柴油/乙醇混合燃料特性及对增压发动机性能影响

2005年12月农业机械学报第36卷第12期柴油/乙醇混合燃料特性及对增压发动杋性能影响ˉ于世涛郭英男刘金山谭满志卓斌【摘要】研究了不同掺混比例的柴油、乙醇混合燃料旳主要理化特性,结合十三工况实验分析了混合燃料对增压发动机性能的影响。实验结果表眀:随着乙醵掺混比例的増加,混合燃料的低热值、十六烷值、粘度逐渐降低混合燃料的低温蒸馏特性较强。发动杋实验结果表明:随着♂醇掺烧比例的増加,混合燃料的动力性逐渐降低、小负荷工况下经济性恶化严重。混合燃料的CO、HC、微粒、NO-比排放逐渐增加,干碳烟比排放有所降低关键词:柴油/乙醇混合燃料粘度蒸馏特性排放中图分类号:TK46+4文献标识码:AStudy on the Characteristics of Diesel-ethanol blend Fuel andEffects on Turbocharged Diesel EngineYu Shitao Guo Yingnan Liu Jinshan Tan Manzhi2 Zhuo B(1. Shanghai iao Tong University 2. ilin UniversityAbstractThe investigation was made on the main physical and chemical characteristics of dieselethanol blend fuel, the effects on the characteristics of turbocharged diesel engine were alsoinvestigated experimentally following the test procedure of ece r49. The result showed thatthe low heat value, cetane number, viscosity of blends decreased as the content of ethanolincreased in the blends. The distillation characteristic of the blends was very high in the lowrange of temperature. With the content of ethanol increasing in the blended fuel, the torqueoutput decreased the fuel economy deteriorated greatly at the low load, the brake specificCO, HC, particulate and NO, emission increased gradually, the soot emission was improvedKey words Diesel-ethanol blend fuel, Viscosity. Distillation characteristic, Emission已在汽油机上推行应用乙醇汽油(E7.7,E10,E20)引多年;然而乙醇在柴油机上的应用技术还不成熟,这随着国民经济的发展和汽车保有量的增加,石主要是由于乙醇与柴油两种油品理化性质有较大差油短缺问题日益突岀,大气环境污染问题日趋严重。异口。目前,国內外在柴油机上应用乙醇多采用燃用寻求清洁的石油替代燃料成为人们普遍关注的问柴油/乙醇混合燃料(以下简称混合燃料)的方式,对题。乙醇作为一种可再生含氧生物燃料,已越来越被E10进行了较多的研究,然而对多种比例混合燃料认为是一种比较有前景的代用燃料。的性质及其对发动机性能的影响研究不多,因此本由于乙醇的性质接近于汽油,在汽油机上掺文进行与发动杋应用相关的混合燃料理化特性的研烧乙醇燃料技术已十分成熟,美囯、巴西和欧共体等究,以及分析混合燃料对发动机的动力性、经济性和中国煤化工收稿日期:2004-11-10“十五”国家科技攻关计划资助项目(项目编号:2003BA408B11)CNMHG于世涛上海交通大学机械与动力工程学院博士生,200030上海市郭英男吉林大学汽车工程学院教授博士生导师,130025长春市刘金山吉林大学汽车工程学院副教授要,卖汽车工程学院讲师蘸学机械与动力工程学院教授博士生导师农业机械学报2005年排放特性的影响。因为乙醇的沸点为78.5C,远小于柴油的沸点,因1实验装置和实验方法而当混合燃料的温度升高大于乙醇的沸点温度时乙醇首先从混合燃料中大量蒸发出来,当混合燃料采用TYN-3型石油产品运动粘度测定仪,按温度达到100C时,乙醇已基本从混合燃料中完全照GB/T265实验方法进行混合燃料粘温特性实蒸发,混合燃料中仅剩下柴油燃料本身,所以当温度验、GBT6536实验方法在蒸馏仪上进行混合燃料在100℃以后,几种混合燃料的粘温曲线基本重合。蒸馏特性实验。实验用发动杋为￠A6DEⅠ-21型增正因如此,在柴油杋上燃用混合燃料的供油系统中压直喷式柴油机,压缩比为17,标定功率(转速)为应防止乙醇蒸发而发生气阻和穴蚀现象。同时,对于155kW(2300r/min),最大转矩(转速)725N·m柱塞式喷油泵而言,由于混合燃料的粘度下降,导致(140r/min)采用日本崛厂MEXA-822D型排燃料的节流效应下降,从而可能影响喷油泵每循环气分析仪进行气体排放污染物的测量,采用日本小供油量野DF-313型油耗分析仪进行发动机燃油油耗测量,采用分流式微粒稀释采样系统进行微粒采样分2,0HElO析。实验用油是以-35号柴油为基础油的E0、E30E10、E15(E后面的数字代表混合燃料中乙醇所占的体积分数)2混合燃料的性质2.1混合燃料的低热值、十六烷值图2混合燃料的粘温特性对比曲线乙醇燃料的着火性差,十六烷值仅为8,且其低of热值为柴油的63%(设柴油的低热值为100%)temperature of blend fuel因此随着乙醇掺混比例的增大,混合燃料的十六烷2.3混合燃料的馏程值、低热值逐渐下降如图1所示燃料油的蒸馏曲线是其馏岀率随温度变化的曲线,其形态代表着燃料油中轻、中、重馏分的分布比例。而这种分配比例对于燃料油在内燃机中的着火、燃烧和放热的时刻和强度起着决定性的作用。图3为E0、E10、E20、E30混合燃料蒸馏特性实验结果。十六烷值图1燃料低热值百分比十六烷值随乙醇掺混比的变化rE20Fig 1 Heating value percent and cetane number ofblend fuel versus ethanol fraction2.2混合燃料的粘度图3混合燃料的蒸馏特性对比曲线在柴油机中,燃油在供油系统中兼起着润滑和ig. 3 Comparison of distillation of blend fuels防漏作用,燃油的粘度是发动机燃料一个重要评价由图3可见,随着温度的升高,燃料的馏出率在指标然而燃料的粘度随温度变化关系(粘温曲线)不断增加,并且随着乙醇掺混比例的增加,相同馏出是燃料特别是代用燃料重要的品质特性。考虑到率所对应的馏出温度也在不断的降低,尤其在50发动机燃油系统工作温度范围,以-35号柴油为基馏中国煤化工混合燃料的素馏曲线相础油,在20~100C的温度范围内,对E0、E10、差CNMH邦点较柴油低的缘故由E20、E30混合燃料进行粘温特性实验实验结果如于头进行的时进程较快,乙醇的完全蒸发图2所示。需要一定的时间,因而当温度达到200C左右时,可由图2可知,随着乙醇掺混比例的增大,混合燃以认为乙醇已经完全从混合燃料中蒸发出来。所以料的粘度诱沔嫛獯,并且在温度为100附近,几种当混合燃料进入50%蒸馏阶段时,可以认为此阶段混合燃料的粘度和柴油的粘温曲线保持一致。这是为纯柴油燃料的蒸馏过程综上所述,在储存柴油乙第12期于世涛等:柴油/乙醇混合燃料特性及对增压发动机性能影响醇混和燃料时,混合燃料的较大的低温蒸发性是值由图5a可见,发动机燃用E10、E15混合燃料得考虑的一个重要因素后,在中小负荷范围内,燃料的比能耗较原机高,在3混合燃料对发动机特性的影响高负荷范围内,两种燃料的比能耗与原机差别不大这是由于乙醇燃料汽化潜热较大,着火性差,且在中3.1对动力性的影响小负荷范围内,发动机气缸温度较低,空燃比较大如图4所示,发动机燃用混合燃料后,发动机转从而导致混合燃料的燃烧差.所以随着乙醇掺混比矩下降较明显。在最大转矩点,E1θ燃料较原机下降例的增加,燃料的比能耗逐渐恶化随着负荷的逐渐5%,E15燃料较原机下降10%。这主要是由于混合增加,缸内温度逐渐升高,空燃比逐渐下降,混合燃燃料的热值低,E10燃料热值为原柴油的96.,4%料的燃烧得到改善,因而燃料的比能耗恶化程度降E15燃料热值为原柴油的94.6%,在没有提高循环低供油量的情况下,发动机的动力性必然有一定程度由图5b可见,E1θ燃料的比能耗在整个负荷范的下降。围內与原机相当。E15燃料的比能耗在低负荷工况下较原机恶化,在中高负荷工况与原机相当。这也是由于小负荷工况下,空燃比较大,乙醇燃料着火性差所引起的。E10总之,不同乙醇掺混比例的柴油乙醇混合燃料ElS的比能耗在小负荷时较柴油恶化,在中高负荷与原90012001500180021002400柴油相当图4不同乙醇摻混比对动力性的影响曲线3.3对排放的影响Fig 4 Effect on the torque output of diesel engi采用ECER49十三工况法对混合燃料的排放3.2对经济性的影响进行实验研究,采用分流式微粒稀释采样系统进行由于乙醇与柴油的热值相差较大直接采用燃微粒采样分析。实验结果如表1所示。图6分别为油消耗率来考察燃料的经济性是不合适的,为此引CO、HC、可溶性有机成分、干碳烟和NO2的十三工入比能耗( brake specific energy consumption,)简称2比排放直方图BSEC)进行对比,如图5所示。表1十三工况比排放对比Tab 1 Comparison of brake specific emission ofdifferent blend fuels一El5比排放/g·(kW·h)燃油种类E101.10.995.780.1330.0840.0482.161.166.790.2460.0810.1633.3.1对CO排放的影响由表1可以看岀,随着乙醇掺混比例的增大,燃料的CO比排放逐渐增加,这主要是由于小负荷工况下乙醇燃料的不完全燃烧导致的(见图6)。在小负荷工况下,缸内燃烧温度较低,且由于乙醇燃料汽E15化潜热较大,从而进一步地降低小负荷工况下缸內的中国煤化工的氧化反应速率。所以层是 CNMHG致的较厚的火焰淬熄由贝何⊥卜牦合燃料CO排放过高的主要原因。然而随着负荷的增加,缸內温度逐渐升图5负荷特性高,有助于削弱乙醇燃料的淬熄效应,同时.由于乙 Load characteristic醇燃料为含氧燃料,因而有助于提高CO的氧化反(a)n=1 400 r/min (b2300r/t应速率。从而导致在高负荷工况下,混合燃料的CO农业机械学报2005年排放有所改善3.3.2对HC和微粒排放的影响由表1可以看出,随着乙醇掺混比例的增加,混合燃料的HC排放逐渐增加,尤其在小负荷工况下E10(工况号:2,3,12,见图6),混合燃料的HC排放恶mm dl il化严重。这主要是因为小负荷工况下缸内燃烧温度较低,空燃比较大,且由于乙醇燃料具有较低的十六烷值和较大的汽化潜热,从而导致小负荷工况下HC排放恶化。由于微粒中的可溶性有机成分(SOF)主要成为口E15主02未燃HC2,所以微粒中的可溶性有机成分也随之增加(见图6)。由图6还可以看出,由于乙醇为含氧燃料,所以发动机燃用混合燃料后,在一定程度上也改善了微会0.05粒中干碳烟的排放量,1MEOE【0由于混合燃料的可溶性有机成分的恶化量高于干碳烟的改善量,从而导致随着乙醇掺混比例的増加,混合燃料的微粒排放逐渐恶化(由表1所示)围:r3.3.3对NO排放的影响由表1所示,随着乙醇掺混比例的增加,混合燃料的NO排放逐渐恶化。这主要是由于在高负荷工况下(见图6),发动机具有较高的燃烧温度,且乙醇口EI5为含氧燃料,有助于NO排放物的生成4结论(1)随着乙醇掺混比例的增加,混合燃料的低热值、十六烷值、粘度逐渐降低。(2)混合燃料的低温蒸馏特性较强3)乙醇燃料较低的低热值是导致发动机动力性降低的主要原因I Il(4)乙醇燃料较低的十六烷值、较大的汽化潜热工况号是导致小负荷工况下发动机的经济性,CO、HC、可图6十三工况比排放的对比直方图溶性有机成分排放恶化的主要原因。(5)含氧燃料在一定程度上改善了微粒中干碳emission in ece r49 mode烟的排放量以及高负荷工况下CO排放量;但同时导致了混合燃料NO排放量的增加。崔心存.內燃机的代用燃料.北京:机械工业出版社,19902周龙保.内燃机学.北京:机械工业出版社,19993 Likeos b. performance and emission of ethanol and ethTH中国煤化工and pre-chamber dieselto N, Ogawa H Improvement of diesel combustiCNMHGvarious oxygenated agentsdiesel fuels. SAE Paper 962115,1996