添加剂时,柴油2.1乙醇添加量对烟度的影响机CO排放在中低负荷时增加,而当负荷达到额定当D6114柴油机转速为2200v/min时比较功率中国煤化-)排放显著降低E5-D,E10-D,E5-D,E20-D以及纯柴油燃料柴油机尤其0%额定功率时的排气烟度当柴油机转速为2200r/min而负荷不COCNMHG在负荷为100%同时(试验中最大功率保持不变)乙醇添加量对柴额定功率时降低30%左右油机烟度的影响(使用E0D时,柴油机的烟度降乙醇一柴油混合燃料发动机在中高负荷下CO第4期朱建元,等:乙醇一柴油混合燃料在柴油机上的应用排放减少的主要原因有:(1)含氧量的增加,使燃料少.其原因在于:乙醇汽化潜热高,且容易挥发,引起的燃烧反应更充分,该因素的影响程度超过汽化潜柴油机缸内温度降低;同时高速工况下可燃混合物热引起的温度降低程度.(2)低碳链的乙醇燃料更的燃烧绝对时间短,部分可燃混合气不能完全氧化容易氧化燃烧.在中低负荷下,由于汽化潜热增大导因而HC排放增加致缸内温度降低,引起不完全燃烧产物增多,乙醇作纯柴油为低碳燃料的影响超过含氧量增大的影响E15·D2.3乙醇含量对NO2排放的影当D6114柴油机转速为2200r/min而负荷不同时,乙醇添加量对柴油机NO,排放的影响见图3塑纯柴油图4不同负荷时乙醇添加量对柴油机HC排放的影响3乙醇添加量对柴油机燃料经济性的影响为研究乙醇添加量对柴油机经济性的影响,须柴油机负荷/%了解乙醇一柴油混合燃料的热效率随乙醇添加量的图3不同负荷时乙醇添加量对柴油机NO,排放的影响由图3可知,在中低负荷(≤75%额定功率)变化情况.当D6114柴油机转速为2200r/min而负时,乙醇一柴油混合燃料使得柴油机NO,排放减荷不同时,乙醇添加量不同的混合燃料的有效热效率比较见图5.少,但是在满负荷时NO,排放有所增加,其中:当负荷为额定功率的10%时,NO,排放减少约50%;当负荷为额定功率的50%时,NO,排放减少约35%当负荷为额定功率的75%时,NO,排放仅减少约5%,还有一点值得注意:E10-D柴油机在中低负荷一鲍粜油时NO,排放低于E15D柴油机,但在满负荷的工况HESD下NO,排放高于El5D柴油机E15-DNO,排放改变的主要原因如下:柴油机排放的新一E20D氮氧化物主要是NO,而NO的生成强烈依赖于温度,化学动力学研究表明,当反应物温度从2500K柴油机负荷/%提高到2600K时,NO的生成速率几乎翻一番.氧图5乙醇添加量对混合燃料有效热效率的影响浓度提高也能使NO的生成速率加快低负荷时,柴由图5可知,以纯柴油的热效率为基准,在低油机燃气温度低,乙醇汽化潜热大的原因导致燃气负荷时乙醇一柴油混合燃料的有效热效率降低;而温度更低,因而N,排放减少;而高负荷时,乙醇自在中高负荷时,乙醇一柴油混合燃料的有效热效率带的氧使柴油机燃气中的氧浓度增加燃烧速率加上升.平均有效热效率提高1%~2%,特别是在高快燃烧温度也更高,因而NO,排放增加负荷时,热效率提高效果显著热效率升高主要由两24乙醇添加量对HC排放的影响个方面的原因引起:(1)乙醇是含氧燃料,燃烧时可当D614柴油机转速为2200r/min而负荷不以自供氧特别是中高负荷时燃料富集区乙醇体积同时,乙醇添加量对柴油机HC排放的影响见图4.分数越高则氧含量相对越高,燃料燃烧更完全;(2)由图4可知,在各种负荷下乙醇一柴油混合燃料柴由于4中国煤化工射到气缸后容易油机HC排放量都比纯柴油燃料柴油机高,尤其是汽化黏度和表面张力当柴油机负荷为额定功率的10%时HC排放增加较小,人己,使油气混合更均100%;乙醇一柴油混合燃料柴油机相对于纯柴油燃匀料柴油机HC排放的增加量随负荷的增加而逐渐减图5还可以看到,热效率最高的F20-D在低上海海事大学学报第31卷负荷段(≤25%额定功率区)热效率降幅较大(约降(1)适当配比的乙醇一柴油混合燃料能有效改低3%),其原因在于:乙醇的汽化潜热较高,低负荷善柴油发动机的热效率以燃用柴油的热效率为基工况使发动机缸内温度进一步降低,低负荷时过量准,在低负荷时,乙醇一柴油混合燃料的有效热效率空气系数大柴油机高速运转时可燃混合气的绝对有所降低;而在中高负荷时,乙醇一柴油混合燃料的燃烧时间缩短,导致乙醇添加量多的混合燃料燃烧有效热效率上升,有效热效率平均提髙1%~2%,反而不如纯柴油燃料燃烧完全,燃烧速度减慢,有效特别是在高负荷时,热效率改变效果显著.燃烧期难以集中在燃烧上止点附近,可燃混合气的(2)适当配比的乙醇一柴油混合燃料能有效改做功能力降低,混合燃料发动机的热效率从而也降善柴油发动机的有害气体排放性能,降低碳烟排放低效果尤其明显柴油机的碳烟排放随乙醇添加量的4结论增加呈单调下降的趋势.(3)乙醇等醇类燃料作为可再生的内燃机代用通过对乙醇添加量不同的乙醇一柴油混合燃料燃料对降低内燃机对石油的依赖以及改善大气环境以及纯柴油燃料在D614柴油机上的对比试验,得具有重要意义到如下结论:参考文献[1]郭瑞篷,纪威.乙醇一柴油泥合燃料的应用研究进展[].内燃机与动力裳置,2006(1):3943.[2]陈虎,陈文轟,王建昕,等,柴油机燃用乙醇一柴油含氧燃料时微粒特性的分析[,内燃机学报,2005(4):2227[3]何邦全,王建盺,乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃烧与排放特性[冂内燃机学报,2005(4):5862[4]方显忠,刘異使,李国良,等。压燃式发动机燃用柴油一乙醇的研究[].农业机械学报,2005(3):36-38[5]事冠峰,胡知,陈亮,等.柴油一乙醇混合燃料直捶在柴油机上使用的试验研究[刀].内燃机,2004(3):1013.[6] HE Bangquan, WANG Jianxin, YAN Xiaoguang, e al. 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