柴油机燃用乙醇柴油燃料的燃烧与排放特性 柴油机燃用乙醇柴油燃料的燃烧与排放特性

柴油机燃用乙醇柴油燃料的燃烧与排放特性

  • 期刊名字:汽车工程
  • 文件大小:426kb
  • 论文作者:吕兴才,李德钢,杨剑光,张武高,黄震
  • 作者单位:上海交通大学内燃机研究所
  • 更新时间:2020-09-30
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论文简介

汽车工程2004年(第26卷)第2Automotive Engineering2004(Vol.26)No.22004034柴油机燃用乙醇柴油燃料的燃烧与排放特性吕兴才李德钢杨剑光张武高黄震(上海交通大学内燃机研究所,上海200030)[摘要]对燃用多种比例乙醇柴油的柴油机燃烧与排放特性进行了试验研究。测试了5%~25%乙醇柴油燃料以及柴油和乙醇的基本物理性质,在ZS00柴油机上对各种比例的乙醇柴油测试了发动机在主要工况下的性能与排放特性,并用光学可视化方法研究了柴油、15%乙醇柴油、15%乙醇柴油加十六烷值改进剂的燃烧过程。对试验进行了分析。An Investigation into Combustion and Emission Characteristicsof Diesel Engine with Ethanol-Diesel Blend FuelLu Xingcai, Li Degang, Yang Jianguang, Zhang Wugao Huang ZhenInstitute of Internal Combustion Engine, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030Abstract] This paper presents an experimental study on emissions and combustion characteristics of asingle-cylinder Di diesel engine with ethanol-diesel blend fuels. Physical and chemical properties of diesel,ethanoland their blends in different ratio are measured. The engine tests were performed using diesel fuel blended with5%-25% ethanol on ZS1100 diesel engine. The performance parameters and emissions were measured and com-pared to the baseline diesel fuel. In order to gain insight into the combustion characteristics of ethanol-diesel blendfuel, the engine combustion processes for blended fuels and diesel fuel were also observed using an engine videosystem(AVL 513)Keywords: Diesel engine, Ethanol-diesel blend fuel, Emission, Combustion推广应用。随着技术进步,英国AAE技术公司2、1前言美国纯净能源公司3等相继开发出低成本添加剂,解决了柴油与乙醇的互溶性、润滑性、腐蚀性等问题受环境保护和能源危机的影响,世界各国对乙后,由于它不需要对柴油机作任何改动,因此使乙醇醇在汽车上的应用进行了广泛的研究。乙醇是含氧柴油混合燃料的大量应用成为可能燃料,是一种生物能源,具有可再生性。利用生物酶为了优化乙醇在柴油中的最佳替代比例,研究技术以及农产品发酵技术可以从粮食、蔗糖、纤维等燃料的物理化学性质对燃烧与排放特性的影响,首各种生物材料制取工业用乙醇,并取得了明显的进先对柴油(Dese)、5%乙醇柴油(E5-D)、10%乙醇展。目前,乙醇在汽油机上的研究很多,也比较成柴油(E10-D)、15%乙醇柴油(E15-D)、20%乙醇熟,但是在柴油机上的研究不多1。柴油(E20-D)、15%乙醇柴油+十六烷改进剂(E15乙醇与柴油很难直接互溶,20世纪80年代前D+ CN improver)的物理性质进行了分析,并在后,各国学者对乙醇在柴油机上的应用提出了各种Zs1100柴油机上对各种燃料在多种工况下(最高转方法,但是由于需要对发动机进行改动而不能大量速下的负荷特性最大转矩转速的负荷特性)的动力国家自然基金-福特基金(50122166)和国家自然基金重点项目中国煤化工稿收到日期为2003年4月3日,修改稿收到日期为2003年6CNMHG汽车工程204年(第26卷)第2期性和经济性进行了测试,然后对柴油、E10-D、E15点。乙醇的闪点相当低,柴油的闪点比较高。从图-D、E15-D+ CN improver的烟度和气体排放进中可以看出,在柴油中加入乙醇后,混合燃料的闪点行了测试。为进一步分析乙醇柴油混合燃料的燃烧立即降低,与乙醇闪点相当接近。特点,用缸内可视化系统( AVI EVS系统)对柴油、2,3混合燃料的表面张力E15-DE5-D+ CN improver的燃烧过程进行了燃料的表面张力影响到燃料的流动性、喷射特观察研究。性和雾化质量。图3为实际测量得到的纯柴油和各种比例的乙醇柴油混合燃料的表面张力。由于乙醇2燃料的制备与物理性质的表面张力比较小,因此乙醇柴油混合燃料的表面张力都有不同程度的减小纯乙醇在常温下理论上能够以0~30%或70%100%的比例与无水柴油互溶4,但是由于乙醇容易吸水,它与柴油混合后对水分和温度相当敏感,因此当乙醇柴油中水含量超过一定比例后混合液会发生相分离,而且当温度降低后乙醇与柴油的互溶性也会变差。试验采用常规的商业柴油和无水乙醇DE2D(997%)为原料,借助于添加剂实现了乙醇与柴油图2各燃料的闪点图3各燃料的表面张的互溶。在配制所有比例的乙醇柴油混合燃料时,2.4燃料的密度与热值在其中加入了相同比例的助溶剂(如E15-D的成燃料的密度与热2分(体积比)为:15%乙醇、83%柴油、2%助溶剂)°值影响到计算热效率由于乙醇十六烷值很低,因此在柴油中加入乙的准确性。因此对混II醇后,混合燃料的十六烷值会有所降低。根据文献合燃料的密度进行了 Dicsel ES-D E IO-D E13H-DE20-DE23[4]在试验中配制了15%乙醇柴油加十六烷值改进测量。由于热值测量剂的混合燃料,使十六烷值接近柴油。4各燃料的密度困难,因此在热效率计乙醇和柴油按照一定比例互溶后,混合燃料的算时由密度反算出热值。在混合燃料热值计算中没物理化学特性如密度、粘度、表面张力、闪点沸点、有考虑助溶剂和添加剂的热值误差很小。图4为凝点等参数会发生变化,而且不会按照线性比例进测量得到的密度值。行加权。因此对各种混合燃料的一些理化参数进行2.5燃料的沸点了测量。乙醇的沸点远比柴油低,因此混合燃料的沸点2.1粘度和润滑性要比柴油低,从而改善了燃料的雾化效果,进一步影柴油机的高压喷3响到燃料的燃烧特征和发动机排放性能。射系统要求燃料具有2.6燃料的十六烷值良好的润滑性,如果燃料的十六烷值直接影响柴油机的着火性能。润滑性太差,则会加菜较高的十六烷值对改善发动机的冷起动性、降低燃剧高压油泵的偶件磨烧噪声和延长发动机寿命方面起着相当重要的作损。粘度在一定程度用,如图5所示。由于乙醇的十六烷值相当低,因此上能够反映燃料的润图1各燃料的动力粘度滑性。图1为柴油、乙醇和各种比例的乙醇柴油混随乙醇比例的增加,乙醇柴油的十六烷值线性下降27相分离和稳定性合燃料的粘度。由于乙醇的粘度很低,仅为柴油的乙醇柴油混合燃料中水含量较高时会发生相分1/3左右,因此乙醇柴油混合燃料的粘度也有所降离,混合燃料就不稳定。图6所示为10%乙醇柴油低,并且随乙醇比例的增加,粘度下降程度增加,中加入0.1%的水后在各种温度下对助溶剂的需混合燃料的闪点求量。从中可以看出,为了保持混合燃料在各种温闪点是在试验室状态下测量的燃料接触火源时能够着火的温度,它影响到燃料的运输和存放、使用中国煤化工溶剂要求混合燃料过程的安全性。图2为乙醇、柴油和混合燃料的闪TH的温度升高,也有助CNMHG2004年(第26卷)第2期汽车工程于提高混合燃料的稳定性。值得注意的是,柴油机的热效率却与燃油消耗率的变化趋势相反。柴油中加入乙醇后,发动机的有效热效率上升(见图8)。在大部分工况下,乙醇柴油混合燃料的有效热效率提高了1%-2%(绝对值),特别是在中高负荷,热效率改变效果更显著。这主要是两个方面的原因引起的。其一,乙醇是含乙醇比例%20-10温1e04氧燃料,它在燃烧时起到自供氧的作用,特别是在富图5乙醇比例对混合燃图610%乙醇柴油的燃料区,使燃料燃烧更完全;其二,由于乙醇的沸点料的十六烷值的影响[4]稳定性试验很低,混合燃料喷射到气缸后容易汽化,加之乙醇柴油的粘度和表面张力较小,有效地改善了燃料的雾发动机性能试验化质量,使油气混合更均匀。综合这两方面的原因乙醇柴油混合燃料的燃烧效率提高,因此有效热效试验是在一台单缸水冷、4冲程、直接喷射式柴率得到改善。另外,对比两种含有15%乙醇的混合油机上进行的,发动机的基本参数见表1。试验首燃料(E15-D、E15-D+ CN improver)的性能可以先进行各种燃料的动力性和经济性试验,试验时保发现,十六烷值对柴油机的燃油消耗率和热效率无持发动机的最大功率和最大转矩不变。测试工况分明显的影响。别为发动机在标定转速和最大转矩转速下的各种负荷,记录在各种工况下的转速、转矩、燃油消耗、排气温度、机油温度。然后对柴油、E10-D、E15-DE15-D+ CN improver的气体排放和烟度进行了测..E15-D+CN improver..El5-D+CN improver表1试验发动机的技术参数图8不同工况下乙醇含量对柴油机有效热效率的影响缸径x行程/mm100×115排量/L压缩比175喷嘴开启压力/MPa18.13.2乙醇含量对柴油机烟度的影响功率/转速/12120喷油提前角/CA20乙醇柴油混合燃料的烟度在大部分工况下都比kw/rmin纯柴油的姻度要低。如图9所示,在2200r/min下,最大转矩/转速/589/1760喷孔数x直径/mm4×0.32乙醇柴油混合燃料的烟度在中高负荷下平均降低了50%以上。在1760r/min下,低负荷时的烟度接近3,1经济性与热效率分析于0,在90%负荷和全负荷下的烟度比纯柴油下降图7是各种燃料在2200/min和1760r/min下了1~1.5BSU。乙醇柴油混合燃料的烟度降低同的各种负荷时燃油消耗率(BSFC)的比较。从图中样是由燃料的含氧和低沸点特性所决定的。正是由可以看出,乙醇柴油的燃油消耗率要比柴油高,而且于含氧使燃料燃烧更完全,低沸点改善了混合气形燃油消耗率随柴油中乙醇比例的增加而增加。很显成质量,所以烟度明显降低,热效率也得到改善。然,这是由于混合燃料的热值降低的缘故,因为乙醇热值只有柴油的2/3左右,因此随混合燃料中乙5-D+CN improver醇比例增加要达到相同的输出功率必须要消耗更"2mn=176Or/minI-N improver*CN improvern=2200r/m图9不同工况下乙醇含量对柴油机烟度的影响%W》33乙醇含量对气体排放物的影响排放讨验采田AVCB系列气体排放测试中国煤化工图10为柴油机在图7不同工况下乙醇含量对柴油机经济性的影响CNMHG个负荷的气体排134汽车工2004年(第26卷)第2期放物浓度。从中可以看出柴油机燃用乙醇柴油时:由于混合燃料沸点降低,雾化特性改善,混合气CO排放在中低负荷增加,而在75%和100%负荷显成分均匀,因在中低负荷下整个混合气很稀,加上乙著降低,特别是E10-D在100%负荷降低了醇柴油的着火延迟增加,因此缸内平均温度很低,使48.9%,其它两种乙醇柴油在100%负荷也降低得NOx排放降低,CO排放增加。而在大负荷下,混30%以上;NOx在中低负荷(≤75%负荷)降低,特合气成分均匀,一旦缸内开始燃烧后,燃烧速度很别是50%负荷降低程度明显,但是在10%负荷稍快,缸内最高温度上升,因此NOx排放增加,CO排有增加;加入十六烷值改进剂后,CO和NOx排放在放降低。THC排放在整个工作范围内都增加,这是所有试验负荷下都有所下降;THC在各种负荷下都由于乙醇气体汽化后窜到燃烧室死区,混合气燃烧升高了,尤其是在10%负荷增加了将近1倍。不完全造成的4三BmmCN improverEsEIS-D+CN improver负荷汽负荷/%图10燃用乙醇柴油时各种负荷下的气体排放物接图像法对乙醇柴油在缸内的燃烧过程进行观察,4混合燃料的燃烧特性分析试验设备为 AVL EVS系统。图11为柴油、E15DE15D+ CN improver3种燃料在同一工况下燃烧过为了进一步研究乙醇柴油的燃烧特点,运用直程的火焰照片。1n122Bn (oRFTTC .m UBTDC (4-:2 3re G : e8.me 3RETI (n2.Ix (s )RHin(3)帮裤aI: tea BTDe29BI (aoBTT (4)75 BC ()soTt< 3aBrDc 20Mtc (8)0.43IIN成()l18EITC e cr De ()82 BTDC 4)/otIC .3.2Hn (o)3B.Dc 0220. a480( agwa图113种燃料在同一工况中国煤化工(1)从图11中可见,在柴油中加入乙醇后着火延HHCNMHGD的着火延迟增加04年(第26卷)第2期汽车工程了5.4CA(柴油在15.2° CA BTDO着火);在E5(3)燃料含氧,有助于促进燃烧,因而可降低烟D中加入十六烷值改进剂后,着火延迟明显得到改度,在中高负荷下可降低50%以上(4)对3种乙醇柴油和纯柴油的稳态8工况测(2)与柴油相比,乙醇柴油的燃烧持续期显著缩试表明,燃用15%乙醇柴油时一氧化碳可以降低短。这可能是由于两方面的原因造成的:一方面是5.8%,氮氧化物降低4.2%,但是总碳氢却升高了因为乙醇的粘度和沸点比柴油低,在柴油中加入乙40%以上;而在乙醇柴油中加入十六烷改进剂后,醇后,改善了燃料的雾化效果,提高了混合气形成质氧化碳和氮氧化物进一步降低,分别降低21%和量;另一方面,乙醇含氧,使得燃料的燃烧速率加快,7%,但总碳氢排放进一步升高。燃烧更完全。(5)柴油中加入乙醇后,着火滞燃期延长,但燃(3)乙醇柴油的火焰明显比纯柴油的火焰暗。烧持续期缩短,火焰辉度明显减弱。由于火焰的明暗与碳烟的产生直接相关,因此这也直接证明了乙醇柴油能够降低柴油机的碳烟排放。参考文献1金福祥,张武高,黄震等.乙醇燃料的研究发展与应用,柴油机5结论20022 Alan Rae. USA E- Diesel: An Immediate Practical Air Qualit(1)乙醇柴油的理化性质测试表明乙醇加入到and Energy Security Solution. The 14th International SymposiumAlcohol Fuels( ISAF XIV), Phuket, Thailand, Now12-152002柴油中,混合燃料的表面张力、粘度有一定程度降3 shad Ahamed,E-Des:AU.S. Experience on the Development低;沸点与乙醇接近;十六烷值会有所损失;加入少量助溶剂可以得到稳定的混合燃料。14th International Symposium on Alcohol Fuels( ISAF XIV)(2)乙醇的低热值只有柴油的2/3左右,因此乙Phuket, Thailand, Nov 12-15. 2002醇柴油混合燃料的燃油消耗率升高,尤其在低负荷De Caro P S, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al. Interest of Combining an Additive with Diesel-Ethanol Blends for Use in Diesel时,但发动机的热效率平均可提高1%~2%。燃料Engines. Fuel, 2001, 8(4)的十六烷值对燃油经济性和热效率影响不大。(上接第144页14 Hertl W, Patil M D and williams J L. Hrdrocarbo Adsorber SystemEngine with Close Coupled Main Catalyst. SAE Paper 980418for Cold Start Emissions. SAE paper 96034718 Oliver J Murphy, Rajesh T Kukreja and Craig C Andrews. Electri15 Edward Gardetto and Ted Trimble. Evaluation of on-board Diag-cally Initiated Chemically Heated Catalytic Converter to Reduceistics for Use in Detecting Malfunctioning and High Emission VeCold-Start Emissions from Automobiles. SAE Paper 2001-01hicles. EPA420-R-00-01316 Summers J C, Skowron J F and Miller M J. Use of Light-off Cata19 CONCAWE(1998)Fuel Quality, Vehicle Technology and Their Inlysts to Meet the Califomia LEV/ULEV Standards. SAE Paperteractions: Report No 99/55. Brusseles: CONCAWE20肖建华等.紧凑耦合催化器降低汽油机冷启动排放HC排放17 Otto E, Albrecht F and Liebl J. The Development of BWM Catalyst的研究(2002年度联合学术年会论文集).龙口:中国内燃机学Concepts for LEV/ULEV and EU /N Legislations 6 Cylinder会汽油机煤气机分会、中国汽车工程学会发动机分会,2002中国煤化工CNMHG

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