乙醇-柴油在线混合燃料的燃烧排放特性

ISSN1000-0054清华大学学报(自然科学版)2003年第43卷第11期22/36J Tsinghua Univ(Sci &. Tech), 2003, Vol, 43, No111523-1525,1541乙醇-柴油在线混合燃料的燃烧排放特性何邦全,王建昕,闫小光,陈虎,田辛(清华大学汽车工程系,汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)摘要:为了改善柴油机在不同工况时的排放,建立了超声,醇是极性分子,易与水互溶,却难以与柴油互波乙醇柴油在线混合装置,以实现适时混合不同比例的乙溶,而且乙醇-柴油混合燃料的稳定性受柴油中碳氢醇柴油燃料。在一台柴油机上试验研究了这种在线混合燃化合物的构成、含水质量分数、相对密度、温度和添料的燃烧与排放特性,结果表明:随着混合燃料中乙醇体积加剂量的影响。此外,乙醇的十六烷值低,随着乙醇分数的增加碳烟排放明显降低,其最大降帽达74%,而且柴油混合燃料中乙醇体积分数的增加混合燃料的燃烧持续期缩短;但在中、高负荷工况NO2排放明显增多十六烷值线性下降,这些都是应用乙醇-柴油混合此尚需采取措施降低乙醇-柴油混合燃料燃烧时的NO排放。在一台可视化发动机上的研究结果表明:随着乙醇体燃料时所必须解决的问题。乙醇-柴油混合燃料在柴积分数的增加燃烧持续期也缩短而且火焰亮度降低,碳烟油机上的应用方式很多,如机外预混合乙醇柴油混形成得到了抑制合燃料2-4、着火改进剂等,其中机外预混合的乙关键词:汽车工程;柴油机;乙醇;超声波;在线混合醇-柴油燃料是目前应用和研究最多的,但这种乙醇-柴油混合燃料的掺混比例固定,不能满足柴油机中图分类号:U46;TK421文献标识码文章编号:1000-0054(2003)11-1523-03各种工况的不同要求。为此,作者认为研究使用乙醇-柴油在线混合燃料的可行性是很有意义的Combustion and emission characteristics1试验装置和试验方法of engines using ethanol-diesel试验用发动机是一台295TA型直喷式柴油机fuels blended on line其压缩比为17,最大转矩为99N·m,转速为WANG Jianxin, YAN Xiaoguang1540rmin-l。试验时发动机用纯柴油起动。HE BHEN Hu. TiAN Xi乙醇、柴油的在线混合借助于超声波发生器来(State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy完成。超声波发生器的功率为100W,频率为Department of Automotive Engineering40kHz。试验所用3种燃料的体积分数示于表1。singhua University, Beijing 100084, China)表1试验用燃料的体积Abstract: To investigate whether engineons are reduced forriable operating conditions, an ultrasonic mixer was used to blend100×g燃料various ethanol and diesel fuels in real-time as they flow to the柴油ngine, The fuel blends were tested on a two-cylinder diesel enginehow that an increasing ethanol content in the blended0fuels significantly reduces smoke at medium and full loads, The30however, NO, emissions sharply increased at medium aneloads. Therefore, measuresures are needed to reduce the non ethanol blended diesel fuels中国煤化工Observations in an engine with a quartz window in piston crowYHCNMHGshow that increasing theontent in the blended fuels基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50136040);luce the combustion duration. The flame luminosity also国家“八六三”高技术项目(2001AA64304003decreases, which means that soot formation is suppressed in the国家教育振兴计划资助项目(JC2002040)combustion flame作者简介:何邦全(1964-),男(汉),安徽,博士Key words:万数据 engineering; diesel engine; ethanol;通讯联系人:王建昕,教授,E-mail:wangJi@tsinghua,edu.cnultrasonic wave; real-time blending1524清华大学学报(自然科学版)2003,43(11)用AVL公司的CEB-Ⅱ型排气分析仪测量排图3给出了使用乙醇-柴油在线混合燃料时的气成份,其中NO○排放用化学发光法(LD)分析,NO排放。可见,随着负荷的增加,燃用EO、E10和并用FBY-200型全自动烟度计测量烟度。E30这3种燃料时柴油机的NO排放均在中、高负为研究乙醇-柴油混合燃料的燃烧特性,在一台荷工况区达到最大值,而且在中、高负荷工况区随着单缸可视化直喷式柴油机上研究了火焰的发展过乙醇体积分数的增加,NO排放增多。这是因为随程。试验时发动机未加负荷,转速为1000r·min着乙醇体积分数和负荷的增加,循环供油量增加,着试验所用的高速αCD照相机是 Fastcam Super火滞燃期增加,预混合燃烧份额增加,而且乙醇是含10K型的,其最大拍摄频率为10000幅·s-。考虑氧燃料,会使混合气在富氧环境下燃烧,从而提高了到所拍摄的图片应有足够的像素来分析燃烧过程,可燃混合气的燃烧速度和燃烧火焰温度,致使NO试验时选用5000幅·s-的拍摄频率。为了便于比排放增大;到全负荷时,由于混合气偏浓,NO排洨,在拍摄过程中无外加光源,光圈固定不动放有所降低。在中、小负荷工况区则相反,NO排放超声波在线混合原理随着乙醇体积分数的增加而减少,则是因高汽化潜图1给出了超声波在线混合装置原理图。柴油热的乙醇吸热,降低了可燃混合气的燃烧温度所致与乙醇分别放在不同的油箱内,三通阀可以调节柴转速为1540rmin油与乙醇在混合燃料中的体积分数。乙醇、柴油进入超声波器后,在高频超声波的作用下产生“空化”现象,迅速均匀混合,然后供给柴油机。用在线混合裝置混合的E30燃料在3d内不分层,完全可以满足柴油机稳定工作时的供油要求。P/kw图2乙醇-柴油在线混合燃料的碳烟排放三通计超声波至柴油机混合器转速为1540rmin图1超声波在线混合装置12由于超声波的作用,在混合燃料中产生了大量P/kw的热量。为了保证混合燃料的比例和温度恒定,在混图3乙醇-柴油在线混合燃料的NO,排放合装置中设有冷却系统使用乙醇-柴油在线混合燃料降低碳烟排放的3使用在线混合燃料时的排放效果与使用机外预混合燃料时的效果相当;而且前图2给出了乙醇-柴油在线混合燃料对碳烟排者的NO排放随负荷变化的趋势也与后者一致2。放的影响。由图可见,随着乙醇体积分数的增加柴燃用乙醇柴油混合燃料时柴油机会排出乙醛和未油机的烟度降低。其中在中、大负荷工况区,碳烟排燃乙醇,可参阅文[2]。放降低很明显。如功率P=14.3kW时,燃用E0、4中国煤化工发动机经济性E10和E3θ这3种燃料时的波许烟度分别是1.9CNMHG昆合燃料对柴油机比能1.1和0.5:与E相比,E10和E30的烟度分别降量消耗举影啊。从比能量消耗率曲线看,使用低了42%和74%。产生上述现象的原因是:乙醇的E10的乙醇-柴油混合燃料在大部分工况能改善柴汽化潜热比柴油大③,使得滞燃期增加,预混燃烧份油机的热效率,使用E30燃料时E与使用EO时相额增加;另方轰糖乙醇是含氧燃料,使得燃烧室内当。这说明使用在线混合燃料时柴油机的热效率不局部区域燃油缺氧裂解生成碳粒的机会减少。会降低中国煤化工CNMHG张鹏,等:基于人工神经网络的挑流冲刷预报15412]《泄水建筑物消能防冲论文集》编审组.泄水建筑物消能防冲论文集[C].北京:水利出版社,1980Compiler Team. Symposium of Energy Dissipation and ScourPrevention [C]. Beijing: Hydraulic Power Press. 1980.(in3]长江水利水电科学研究院等.泄水建筑物下游的消能防冲问题[C].1980Changjiang river Science Research Institute, et al. EnergyDissipation and Scour Prevention Downstream of Dams [C]1980. (in Chinese[4 Goh A T. Some civil engineering applications of neuralT,mnetworks [J]. Proc Instn Civ Engrs Structs Buildings1994,104(4):463469图2冲坑预测结果的比较5]姜绍飞.人工神经网络用于建筑工程领域的数据处理方法「J].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(5):24-28.本,重新对模型进行训练,新模型简称为 ModelⅢJIANG Shaofei. The method of data processing of artificial使用 ModelⅢ对三峡工程进行了预测,并与其他方neural networks in civil eng法进行了比较。结果证明新模型的预测结果与实验Construction Univ, 1999, 32(5):24 28.(in Chinese6 Jenkins W M. Approximate analysis of structural grillages值基本一致(表3)using a neural network [J]. Proc Instn Civ Engrs Structs &表3三峡冲坑深度的预测结果比较Bldg,1997,122:355-363毛野L陈椿庭公式8]刘沛清公式[7 Moller M F. A scaled conjugate gradient algorithm for fastsupervised learning [J].注:已知三峡数据q=174m3/s,H=97.95m,B选Ⅱ结论8]毛野.一个估算挑流冲刷深度的模糊数学模型[J.高速水流利用神经网络模型对冲坑结果进行预报是可行MAO Ye. A fuzzy model for prediction of scour depth [J]的,其预报结果在一定范围内优于传统的预报公式High Speed Stream, 1990, 1: 57-64.(in Chir由于缺乏大单宽流量、大落差的原型观测资料,模型9]冬俊瑞.长江三峡挑流基岩冲刷研究专题[R].北京:清华大学,199的预测范围较窄,利用常用公式的结果对模型进行DONG Junrui. Study of Rocky Scour at Three Gorges [R.拓展,可在一定程度上扩大模型的预测范围。Beijing: Tsinghua University, 1990. (in Chinese10]刘沛清.挑射水流对岩石河床的冲刷机理研究[].北京参考文献( References)清华大学,1994[1 Liriano S 1, Day R A. Prediction of scour depth at culvertLIU Peiqing. Study of Mechanism of Scour by Free Jets onJournal ofRocky River Beds [D. Beijing: Tsinghua University, 1994normai001,4:231-237(in Chinese(上接第1525页)[3 Ajay E A. Singh B, BIof some performance parameters of a constant speedstationary diesel engine using ethanol-diesel blends as fuel参考文献( References)J]. Biomass and Bioenergy, 1999,17: 357-365[4 Ahmed L. Oxygenated diesel Emissions and performance[1 Satge C P, Moulounguia Z, Vaitilingomb G, et al. Interesof combining an additive with diesel-ethanol blends for use indiesel engines [J]. Fuel.2001. 80:565-574.-H9中国煤化工。10121750c1.20.1-6CNMHG. Review of cetane improver2]王建昕,闫小光,程勇,等.乙醇-柴油混合燃料的燃烧与排lternative fuel applications [A]. SAE Trans放特性[J].内燃机学报,2002,20(3):225-229962064[C].1996.227-2376」何学良,詹永厚,李疏松.内燃机燃料[M].北京:中国石WANG Jianxin, YAn Xiaoguang, CHENG Yongal化出版社,1999on combustionHE Xueliang, ZHAN Yonghou, LI Shusong, Fuels foethanol万方数崛 d fuel[J. Transactions of CSICE,2002Internal Combustion Engines [M]. Beijing: China0(3):225 229.(in ChinesePetrochemical Press, 1999. (in Chinese