柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的性能与排放研究

第41卷第3期西安交通大学学报Vol 41 No32007年3月JOURNAL OF XI' AN JIAOTONG UNIVERSITYMar.2007柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的性能与排放研究任毅,黄佐华,李蔚,蒋德明,苗海燕,王锡斌(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安)摘要:为了给柴油/乙醇混合燃料的应用提供试验和理论依据,进行了柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的性能与排放研究研究结果表明:随着燃料中乙醇掺泥比例的增加,有效燃油消耗率有所增加,但当量柴油有效燃油消耗率降低,有效热效率增加;在掺混比例较高时,需要添加十六烷值改进剂提高混合燃料的十六烷值;在同一工况下,发动机排气烟度随乙醇的加入而减少,NO-排放则无明显的増加;排气烟度的下降率随含氧量的増加而增大,未添加十六烷值改进剂时升高的幅度小于添加十六烷值改进剂后.减小供油提前角,NO排放下降,排气烟度增加,关键词:乙醇;排放;柴油机中图分类号:TK411.2文献标识码:A文章编号:0253-987X(2007)03028506Study on the Performance and Emissions of a Direct Injection DieselEngine Fuelled with Diesel/Ethanol BlendsRen Yi, Huang Zuohua, Li Wei, Jiang Deming, Miao Haiyan, Wang Xibin(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi an Jiaotong University, Xi an 710049, ChinaAbstract: In order to provide the theory and experimental basis for engine operating on the oxygenated fuels, combustion characteristics and emissions of direct injection diesel engine operatingon the diesel /ethanol blends were investigated. The results show that the brake specific fuel consumption increases with the increase of ethanol fraction in the blends. However, the diesel equivalent brake specific fuel consumption decreases and the thermal efficiency increases with the increase of ethanol fraction in the blends. In the case of high ethanol fraction in the blends, the addition of the cetane number improver is favorable to the increase of the cetane number of theblends. For the same brake mean effective pressure and fuel delivery advance angle, the exhaustsmoke decreases with the increase of ethanol fraction in the blends, while NO, shows little varia-tion with the addition of ethanol in the blends. The exhaust smoke reduction rate increases withthe increase of the oxygen fraction in the blends. The exhaust smoke reduction rate of the blended fuels without cetane number improver is lower than that of those with cetane number improver. The exhaust smoke increases and No, decreases with the decrease of the fuel delivery advanceKeywords: ethanol; emissions; diesel engine与汽油机相比柴油机拥有较高的热效率和更进一步加强以及排放法规的逐渐严格减小柴油机广阔的应用范围这使得很多研究者们长期致力于的排放已成为一个主要的研究方向提高柴油机性能的研究然而,柴油机的发展却始终减少柴油机排放的难点主要集中在NO和碳受着排放问题的制约由于近年来人们环保意识的烟H中国煤化工一项的同时会导致另CNMHG收稿日期:200608-14.作者简介:任毅(1978~),男,博土生和水八/,男,戊,得工生导师,基金项目:国家自然科学基金资助项目(50576070);西安交通大学博士学位论文基金资助项目第41卷项的增加,这主要是由于NO和碳烟的生成是由程、强制水冷、直喷式柴油机排放测量所用装置为温度和混合气浓度决定的解决这一问题的一个非FS公司的FGA4015五气分析仪和 AVI Disome常有效的方法就是在柴油中添加含氧燃料或直接用4000不透光烟度计.五气分析仪可测量HC、CO含氧燃料代替柴油口.文献[2-4]在经过改造后的柴CO2、O2、NO及(过量空气系数),不透光烟度计用油机上做了二甲醚(DME)的排放试验结果表明在于柴油发动机颗粒污染物的检测,所得烟度结果有没有改动燃烧系统的情况下,发动机可以达到超低2种,分别为消光系数(K)和不透光度X.2种仪器排放文献[5]完成了压缩点火内燃机燃用DME的的主要技术参数如表1所示燃烧和排放特性的研究,结果表明,燃用DME的柴油机具有较高的热效率、较短的预混燃烧期和快速表1排放测量装置主要技术参数的扩散燃烧期,这种结果的优点是拥有低噪声和零测量装置名称参数测量范图分辨率工作温度/℃碳烟排放燃烧.x(HC)/10-60~10001但是,DME在常压下是一种气态燃料,这就要求对柴油机供油装置进行改造来适应气体燃料的应FGA4015x(NO)/10-60~400010~40用,同时装有这种发动机的车辆也要进行相应的改x(CO)/%0~100.01造以满足燃油供给系统的要求在柴油中掺混液态AML. Disomke K/m-0~9.90.015~45含氧燃料则可以在不改变柴油机结构的同时降低排4000y/%0~1000放文献[6-7]进行了柴油机燃用柴油/甲醇混合燃料的燃烧和排放特性的研究.文献[]在直喷柴油机表2和表3分别给出了柴油和乙醇的物性以及上进行了燃用柴油/碳酸二甲酯(DMC的燃烧和排柴油/乙醇混合燃料的物性未添加十六烷值改进剂放特性的研究文献[8]研究了柴油掺混二甲氧基甲混合燃料在乙醇的体积分数g(C2H4O)分别为烷(DMM添加剂对降低柴油机颗粒物排放的影响0.5%、10%、15%20%时称为E0(柴油)、E5、E10在众多柴油含氧添加燃料中,由于乙醇在产量E5、E20.添加十六烷值改进剂的混合燃料中乙醇和成本方面的优势,并且在汽油机上已经得到了商的体积分数(C2HO)分别为5%、10%、15%、20%业应用,因此国内外的研究人员希望也将它应用于时称为EA、ElOA、E15A和E20A.从表2和表3热效率较高的柴油机上,为此他们做了大量的研究可以看出:由于乙醇的十六烷值较低,故乙醇的派加工作12.但是,仍有许多有价值的研究需要进行,将导致混合燃料十六烷值下降混合燃料的滞燃期特别是要补充大量的研究数据和结果,为改善燃娆增加;混合燃料低热值H随燃料中乙醇比例的增过程和降低排放提供更多的实际测量依据本文系加而降低,为此要得到相同的功率输出就需要增加统地研究了混合燃料含氧量、十六烷值改进剂以及供油量;混合燃料的汽化潜热H随着乙醇掺混比供油提前角对排放的影响,以期为柴油/乙醇混合燃例的增加而增加,燃油的汽化会使缸内的温度下降,料和柴油/含氧化合物混合燃料的应用提供试验依进而使滞燃期变长据1试验装置与燃料性质表2柴油和乙醇的物性本试验采用乙醇作为柴油含氧添加燃料,在小参数柴油比例助溶剂的帮助下,形成不同添加比例的稳定混密度/(g·cm-3)合燃料在供油提前角(额定供油提前角)为25°低热值/(M·kg-1)42.521°18°(均为上止点前,下同),转速n为2000汽化潜热/(kJ·kg-4)854~9041600和1200r/min,平均有效压力b为0.70、自燃温度/℃0.42和0.14MPa工况下,开展了混合燃料添加十六烷值改进剂前后排放特性的对比性研究,阐明了La中国煤化工5混合燃料的排放特性与混合燃料中含氧量、十六烷CNMHG值改进剂和供油提前角的关系试验用发动机为TY1100型立式、单缸、四冲u(O/%0.434.8第3期任毅,等:柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的性能与排放研究表3柴油/乙醇混合燃料的性质烧效率的影响g(C2H4O)/低热值/汽化潜热/w(C)/w(H)/(O/燃料26087.012.60.4甲(C2H6O)=p(C2H6O)=15%o00n-120m0甲(C2HO)=0p(c2HO)E10●b--014MP二耄添加十六鰲徨改邏剂33183.312.64.07E1539.836681.512.75.85(a)混合燃料有效燃油消耗率E15A500(cH2o)=0/(c2H4O)=10C2H6O)=20%40079.812.77.26p(CHO)=5%|甲(CHO)-15%E20A2试验结果与分析b.=0.70 MPa图1为混合燃料组成的质量分数.其中助溶剂◆bnp-0.14MP与乙醇的体积比为1:5,而十六烷值改进剂的添加(O)%量为总体积的0.2%.由于十六烷值改进剂添加比(b)混合燃料当量柴油有效燃油消耗率例非常小,因此忽略其对混合燃料十六烷值以外物图2有效燃油消耗率(b)和当量柴油有效燃油性的影响消耗率(b)随混合燃料含氧量的变化情况六烷值改进剂图3为混合燃料有效热效率随燃料中含氧量的变化曲线有效热效率与当量柴油有效燃油消耗率幅怄名具有相同的物性意义,这可以从下式看出7n=3.6×10/(Hdwb)因此,从有效热效率和当量柴油有效燃油消耗率随E0 E5 ESAEIOA E15 E15A E20 E20A含氧量的变化曲线可以看出,随燃料中含氧量的增图1混合燃料组成物的质量分数加混合燃料有效热效率有所升高,而当量柴油有效燃油消耗率略有下降.这一结果表明,乙醇的添加有从图2可以看出,有效燃油消耗率随燃料中氧利于发动机燃烧的改善,在一定程度上具有节能效含量的增加而增大,十六烷值改进剂的添加没有导果这主要是由于乙醇具有自带氧能力,有效地缓解致有效燃油消耗率升高这是因为乙醇的添加使得了可燃混合气形成过程中局部缺氧的情况,尤其在混合燃料的低热值下降,因而发动机在相同的负荷缺氧严重的扩散燃烧期,并且由于碳烟主要在扩散和转速下燃用乙醇含量高的混合燃料时,需要向缸燃烧期内形成而乙醇添加促进了扩散燃烧期的燃内喷入更多的燃油.另外,从图2还可以看出,有效烧故有利于降低碳烟排放.另外,从图3和图4中燃油消耗率换算成当量柴油有效燃油消耗率时,当可以看出,在乙醇的体积分数为20%时添加十六量柴油有效燃油消耗率随混合燃料含氧量的升高而烷值改进剂使得混合燃料当量柴油有效燃油消耗率降低.当量柴油有效燃油消耗率的计算公式为下b=[(H,)blends/(H, diesel]中国煤m乙醇的体积分数达到的混合燃料燃烧开从上式可以看出,当量柴油有效燃油消耗率的引入,始CNMHG掺混比例较高的混合可以消除燃料低热值降低对有效燃油消耗率的影燃料需要添加十六烷值改进剂来恢复十六烷值.响,从而更加直接地反映出乙醇添加对混合燃料燃试验结果表明(见图4):在中低负荷时,混合燃西安交通大学学报第41卷cHO=09cH4O)10%cH9)20甲(C2H6O)15%30(C2H。O)0q(C2HO)=10%p(c2HO)20%p(C2H6O)=5%a bmep 0.70 MPa n-l200r/min100p(C2H6O)=5%(C2H6O)=15%-0.5◆b=0.14MPa添加十交烷復改剂n=1200r/秃添加十交娆改蓬剂wo(o)%w(o)%(a)不同负荷下的有效热效率(a)不同负荷下的NO排放(C2HO)-0(C2HO)=10%φ(C2H6O)=20%(C2H6O)=0p(C2H6O)=10%2.5p(C2H6O)=20%0.3p(C2H6O)=5%p(C2H6O=15%2.0b-0.70 MPp(C2H6)=5%°计∴2m6m二杏源盘十奕鱉鑫避欄C2H6O)=15%u(O)%v(0)/%(b)不同转速下的有效热效率图3有效热效率随燃料中氧含量的变化b)不同供油提前角下的NO2排放图4NO,排放随燃料氧含量的变化料中NO2的排放随燃料中氧含量的增加基本不变;在高负荷时,混合燃料NO2排放随燃料中氧含量的外,从图5还可以看出,未添加十六烷值改进剂,当增加略有减少,随着供油提前角的减小而显著降低.乙醇的体积数大于15%时,排气烟度的下降率随氧这是因为乙醇具有较高的汽化潜热,乙醇含量高的含量的升高而升高,但其幅度明显减缓,而添加十六混合燃料喷入缸内将导致更大的温降同时前人的烷值改进剂后,烟度的下降率高于添加十六烷值改研究结果表明,乙醇的添加使得混合燃料缸内平进剂前,与混合燃料氧含量成正比关系这是由于乙均温度峰值明显降低,并且柴油/乙醇混合燃料相对醇的添加使得混合燃料的十六烷值减小,滞燃期增于纯柴油燃烧时缸内平均温度上升相当平缓因长,当乙醇的体积分数大于15%时,混合燃料燃烧此,混合燃料NO排放随乙醇含量的增加而减少.开始恶化,从而导致有效热效率下降,排气烟度下降此外,供油提前角增大使得滞燃期增长,滞燃期内形的幅度变缓·此外,在较小供油提前角下,排气烟度成更多的可燃混合气,使预混燃烧量增加,缸内最高的下降率更大,乙醇的添加使得排气烟度下降的效平均气体温度升高,从而NO4排放增加果更明显.这主要是因为随着供油提前角的减小,滞图5给出了烟度和烟度下降率随燃料中氧含量燃期缩短,滞燃期内形成的可燃混合气量减小,预混的变化曲线在柴油中添加含氧化合物的主要目的燃烧量减小,扩散燃烧量增加,从而使得滞燃期和扩是:利用含氧化合物的自带氧能力以及对燃烧的改散燃烧期内局部缺氧的情况加剧,排气烟度增加此善效果,在不引起NO2排放增加的同时达到减少排时乙醇的添加对局部缺氧的缓解作用更加明显,进气烟度的目标试验结果表明,在十六烷值改进剂添而排气烟度下降的幅度增加加前后,随着混合燃料中氧含量(乙醇含量)的增加,从图6可以看出,与燃用纯柴油时不同,燃用混排气烟度均明显下降.这是因为乙醇的添加减小了合燃中国煤气烟度的降低而明喷射初期的浓混合区域滞燃期内形成的可燃混合显增菜化a)时,添加十六烷气量增加,从而预混燃烧量增加,扩散燃烧量减小,值改CNMHGNO排放同时减并且乙醇的添加改善了扩散燃烧期内混合燃料的燃少.此外,对于同一种混合燃料,减小供油提前角可烧状况,最终使得混合燃料的排气烟度明显减少.此以明显降低NO4排放,同时引起排气烟度升高对第3期任毅,等:柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的性能与排放研究2.8醇含量增加p(C2H6O)10%(C2HO)=0p(c2HO)=20%65v二老添加十奕烷蓬剂02250. 42 MPan=1 200 r/minb-0.70 MPa200 r/min◆b=0.14MPa二香加十娆僵改建剂·bmp-0.42MP◆b=0.14MPa(a)不同负荷下的排气烟度(a)不同负荷下排气烟度与NO排放量的关系二加十奕驀儘改进劑6a25°(额定供油提前角)O)=5p(C2H6O)=15p(C2H6O)=20%n-l 200 r/minT E10A6=0. 42 MPa●E20A(C2H6O)=0p(C2H6O)=10%(b)不同供油提前角下排气烟度与NO,排放量的关系b)不同供油提前角下的排气烟度图6NO2排放量与排气烟度之间的关系添加十六改遘剂b0M°的供油提前角下燃用乙醇的体积分数较高的柴油/n-l 200 r/min乙醇混合燃料,可以实现同时降低排气烟度和NO排放的目的P(C2HgO)-p(C2H6O)=5%3结论(C2H60)=20%p(C2H6O=10%(1)柴油机掺混乙醇使燃烧得到改善,热效率有所提髙,当量柴油有效燃油消耗率降低,在较高掺混a(0)%比例时,燃烧开始恶化,热效率有所下降,需要添加(c)添加十六烷值改进剂前后排气烟度的下降率十六烷值改进剂提高混合燃料的十六烷值(2)随着燃料中氧含量的增加,发动机排气烟度100已添加十六烷值改进剂。18下降,NO2排放略有下降,在大负荷工况时效果更b=0.42MP421加显著排气烟度下降的比例随乙醇含量的增加而升高,但未添加十六烷值时,升高幅度随乙醇含量增p(C2H6O)=10%加而逐渐变缓添加十六烷值改进剂后,升高幅度与p40-甲(C2HO)0P(C2Hgo)C2HgO)乙醇含量成正比关系△φ(C2H6O)=15%(3)减小供油提前角,可使NO,排放显著下降,排气烟度明显增大t(O)%(d)不同供油提前角下排气烟度的下降率参考中国煤化工图5排气烟度及其下降率随燃料中氧含量的变化zeng Ke. CombustionCNMHGanalysis of a direct in于同一供油提前角,增加乙醇的体积分数可以明显jection compression ignition engine fuelled with diesel-降低排气烟度,而NO4排放变化很小.因此,在较小dimethyl carbonate blends[J]. Journal of Automobile290西安交通大学学报第41卷Engineering,2003,217D(7):595-605.Paper, 1998, 982572[R]. Washington, USA: Society[2] Fleischs T, McCarthy C, Basu A. A new clean dieselof automotive Engineers Inc, 1998.technology: demonstration of ULEV emissions on a [9] de Caro P S, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al. In-Navistar diesel engine fueled with dimethyl ether[J]terest of combining an additive with diesel-ethanolSAE Transactions, 1995, 104(4): 42-53.blends for use in diesel engines[J]. Fuel, 2002, 80(4):[3 Kapus P, Ofner H. Development of fuel injection65-574equipment and combustion system for di diesels opera-[10]王建盺,闫小光程勇,等,乙醇柴油混合燃料的燃烧ted on dimethyl ether[J]. 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