乙醇-柴油-汽油混合燃料的燃烧与排放特性

008年(第30卷)第3期Automotive Engineering2008(vol.30)No.32008042乙醇-柴油-汽油混合燃料的燃烧与排放特性杜宝国,隆武强,魏胜利,董全,许锋(大连理工大学内燃机研究所,大连116024)[摘要]以汽油为助溶剂配制出均匀稳定的乙醇-柴油汽油混合燃料,对比分析了单缸四气门135柴油机燃用不同配比混合燃料时的燃烧与排放特性,同时研究了燃用混合燃料时供油提前角变化和使用HL伞喷油嘴对柴油机性能的影响。结果表明:柴油机燃用适当配比的乙醇柴油汽油混合燃料,动力性、经济性基本保持不变,碳烟和NO,排放显著降低;着火滞燃期延长,缸内平均温度下降燃烧速率加快燃烧持续期缩短;当使用HL伞喷油嘴燃用E20G15燃料时,着火滞燃期进一步延长,油气混合速率和混合气均匀度明显提高在整个工况范围内,气缸压力和缸内平均温度均较低,碳烟和NO,排放同时降低,其燃烧过程具有明显的热预混合燃烧特征。关键词:柴油机;混合燃料;乙醇-柴油;燃烧特性a Study on the Combustion and Emission Characteristics of a DieselEngine Fueled with Ethanol-Diesel-Gasoline BlendsDu Baoguo, Long Wuqiang, Wei Shengli, Dong Quan Xu Fengnstitute for Internal Combustion Engines, Dalian University of Technology, Dalian 116024Abstract] A homogeneous and stable ethanol-diesel-gasoline blend fuel is formulated withblizer. The combustion and emission characteristics of a 135 single-cylinder 4-valve diesel engine with fuels of dif-ferent blending ratios are comparatively analyzed, and the effect of different fuel supply advance angles and the useof Hl nozzle with conical spray on the performance of diesel engine are analyzed. The results show that when usingappropriate ratio of ethanol-diesel-gasoline blend fuel, the engine power output and fuel economy remain unchangedhile the soot and NOx emissions reduce remarkably; the ignition delay period becomes longer, the average temper-ature in the cylinder lowers, the combustion rate increases, and the combustion duration shortens. When the engineuses HL nozzle and E20G15 blend fuel (20% vol. of ethanol, 15% vol. of gasoline and 65% vol. of diesel),theignition delay period becomes even longer, the fuel-air mixing velocity and homogeneity rise obviously, the pressureand average temperature in the cylinder lower across the whole range of load and both soot and NOx emissionsduce. The combustion process shows obvious characteristic of hot premixed combustion modeKeywords: diesel engine; blended fuel; ethanol-diesel; combustion characteristics料的技术已经比较成熟并获得了成功应用,而在柴前言油机上应用乙醇燃料还存在一些问题和困难,尚处于研究阶段4-5)。乙醇是一种可再生的生物质燃料,在内燃机上柴油机燃用乙醇燃料主要有以下几种方式:进应用乙醇燃料对于缓解石油资源日益枯竭、环境污气管添加乙醇即熏蒸法;双喷射系统;纯乙醇直接染不断加重等问题有着深远意义,对此国内外已开压燃展了大量的研究工作1-3。目前汽油机燃用乙醇燃化剂H中国煤化工或添加助溶剂、乳CNMHG燃料。其中使用国家973重点基础研究发展计划项目(2001CB209202)资助原稿收到日期为2007年3月29日,修改稿收到日期为2007年7月3日。2008年(第30卷)第3期柴油醇燃料因基本上不需要改变柴油机结构而最有以汽油作为乙醇和柴油混合的助溶剂。混合燃希望实现商业化。料配制采用体积法,如用60%柴油、20%乙醇、20%乙醇分子中含有34.8%的氧,理论空燃比低,汽油配制成的混合燃料,简记为E20020燃料,其它着火界限宽,能够促进燃烧。乙醇与汽油一些性质不同配比的混合燃料都以此规律用简称,100%柴油较为接近,十六烷值和黏度均较低,二者相溶性好;燃料则记为E0。试验中按照柴油、乙醇汽油的添乙醇和柴油的性质则差别较大,热值低、汽化潜热加顺序进行配制,经过搅拌、振荡摇匀后即成均匀稳高与柴油的相溶性较差。利用汽油可分别与乙醇定的混合燃料。通过观察不同配比混合燃料在密闭和柴油互溶的特点可以用汽油为助溶剂配制出均容器中的分层时间发现汽油的比例越高,混合燃料匀、稳定的柴油醇燃料。越稳定;在适当的配比范围内,其分层时间可达60柴油机热预混合燃烧(DHPC, diesel hot天以上甚至更长。premixed combustion)概念是大连理工大学胡国栋教由于汽油比例较大,其既作为助溶剂,同时又是授于20世纪80年代初提出的°,其核心思想为:在燃料的重要组成部分,随着乙醇、柴油、汽油掺混比压缩着火前完成油气的均匀预混合,并控制在上止的变化,混合燃料的物理性质和燃烧特性较柴油均点附近压燃着火,从而实现在较低缸内压力和温度发生了较大改变。混合燃料的黏度下降较大,试验下的快速燃烧,达到高效清洁的目的。其实质就是中为减少柱塞副的磨损添加微量的蓖麻油(0.5%)近年来成为研究热点的HCCⅠ燃烧模式,实现这种以改善润滑;乙醇的热值只有柴油的63%,汽油的燃烧方式的难点主要是均质混合气的形成与燃烧过热值略高于柴油,因而混合燃料的热值随着乙醇含程的控制。HL( high dispersion and long penetration)量的增加而降低。为便于比较试验中的燃油消耗伞喷油嘴「的喷雾特性及其喷油速率快的特点非常计方法设计出适合HcC的燃料是控制着火时刻和油消等原则折算为与柴油热值相当的当量燃率按能量相有利于缸内均质的混合气的快速形成;应用燃料设燃烧速率的一种有效技术手段。近年来的一些研究成果表明具有低沸点高挥2试验装置和方法发性、高汽化潜热、低十六烷值、高抗爆性特点的乙醇是一种非常有潜力的HCCI燃料”;汽油燃料也试验发动机为一台单缸四气门自然吸气式直喷具有较高的挥发性和较低的着火性能,其热值高、燃135.油机,其主要技术参数如表1所示。烧速度快,但运行中易发生爆燃。由此可推测,使用表1试验柴油机主要参数按一定比例配制的乙醇柴油-汽油混合燃料,有望排量几L2.15实现改善燃油雾化性能、降低缸内平均温度、推迟着缸径/mmx行程/mm135×140火时刻、延长油气混合时间提高混合气均匀度的目标定转速/(r/min)x标定功率/k1500x14.7标;而在此基础上,同时采用HL伞喷油嘴,将更有压缩比利于实现柴油机的热预混合燃烧。喷油泵型式为了验证乙醇-柴油汽油混合燃料在柴油机上柱塞直径/mm应用的可行性及其作为HCCI燃料的适用性,在启喷压力/MPa台单缸135四气门直喷式柴油机上,研究了不同燃喷孔数x喷孔直径/mm7x0.25料配比及供油时刻变化混合燃料的燃烧和排放特性,并应用HL伞喷油嘴燃用混合燃料进行了热预试验装置和主要测试设备如图1所示。用AVL混合燃烧试验。concerto v3.5后处理软件进行燃烧特性分析。试验中选用EEl5G15、E20G15、E20G204种1燃料配制燃料作为对比。在标定转速下按负荷特性进行柴油机性中国煤化工压缩比、喷油泵柱试验中使用标准0#轻柴油标准90#汽油和符塞直CNMHG机转矩、改变供油合GB18350-2001标准的燃料乙醇(含水率小于提前角换用不同喷油嘴型式等方式,比较柴油机燃0.8%用上述4种燃料时的燃烧与排放特性2008(vol.30)No.3杜宝国,等:乙醇柴油汽油混合燃料的燃烧与排放特性193范围内均显著降低。在中低负荷工况接近于无烟排NOA7000型气体分析仪[型烟度计放;在100%负荷工况,燃用E20G15和E0燃料的烟度分别为0.61BSU和1.37BSU,波许烟度值降低了约5%。这是因为:乙醇是含氧燃料,在燃烧时有AV6气缸压力信号「燃烧自供氧能力,增加了缸内的空燃比,使得局部燃油裂分析仪h水力测功器解生成碳粒的机会减少,从而降低了碳烟;另一个原集PC13袖机因是乙醇的汽化潜热大,降低了缸内工质温度和最高燃烧温度,显著地减少了燃油的热裂反应,抑制了曲轴转角信号碳烟的形成;同时混合燃料的十六烷值较低,导致可燃混合气的着火时刻延迟,燃料和空气的混合时间图1柴油机性能试验装置图增加,进而提高了混合气形成的质量,预混合燃烧份额增加,扩散燃烧相对减少,从而使碳烟的生成量降3试验结果与分析低;再由于乙醇和汽油的沸点低、黏度小、挥发性好有利于燃料的雾化与蒸发,提高了混合气形成速率和分布的均匀度,在一定程度上减少了过浓区,因而3.1不同配比混合燃料的燃烧与排放特性图2示出了供油提前角为17°CA、使用7×0.25碳烟排放降低。燃用混合燃料后NO,排放在中低负荷工况明显1509型多孔油嘴、燃用不同配比混合燃料时的油下降,而在高负荷工况则降低较少;乙醇和汽油所占耗和排放对比曲线。可以看出,在低负荷工况时,燃比例越大则下降越显著。在50%负荷工况时,燃用用混合燃料的当量油耗率比燃用F燃料时略高,在E20C20燃料的NO,排放从燃用EO时的895中负荷工况有所降低,而在高负荷工况时则相差不大。燃用混合燃料在50%负荷工况时具有最佳的10-降低到了525×10-4,降幅达41%。这是由于燃油经济性。乙醇的汽化潜热大,使缸内温度下降,燃烧推迟,滞燃用不同配比的混合燃料后碳烟排放在全负荷燃期延长;乙醇汽油燃料的低黏度、高挥发性提高了雾化质量,促进了缸内均质混合气的快速形成,燃烧过程中局部高温区减少;乙醇和汽油的燃烧速度相对较快,燃烧持续的时间缩短,已燃混合气经留高温区的时间减少,从而使NO,排放降低。图3显示了在100%负荷工况下,燃用不同配比供油提前角:17CA混合燃料时的示功图比较。可以看出,随着混合燃油嘴:7×0.25×150料中柴油比例的减少,燃烧始点向后推移,而燃烧结一E0束时刻基本不变,燃烧持续期缩短;由于燃烧推迟,并发生在上止点后,最高爆发压力降低;随着乙醇和汽油比例的提高,燃烧过程加快。-E20G15中国煤化工CN MHG450 60负荷率%曲轴转角()图2混合燃料配比对油耗与排放的影响图3不同混合燃料配比示功图比较汽车工程2008年(第30卷)第3期3.2不同供油提前角下混合燃料的燃烧与排放特性上山弦混合燃料中乙醇和汽油比例相对较大,燃料的性质较纯柴油已发生很大变化,这样燃用混合燃料时柴油机的最佳供油提前角也需要相应调整。为此研究了燃用混合燃料时供油提前角变化对燃烧和排放特性的影响。原机燃用纯柴油时的最佳供油提前角为17°CA,现将供油提前角分别调整为15CA和供油提前角:15CA13°CA进行性能对比试验。图4示出了燃用燃料:E20G15E20G15混合燃料3种供油提前角下油耗与排放的对比曲线。75%负0%负荷靠z曲轴转角()燃料:E20G15图5使用多孔油嘴、燃用F0G15燃料不油嘴:7x0.25X150同工况下油管压力与气缸压力比较-1T° CABTDC0.8·13· CABTDO阀头部锥台的锥角为140°,且在喷射锥面上开有10个R=0.05mm的凹槽图6给出了供油提前角为15°CA时,使用HL伞喷油嘴与多孔油嘴分别燃用E0、F20G15燃料的油耗和排放对比曲线。结果显示,中低负荷工况下当量油耗率在使用HL伞喷油嘴且燃用E20G15混负荷率%3图4供油提前角变化对油耗与排放的影响从试验结果可看出,在低负荷工况,减小供油提供油提前角:15cA前角时当量油耗率有所降低,而在中高负荷工况则7X0.25x150°H中15×140变化不大;随着供油提前角的减小,碳烟排放升高◆H45×140°E2G150但NO,排放显著降低。在100%负荷工况,17°CA供油提前角下的NO,排放为1.170×10,而在13°CA条件下为675×10-,下降了42%。图5为供油提前角15°CA时,燃用E20G15燃料在不同工况下油管压力和气缸压力的比较。可以兰40o∴看出,在中低负荷工况,滞燃期较长,燃烧过程中预混合燃烧所占比例较大。对本试验用柴油机,燃用中国煤化工E20G15混合燃料时,应适当延迟喷油,即减小供油提前角,对改善柴油机的油耗和排放有利。CNMHG10033HL伞喷油嘴燃用混合燃料的燃烧与排放特性负荷率试验中所用伞喷油嘴为H小1.5×140°型,即针图6H伞喷油嘴与多孔油嘴燃用不同燃料的性能比较2008Vd.30)N3杜宝国,等:乙醇柴油汽油混合燃料的燃烧与排放特性195合燃料时下降非常明显。图7为不同负荷工况下油值压力显著降低对应的曲轴转角也相对后移;着火管压力与气缸压力的比较通过进一步的分析可得时刻大幅度推迟,并且基本发生在喷油结束后。这出油耗率下降的原因:当使用HL伞喷油嘴并燃用是由于燃料的快速喷人和强烈的汽化吸热作用,导E20G15燃料后,乙醇汽油的低黏度、高挥发性使喷致缸内温度迅速降低而使着火延迟;整个燃烧过程雾的雾化质量进一步得到改善同时由于乙醇燃料主要发生在上止点后气缸压力相对降低;喷雾特性的自供氧特性使燃烧更加充分;乙醇、汽油的强汽和燃料特性的双重作用使雾化质量改善混合气分化吸热作用,使初期燃烧速率减缓,火焰温度降低,布更加均匀,局部髙温区减少,可燃混合气在较低的着火时刻延迟。这样就使着火前缸内形成了更多的缸内压力和温度下迅速燃烧,因而NO,排放下降。均质混合气,此时柴油机燃烧过程以预混合燃烧为图8为在不同负荷下着火滞燃期的比较。可主,并且燃烧完全,使当量油耗率下降。见,使用多孔油嘴燃用F20G15燃料时,其着火滞燃期较使用E0燃料在整个负荷范围内均有所增加,但上增加幅度不大;而当使用伞喷油嘴时,着火滞燃期增加显著,增加的幅度随负荷加大而减小。这是因为HL伞喷油嘴喷油迅速、燃油雾化质量好,混合燃料的蒸发汽化速率也相对提高,使缸内温度大幅下降,因而滞燃期相应延长供油提前角:15°CA,油嘴:H中5×140°7x0.25X150°B0燃料:E20G15270.25×150°E20G15sHL中1.5X140°E20G15曲轴转角()负荷率%图7使用H伞喷油嘴、燃用E20G15燃料不同工况下油管压力与气缸压力比较图8不同负荷下着火滞燃期比较使用H伞喷油嘴、燃用E0燃料时的碳烟排放图9示出了在100%负荷工况下油管压力气缸在中高负荷工况明显升高,而燃用E015燃料后压力放热率及缸内平均温度的比较。可见:在高负则显著下降。这是由于在中高负荷工况条件下,由荷工况,使用H伞喷油嘴燃用E20Gl5混合燃料于伞喷油嘴的喷雾贯穿距相对较小,随着燃油喷射后,喷油持续期缩短,气缸峰值压力显著降低燃烧量的增加而在喷嘴附近形成了过浓混合气区,导致始点推迟,燃烧持续期减小,放热率重心后移,缸内燃烧不充分,碳烟排放升高;而燃用E20G15混合燃平均温度大幅度降低。同时也表明,应用伞喷料,可燃混合气中的氧含量增加燃料的性质促进了油嘴、燃用适当配比的乙醇-柴油汽油混合燃料,着燃油的快速蒸发与混合,并且着火滞燃期的延长使火前在缸内可形成较为均质的预混合气,燃烧在较混合时间增加因此混合气分布的均匀度也显著提低的缸内压力和温度下进行整个燃烧以预混合燃高局部过浓区减少燃烧迅速、充分,燃烧过程得到烧方式为主,其过程具有明显的热预混合燃烧特征,改善,碳烟排放降低。基本实现了保持经济性不变条件下,碳烟和NO,排柴油机使用H伞喷油嘴时No,排放较使用多放同时降低的目标。孔油嘴时显著降低燃用E20G15燃料后,其NO,排中国煤化工放进一步下降。从图7与图5的比较可看出,在相4CNMHG同工况下,H伞喷油嘴比多孔油嘴的喷油持续期短,喷油速率相对较快;使用HL伞喷油嘴后气缸峰(1)汽油可作为乙醇与柴油混合的助溶剂,在2000年(第30卷)第3期(3)使用多孔油嘴燃用混合燃料时,柴油机的供油提前角应在原机的基础上适当减小;当使用HL伞喷油嘴时供油提前角应适当加大800(4)试验证明,乙醇-柴油-汽油混合燃料具有雾化性能好、混合气形成质量高、着火滞燃期长、燃烧速率快、燃烧持续期短的特点。新的燃料设计方案有利于实现柴油机的热预混合燃烧。参考文献[1] 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