柴油机燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的试验研究

第23卷第3期农业工程学报Vol 23 No. 31802007年3月Transactions of the CSaeMar.2007柴油机燃用乙醇柴油-生物柴油混合燃料的试验研究纪威,符太军,姚亚光,周庆辉(中国农业大学工学院,北京100083)摘要:研究了乙醇柴油生物柴油混合燃料旳互溶性和理化性质,测量了柴油杋燃用柴油、乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的动力性、经济性与排放特性。结果表明,当温度高于10C、生物柴油的体积分数大于17.6%时,乙醇、柴油和生物柴油可以仼意比例稳定互溶。随着乙醇掺混比例的増大,燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的燃烧与排放情况是:燃油消耗率逐渐增大,但能量消耗率变化不大;转矩逐渐諴小;烟度排放大幅度降低,中高负荷下CO排放大幅度减少,HC排放量明显增加,Nx排放变化不大;最大燃烧压力和放热率峰值逐渐升高并后移。关键词:柴油机;乙醇;生物柴油;烟度中图分类号:TK421.2文献标识码:A文章编号:1002-6819(2007)3-018006纪威,符太军姚亚光,等.柴油机燃用乙醇-柴油生物柴油混合燃料的试验研究[].农业工程学报,2007,23(3):180-185.Ji Wei, Fu Taijun, Yao Yaguang, et al. Experimental etudy on diesel engine burning ethanol-diesel-biodiesel blend fuel[J].Transactions of the CSAE, 2007, 23(3): 180-185. (in Chinese with English abstract油混合燃料的动力性、经济性与排放特性,为这种新型混合燃料的推广应用提供理论和试验依据。近年来国内外研究人员对柴油机燃用乙醇进行了试验用仪器设备大量的研究,这些研究主要包括以下几个方面:完全燃用乙醇-4,其技术难点是由于乙醇的十六烷值小、气试验用发动机为S195单缸涡流室柴油机(常州柴化潜热大,在缸内着火非常困难;乙醇和柴油双燃料系油机厂),其技术参数是:缸径95mm,行程115mm,压统-η,主要问题是在柴油机上需要另外增加一套乙醇缩比20,标定功率8.8kW(2000r/min)。喷射裝置;乙醇-柴油混合燃料8·,其问题是必须使用测试设备:CW37型电涡流测功机(浙江遂昌动力价格昂贵的助溶剂,才能形成比较稳定的乙醇柴油混测试设备厂),FBY-1型烟度计(佛山分析仪器厂),合燃料在此基础上研究燃用乙醇对发动机燃烧与排放MEXA-441型排气分析仪(日本 HORIBA公司),性能的影响情况10-131NOA-7000型NOX排放分析仪(日本岛津公司),生物柴油是由各种脂肪酸与甲醇进行酯化反应的FC024油耗仪(日本 ONO SOKKI公司)产物,其理化特性接近柴油它本身就是柴油机比较理2试验用燃料想的燃料43,而且也可以作为混合燃料的添加剂5。作者通过研究发现,生物柴油不但能够分别与乙醇和柴油为了研究乙醇、柴油和生物柴油的互溶能力和稳定互溶,而且通过生物柴油的助溶作用可以使乙醇与柴性,在不同温度下对乙醇柴油、生物柴油的不同添加量油在一定范围内形成稳定的乙醇柴油生物柴油混合进行了互洛性试验。研究发现:温度升高,乙醇、柴油和燃料。由于乙醇的物理化学性质不同于柴油,而且随生物柴油的互溶能力增强。图1是10C时乙醇、生物柴着乙醇含量的增加乙醇柴油生物柴油混合燃料的热油、柴油互溶三相图图中曲线上方为互溶区,曲线下方值和十六烷值都会降低、气化潜热增大影响柴油机的为不洛区。由图可见,只要生物柴油的体积分数在燃烧与排放性能。为此,通过与柴油进行对比试验,研究17·.6%以上,柴油和乙醇就可以任意比例互溶,而且长乙醇在不同掺烧比例下,柴油机燃用乙醇柴油生物柴期放置凵中国煤化工CNMHG,E10柴油、乙醇、生物收稿日期:2006-01-25修订日期:2007-01-25柴油的体积分数分别为85%、10%和5%),E20(柴油基金项目:清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金乙醇和生物柴油的体积分数分别为75%、20%和5%)作者简介:纪威,教授,博士生导师,从事內燃机和生物柴油方面以及E30(柴油、乙醇、生物柴油的体积分数分别为的研究数赭东路17号中国农业大学工学院,1000360%、30%和10%)混合燃料的动力性、经济性与排放Email:jiwei2lst@163.com特性。试验用基础燃料和乙醇_柴油-生物柴油混合燃料第3期纪威等:柴油机燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的试验研究的理化特性如表1所示。12000入100l100一E0E3020406080图110C时乙醇、柴油和生物柴油互溶性三相图负荷/Fig 1 Three phasigran图2燃用不同混合燃料时的be对比of ethanol and diesel and biodiesel at 10CFig 2 Comparison of be of burning various fuels表1柴油、乙醇柴油-生物柴油混合燃料的理化性质Table 1 Physicochemical properties of diesel fuel360B0·E10+E20-E310and ethanol-diesel-biodiesel blend fuel生物柴油乙醇柴油E10E20E30240密度(20C)0.8750.7890.8350.8320.8280.825m:丰850.145.941.6937.49运动黏度(20C)燃料低热值014001600180020002200/MJ·kg-16.842.540.9339.4237.45n/min氧含量/%4,783.977.4511.43图3不同转速下燃用不同混合燃料时的be和Ttq对比Fig 3 Cfuels at various speed3试验结果分析3.1对发动机经济性和动力性的影响同时由图3也可看出,随着乙醇含量的增加,各转图2给出了燃用不同混合燃料的负荷特性(2000速下的全负荷转矩逐渐减小,E10、E20和E30的转矩r/min)由图可以看出,随着乙醇添加比例的增加柴油比柴油平均减小了3.19%、8.90%和16.69%,这同样机燃油消耗率呈上升趋势,在低负荷时增加最大,在中是由于乙醇热值低,使得混合燃料的热值减小,发动机高负荷时差距有所缩小。10%负荷时E10、E20和E30的动力性下降。可见在使用乙醇柴油生物柴油混合的燃油消耗率比柴油平均分别增加了2.4%、13.5%和燃料时,为保证发动机的动力性,需要调整啧油泵,加大23.4%。这是因为乙醇的热值比柴油低很多,相同体积循环供油量的乙醇柴油-生物柴油混合燃料释放的能量较柴油明由于乙醇与柴油的热值相差较大,仅仅采用燃油消显降低在全负荷时混合燃料与纯柴油燃油消耗率差距耗率考察燃料经济性是不合适的,引用能量消耗率有所缩小,这是由于在中高负荷时缸内温度较高,乙醇BSEC( Brake Specific Energy Consumption)来进行对和生物柴油中的氧元素发挥作用,燃料燃烧比较充分的比分析。图4为以BSEC表示的燃用不同混合燃料结果的负荷特性。由图可见,混合燃料与柴油的能量消耗率图3为燃用不同混合燃料的外特性。由图可见,随比较竹能懣蚝率比柴油还有所改善中国煤化工着乙醇添加比例的增加,燃油消耗率同样呈上升趋势.大约0负荷特性的能量消耗CNMHE10、E20和E30的燃油消耗率比柴油平均分别增加了率在不出心了大约5.70%和6.50%,3.43%、12.75%和24.68%,这也是由于乙醇和生物柴这是由于发动机在小负荷工况工作时,气缸内混合气过油的热值都比柴油低,随着乙醇和生物柴油含量的增稀,乙醇气化潜热较大导致的缸内温度较低影响了整加,要使发动出相同的功率就必须要消耗更多的个燃烧过程,随着负荷的增加,空燃比逐渐降低而且由热值较低的燃料于乙醇和生物柴油均为含氧燃料,氧元素在燃烧过程中农业工程学报2007年起到了助燃作用,特别是在喷雾核心等燃料浓度较高的由加速下烟度排放较柴油有比较明显的下降,其中区域,燃料含氧后提高了燃料与空气的混合比例,削弱E10、E20和E30分别较柴油下降了11.3%、32.3%和了燃料缺氧燃烧的几率,因而有助于缸內燃烧过程的充4.3%分进行,故混合燃料的能量消耗率恶化程度逐渐改善甚至好于柴油,兰,出E10E30∠醉含量/310图6不同燃料自由加速时的烟度排放对比Comparison of smoke emissionof various fuels at free acceleration20406080100负荷/高3.2.2CO和HC排放对比图4燃用不同混合燃料的BSEC对比图7为混合燃料对CO排放的影响(2000r/min)。ig. 4 Comparison of BSEC for burning various fuel由图可见,在中低负荷范围内,随着乙醇含量的增加CO的排放略有增加。这是由于发动机在低负荷时,气3.2对发动机排放特性的影响缸内混合气过稀,燃料雾化较差,乙醇气化潜热高,缸內3.2.1烟度排放对比燃烧温度低,不利于CO的继续氧化反应。在大负荷时,图5为负荷特性下(2000r/min)燃用混合燃料的CO排放大幅减少。其原因是气缸温度较高,有助于燃烟度排放对比。由图5可见,燃用乙醇柴油-生物柴油料的雾化,乙醇和生物柴油是含氧燃料,有利于燃料的混合燃料时烟度的排放较柴油有大幅度下降,满负荷时燃烧。可见,乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的CO排放E10较柴油烟度下降20.5%左右,E20较柴油烟度下降38.6%,E30烟度最大下降50.0%。主要原因是:乙主要是由缸内温度与氧含量共同作用的结果。醇和生物柴油均为含氧燃料,含氧燃料可在燃烧过程中0.l8提供较多的氧,因此降低了燃料浓混合区缺氧的程度,0.14也就在一定程度上抑制了碳烟的生成;另外乙醇的沸点s0.10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0.06性,从而降低了碳烟的排放0负荷/3.5图7燃用不同燃料时的CO排放对比Fig 7 Comparison of CO mission of various fuels5图8为混合燃料HC的排放情况(2000r/min)。由图可以看屮陌着负荷的檀加HC排放逐渐增加。这是020406080100由于中国煤化工要靠柴油引燃,使得HC负荷/k排放CNMHG大,缸内温度低,同时未图5燃用不同混合燃料时的碳烟排放对比燃乙醇也会有一定的排放。HC排放主要是燃烧不完全Fig 5 Comparison of smoke emission of various fuels引起,这在扩散燃烧的柴油机中表现更为明显,它与过另外用柴油机排放的一个重要标准就是量空气系数的关系不大。因此,由于乙醇柴油生物柴自由加速下的烟度排放,由图6可以看出,混合燃料自油混合燃料的汽化潜热大,导致其HC排放升高第3期纪威等:柴油机燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的试验研究长,着火时有更多的燃料参加燃烧:乙醇低的沸点和粘10度可降低燃料的表面张力,使含乙醇量较大的混合燃料987E20更容易雾化和蒸发,提高了混合气形成质量;乙醇和生物柴油都为含氧燃料,燃烧速率快。所有因素都导致最大压力升高、峰值位置后移。432876负荷/3图8燃用不同燃料时的HC排放对比Fig 8 Comparison of HC emission of various fuel3.2.3NOx排放对比40350360370380390400图9为燃用混合燃料NOx的排放情况(2000曲轴转角/CAr/min)。由图可见,随着负荷的增加,NOⅹ排放逐渐增图10燃用不同燃料的缸压比较加,同一负荷下混合燃料NOⅹ的排放相差不大,但E10Fig 10 Comparison of the pressure for burning various fuels的NOx排放值最大,而E30的NOx排放值最小。究其原因可能是E10的乙醇添加量相对较少,其气化潜热混合燃料的放热率和累计放热率如图11和图12造成的温度降低对NOx的减小作用不如乙醇中氧元素所示。从图11可看出,混合燃料放热率的第一峰值均大促进NOⅹ的生成作用;而E30正好相反,由于乙醇添于柴油时的峰值,且E20的峰值最大,E20混合燃料第加量已很大,其气化潜热使得缸内温度下降很大,温度峰值比纯柴油约推迟1CA,E20的第二峰值略高于的降低极大地抑制了NOⅹ的生成。此外,混合燃料旳燃纯柴油;E3θ混合燃料着火延迟更大,第一峰值比纯柴烧持续期缩短也是导致NOⅹ排放下降的另一个原因油约推迟3°CA,第二峰值比E0推迟6CA。主要原因在于:乙醇气化潜热大,十六烷值小,故混合燃料中乙醇比EC例愈高,着火推迟愈大。另一方面,当乙醇和生物柴油添加比例较小时(E10、E20),对燃料的燃烧促进作用明显,放热率升高,而当乙醇比例较大时(E30),由于混合燃料的热值过低,反而导致放热率峰值有所降低。可见混合燃料中乙醇的添加比例不易过高。EO负荷/图9燃用不同燃料时的NOⅹ排放对比E30Fig 9 Comparison of NOx mission for burning various fuels20.043.3混合燃料对燃烧影响图10为燃用乙醇柴油生物柴油泪合燃料的示功翻0(2000r/min,8.8kW)。由图10可见,随着乙醇含量的增加,发动机的着火延迟增加,最大压力峰值增大且中国煤化工出现的位置后移,E0、E10、E20和E30的最大压力值分CNMHGI别为7.3、7.6、7.9和8.3MPa,E10、E20和E30对应410420430440450的曲轴转角分别较E0推迟了1A、2℃A和4°CA。其曲轴转角/°CA原因是乙醇的气化潜热较大,使得燃料在雾化时周围温图11不同燃料燃烧时柴油机放热率比较度迅速降媽漫乖燃料中乙醇的十六烷值较柴油小很Fig. 11 Comparison of heat release rate多,造成了混合燃料的滞燃期随乙醇含量的增加而延for burning various fuels184农业工程学报2007年[参考文献][1]Hecold start performance of alcohol fueled engines using arich combustor device [A]. SAE 981359.equipped with EGR, Catalyst and DOFLA]. SAE 2004[31 Simonsen H, Chomiak J. Tesignition improvers for ethanol in a DI diesel engine [A]SAE952512.[4 Holland T G, Swain M N. Using ethanol/diesel mixtures340350360370380390400410420430110450In a compression ignitioh ignition improver曲轴转角/°CAdditives[A]. SAE 922191图12不同燃料燃烧时柴油机累计放热率比较[5 Kowalewicz A. Eco-diesel engine fuelled with rapeseed oilFimethyl ester and ethanol. Part 1: Efficiency and Emisrate for burning various fuelssion. Proc. IMechE, Part D[J]. J Automobile Engineer从放热率曲线还可看出棠油中添加乙醇和生物柴[6] Abu-Qudais M, Haddad Q, Qudaisat M. The effect of油后,滞燃期延长,因而能够产生的可燃混合气较多,预alcohol fumigation on diesel engine performance and混合燃烧阶段的放热速率增加,且峰值略向后移。从累emissions [J]. Energy Conversion and Management积放热率曲线(图12)可以发现,燃烧虽然有所滞后,但1999,41:389-399混合燃料的预混燃烧和扩散燃烧速度均高于柴油,使得]HeBQ, wang jⅹ, Shuai s. Homogeneous charge燃烧持续期缩短。combustion and emission of ethanol ignited by pilot diesel其他工况的试验情况也表明:乙醇柴油-生物柴油on diesel engines[A]. SAE 2004-01-0094混合燃料对柴油机的动力性、经济性和排放特性的影响「δ]崔心存.内燃机的代用燃料[M·北京:机械工业岀版社,规律与上述情况基本相同1990:89-196[9]何邦全,王建昕,阎小光.柴油机含氧燃料的研究进展[]4结论农业机械学报.2003,34(1):134-1381)温度升高,乙醇、柴油和生物柴油的互溶能力增101LXC, YangJ G, Zhang W G. Effect of cetane number强,当温度高于10C、生物柴油的体积分数大于17.6%improver on heat release rate and emissions of high speed时,乙醇、柴油和生物柴油可以任意比例稳定互溶。diesel engine fueled with ethanol-diesel blend fuel [J].2)隨随着乙醇和生物柴油掺混比例的增大,乙醇-柴油生物柴油混合燃料的燃油消耗率逐渐增大,转矩逐]LiDG, Huang Z. Physico-chemical properties of ethanol渐减小,但能量消耗率变化不大。diesel blend fuel and its effect on performance3)乙醇柴油生物柴油混合燃料的碳烟排放随混ons of diesel engines [J]. Renewable Energy, 2005,30967-976合燃料含氧量的增加而明显降低12]何邦全,王建新,闫小光.乙醇柴油在线混合燃料的燃烧4)随着乙醇掺混比例的增大,乙醇-柴油-生物柴排放特性[].清华大学学报,2003,43(11):1523-1525.由混合燃料的HC排放呈现增加趋势,NOⅹ排放变化13]方显忠,刘巽俊,李国良,等,压燃式发动机燃用柴油/乙醇不大;CO的排放情况是,中小负荷时略高于柴油,中高负荷时明显低于柴油。[14]HYH中国煤化工,36(3):23-26CNMH其燃烧排放特性研究[D]乙醇柴油生物柴油混合燃料的滞燃期随乙醇北京:中国农业大学,2004和生物柴油含量的增加而逐渐延长,气缸最大压力峰值151 Yamane K, Ueta A, Shimamoto y. Influence of physical和放热率峰值均增大且峰值位置后移,但燃烧持续期缩and chemical properties of biodiesel fuels on injectioncombustion and exhaust emission characteristics in a directtion ens第3期纪威等:柴油机燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的试验研究185Journal of Engine Research, 2001, 2(4): 249-261社,2006:287-290.[16]符太军.乙醇柴油生物柴油混合燃料的配制及其应用研18 Zhiyuan Hu, Fang fang, DaoFeng ben,etal. Net ener究[D].北京:中国农业大学,2006gy, CO, emission, and life-cycle cost assessment of assa17]符太军,纪威,姚亚光,等.乙醇-柴油-生物柴油混合燃料va-based ethanol as an alternative automotive fuel in china的制备及其热物理性质研究[A].中国内燃机学会第四届J]. Applied energy,2004,78(1):247-256青年学术年会论文集[C].哈尔滨:哈尔滨工程大学岀版Experimental study on diesel engine burningethanol-diesel-biodiesel blend fuelJi Wei, Fu Taijun, Yao Yaguang, Zhou Qinghui(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)Abstract: The mutual solubility and the physicochemical properties of the ethanol-diesel-biodiesel blend fuel wereinvestigated, and the power and fuel economy and emission characteristics of the diesel engine were measuredunder the condition of burning diesel fuel and the ethanol-diesel-biodiesel blend fuel. The results show thatethanol and diesel fuel and biodiesel can steadily mutually solubilize when the temperature is higher than 10C andthe volume fraction of biodiesel is more than 17. 6%. As the mixed proportion of alcohol gets larger, the combustion and emission circumstiesel engine burning the ethanol-diesel-biodiesel blend fuel are that the brakecific fueldually, that the braketion dhange soevidently though, that the torque increases gradually, that the smoke decreases significantly, that the Coemission decreases significantly at the medium and high loads, that the HC emission increases obviously, that theNOx emission does not basically change, and that the peak value of the maximum combustion pressure and therate of heat release increase gradually as well as moving backKey words diesel engine; ethanol; bio-diesel; smoke中国煤化工CNMHG