第25卷(2007)第1期Vol.25(2007)No.1Transactions of CSICE文章編號:1000-0909(2007)01-0024-0625004乙醇與柴油混合燃料燃燒特性及排放特性的試驗研究邢元,堯命發(fā)!,張福根2,鄭尊清(1.天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室,大津30002;2.廣西大學機械工程學院,廣西南寧530004)摘要:在一臺YC4112ZLQ增壓柴油機上進行了不加任何助溶劑和著火改進劑的情況下,無水乙醇與柴油混合對柴油機燃燒過程影響的研究。試驗結果表明,隨著混合燃料中乙醇比例的提高滯燃期延長,放熱峰值增大,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率升高。與柴油相比,E10和E20有效熱效率與原機相當,E30在高速大負荷工況熱效率降低,NO,和碳煙排放明顯降低;但HC和CO排放隨著混合燃料中乙醇比例的增大發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500r/min時,HC排放和CO排放均降低,發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2300r/min時,HC排放和CO排放均有所升高。關鍵詞;乙醇;柴油;燃燒過程;發(fā)動機性能;發(fā)動機排放中圖分類號:TK421.2文獻標志碼:AExperimental Investigation on Combustion and Emission Characteristics ofEngine Fuelled with Ethanol-Diesel BlendsXING Yuan, YAO Ming.fa, ZHANG Fu-gen", ZHENG Zun-ging(1. Stated Key laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)Abstract The effects of ethanol-diesel blends on engine combustion and emission characteristics were in-estigated. Experiments were carried out on a turbo-charged inter-cooled YC4112ZLQ diesel engine. Theresults show that, with the increase of ethanol ratio, the ignition timing is delayed, and the maximum value of heat release rate is increased, leading to the increase in peak cylinder pressure and maximum rate ofrise, The effective thermal efficiencies of E10 and E20 are almost the same as that of the dieselfuel, while thermal efficiency of E30 decreases at high speed and heavy load. Compared with the dieselengine, both NO, emission and smoke are reduced, while HC and Co emission are related to the ethanolratio and engine speed. With the increase of ethanol ratio, HC and CO emissions decrease at engine speedof 1 500 r/min, but they give the increase at engine speed of 2 300 r/minKeywords: Ethanol; Diesel; Combustion process; Performance; Emission引言加混合氣中氧的濃度,減少局部過濃區(qū)的范圍,從而降低發(fā)動機碳煙的排放。但由于乙醇的十六烷值很能源短缺和環(huán)境保護是今后內(nèi)燃機發(fā)展所面臨著低(10左右),與柴油的十六烷值(大于45)相差較大的兩大挑戰(zhàn),在這種形勢下,各種石油替代燃料的研究著火能力比較差,難以在柴油機上直接使用。隨著低得到了廣泛的重視。乙醇是含氧燃料,在內(nèi)燃機的燃成本添加劑出現(xiàn),乙醇與柴油很難直接互溶的問題得燒過程中具有自供氧功能,在擴散燃燒模式中可以增到了中國煤化工的大量應用成為可CNMHG收稿日期:2006-04-25;修回日期:2006-08-05基金項目:廣西科技攻關項目(06300044A)。作者簡介:邢元,碩士研究生,Email;smileinsun@eyou.com。2007年1月邢元等:乙醇與柴油混合燃料燃燒特性及排放特性的試驗研究能。為了尋求優(yōu)化乙醇在柴油中的最佳替代比例,研油(E20)和30%乙醇柴油(E30)等4種燃料進行了標究乙醇柴油對燃燒與排放特性的影響,筆者在定轉(zhuǎn)速(2300r/min)和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(1500r/minYC41ZLQ柴油機中燃用了不同摻比的乙醇柴油混負荷特性試驗,研究乙醇燃料比例、成分對柴油機燃燒合燃料,研究了乙醇比例對發(fā)動機性能、燃燒過程及排過程的影響。為了消除助溶劑對乙醇柴油混合燃料燃放的影響。燒過程的影響配制的不同比例的乙醇柴油沒有添加1試驗裝置和試驗方法助溶劑,為了確保其不分層,試驗開始前現(xiàn)場配制,試驗過程中在燃料箱內(nèi)始終用攪拌器對混合燃料進行試驗裝置主要分為:發(fā)動機、測功機、發(fā)動機測控攪拌系統(tǒng)缸內(nèi)壓力采集系統(tǒng)、排氣采集分析裝置。微粒測試系統(tǒng)型號是DLS2300 Horiba,廢氣分析儀型號是2參數(shù)定義MEXA-7100 DEGR Horib。圖1為試驗裝置圖。發(fā)動由于乙醇的熱值較低,柴油中添加乙醇后單位質(zhì)機為一臺廣西玉柴機器股份有限公司生產(chǎn)的量的熱值相應出現(xiàn)變化,為了比較燃用乙醇柴油對熱YC412Q立式增壓水冷四沖程車用柴油機,主要技效率的影響,本研究采用當量比油耗進行對比。當量術參數(shù)見表I。氣缸壓力的采集由 Labview高速采集比油耗是將乙醇柴油混合燃料的油耗率根據(jù)能量消耗系統(tǒng)完成。發(fā)動機缸蓋上安裝有壓力傳感器,與Lab-折算成能量等值的柴油消耗率,本研究中用 EBSFCview采集系統(tǒng)相連。試驗前,先燃用柴油對發(fā)動機進( Equivalent Brake Specific Fuel Consumption)來表示當行暖機待冷卻水溫和機油溫度均達到85℃后,發(fā)動量比油耗,則有機改燃用乙醇柴油混合燃料進行試驗。試驗中分別采H用了柴油體積比為10%乙醇柴油(E10)、20%乙醇柴HSFCH式中:Bss、B3src分別表示當量比油耗、混合燃料的比油耗,g/(kW·h);H1、H1分別表示混合燃料質(zhì)量低熱值、柴油質(zhì)量低熱值,MJ/kg。其中,混合燃料質(zhì)量低熱值HL計算公式為H,=(100E)p:H+EP·式中:H1為混合燃料低熱值,MJ/kg;H1為柴油低熱值MJ/kg;HL為乙醇低熱值,MJ/kg;p4為柴油密度,kg/m3;pn為乙醇密度,kg/m3;E為混合燃料中乙醇所占的體積比,%1一排氣分析儀;2一煙度計;3一渦輪增壓器;4一進氣流量計;5-噴油器;6—缸內(nèi)壓力傳感器;7一角標;8一進氣中冷器;3試驗結果及分析9缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);10燃料箱;1l-油耗儀3.1乙醇比例對柴油機性能的影響12一油泵;13—測功機;14-發(fā)動機圖2為1500r/min和2300r/min時發(fā)動機的當圖1試驗裝置圖Fig. 1 The experimental setting量比油耗隨發(fā)動機負荷變化的規(guī)律圖。從圖中可以看出,乙醇柴油混合燃料中乙醇比例對比油耗的影響不表1發(fā)動機主要技術參數(shù)大。在中低負荷,隨著乙醇比例的升高,油耗率有小幅Tab 1 Main technology parameters of engine上升;在高負荷,各種乙醇比例的燃料油耗率相當。但型號E30在2300r/min大負荷工況下,油耗率有顯著上氣缸直徑升。這一變化趨勢是下面4種因素共同影響的結活塞行程132mm果23:(1)混合燃料的汽化潛熱,乙醇具有很大的汽排量5.202L化潛玉縮比中國煤化工合燃料的汽化潛熱標定功率/轉(zhuǎn)速隨著132kW/(2300r/minHCNMHG低負荷時,由于缸內(nèi)最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速660N·m/(1500r/min)溫度近—少嚴氐溫度,降低了燃燒效供油提前角9 CA BTDC率;(2)乙醇的滯燃期長,乙醇的十六烷值很低,它的加入使燃料的滯燃期延長,過長的著火滯燃期使熱功26內(nèi)燃機學報第25卷第1期轉(zhuǎn)換的效率降低;(3)混合燃料的含氧量,乙醇含r/min工況幾乎相當,但2300r/min工況隨著乙醇比34.8%的氧,混合燃料的含氧量隨著乙醇的比例的增例增大,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低。乙醇比例增大,滯燃大而增大,使燃燒更完全;(4)乙醇柴油熱值降低,使期延長,最大放熱率峰值升髙,最大爆發(fā)壓力推遲。噴油量增多,噴油持續(xù)期延長,導致燃燒持續(xù)期延長,7使熱效率降低。在低負荷工況,燃料的汽化潛熱為主要因素,混合燃料隨著乙醇比例的增大,汽化潛熱增大,缸內(nèi)平均溫度降低,燃燒效率降低,因而油耗率隨n=l 500 r/min乙醇比例的增大而有所增加。在高負荷,缸內(nèi)溫度高E10 Pamp 1.21 MPa燃料的含氧量對油耗率的相互影響所以油耗率的變20-10燃料的汽化潛熱影響相對較小,主要受滯燃期和混合化相對較小。圖2b中E30在2300r/min大負荷工況下,因為在髙轉(zhuǎn)速燃料燃燒時間縮短,燃料中乙醇比例20-100曲軸轉(zhuǎn)角PCA過高,燃燒持續(xù)期延長導致熱效率降低成為主要因素所以油耗率顯著上升。76200曲軸轉(zhuǎn)角PCA轉(zhuǎn)矩/(N·m)a)n=l 500 r/min■一柴油E30Pomeg-845 MPa12曲軸轉(zhuǎn)角/CA100200300400500600b)n=2300圖2乙醇和柴油摻比對當量比油耗的影響Fig. 2 The influence of blend fuel of ethanol and diesel ouivalent brake specific fuel consumptiei Pe 6.04 MPa3.2燃燒特性中國煤化工圖3是不同乙醇柴油與柴油在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速CNMHG(1500r/min)和標定轉(zhuǎn)速(2300r/min)不同負荷工況缸內(nèi)壓力及燃燒放熱規(guī)律圖。圖中表明,隨著混合曲軸轉(zhuǎn)角CA燃料中乙醇比例的增大,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力在1500007年1月邢元等:乙醇與柴油混合燃料燃燒特性及排放特性的試驗研究273.3排放分析l13.3.1HC排放n-1 500 r/min如圖4所示,發(fā)動機燃用乙醇柴油與燃用柴油相比,總體趨勢均是在1500r/min,HC排放有所降低Petp=13.2MPa 3 5己160柴油隨著負荷的增大,HC降低的幅度增大;在2300r/min哥城長工況,HC排放中低負荷工況略有升高,大負荷工況略有降低;乙醇比例對HC排放的影響則與發(fā)動機工況有關。十三工況比排放測試結果表明(表2所示),柴10010曲軸轉(zhuǎn)角/CA油中添加10%以上的乙醇,HC排放都有所降低,但乙醇比例對比排放影響不大。這是由正反兩個方面的因素共同作用的結果:一方面,乙醇中含有氧,乙醇的增加有利于燃料充分燃燒,降低HC排放;另一方面,乙醇汽化潛熱大且十六烷值低,乙醇的增加使滯燃期延240n=2 300 r/min長,噴霧過稀區(qū)增多,使HC排放增加。1500r/mim200=13.16Mh3時,空燃比相對較低,燃料中的氧起主導作用,HC排120放降低;2300m/min時,滯燃期延長將起主導作用,而大負荷工況,空燃比相對較低,乙醇中的氧作用明顯。正是由于這些因素的綜合作用,使比排放隨著乙醇比曲軸轉(zhuǎn)角CA例變化而變化不大。圖3乙醇柴油摻比對氣缸壓力和放熱率的影響Fig 3 The influence of blend fuel of ethanol and diesel柴油n heat release rate and in-cylinder pressureE30上述缸內(nèi)壓力及燃燒放熱變化規(guī)律主要是由以下幾個原因共同作用的結果:(1)乙醇汽化潛熱大,添加乙醇導致壓縮行程缸內(nèi)溫度降低,乙醇比例增大,對溫度影響越明顯;(2)乙醇柴油十六烷值低,乙醇比例越100200300400500600大,十六烷值越小;(3)混合燃料熱值降低,在熱效率幾乎不變的條件下,同一工況噴入的混合燃料體積流a)n=l 500 r/min量增多,噴油持續(xù)期延長;(4)乙醇燃料中含有氧,乙醇燃料黏度低,混合燃料有利于混合氣形成,提高燃燒反應速度。隨著混合燃料中乙醇比例增大,十六烷值柴油降低,缸內(nèi)壓縮溫度低,導致滯燃期延長,最高燃燒放▲…E20熱峰值增加,小負荷工況這種影響尤其明顯,但小負荷E30工況對燃燒持續(xù)期影響不大;隨著負荷增大,滯燃期影響變小,但燃燒持續(xù)期的影響增大,轉(zhuǎn)速1500r/min工況燃燒持續(xù)期明顯延長,這是由于隨著負荷增大,缸內(nèi)熱負荷增大,汽化潛熱的影響變小,由于噴入的燃料量增多,噴油持續(xù)期延長導致燃燒持續(xù)期延長;但高轉(zhuǎn)00400500600中國煤化工m速工況(2300r/min),混合燃料的燃燒持續(xù)期明顯縮短,這是由于轉(zhuǎn)速升高,單個循環(huán)燃燒反應時間縮短,CNMHG群洇比刈nL排放的影響混合燃料改善了燃油與空氣的混合質(zhì)量,使燃燒反應Fig 4 The influence of blend fuel of ethanol速度加快。and diesel on Hc emission內(nèi)燃機學報第25卷第1期3.3.2CO排放乙醇的高汽化潛熱影響沒有那么明顯,所以CO排放圖5是乙醇比例對CO排放影響的變化規(guī)律,圖隨著負荷的增大越來越接近,到最大負荷時基本相當。中,在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1500r/min工況,CO排放總體上3.3.3NO,排放比原柴油機低,而且隨著乙醇比例增大,有降低趨勢;乙醇柴油可以降低燃燒反應溫度,降低NO,排但在標定轉(zhuǎn)速2300r/min工況,CO排放比原柴油機放。從圖6中可以看出,發(fā)動機在1500r/min和高,隨著乙醇比例增大,CO排放有增加的趨勢。十三2300r/min,NO排放規(guī)律基本一致,即隨著負荷的增工況比排放測試結果表明(表2所示),與原柴油機相大,發(fā)動機NO,排放增大,隨著轉(zhuǎn)速的提高,發(fā)動機比,比排放均有所降低,但乙醇比例增大,比排放反而NO,排放濃度降低。乙醇柴油與柴油相比,NO,排放有增加的趨勢。轉(zhuǎn)速為1500r/min工況,燃料混合燃明顯降低,E30的降低幅度最大,最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速工況降燒的時間相對較長,乙醇柴油因為乙醇的低沸點使燃低幅度比標定轉(zhuǎn)速工況大,高負荷工況降低幅度大,小料的霧化混合更加完善,減少了過濃區(qū)域,而且乙醇的負荷工況基本與原機相當。這主要是由于混合燃料單含氧也使燃燒更加充分,另外乙醇的含C量少也是降位體積的熱值降低,燃燒反應溫度降低,導致NO排低CO排放的重要原因,所以,乙醇柴油與柴油相比放降低。十三工況比排放測試結果表明(表2所C0排放降低,而且隨著乙醇比例的增大,CO排放降示),隨著乙醇比例增大,NO,比排放明顯降低,F30比低程度越大。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高到2300r/min時,乙原機No比排放降低了15%。醇的高汽化潛熱使靠近壁面的淬冷層厚度增加,發(fā)動機燃燒初期CO排放增加,另外發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高,使2200燃料混合、燃燒的時間相對縮短,CO在膨脹過程和排1800E10氣過程中的二次氧化數(shù)量減少,所以發(fā)動機CO排放隨著乙醇比例的增大而增大。隨著發(fā)動機負荷的增1400}一大,缸內(nèi)燃燒溫度增加,靠近壁面的淬冷層厚度減小柴油E300100200300400500600700轉(zhuǎn)矩/(N·m)v:平求一柴油002003004005006007001000轉(zhuǎn)矩/(E20a)n=l 500 r/mins600柴油b)n=2 300 t/min圖6乙醇柴油摻比對NO2排放的影響Fig 6 TI00200300400500600ssIon轉(zhuǎn)矩/(N·m)中國煤化工b)n=2 300 r/min3.3CNMHG圖5乙醇柴油摻比對CO排放的影響圖7是煙度隨乙醇比例的變化規(guī)律,圖中可以看Fig. 5 The influence of blend fuel of ethanol and出,碳煙排放隨著乙醇比例的增大而有所降低,這是由diesel on CO emission于隨著混合燃料中乙醇比例的增大,燃料中氧的含量07年邢元等:乙醇與柴油混合燃料燃燒特性及排放特性的試驗研究增大,使燃燒更加充分,從而降低了碳煙排放;此外,從發(fā)動機性能、排放綜合考慮,乙醇柴油混合燃料般認為碳煙的生成機理是燃燒室內(nèi)部過濃區(qū)高分子烴中乙醇比例不宜太大,E20在熱效率與原機相當?shù)那?尤其是芳香烴)高溫缺氧裂解而產(chǎn)生的。而乙醇中況下,HC、CONO.和微粒排放均有一定程度的降低不含芳香烴,而且m(H)/m(C)高,所以碳煙減其中HC排放降低了15%,CO排放降低了7%,NO.排少6。碳煙是微粒的重要組成部分,煙度降低有利放降低了8%,而微粒排放降低了439%。因而E20的于降低微粒排放量,十三工況微粒比排放測試結果綜合性能最佳(表2)表明,E10和E20微粒排放與原柴油機相比均有明顯地降低,且F20比E10低。但E30微粒排放升4結論高,主要原因可能是由于乙醇比例太高,在小負荷工況1)乙醇與柴油混合燃料熱效率與原機相當尤其是怠速工況,HC排放將顯著增大,微粒中的SOF但乙醇比例過高(E30)在高速大負荷工況,熱效率明增大,導致E30微粒排放增大。此外,測試誤差也可顯變差。能是E30微粒排放高的重要原因。2)乙醇柴油使滯燃期延長,燃燒放熱峰值增大,中等轉(zhuǎn)速工況燃燒持續(xù)期略有延長,最大爆發(fā)壓力柴油基本相當,標定轉(zhuǎn)速工況隨著乙醇比例增大,燃燒持續(xù)期縮短,最大爆發(fā)壓力降低。1.0…▲…E20v-E30(3)乙醇柴油混合燃料對HC和CO比排放與乙醇比例和發(fā)動機工況有關,但十三工況比排放與柴油相比有一定改善;NO,排放隨著乙醇比例增大而降低,大負荷工況尤其明顯,十三工況比排放也隨乙醇比例增大而降低;碳煙隨著乙醇比例增大而降低,E20的100200300400500微粒排放最低,F30反而有所升高。(4)E20的性能和排放綜合性能最佳,在保證a)n=l 500 r/min熱效率基本不變的條件下,微粒排放降低,氣體排放均有一定程度的改善。E10參考文獻v-E301,2[1] Vaitilingom G, Berge J Ch. 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