不同配比乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性

第27卷第4期农业工程学报VoL27 No 41642011年4月Transactions of the CSAEApr,2011不同配比乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性陈振斌12,倪计民1,叶年业1,余峰',肖明伟2,何金戈2(1.同济大学汽车学院,上海201804;2.海南大学机电工程学院,俯州571737)摘要:为了研究乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性,该文在双缸直喷式柴油机和在用的柴油轿车上分别进行了发动机台架试验和整车底盘测功机试验。结果表明,在不调整柴油机条件下,使用乙醇柴油混合燃料能够在一定程度上改善发动机燃油经济性和降低排气烟度和NOx排放,但HC排放增加。适当减小供油提前角有利于改善乙醇柴油混合燃料发动机经济性和排放特性。对于试验车辆,燃用E10有利于降低汽车在中、高速时的等速工况燃料消耗量和常温下冷起动后PM、NOx排放量。该研究结果对于改善乙醇柴油混合燃料的燃油经济性和排放性具有实用价值关鍵词:乙醇柴油混合燃料,柴油机,柴油轿车,油耗率,烟度,NO3doi:10.3969/ssn.1002-6819.2011.04.028中图分类号:TK464文献标志码:A文章编号:1002-6819(2011)-04-0164-06陈振斌,倪计民,叶年业,等.不同配比乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性[J].农业工程学报,2011,27(4):164Chen Zhenbin, Ni Jimin, Ye Nianye, et al. Fuel economy and emissions of ethanol-diesel blends with different proportions UTransactions of the CSAE, 2011, 27(4): 164-169.(in Chinese with English abstract)0引言基的存在从本质上决定了醇类可以替代传统的石油系燃料。此外,羟基的存在又决定了醇类具有不同于石油系柴油机具有良好的可靠性、燃油经济性、耐久性以燃料的特性,乙醇与柴油的物化特性差异较大。常温下,及较低的CO、HC和CO2排放,因而成为当今重型道路乙醇与柴油混合时,只要混入微量的水分,将出现分层运输机械、农业机械和工程机械主要动力源。由于排气现象。为了解决乙醇与柴油均匀混合问题,需要选用合烟度和NOx排放较高,柴油机发展受到越来越严格的排适的助溶剂。本试验选用中碳醇为助溶剂,该醇属烷基放法规制约。设计新型燃料、改善尾气后处理系统和采醇,也可作为发动机代用燃料用新型燃烧模式(如HCCI)是降低柴油机排烟和NOx本试验燃料由0柴油(市售)、无水乙醇(体积分排放的主要技术措施山引。数为995%,分析纯)和中碳醇(分析纯)混合配制而成乙醇作为一种可再生的发动机代用燃料,具有广阔试验中使用了几种不同配比的乙醇柴油,分别简称为前景。近年来,国内外对乙醇柴油混合燃料(简称乙醇/E0、E10、E15、E20和E25,其含义如表1所示。所配柴油)的使用特性、燃烧特性、燃油经济性和排放特制的乙醇柴油稳定性良好,常温下可在密闭容器中静置性进行了深入的研究,在供油时间和乙醇比例变化对40d以上,不发生分层现象。发动机特性影响方面也进行了一些研究,但常常局限于种乙醇比例的乙醇柴油在几种负荷下或几种不同乙醇表1试验燃料配比Table 1 Different ratios of the fuels for experiment比例的乙醇柴油在最大扭矩、最大功率等工况下,研究%(体积分数)不够完善4.本文通过发动机台架试验,着重分析在~燃料BE0不同负荷条件下,乙醇/柴油发动机供油时间和乙醇比例组分E15E25变化对发动机特性的相互影响;通过汽车底盘测功机试乙醇验,测试等速工况燃油消耗量和常温下冷起动后排气污染物,完善乙醇柴油的经济性和排放性研究,为乙醇柴油的推广应用提供试验和理论依据。2发动机试验装置与方法1试验燃料发动机台架测试装置为ESF-300电涡流测功机及控醇类是烃基(R)与羟基(OH)组成的化合物,烃制试验台,尾气排放测试装置为 AVL Digas400型五气体分adm刑不透光烟度计。试验发基金项目:现代农业产业技术体系( (CARS12),海南省自然科学基金资助动机中国煤化工项目(808126)CNMHG验方法,首先在标定作者简介:陈振斌(1968),男,福建建瓯人,海南大学副教授,同济大学转速下进行不同配比的乙醇柴油发动机负荷特性对比试博士生:主要从事发动机节能与排放控制、发动机代用燃料研究,儋州海验,测量油耗、排气烟度、NOx、CO、HC浓度,试验时南大学机电工程学院,571737.Email:ebin1208@tom.com第4期陈振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性发动机的供油压力、喷油嘴的启喷压力、供油提前角均供氧能力降低了混合气在形成过程中局部缺氧的几率为原机数值。然后调整供油提前角,在不同的供油提前使燃烧趋于完善。特别在大负荷工况时,乙醇的自供氧角和标定转速条件下,测量乙醇柴油的油耗、排气烟度能力大大改善缺氧严重的扩散燃烧,从而能够提高乙醇/及NOx排放值。柴油的燃烧效率。乙醇的汽化热为854kJ/kg,约是柴油表2柴油机技术参数的3倍,乙醇柴油的汽化热随着乙醇比例的增大而增大Table 2 Engine specification低负荷时缸内温度较低,乙醇的汽化将进一步降低温度,295A,非增压、直喷、水冷式使工质膨胀功减少,导致燃烧效率下降;高负荷时缸内压缩比温度高,乙醇/柴油的燃烧效率受汽化热的影响相对较小。缸径×行程/ m mmm95×115乙醇十六烷值低、燃烧速度快,随着乙醇比例增大,乙醇柴油的着火延迟期增长,燃烧持续期缩短,放热速率排量几L加快,有利于热效率的提高79标定功率/W3.1.2排放特性标定转速rmin)15001)排气烟度及NOx排放标定供油提前角 oCA BTDC22如图2a中所示,在22kW时,乙醇柴油的排气烟3结果与分析度基本上随着乙醇比例增大而增大。在其他负荷时,乙醇/柴油的排气烟度明显减小,在88kW时特别突出,比3.1乙醇比例变化对发动机特性的影响柴油低60%以上。3.1.1经济性如图2b中所示,在2.2~66kW时,燃烧乙醇柴油为了便于比较乙醇柴油对发动机有效热效率的影对降低NOx排放效果显著,NOx排放随着乙醇比例增大响,本文将乙醇/柴油的比油耗按能量相等原则折算成与而明显下降除了E10在88~1kW的NOx排放略高外柴油等值的当量比油耗,即其他的NOx排放都低于柴油bm=(b×HD)Ha(1)图2a、b曲线的变化趋势主要受下列因素的综合影式中,bnq、b分别为乙醇柴油的当量比油耗、实际比油响,随着乙醇比例的增大,乙醇柴油的十六烷值减小耗,g/kWh);H、HL分别为乙醇荣柴油、柴油的质量低着火延迟期增长,乙醇的汽化进一步降低了缸内温度热值,MJ/kg使燃烧恶化,导致排气烟度增加和NOx排放减少。随着在不改变循环供油量的条件下,乙醇比例的变化对乙醇比例的增大,着火延迟期内形成的混合气量增加,乙醇柴油发动机功率有很大影响。在供油提前角19~预混燃烧量增加,扩散燃烧量减小;乙醇的自供氧能力235° CA BTDC时,E25的最大功率达不到额定功率的改善缺氧严重的扩散燃烧,从而使碳烟生成减少、NOx95%,因此不选用E25进行负荷特性试验。生成增加。随着负荷的增大,缸内温度升高,乙醇的汽如图1所示,乙醇柴油的bq基本上随着乙醇比例增化吸热,降低了缸内峰值温度和局部高温,从而减少了大而减小,而且随着负荷的增大,这种减小趋势越来越碳烟和NOx的生成。乙醇只有2个C原子、不含芳香烃明显。乙醇柴油的b在小负荷时与柴油相近或略低,在也是减少碳烟生成的原因之一⑦。中、大负荷时明显减小,其中E20在全负荷时降低10%2)CO及HC排放以上。如图2c、d中所示,乙醇/柴油的CO排放在低负荷时明显高于柴油,而且随着乙醇比例增大而明显上升在中、高负荷时相近或略低于柴油。这是因为乙醇的汽-E10化进一步降低了缸内温度,从而使靠近壁面的淬冷层增x一-E15厚,乙醇/柴油燃烧初期的CO排放随着乙醇比例的增大而增大。随着负荷的增大,缸内温度增加,靠近壁面的1 500 r/minA=22CA BTDC淬冷层厚度减小,乙醇柴油的CO排放随着负荷的增大相近或略低于柴油。乙醇柴油的HC排放比柴油高,而且随着乙醇比例增大而明显上升。分析认为,混合气过浓或过稀或过冷都有利于HC的生成。热值相对低的乙醇/柴油降低了每功率/W循环的放热量,使缸内温度下降,从而导致HC排放增加乙醇图1不同乙醇比例对燃油经济性的影响中国煤化工善,有利于HC排放减ig. 1 The effects of different ethanol content on the fuel economy小HCCNMHG缸内温度,从而导致氧含量因素不能起主分析认为,乙醇氧质量分数为34.8%,乙醇燃烧的自导作用时,HC排放增加农业工程学报2011年一E-ElO1600日2.0崛1.5功率/W功率kW.排气度功率/W图2不同乙醇比例对发动机排放的影响(1500rmin,22° CA BTDC)Fig 2 Effects of different ethanol content on the emissions32供油提前角变化对发动机特性的影响E15和E20的NOx排放增加了10%~50%3.2.1经济性如图3所示,当6从22减小到20.5° CA BTDC时→19CA--205A22CA235°CA乙醇比例相同的乙醇柴油的b四在低负荷时都略有上升、在高负荷时都略有下降。当6从20.5减小到19 CA BTDC时,乙醇比例相同的乙醇柴油的b在中、低负荷时都略有下降,在高负荷时都有不同程度的上升。当θ从22增大到235℃ CA BTDC时,乙醇比例相同的乙醇柴油的bq基本上有一定的上升功都3.2.2排放特性A E101)排气烟度如图4所示,从22减小到205° CA BTDC时,E10除了在全负荷时明显下降外,在其他负荷都有一定的上升;E5除了在22kW时都略有上升、全负荷时明显上升外,在其他负荷都下降;E20除了在22kW时略有上升外,在其他负荷都下降;E15和E20在11kW时的降低率都大于46%。当θ从20.5减小到19 CA BTDC时,除了E20在中、高负荷时明显上升外,其他的都下降当θ从22增大到23.5° CA BTDC时,除了E20在22~44kW时有一定的下降外,其他的都大幅度上升,E10E15和E20在中、高负荷升高率大于802) NOxrV中国煤化工如图5所示,当6从22减小到205° CA BTDC时,E10、10121E15和E20的NOx排放下降了10%40%。当0从205CNMHG减小到19 CA BTDC时,除了E10在中、高负荷,E20图3不同供油提前角对燃油经济性的影响(1500rmin在中、低负荷的有一定的上升外,其他的NOx排放下Fig 3 The effects of different fuel supply advance angles on the了7%~39%当θ从22增大到23.5° CA BTDO时,E10、fuel economy第4期陈振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性16735排量为19L,最大功率为47kW,最大扭矩为125Nm,-20.5CA经济油耗为46L/l00kmk2.023.5°CA19A-×-205℃A22℃CA-23.5°A101214b.E15功率W0功率/W图4不同供油提前角对排气烟度的彩响(1500rminFig 4 The effects of different fuel supply advance angles on the图5不同供油提前角对Nox排放的影响(1500rmin)smoke emissionFig. 5 The effects of different fuel supply advance angles on the基于试验柴油机是以标定转速、高负荷工作为主适当减小供油提前角对提高乙醇柴油的燃油经济性和排3.3.1等速工况燃油消耗量放特性有利。分析认为,随着供油提前角的减小,乙醇如图6所示,在40~70km/h时,E10的燃料消耗量柴油的着火延迟期缩短,有利于改善燃烧过程,提高燃比柴油高,其中在40kmh时E10比柴油高754%;在烧效率;在着火延迟期内形成的可燃混合气量减少,则80-120kmh时,E10的燃料消耗量比柴油低,其中在使预混燃烧量减少,扩散燃烧量增加,使扩散燃烧期内110kmh时E10比柴油低767%。局部缺氧的几率增大,从而使排气烟度增加和NOx排放减少;使乙醇柴油燃烧后的峰值温度和局部高温下降(乙一柴油醇的汽化吸热也起一定作用),有利于减小排气烟度和NOx浓度;此时乙醇含氧因素对局部缺氧的缓解作用更明显,从而使排气烟度减少和NOx排放增加。随着供油提前角的增大,乙醇柴油的着火延迟期增长,预混燃烧量增加,缸内温度进一步升高,高温因素起主要作用,从而导致排气烟度和NOx排放增加。中国煤化工33汽车燃用E10的燃油经济性和排放性90100110120CNMHG在行驶里程大于80000km的捷达柴油轿车上进行图6等速工况燃料消耗量的比较底盘测功机试验,测试等速工况燃油消耗量及常温下冷Fig 6 Comparison of fuel consumption of a car in起动后PM和NOx排放量。试验车辆主要技术参数如下velocity conditions168农业工程学报2011年3.3.2常温下冷起动后PM和NO排放量[4] Satge'de Caro P, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al.按GB183523-2005附录C规定的运转循环、排气nterest of combining an additive with diesel-ethanol blends取样和分析方法、颗粒物取样和称量方法进行E10和柴油常温下冷起动后PM和NOx排放对比试验。试验结果Ry.., antander L A m, et al. Action如下:PM,E10为046gkam,柴油为047gkm;NOxE10为0.86gkm,柴油为0%6g/km(注:劣化系数为stability studies []. Energy and Fuels, 2009, 23(5): 2731PM=12;NOx=10)。分析认为,在车速较高、负荷较大工况时,E10中含阿6 Chen Z O,Mxx,yuxT,etal. Physical-chemicalproperties of ethanol-diesel blend fuel and its effect on the氧因素起主要作用。乙醇的自供氧能力改善了缺氧严重performance and emissions of a turbocharged diesel engine的扩散燃烧,从而提高E10的燃烧效率、减少碳烟生成、U]. Intermational Journal of Automotive Technology, 2009,增加NOx排放。在车速较低、负荷较小工况时,E10的10(3):297-303.汽化热高因素(影响缸内温度)起主要作用。此时缸内[冂何学良,詹永厚,李疏松.内燃机燃料M]北京:中国石温度较低,乙醇的汽化将进一步降低温度,使工质膨胀化出版社,1999:326-351功减少,导致燃烧效率下降,碳烟和NOx生成减少;随(8]任毅,黄佐华,李蔚,等.柴油机燃用柴油乙醇混合燃料着车速增高、负荷增大,缸内温度升髙,乙醇的汽化吸的性能与排放研究西安交通大学学报,2007,41(3)热,降低了缸内峰值温度和局部高温,从而减少了碳烟285-290.和NOx的生成。Ren Yi, Huang Zuohua, Li Wei, et al. Study on theperformance and emissions of a direct injection diesel engine4结论fuelled with dieselethanol blends []. Journal of Xi'AnJiaotong University, 2007, 41(3): 285-290.(in Chinese with1)在不调整柴油机及标定转速的条件下,柴油机燃English abstract)烧不同配比的乙醇柴油时,其当量比油耗在小负荷时与(9邢元,尧命发,张福根,等、乙醇与柴油混合燃料燃烧特柴油相近,在中、大负荷时明显低于柴油,而且基本上性及排放特性的试验研究[内燃机学报,2007,25(1)随着乙醇比例增大而减小。其排气烟度在小负荷时略高随着负荷增大,其排气烟度大幅度降低。其NOx排放在Xing Yuan, Yao Mingfa, Zhang Fugen, et al. Experimental中、小负荷时明显低于柴油,而且随着乙醇比例增大而investigation on combustion and emission characteristics of明显减小;但在大负荷时E10略高于柴油。其CO排放engine fuelled with ethanol-diesel blends []. Transactions of在低负荷时高于柴油,随着负荷增大,在中、高负荷时CSICE,2007,25(1):24-29.(in略低或相近于柴油。其HC排放高于柴油,且随着乙醇比abstract)例增大而增大。[10] Di Yage, Cheung CS, Huang Zuohua. Experimental study on2)对于试验柴油机,适当减小供油提前角有利于改particulate emission of a diesel engine fueled with blendedethanol-dodecanol-diesel[J]. Aerosol Science, 2009, (40): 101善乙醇柴油发动机经济性和排放特性。1123)对于试验车辆,E10的等速工况燃料消耗量在车( I1] Jincheng Huang, Yaodong Wang, Shuangding Li,etal.速为40~70km/h时比柴油高;在80~120km/h时比柴Experimental investigation on the performance and emissions油低。E10常温下冷起动后的PM和NOx排放量都比柴of a diesel engine fuelled with ethanol-diesel blends[]油低Applied Thermal Engineering, 2009, 29(11/12): 2484-2490.[12] Liu Jie, Liu Shenghua, Wei Yanju, et al. Diesehol CI engine[参考文献performances, regulated and nonregulated emissions[1] Leung P, Tsolakis A, Wyszynski M L, et al. Performance,characteristics[J]. Energy and Fuels, 2010, 24(2 ) 828-833emissions and exhaust-gas reforming of an emulsified fuel: A3]张炜,宋崇林,李方成,等乙醇柴油混合燃料醛、酮类comparative study with conventional diesel fuel[]. SAE污染物排放特性的研究门内燃机学报,2008,26(3):238Paper,2009-01-1809[2] Abu-Jrai A, Tsolakis A. The effects of H2 and Co on theWei, Song Chonglin, Li Fangcheng, et al. Study onlective catalytic reduction on NOx under real diesel enginecarbonyl emissions from an Engine Fueled with ethanol/exhaust conditions over Pt/Al2O3[J]. Int. Journal of Hydrogendiesel blends[J]. Transactions of CSICE, 2008, 26(3): 238Energy,2007,32(12):2073-208042. (in Chine[3]陈振斌,蒋盛军,肖明伟,等、复配乳化剂乳化柴油的经济卩14]李冠峰,陈亮,李遂亮,等.柴油机供油提前角性和排放特性门农业工程学报,2010,26(7):285-289.中国煤化工业工程学报,数2图Chen Zhenbin, Jiang Shengjun, Xiao Mingwei, et al. Engineeconomical performances and emissions characteristics ofCNMHG et al Inffuence of fuelcompound-surfactants [). Trsupply advance angle on fuel economy of diesel engine withof the CSAE, 2010, 26(7): 285-289. (in Chinese withethanol-diesel blend fuel[J]. Transactions of the CSAE, 2006,English abstract22(12): 90-93. (in Chinese with English abstract)第4期陈振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性[15]肖阳,徐斌,吴健,等.供油提前角对柴油/乙醇发动机经supply advance angle on the economy and emission济性和排放特性的影响[门柴油机,2010,32(1):31-35characteristics of diesel-ethanol engine []. Diesel Engine,Xiao Yang, Xu Bin, Wu Jian, et al. The influence of fuel2010, 32(1): 31-35. (in Chinese with English abstractFuel economy and emissions of ethanol-diesel blends with differentpropolChen Zhenbin,, Ni Jimin ', Ye Nianye, Yu Feng Xiao Mingwei, He jinge 2(1. Automotive College, Tongji University, Shanghai, 201804 China2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University, Danzhou, 571737 China)Abstract: In order to research fuel economy and emissions of ethanol-diesel blends, based on engine bench test andchassis dynamometer test, the fuel consumption and exhaust emissions of a 2-cylinder direct-injection diesel engine anda diesel passenger car in use were measured. The results indicated that without any modifications on the diesel engineethanol-diesel blends could proper improve fuel economy and reduce the emissions of smokes and NOx, but theemissions of HC increased. Besides, properly reducing the fuel supply advance angles was beneficial to improving fueleconomy and reducing emissions. In the case of vehicle testing, which fueled with E10, the fuel consumption reduced atmiddle and high speeds, and also the emissions of PM and NOx reduced after the cold starting at normal temperatureTherefore, the research results can provide practical references for the improvement of fuel economy and characteristicsof ethanol-diesel blendsKey words: ethanol-diesel blends, diesel engine, diesel passenger car, fuel consumption, smoke, NOx中国煤化工CNMHG