着火改进剂对乙醇--柴油燃料排放特性的影响

第21卷(2003)第6期内燃机学报Vol.21(2003)NTransactions of cSIce文章编号:1000-0909(2003)06-0419-0421-101着火改进剂对乙醇一柴油燃料排放特性的影响何邦全,王建昕,郝吉明(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)摘要:随着乙醇含量的增加,乙醇_柴油混合燃料的含氧量増大,但热值、十六烷值和粘度下降。助溶剂可以提高混合燃料的稳定性,着火改进剂能提高它的十六烷值。在发动机上的研究结果表明:柴油机的排放与负荷、掺醇量、助溶剂及着火改进剂有关。大负荷时,随着混合燃料中乙醇含量的增加,烟度明显改善,NO排放有所降低,但使用乙醇—柴油混合燃料时,未燃乙醇和乙醛排放增加,而且CO和总碳氢(THC)排放高于柴油,但助溶剂与着火改进剂能降低CO和THC排放,THC排放甚至低于柴油关键词:柴油机;乙醇;助溶剂;着火改进剂;排放中图分类号:TK421.5文献标识码:A排气烟度由FBY-200型全自动烟度计测量引言排气成分由AVL公司产的CEBⅡ型分析仪测量用乙醇部分替代柴油不仅可以缓解柴油的供求其中NO用化学发光法(CID)分析,总碳氢矛盾,而且可以减少有害排放物。但乙醇是极性分(THC)由氢火焰离子法(FID)分析,CO由不分光子,难以与柴油互溶,而且乙醇_柴油混合燃料的稳红外线法(NDR分析。排气中旳乙醛和乙醇排放定性受柴油中碳氢化合物的构成、含水量、比重、温量由 Agilent公司产的色谱6890N-质谱5973N联度和添加剂量的影响η,因此要形成均匀稳定的乙用手段分析,该机配有PIOT-Q极性毛细管柱。醇—柴油混合燃料需借助于助溶剂。如美国清洁燃料公司研制的 Puranol添加剂能保证含有体积分数2试验结果与讨论为10%~15%的乙醇—_柴油燃料长期不分层,而且2.Ⅰ乙醇一柴油混合燃料的物理化学性质这种燃料能分别減少柴油机的微粒、CO和NO排本试验研究了5种燃料的排放特性。这5种燃放41%、27%和5%。但是乙醇和助溶剂的加入,料是:0柴油(简称E0),含有10%乙醇的乙醇一柴使得乙醇—柴油—助溶剂燃料的物理化学性质发生油燃料(简称E10,含有30%乙醇的乙醇—柴油燃了改变。Caro等3的研究结果表明:乙醇的添加使料(简称E30),含有2%助溶剂、0.1%着火改进剂得乙醇—柴油混合燃料的粘度和十六烷值降低,柴和⑩0%乙醇的乙醇—柴油燃料(E10AⅠ,含有2%油机的NO排放降低,循环压力波动也降低,但同助溶剂、1%着火改进剂和30%乙醇的乙醇—柴油时有新生排放物—未燃乙醇排出41燃料(E30AⅠ)。以上燃料中,各种成分均以体积分考虑到乙醇—柴油混合燃料最容易在柴油机上数计。助溶剂由中国科学院生态中心提供,它不含推广应用,因此本文重点研究这类燃料的排放特性。金属和S成分。着火改进剂为硝酸异辛酯。5种燃料的物理化学性质示于表11试验装置由表1可见,随着乙醇含量的增加,混合燃料的试验用发动机是一台非增压直喷式4102型柴C/H比、密度、运动粘度、高热值、十六烷值均降低,油机,最大转矩/转速为245N·m/(1700r/而且E10和E30的十六烷值低于0=柴油下限。着mim)压缩比为1.5。为便于比较各种燃料的排放火改V凵中国煤化工十六烷值,并能使其满特性,试验时发动机未做调整足CNMHG。使用助溶剂后,乙醇*收稿日期:2003-06-02;修订日期:2003-07-30基金然科学基金资助项目(50136040);清华大学基金项目(Jz2002002)。(1964—),男,博士,主要研究方向为内燃机的燃烧与代用燃料内燃机学报第21卷第6期柴油混合燃料能长期存放而不分层,而且助溶剂粘度仍低于θ柴油标准。还可以看岀,各种乙醇还可以部分恢复混合燃料旳运动粘度,但E30AI的柴油混合燃料的馏程能满足θ-柴油的要求。表1试验用燃料的物理化学性质Tab 1 Physicecal properties of various fuels目0#柴油标准乙醇EOE10E30Al0%回收温度/C25524423490%回收温度/C95%回收温度/C密度(20C)/(kg/L)实测0,83660,83080,8206083240.8224运动粘度(20C)/(mm2/s)3.0~8.03.7443.2153.3152.889高热值/(MJ/kg)28.4916.4513.8840.54十六烷值4425.5484芳香烃/%(m/m)18.623.118.1C含量/%(m/m)H含量/%(m/m)13.2513.2513.1513.0813.116.5525.8446.3465.8432.2烟度图1给出了各种燃料对烟度排放的影响。由图可知烟度与柴油机的负荷和乙醇含量有关。当柴油机处于低负荷时,乙醇对烟度排放的影响较小,因一+一E10为此时燃烧室内的过量空气系数较大。在大负荷-x-EIOAl时,随着乙醇含量的增加,烟度逐步降低。如平均有一E30AI效压力(BMEP)p为0.58MPa时,E0、E10AI和E30AI的波许烟度分别为1.6,1.5和0.9。与E0相比,E10AI与E30AI的烟度分别降低了6.3%和./MPa43.8%。发生上述现象的原因是:1)高负荷时喷油时间长,此时进入油束中心的乙醇可抑制碳烟的形成5:;2)乙醇不提供生成芳香环的先趋物( precursor)7;3)高的含氧量、低的C/H比也有利于减少1 700 r/min碳烟排放;4)高的过量空气系数(图2)使得局部缺氧的可能性降低。就E10和E10AI来说,着火改进剂对碳烟排放的影响较小。但E30AI能明显降低E10Aly-E30柴油机的碳烟排放E30Al2.3NO2排放图3给出了各种燃料对NO排放的影响。可以看出,随着乙醇含量的增加,在中、高负荷时,NO排放有所降低,其主要原因是乙醇的气化潜热高而中国煤化工且混合燃料的热值低,导致燃烧温度降低。E10和CNMHG有效压力p的关系E10AI,E30与E30AI的NO排放趋势可能与燃料Fig. 2 The relation between excess ai的均匀性有关。ratio and BMEP(p。)2003年11月何邦全等:着火改进剂对乙醇—柴油燃料排放特性的影响421I 700 r/min1 r/minE10A1E10E10Alg6004-°-041-E30400P /MP700 r/min1 700 r/min550E10E30Alx一EI0AI一-E30。-E30AI400350Pr /MPaP /MPa图↓各种燃料对THC排放的影响图6各种燃料对乙醛排放的影响Fig. 4 The effect of ethanol on THOFig. 6 The effect of ethanol on acetaldehyde2.5CO排放图7给出了未燃乙醇的排放趋势。可以看出图5给出了各种燃料对CO排放的影响。可以使用中国煤化玉燃乙醇排放。但随着看出,使用乙醇柴油混合燃料时,CO排放总体上混合CNMHG未燃乙醇排放量增加高于柴油的,其中E10和E30的CO排放相对较未燃乙醇在中、高负荷时最大。分析认为:低负荷时高,这说眀未完全燃烧的燃料较多。对于E10AI和未燃乙醇低主要是由于此时供油少,形成未燃乙醇E3AⅠ,由于添加了助溶剂和着火改进剂,改善了燃的机率低;高负荷时由于柴油机的热负荷高,淬熄层烧状况,所疢歡摒非放有所降低减薄,使得未燃乙醇排放减少了。与未加助溶剂与422内燃机学报第21卷第6期着火改进剂相比,助溶剂与着火改进剂的应用能部(4)随着乙醇含量的增加,排气中的乙醛和未分降低使用El⑩0AI和E30AI时旳未燃乙醇排放。燃乙醇排放均增加,但助溶剂和着火改进剂可以相对降低乙醛与未燃乙醇的排放。1 700 r/minEl0参考文献o- E30AI[1 Ecklund EE, Bechtold R L, Timbario T J, et al.the Use of alcohols inDiesel Engines[C]. SAE Paper 840118,1984[2 Ahmed 1. Oxygenated Diesel: Emissions and Perfornce Characteristics of ethanol-Diesel blends in ci engines[C]. SAE Paper 2001-01-2475,2001[3 Caro P S, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al.Inter图7各种燃料对未燃乙醇排放的影响est of Combining an Additive with Diesel- EthanolFig. 7 The effect of ethanol on unburned ethanolBlends for Use in Diesel Engines[J]. Fuel, 2001,803结论565~5744]王建昕,闫小光,程勇,等.乙醇一柴油混合燃料的燃(1)乙醇改变了混合燃料的物理化学性质烧与排放特性[J].内燃机学报,2002,20(3):225.随着乙醇含量的增加,混合燃料中的含氧量增加,但「5] Choic y, ReitzRD. An Experimental Study on the其热值、十六烷值和粘度下降。助溶剂可以提高混Effects of Oxygenated Fuel Blends and Multiple Injec合燃料的稳定性,着火改进剂可以提高其十六烷值。tion Strategies on DI Diesel Engine Emissions[J].F各种混合燃料的馏程均能满足0=柴油标准的要求。el,1999,78:1303~1317(2)乙醇柴油混合燃料对柴油机排放的影「6]HeBQ, Wang x,YanⅹG, Tian X, Chen h.响与负荷、含醇量和助溶剂及着火改进剂有关。在Study on Combustion and Emission Characteristics ofDiesel Engines Using Ethanol Blended Diesel Fuels小负荷时,混合燃料对烟度排放影响不大;但在中高[C]. SAE Technical Paper Series 2003-01负荷时,乙醇对降低烟度有利。随着乙醇含量的增0762,2003加,降烟效果更明显,而且NO,排放有所降低[7 Gjirja S, Olsson E, Karlstrom A. Considerations on(3)在中小负荷时,乙醇—柴油混合燃料的Engine Design and Fuelling Technique Effects onTHC和CO排放高于纯柴油,但助溶剂和着火改进Qualitative Combustion in Alcohol Diesel Engines[C]剂可以相对降低这两种排放,THC甚至低于柴油SAE Technical Paper Series 982530, 1998The Effect of ignition Improver on Emissions of a Diesel engineUsing ethanol blended diesel fuelsHE Bang-quan, WANG Jian-xin, HAO Ji-ming(State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: With the increase of ethanol, cetane number, high heating value, aromatics fractions and kinematic viscosity of ethanol blended diesel fuels decrease. Solvent additive can keep the blends homogenous andstable. Ignition improver can enhance cetane number of the blends. The results obtained from a diesel en-gine show that emissions have close relation to loads, ethandthe increase of ethanol, smoke reduces significantly at high loaand unburned ethanol emissions increase. CO and total hydrH中国煤化工 Improver.wihCNMHGbut acetaldehydeethanol blendeddiesel fuels are higher than those of diesel, however, with additive and ignition improver, CO and THC emissions of the blends can be decreased moderately, even THC emissions are less than those of diesel fueKeywords: Diesel engine; Ethanol; Solvent additive; Ignition improver; Emission