添加乙醇对柴油-生物柴油混合燃料性能的影响

添加乙醇对柴油-生物柴油混合燃料性能的影响刘家利陈昊刘金霞(长安大学)【摘要】在一台小型直喷式柴油机上进行柴油-生物柴油(柴油70%,生物柴油30%)与柴油-生物柴油一乙醇(柴油70%,生物柴油20%,乙醇10%)两种混合燃料的燃烧油耗和排放性能对比试验。分析了乙醇的加入对柴油一生物柴油混合燃料的发动机燃烧压力滞燃期、放热规律、比油耗等的影响。【主题词】直喷式柴油机生物柴油乙醇0引言1试验仪器与燃料节能和环保是当今车用发动机发展的两大主1.1试验仪器题随着对石油资源有限性的认识,人们意识到应试验所用发动机为ZH105W型单缸直喷柴减少对其作为主要能源的依赖,在全球范围内加油机,其气缸直径为105mm,活塞行程为115m,压快了对可再生能源的研究。缩比为16.5,排量为0.996L标定功率为103kW,生物柴油是由植物油或动物脂肪通过酯化反喷油提前角为上止点前22°。最大扭矩对应转速应制成的脂肪酸甲酯燃料,理化特性接近柴油,是为1500r/min。典型的可再生能源。其十六烷值和闪点较高,抗试验采用日本小野公司生产的CB566燃烧分爆性能优于常规柴油;硫含量低,SO2和硫化物的析仪、电荷放大器压力传感器、光电传感器、曲轴排放低;不含对环境造成污染的芳香族烷烃;含氧转角发生器等组成的一套动态测试分析仪测录发量高于矿物柴油,可达10%,燃烧所需的氧气量较动机的示功图。废气排放的测量采用AVL公司生常规柴油少;此外,生物柴油还具有生命周期内产的 AVL Digas4000发动机排气分析仪。烟度测CO2释放较少的显著特点。生物柴油既是比较理量采用 AVL Dismoke4000部分流不透光烟度计,想的代用燃料,也可作为混合燃料添加剂,受到人选光吸收系数K(m-1)来表示烟度值。使用日本们的广泛关注。小野生产的TP244流量传感器和DF313数字流研究发现,室温下柴油、生物柴油和乙醇可以量计测量30s油耗进而计算出比油耗。很好地互溶,而且长期放置不分层。将乙醇加入12试验燃料柴油-生物柴油混合燃料中,通过柴油-生物柴试验用燃料为柴油-生物柴油混合燃料油与柴油-生物柴油-乙醇两种混合燃料的燃烧(70%柴油、30%生物柴油,以下用B30表示),柴和排放性能对比试验,研究乙醇的加入对柴油油一生物柴油-乙醇(70%柴油、20%生物柴油、生物柴油燃烧特性、经济性与排放特性的影响,为10%乙醇,以下用B20+ElI0表示)。试验用基础柴油机代用燃料的发展提供理论和试验依据。燃料为0号商品柴油、大豆油制成的生物柴油和中国煤化工收稿日期:2007-11-13CNMHG上海汽车2008.2乙醇。通过理化试验得到3种基础燃料及B30和B20+E10两种混合燃料主要指标,如表1所示。表1燃料主要理化特性燃料生物柴油(豆油》乙醇B0B0+EU密度(20℃)(g:cm23)0808.2890850:36曲轴转角(CA)十六烷值图1燃烧压力对比质量热值(·k|42.68382724.440420℃运动粘度(mm2·s-1)39641.247气化潜热251.2854235.204297.318(k/kg)含量1034.783.12040505101520曲轴转角(℃A)2试验结果与分析图2压力升高率对比选择转速(以下用n表示)为1500r/min,平图3为n=1500r/min、Pme=0.531MPa时均有效压力(以下用Pme表示)为0.531MPa的工B30与B20+E10的放热率对比。从图中可以看况点对比B30和B20+E10燃烧特性通过对示功出,B20+E0的峰值放热率增大了18%,对应图的分析,计算燃烧放热率、压力升高率确定出的曲轴转角推迟了1℃A。以放热率连续3个点最高燃烧压力及其所对应的曲轴转角、滞燃期等为负值作为燃烧终点,B20+E10在上止点后表征发动机燃烧过程的各参数,进而对发动机的35℃A燃烧结束,B30则是在上止点后4℃A。燃烧特征进行分析。B20+E10燃烧持续期较B30缩短7℃A,这是因2.1燃烧特性对比为乙醇的低沸点和粘度可降低燃料的表面张力,图12分别为n=100ymin、Pm=0.531MPa使含有乙醇量的混合燃料B20+E10更容易雾化时B30与B20+E0的燃烧压力和压力升高率对和蒸发,提高了混合气形成质量,乙醇的高含氧量比。从图1、2可以看出:与B30相比,B20+E10使得燃烧速率加快,燃烧持续时间缩短;B20+Σ0的滞燃期延长,最大压力和最大压力升高率均出的放热率曲线位置后移的原因与前面所述的燃烧现位置后移最大压力略有降低而最大压力升高压力和压力升高率曲线位置后移相同,都是由滞率升高。B20+E10的最大燃烧压力比B30降低了0.4%,而最大压力升高率增加了9.1%,对应0.25的曲轴转角均推迟了1℃A。B20+E10的燃烧曲线后移主要是因为乙醇的气化潜热大、十六烷值20.5低,添加乙醇使得混合燃料的滞燃期延长。最大燃烧压力略有降低是因为乙醇的燃料低热值较低,导致燃烧热量较低,而最大压力升高率升高主-20-10010要是因为乙醇的氧含量较生物柴油有较大的提中国煤化工高,使得燃烧速率加快。CNMHG比上海汽车2008.2燃期的延长引起的。图6~9为发动机转速1500r/min时燃用2.2经济性对比B30和B20+E0各种排放污染物对比。图4为转速1500r/min时燃用B30和B20+E10比油耗对比。由图4可见:燃用B20+E10比0.16油耗高于B30。在7个负荷点处B20+E10比油耗平均比B30增加了3.1%。这是因为乙醇的低热值比柴油和生物柴油都低,相同体积的柴油生物柴油-乙醇混合燃料释放的能量较柴油-生物柴油明显降低,因此必须加大循环喷油量才能00.204060.8保证发出同样功率。在大负荷点时B20+E10与B30比油耗差距有所缩小,这是在中高负荷时,图6CO排放对比缸内温度较高,乙醇较高含量的氧元素发挥作用,由图6可见,随着乙醇的加入,B20+E10的燃料燃烧比较充分的结果。CO排放量平均减少了32.4%,并且在大负荷时CO排放大幅减少,而在中小负荷时CO的减少量较小。其原因是乙醇的高含氧量有利于燃料的燃◆B30多兰烧,大负荷时气缸温度较高,有助于燃料的雾化和燃烧,而中小负荷时气缸内混合气过稀燃料雾化较差,乙醇气化潜热髙,缸内燃烧温度低,不利于CO的继续氧化,从而减弱了乙醇对燃烧的促进作平均有效压力(MPa)用。可见B20+E10混合燃料的CO排放主要是由缸内温度与氧含量共同作用的结果,且乙醇的图4比油耗对比高氧含量对CO排放的抑制起主导作用。图5为转速1500r/min时燃用B30和B20+10E10比能耗对比。在中小负荷区,燃用B20+E10一B20+E10的比能耗比B30略高,而在高负荷区,B20+E10的比能耗略低,7个负荷点B20+E10的平均比能耗B30基本相等,只高出了0.5%。这也是因为乙0204060.8醇的低热值较低,虽然B20+E10的比油耗较高,P。(MPa)但比能耗相对来说并没有升高。图7HC排放对比B30图7为HC排放的对比。随着负荷的增加两种B20+燃料的HC排量都缓慢降低。可以看出随着乙醇的加入,B20+E10的HC排放量平均增加了6.1%,但在大负荷下,HC排放缓慢降低。这是由于乙醇的着火性能较差,主要靠柴油引燃,尤其在中小负荷Pe(MPa)下,乙醇的气化潜热大缸内温度低使得燃烧恶化图5比能耗对比HC排放增加角薇下缸内沮度校高HC排放略有减中国煤化工然料的CO排放2.3排放特性对比主要月CNMHG的结果,且缸内上海汽车2008.2温度对CO排放的促进起主导作用。(1)与B30相比,B20+E10的滞燃期延长气缸最大压力升髙率以及峰值放热率均增加且峰值位置后移,但燃烧持续期缩短。可见乙醇的加B20+E10降低了混合燃料的着火性,但促进了燃烧。(2)B20+E10的比油耗增加,但比能耗变化不大。由此表明虽然乙醇的加入增加了混合燃料的油耗量,但从能量角度来讲能量消耗率并没有0.20406增加。(3)乙醇的加入使混合燃料的排放因子水平图8NOx排放对比的改变主要受缸内温度与氧含量共同作用,与B30相比,B20+E10由于乙醇的加入使得CO和烟度0x的排放对比如图8所示。随着负荷的增排放均有所降低,而HC和NOx排放略有增加。加两种燃料NOx排量都明显增加,B20+E10的NOx排量要比B30高出15.6%。可以看出虽然乙参考文献醇的加入降低了混合气温度,但乙醇的高含氧量使得燃烧在富氧条件下进行,增大了NOx的排放。陈吴,张春化,边耀璋,宋建桐直喷式柴油机燃用生物柴油的性能与排放[]长安大学学报,202司利增,边耀璋,张春化直喷式柴油机燃用脂肪酸甲酯的bBo一B20+E10排放特性[].安全与环境学报,2006李跟宝,周龙保蒋德明生物柴油对直喷式柴油机燃烧和排放的彩响[]柴油机,2004李玉芹,曾虹燕生物柴油特性及作为混合燃料添加剂的研究[门]宁波化工,2005P.(MPa)5 Hodgson J W, Nick D K, Whalen M V. Improving the coldperformance of alcohol fueled engines using a rich combustor de图9烟度对比SAE9813596 Abu Qudais M, Haddad Q, Qudaisat M. The effect of aleo由图9两种燃料的烟度对比可以看出,燃用fumigation on diesel engine performance and emissions[ J].Ener-B20+E10的碳烟排放与B30相比降低了524%。6 Conversion and Management,199主要原因是:乙醇的高含氧量可在燃烧过程中提7何邦全,王建昕阎小光柴油机含氧燃料的研究进展[刀].农业机械学报,2003供更多的氧,因此降低了燃料浓混合区缺氧的程度,也就在一定程度上抑制了碳烟的生成;另外乙Abstract醇的沸点比较低,使得乙醇在气缸内比柴油更容易蒸发雾化,更有利于燃料与空气的混合,降低了缸内空燃比的不均匀性,从而降低了碳烟的排放emission perfocomparison betweethe diesel -biodieselfuel( diesel 70%3结语biodiesel 30%)and ethanol diesel-biodieselblend fuel diesel 70%, biodiesel 20%, ethanol本文通过柴油发动机燃用B30和B20+E1010%) are done on a single cylinder diesel engine两种混合燃料的燃烧特性、经济性和排放特性对 The influence of the accession of ethanol to the比试验,分析了添加乙醇对柴油-生物柴油混合中国煤化工nod,heat燃料性能的影响。mHCNMHGalyzed12上海汽车2008.2