乙醇、乙二醇二甲醚与柴油混合燃料排放特性研究

第33卷第2期拖拉机与农用运输车Vol, 33 No. 2arm Transporterpr.,2006乙醇、乙二醇二甲醚与柴油混合燃料排放特性研究郑利,郭和军(第二炮兵工程学院,西安710025)摘要:提出了将乙二醇二甲醚作为乙醇柴油燃料的一种蛆成成分,利用乙二醇二甲醚好的发火性来改善乙醇柴油燃料差的发火性。试验表明乙二醇二甲醚与乙醇、柴油互溶,具有较好的稳定性。对三种比例混合燃料测试了柴油机在主要工况下的性能与排放特性,得出乙二醇二甲醚加入量以E20为最佳,此时,烟度降低了约80%,NO、略有增加,燃油消耗率略有下降。此外考察了随着十六烷值的变化对混合燃料的排放特性的影响,得出随着十六烷值的增加,NO,排放逐渐增加,对烟度和经济性存在一个最佳值。关键词:柴油机;乙醇;乙二醇二甲醚;十六烷值;排放中图分类号:TQ517.2;TK4文献标识码:A文章编号:1006-0006(2006)02-0050-03An Investigation into Emission Characteristics of Diesel Engine Fuelledby Mixture of Ethanol, Ethylene Glycol Dimethyl Ether and Diesel-FuelZHENG Li, GUo He-junThe Second Artillery Engineering College, Xi'an 710025, China)Abstract: This paper presents that to take ethylene glycol dimethyl ether as the elements of ethanol-diesel fuel so asimprove the bad ignition property of ethanol-diesel fuel. The experiment shows that ethylene glycol dimethyl ether can bedissolved in ethanol and diesel, and the blended fuel has a good stability. The engines performance and emissions with thefuels of three blending ratio are measured and compared to that with baseline diesel fuel the result is that the best ratio ofethylene glycol dimethyl ether is E20, and the engine's emissions of smoke could be approximately reduced by 80%,whilethe emissions of No, only slightly increased. The effects of cetane number changes on the emission characteristics are alsinvestigated, we can conclude that emissions of NO, will increase slowly with improvement of cetane number, and there is abest number of it to the smoke emissions and economy propertyKeywords: Diesel engine; Ethanol; Ethylene glycol dimethyl ether; Cetane number; Emission乙醇和乙二醇二甲醚均是含氧燃料,含氧量分别为1混合燃料的配制34.8%和35.6%,均可作为柴油燃料的部分替代燃料,它们1.1原料引人柴油中可大大降低柴油机的烟度排放。清华大学王建原料采用工业用无水乙醇(99.7%)、工业用乙二醇二甲昕等研究表明,常规柴油机不作任何改动,可以成功地燃烧一定比例的乙醇柴油,并且可以大幅度降低排气烟度,乙醚(99.9%)和商用0°柴油1.2配制方法醇掺合比例为30%时,标定工况点的烟度可降低80%,燃料的经济性也有一定程度改善,但乙醇的十六烷值很低,仅为先将乙醇与乙二醇二甲醚按十六烷值为45,50和55配8,它的引入大大降低了柴油的发火性能,不利于混合燃料的制成醇醚混合物,然后分别将柴油与十烷值为50的醇醚混燃烧。而乙二醇二甲醚的+六烷值很高约为98,发火性能合物按10%,20%和30%配制[分别简称E0(50),好,国外的Bero等研究表明2),在柴油机不作任何改动,E0(50),E30(50)],与十六烷值为45和550的醇醚混合物燃烧一定比例的乙二醇二甲醚与柴油混合燃料,可大幅度降按20%配制[分别简称E20(45)、E20(55)],得到5组乙醇低排气烟度,但醚类物质的抗磨性能差,不利于减少机械磨乙二醇二甲醚与柴油的混合燃料。损。因此,我们把乙醇、乙二醇二甲醚按一定比例混合作为中国煤化工由的混合燃料倒入试管柴油机的燃料,一方面利用乙二醇二甲醚的高的发火性能,另一方面充分发挥乙醇和乙二醇二甲醚的高的含氧量,降低中,CNMHG止稳定后,观察互溶性柴油机烟度的排放与稳定分层性,所得结果如表1。收稿日期:2005-06-24;收修改稿日期:2005-12-28郑利等:乙醇、乙二醇二甲醚与柴油混合燃料排放特性研究表1三种比例混合燃料的稳定性试验结果醇、醚含量的增加而上升,随着负荷的增加而降低,且在Tab 1 Stable Results of Three Blending Fuels燃料2300r/min下,混合燃料的燃油消耗率要比柴油要高,这主E10(50要是因为随着醇醚含量的增加,含氧量逐渐增加,而C/H比2004-11-13奶一和热值逐渐减少所造成。而在1800/min下,E10和E20燃2004-12-13油消耗率比柴油要低。其原因一是乙醇与乙二醇二甲醚都2005-01-13是含氧燃料,在低速运转下,易使燃料完全燃烧;二是混合燃2005-02-132005-03-13√v√√√料的沸点、运动粘度和表面张力较低,改善了燃料的雾化质2005-04-13量使燃料与气体能够混合充分,促使燃料完全燃烧,综合这2005-05-13两方面原因,混合燃料的燃料消耗率下降。由图可见注:①表中“v”表示试样均匀稳定1800r/min下,E0在低负荷下燃油消耗率比柴油平均下降了由表1可知在密封的情况下可以长时间储存,不会出42%,在中高负荷下平均下降了34%,具有较好的经济性现分层现象。2试验设备及试验条件I 800 r/min2.1试验用柴油机柴油机台架试验是在单缸、四冲程、水冷直喷式柴油机上进行,柴油机的主要技术参数如表2所示。衰2柴油机主要技术参数Tab 2 Main Parameters of Diesel Engi技术参数指标技术参数气缸直径/mm100‖喷油提前角/(°)CA多兰,凶哥军果一EO气缸行程/mm15燃烧室连杆长/mm90‖柱塞直径/mm2 300 r/min塞排量/L0.903标定转速/(r·min-)比13定功率八W22排放测定仪器多兰迎30柴油机排气烟度采用透光式烟度计在线测定,仪器采用AVL DiSmoke4000不透光烟度计,烟度值以消光度表示;使用佛山分析仪器厂的5气分析仪在线测量NO,CO,HC有害功率kW气体浓度。图1含量对燃油经济性的彩响23动力性、经济性的测定装置Fig 1 Effect of Mixed Fuel on Specific Fuel Consumption采用型号为D150的水力测功机测定柴油机的功率转3.1.2对烟度的形响(图2)矩;采用电子秤测定不同工况下运转一定时间所消耗的燃油,评定柴油机燃油经济性。24试验环境条件800 r/mi室内温度:26.2℃;室内湿度:50.5%;柴油机冷却水温E3080℃;机油温度:>40℃25试验选取外特性和1800r/min转速的负荷特性进行了台架柴油机试验研究。柴油机在更换燃烧柴油与混合燃料各种比例的混合燃料后,首先观察一段时间柴油机是否出现粗暴运转,之后进行性能测试。每一个工况下的性能测定均当柴油机在该工况下运转E20 2300 r/min处于稳定后进行。在柴油机动力、燃油耗、废气测定试验过程中,不同燃料切换后,柴油机稳定运转足够长时间,以消除燃油系统内的残余燃料对新试燃料的影响。中国煤化工3台架试验结果及分析CNMH3.1乙醇、乙二醇二甲醚含量对柴油机性能影响3.1.1对燃油消耗率的影响图1是各种燃料在2300/min和l800r/min下的各种图2含量对烟度排放影响负荷条件下燃油消耗率的比较。由图可知,燃油消耗率随Fig. 2 Effect of Mixed Fuel on Smoke拖拉机与农用运输车第2期2006年4月由图2可见,随着乙醇、乙二醇二甲醚含量增加,混合燃料的烟度呈递减趋势,且在大部分负荷条件下,均低于柴油)o rimin一E20(50)的烟度。在低负荷条件下,烟度几乎实现零排放,且含量对排放影响较小,因为此时燃烧室内的过量空气系数较大。在2300r/min中高负荷条件下,20的烟度比柴油降低近80%;在I800r/min中高负荷条件下,F20,E30的烟度比柴油降低近75%,烟度排放性能良好。这一现象的原因是:①高负荷时喷油时间长,此时进入油束中心的乙醇、乙二醇二甲醚可抑制炭烟的形成;②高的含氧量、低的C/H比也有利一E20(45)于减少炭烟排放;③高的过量空气系数使得局部缺氧的可能2300 Nmin -E20(50)性降低;④高负荷时温度高促进了高CH物质分解,有利于炭烟的生成31.3对NO,的影响(图3)E0E102000-E20 1800 r/min功率W图4对燃油经济性的影响1500Fig 4 Effect of Cetane Number on Specific Fuel Consumption一E20(50)800rminE0E10E202300rmE300.6E20(45)E20(50)2300rmin功率kWE20(55)3对Nox排放彩响Fig 3 Effect of Mixed Fuel on NO, Emission由图3可见随着负荷的增加,NO,排放呈递增趋势,高负荷增加趋势要低于中低负荷,原因一是由于负荷低时,混合气的氧化能力强,而高负荷时,混合气的氧化能力弱,这不利于NO,的生成;二是随着负荷的增加,温度升高促使NO功率kW的生成。在2300r/min中低负荷条件下,乙醇、乙二醇二甲图5对烟度排放的影响Fig 5 Effect of Cetane Number on Smoke醚含量对NO、排放影响较小,但相对F0其排放却有所增加,规律为F20(55)>E20(45)>E20(50)。因此,在大部分负主要是氧化成分增加促使NO,的生成;高负荷时含量的增荷条件下,E20(50)的烟度最低。加对No,排放影响不大。在1800rmn低负荷条件下,乙3.2.3对NO,的影响(图6)醇、乙二醇二甲醚含量对NO.排放影响不大。由图6可见,随着负荷的增加,NO,排放逐渐增加,且随3.2醇酿十六烷值对柴油机性能的影响着十六烷值的增加而逐渐增加。2.1对燃油消耗率的彩响(图4)由图4可见在2300r/mn条件下低负荷时燃油消耗4结论率E20(55)>E20(45)>F20(50);高负荷时,F20(50)>1)在对柴油机不做任何改动的条件下,柴油中加入一定E20(45)>E20(55)。在1800r/min时,燃油消耗率比例的田醚可士度降低烟度排放。在E20(50(45)>B20(5)。因此在大部分负荷条件230中国煤化工的烟度比柴油降低近下,F20(50)的燃油消耗率最低。CNMHG,E20,E30的烟度比柴3.2.2对烟度的影响(图5)油降低近75%,而NO,排放却有所增加。因而在使用该混由图5可见,随着负荷的增加,烟度排放逐渐增加。在合燃料时,应同时采用降低NO,的技术措施,如国外常用的低负荷下,烟度排放很低,几乎接近零;在中负荷下,变化规EGR循环系统。律为E数0);在高负荷情况下,变化(下转第55页)孟炜:从EPA排放认证探讨燃油系统技术开发策略些柴油机将很容易满足2008年NMHC+NO,排放标准指标。对于37~75kW功率段柴油机,75-130kW功率段柴4.9r2008年NMHC+NO标准,19-37kW油机可采用方法①增压、增压中冷,高压喷射及精确正时加EGR废气再循环技术;②采用电控多次喷射技术,必要时,加EGR废气再循环技术1。3结论2142004年NMHC+NO标准,375k/4937kw1)高压喷射燃油系统是满足未来排放法规关键技术,对037~55k于DI直喷柴油机而言喷射压力至少在100MPa以上。2008年PM标准2)电控多次喷射是满足未来排放法规关键技术0070.140.210.280.35PMIg·(kw·h)"3)带冷却EGR是一种既可获得较好燃油经济性又可获图2EPA2004年19-55kW非道路柴油机认证资料统计(3得合理降低NO,的有效的方法Fig 2 EPA 2004 Emission Certification Data for 19-55 kW Engines4)对于功率小于37kW的柴油机而言,采用IDl非直喷2现有满足2008年Ter3排放标准主要技术手段技术是达到T3及以上标准最经济有效的方法,而对于功率小于75kW的柴油机而言,D非直喷技术也是达到Ter3传统降低排放主要方法如下:标准可选用的方法之一。1)减少颗粒排放方法。通过改善混合燃烧来减少碳烟5)机械燃油系统对于功率小于130kW的柴油机而言,生成。即使用较小的喷孔直径同时提高喷孔流量系数以获存在达到Te3标准的技术方案得较好的雾化和蒸发效果;提高喷射压力喷油速率和喷油能量,以缩短喷油持续期并同时降低进气涡流比参考文献1] EPA Certification Guidance 40 CER PART 86[ EB/OL].[20052)减少氮氧气体排放方法。缩短冲量在高温下停留时10-20].http://www.epa.gov/nonroad-diesel/regnlations.htm间降低气缸内燃烧温度。最有效方法是采用推迟喷油正[2 EPA Nonroad Engine and Vehicle Emission Study Report[ EB/时、中冷和EGR控制技术L.[2005-10-11].http://www.epagow/nonroad.本文主要关注功率小于130kW的柴油机[3] EPA. Large Engine( On-highway and Nonroad Compression-I对于大于130kW柴油机采用方法通常与道路车辆柴油CertificationDataEb/oL.[2005-10-19.http://ww机控制策略相同“,即应用高压喷射燃油系统电控高压多次喷射技术,同时根据具体情况适当应用EGR废气再循环技术。[4] LINGENS A. Fuel Injection Strategies for Medium Duty Engines to对于19~37kW功率段柴油机,可采用方法:①ID柴油Meet Future Emission Standards[ C]. FISTTA, Helsinki, 2002机传统技术;②低增压、高压喷射及精确正时控制技术;③釆[5] Reducing Air Pullution from Nonroad Engines[EBL.200用电控多次喷射技术。10-10].http://www.epagov/nonroad(编辑史洛晨)(上接第52页3000低负荷下燃油消耗率比柴油平均下降了4.2%,在中高负荷一E20(45)下平均下降了3.4%,具有较好的经济性E2050)1800r/mi3)由试验结果可得,乙醇、乙二醇二甲醚加入的比例不2000一E20(55)能太大,本试验可以看出E20的性能总体要优于E10,E3015004)十六烷值对乙醇二甲醚与柴油混合燃料性能有一定影响。随着十六烷值的增加,NO,排放逐渐增加。对于烟度排放和经济性,存在一个最佳值为E20(50),这时烟度排放和经济性最好。1600)2300r/r参考文献一E20(55)[1]王建昕,闫小光程勇,等.乙醇-柴油混合燃料的燃烧与排放特性[]内燃机学报,2002,20(3):226-229[2] BERTOLI C, GIACOMO N K, BEATRICE C Diesel CombustiM凵中国煤化工smep(0.AECNMHG对乙醇柴油燃料排放特功率/kW性的影响[J].内燃机学报,2003,21(6):419~42图6对No排放的彩响(编辑郭聚臣)Fig 6 Effect of Cetane Number on NO, Emission2)燃用乙醇、乙二醇二甲醚与柴油混合燃料时,E20在作者简介:痹利(1980-),男,硕士,主要从事含氧清洁燃料的研究