第27卷第4期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報VoL27 No 41642011年4月Transactions of the CSAEApr,2011不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性陳振斌12,倪計民1,葉年業(yè)1,余峰',肖明偉2,何金戈2(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院,上海201804;2.海南大學(xué)機電工程學(xué)院,俯州571737)摘要:為了研究乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性,該文在雙缸直噴式柴油機和在用的柴油轎車上分別進(jìn)行了發(fā)動機臺架試驗和整車底盤測功機試驗。結(jié)果表明,在不調(diào)整柴油機條件下,使用乙醇柴油混合燃料能夠在一定程度上改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和降低排氣煙度和NOx排放,但HC排放增加。適當(dāng)減小供油提前角有利于改善乙醇柴油混合燃料發(fā)動機經(jīng)濟性和排放特性。對于試驗車輛,燃用E10有利于降低汽車在中、高速時的等速工況燃料消耗量和常溫下冷起動后PM、NOx排放量。該研究結(jié)果對于改善乙醇柴油混合燃料的燃油經(jīng)濟性和排放性具有實用價值關(guān)鍵詞:乙醇柴油混合燃料,柴油機,柴油轎車,油耗率,煙度,NO3doi:10.3969/ssn.1002-6819.2011.04.028中圖分類號:TK464文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1002-6819(2011)-04-0164-06陳振斌,倪計民,葉年業(yè),等.不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(4):164Chen Zhenbin, Ni Jimin, Ye Nianye, et al. Fuel economy and emissions of ethanol-diesel blends with different proportions UTransactions of the CSAE, 2011, 27(4): 164-169.(in Chinese with English abstract)0引言基的存在從本質(zhì)上決定了醇類可以替代傳統(tǒng)的石油系燃料。此外,羥基的存在又決定了醇類具有不同于石油系柴油機具有良好的可靠性、燃油經(jīng)濟性、耐久性以燃料的特性,乙醇與柴油的物化特性差異較大。常溫下,及較低的CO、HC和CO2排放,因而成為當(dāng)今重型道路乙醇與柴油混合時,只要混入微量的水分,將出現(xiàn)分層運輸機械、農(nóng)業(yè)機械和工程機械主要動力源。由于排氣現(xiàn)象。為了解決乙醇與柴油均勻混合問題,需要選用合煙度和NOx排放較高,柴油機發(fā)展受到越來越嚴(yán)格的排適的助溶劑。本試驗選用中碳醇為助溶劑,該醇屬烷基放法規(guī)制約。設(shè)計新型燃料、改善尾氣后處理系統(tǒng)和采醇,也可作為發(fā)動機代用燃料用新型燃燒模式(如HCCI)是降低柴油機排煙和NOx本試驗燃料由0柴油(市售)、無水乙醇(體積分排放的主要技術(shù)措施山引。數(shù)為995%,分析純)和中碳醇(分析純)混合配制而成乙醇作為一種可再生的發(fā)動機代用燃料,具有廣闊試驗中使用了幾種不同配比的乙醇柴油,分別簡稱為前景。近年來,國內(nèi)外對乙醇柴油混合燃料(簡稱乙醇/E0、E10、E15、E20和E25,其含義如表1所示。所配柴油)的使用特性、燃燒特性、燃油經(jīng)濟性和排放特制的乙醇柴油穩(wěn)定性良好,常溫下可在密閉容器中靜置性進(jìn)行了深入的研究,在供油時間和乙醇比例變化對40d以上,不發(fā)生分層現(xiàn)象。發(fā)動機特性影響方面也進(jìn)行了一些研究,但常常局限于種乙醇比例的乙醇柴油在幾種負(fù)荷下或幾種不同乙醇表1試驗燃料配比Table 1 Different ratios of the fuels for experiment比例的乙醇柴油在最大扭矩、最大功率等工況下,研究%(體積分?jǐn)?shù))不夠完善4.本文通過發(fā)動機臺架試驗,著重分析在~燃料BE0不同負(fù)荷條件下,乙醇/柴油發(fā)動機供油時間和乙醇比例組分E15E25變化對發(fā)動機特性的相互影響;通過汽車底盤測功機試乙醇驗,測試等速工況燃油消耗量和常溫下冷起動后排氣污染物,完善乙醇柴油的經(jīng)濟性和排放性研究,為乙醇柴油的推廣應(yīng)用提供試驗和理論依據(jù)。2發(fā)動機試驗裝置與方法1試驗燃料發(fā)動機臺架測試裝置為ESF-300電渦流測功機及控醇類是烴基(R)與羥基(OH)組成的化合物,烴制試驗臺,尾氣排放測試裝置為 AVL Digas400型五氣體分adm刑不透光煙度計。試驗發(fā)基金項目:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系( (CARS12),海南省自然科學(xué)基金資助動機中國煤化工項目(808126)CNMHG驗方法,首先在標(biāo)定作者簡介:陳振斌(1968),男,福建建甌人,海南大學(xué)副教授,同濟大學(xué)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行不同配比的乙醇柴油發(fā)動機負(fù)荷特性對比試博士生:主要從事發(fā)動機節(jié)能與排放控制、發(fā)動機代用燃料研究,儋州海驗,測量油耗、排氣煙度、NOx、CO、HC濃度,試驗時南大學(xué)機電工程學(xué)院,571737.Email:ebin1208@tom.com第4期陳振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性發(fā)動機的供油壓力、噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角均供氧能力降低了混合氣在形成過程中局部缺氧的幾率為原機數(shù)值。然后調(diào)整供油提前角,在不同的供油提前使燃燒趨于完善。特別在大負(fù)荷工況時,乙醇的自供氧角和標(biāo)定轉(zhuǎn)速條件下,測量乙醇柴油的油耗、排氣煙度能力大大改善缺氧嚴(yán)重的擴散燃燒,從而能夠提高乙醇/及NOx排放值。柴油的燃燒效率。乙醇的汽化熱為854kJ/kg,約是柴油表2柴油機技術(shù)參數(shù)的3倍,乙醇柴油的汽化熱隨著乙醇比例的增大而增大Table 2 Engine specification低負(fù)荷時缸內(nèi)溫度較低,乙醇的汽化將進(jìn)一步降低溫度,295A,非增壓、直噴、水冷式使工質(zhì)膨脹功減少,導(dǎo)致燃燒效率下降;高負(fù)荷時缸內(nèi)壓縮比溫度高,乙醇/柴油的燃燒效率受汽化熱的影響相對較小。缸徑×行程/ m mmm95×115乙醇十六烷值低、燃燒速度快,隨著乙醇比例增大,乙醇柴油的著火延遲期增長,燃燒持續(xù)期縮短,放熱速率排量幾L加快,有利于熱效率的提高79標(biāo)定功率/W3.1.2排放特性標(biāo)定轉(zhuǎn)速rmin)15001)排氣煙度及NOx排放標(biāo)定供油提前角 oCA BTDC22如圖2a中所示,在22kW時,乙醇柴油的排氣煙3結(jié)果與分析度基本上隨著乙醇比例增大而增大。在其他負(fù)荷時,乙醇/柴油的排氣煙度明顯減小,在88kW時特別突出,比3.1乙醇比例變化對發(fā)動機特性的影響柴油低60%以上。3.1.1經(jīng)濟性如圖2b中所示,在2.2~66kW時,燃燒乙醇柴油為了便于比較乙醇柴油對發(fā)動機有效熱效率的影對降低NOx排放效果顯著,NOx排放隨著乙醇比例增大響,本文將乙醇/柴油的比油耗按能量相等原則折算成與而明顯下降除了E10在88~1kW的NOx排放略高外柴油等值的當(dāng)量比油耗,即其他的NOx排放都低于柴油bm=(b×HD)Ha(1)圖2a、b曲線的變化趨勢主要受下列因素的綜合影式中,bnq、b分別為乙醇柴油的當(dāng)量比油耗、實際比油響,隨著乙醇比例的增大,乙醇柴油的十六烷值減小耗,g/kWh);H、HL分別為乙醇榮柴油、柴油的質(zhì)量低著火延遲期增長,乙醇的汽化進(jìn)一步降低了缸內(nèi)溫度熱值,MJ/kg使燃燒惡化,導(dǎo)致排氣煙度增加和NOx排放減少。隨著在不改變循環(huán)供油量的條件下,乙醇比例的變化對乙醇比例的增大,著火延遲期內(nèi)形成的混合氣量增加,乙醇柴油發(fā)動機功率有很大影響。在供油提前角19~預(yù)混燃燒量增加,擴散燃燒量減小;乙醇的自供氧能力235° CA BTDC時,E25的最大功率達(dá)不到額定功率的改善缺氧嚴(yán)重的擴散燃燒,從而使碳煙生成減少、NOx95%,因此不選用E25進(jìn)行負(fù)荷特性試驗。生成增加。隨著負(fù)荷的增大,缸內(nèi)溫度升高,乙醇的汽如圖1所示,乙醇柴油的bq基本上隨著乙醇比例增化吸熱,降低了缸內(nèi)峰值溫度和局部高溫,從而減少了大而減小,而且隨著負(fù)荷的增大,這種減小趨勢越來越碳煙和NOx的生成。乙醇只有2個C原子、不含芳香烴明顯。乙醇柴油的b在小負(fù)荷時與柴油相近或略低,在也是減少碳煙生成的原因之一⑦。中、大負(fù)荷時明顯減小,其中E20在全負(fù)荷時降低10%2)CO及HC排放以上。如圖2c、d中所示,乙醇/柴油的CO排放在低負(fù)荷時明顯高于柴油,而且隨著乙醇比例增大而明顯上升在中、高負(fù)荷時相近或略低于柴油。這是因為乙醇的汽-E10化進(jìn)一步降低了缸內(nèi)溫度,從而使靠近壁面的淬冷層增x一-E15厚,乙醇/柴油燃燒初期的CO排放隨著乙醇比例的增大而增大。隨著負(fù)荷的增大,缸內(nèi)溫度增加,靠近壁面的1 500 r/minA=22CA BTDC淬冷層厚度減小,乙醇柴油的CO排放隨著負(fù)荷的增大相近或略低于柴油。乙醇柴油的HC排放比柴油高,而且隨著乙醇比例增大而明顯上升。分析認(rèn)為,混合氣過濃或過稀或過冷都有利于HC的生成。熱值相對低的乙醇/柴油降低了每功率/W循環(huán)的放熱量,使缸內(nèi)溫度下降,從而導(dǎo)致HC排放增加乙醇圖1不同乙醇比例對燃油經(jīng)濟性的影響中國煤化工善,有利于HC排放減ig. 1 The effects of different ethanol content on the fuel economy小HCCNMHG缸內(nèi)溫度,從而導(dǎo)致氧含量因素不能起主分析認(rèn)為,乙醇氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.8%,乙醇燃燒的自導(dǎo)作用時,HC排放增加農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2011年一E-ElO1600日2.0崛1.5功率/W功率kW.排氣度功率/W圖2不同乙醇比例對發(fā)動機排放的影響(1500rmin,22° CA BTDC)Fig 2 Effects of different ethanol content on the emissions32供油提前角變化對發(fā)動機特性的影響E15和E20的NOx排放增加了10%~50%3.2.1經(jīng)濟性如圖3所示,當(dāng)6從22減小到20.5° CA BTDC時→19CA--205A22CA235°CA乙醇比例相同的乙醇柴油的b四在低負(fù)荷時都略有上升、在高負(fù)荷時都略有下降。當(dāng)6從20.5減小到19 CA BTDC時,乙醇比例相同的乙醇柴油的b在中、低負(fù)荷時都略有下降,在高負(fù)荷時都有不同程度的上升。當(dāng)θ從22增大到235℃ CA BTDC時,乙醇比例相同的乙醇柴油的bq基本上有一定的上升功都3.2.2排放特性A E101)排氣煙度如圖4所示,從22減小到205° CA BTDC時,E10除了在全負(fù)荷時明顯下降外,在其他負(fù)荷都有一定的上升;E5除了在22kW時都略有上升、全負(fù)荷時明顯上升外,在其他負(fù)荷都下降;E20除了在22kW時略有上升外,在其他負(fù)荷都下降;E15和E20在11kW時的降低率都大于46%。當(dāng)θ從20.5減小到19 CA BTDC時,除了E20在中、高負(fù)荷時明顯上升外,其他的都下降當(dāng)θ從22增大到23.5° CA BTDC時,除了E20在22~44kW時有一定的下降外,其他的都大幅度上升,E10E15和E20在中、高負(fù)荷升高率大于802) NOxrV中國煤化工如圖5所示,當(dāng)6從22減小到205° CA BTDC時,E10、10121E15和E20的NOx排放下降了10%40%。當(dāng)0從205CNMHG減小到19 CA BTDC時,除了E10在中、高負(fù)荷,E20圖3不同供油提前角對燃油經(jīng)濟性的影響(1500rmin在中、低負(fù)荷的有一定的上升外,其他的NOx排放下Fig 3 The effects of different fuel supply advance angles on the了7%~39%當(dāng)θ從22增大到23.5° CA BTDO時,E10、fuel economy第4期陳振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性16735排量為19L,最大功率為47kW,最大扭矩為125Nm,-20.5CA經(jīng)濟油耗為46L/l00kmk2.023.5°CA19A-×-205℃A22℃CA-23.5°A101214b.E15功率W0功率/W圖4不同供油提前角對排氣煙度的彩響(1500rminFig 4 The effects of different fuel supply advance angles on the圖5不同供油提前角對Nox排放的影響(1500rmin)smoke emissionFig. 5 The effects of different fuel supply advance angles on the基于試驗柴油機是以標(biāo)定轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工作為主適當(dāng)減小供油提前角對提高乙醇柴油的燃油經(jīng)濟性和排3.3.1等速工況燃油消耗量放特性有利。分析認(rèn)為,隨著供油提前角的減小,乙醇如圖6所示,在40~70km/h時,E10的燃料消耗量柴油的著火延遲期縮短,有利于改善燃燒過程,提高燃比柴油高,其中在40kmh時E10比柴油高754%;在燒效率;在著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣量減少,則80-120kmh時,E10的燃料消耗量比柴油低,其中在使預(yù)混燃燒量減少,擴散燃燒量增加,使擴散燃燒期內(nèi)110kmh時E10比柴油低767%。局部缺氧的幾率增大,從而使排氣煙度增加和NOx排放減少;使乙醇柴油燃燒后的峰值溫度和局部高溫下降(乙一柴油醇的汽化吸熱也起一定作用),有利于減小排氣煙度和NOx濃度;此時乙醇含氧因素對局部缺氧的緩解作用更明顯,從而使排氣煙度減少和NOx排放增加。隨著供油提前角的增大,乙醇柴油的著火延遲期增長,預(yù)混燃燒量增加,缸內(nèi)溫度進(jìn)一步升高,高溫因素起主要作用,從而導(dǎo)致排氣煙度和NOx排放增加。中國煤化工33汽車燃用E10的燃油經(jīng)濟性和排放性90100110120CNMHG在行駛里程大于80000km的捷達(dá)柴油轎車上進(jìn)行圖6等速工況燃料消耗量的比較底盤測功機試驗,測試等速工況燃油消耗量及常溫下冷Fig 6 Comparison of fuel consumption of a car in起動后PM和NOx排放量。試驗車輛主要技術(shù)參數(shù)如下velocity conditions168農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2011年3.3.2常溫下冷起動后PM和NO排放量[4] Satge'de Caro P, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al.按GB183523-2005附錄C規(guī)定的運轉(zhuǎn)循環(huán)、排氣nterest of combining an additive with diesel-ethanol blends取樣和分析方法、顆粒物取樣和稱量方法進(jìn)行E10和柴油常溫下冷起動后PM和NOx排放對比試驗。試驗結(jié)果Ry.., antander L A m, et al. Action如下:PM,E10為046gkam,柴油為047gkm;NOxE10為0.86gkm,柴油為0%6g/km(注:劣化系數(shù)為stability studies []. Energy and Fuels, 2009, 23(5): 2731PM=12;NOx=10)。分析認(rèn)為,在車速較高、負(fù)荷較大工況時,E10中含阿6 Chen Z O,Mxx,yuxT,etal. Physical-chemicalproperties of ethanol-diesel blend fuel and its effect on the氧因素起主要作用。乙醇的自供氧能力改善了缺氧嚴(yán)重performance and emissions of a turbocharged diesel engine的擴散燃燒,從而提高E10的燃燒效率、減少碳煙生成、U]. Intermational Journal of Automotive Technology, 2009,增加NOx排放。在車速較低、負(fù)荷較小工況時,E10的10(3):297-303.汽化熱高因素(影響缸內(nèi)溫度)起主要作用。此時缸內(nèi)[冂何學(xué)良,詹永厚,李疏松.內(nèi)燃機燃料M]北京:中國石溫度較低,乙醇的汽化將進(jìn)一步降低溫度,使工質(zhì)膨脹化出版社,1999:326-351功減少,導(dǎo)致燃燒效率下降,碳煙和NOx生成減少;隨(8]任毅,黃佐華,李蔚,等.柴油機燃用柴油乙醇混合燃料著車速增高、負(fù)荷增大,缸內(nèi)溫度升髙,乙醇的汽化吸的性能與排放研究西安交通大學(xué)學(xué)報,2007,41(3)熱,降低了缸內(nèi)峰值溫度和局部高溫,從而減少了碳煙285-290.和NOx的生成。Ren Yi, Huang Zuohua, Li Wei, et al. Study on theperformance and emissions of a direct injection diesel engine4結(jié)論fuelled with dieselethanol blends []. Journal of Xi'AnJiaotong University, 2007, 41(3): 285-290.(in Chinese with1)在不調(diào)整柴油機及標(biāo)定轉(zhuǎn)速的條件下,柴油機燃English abstract)燒不同配比的乙醇柴油時,其當(dāng)量比油耗在小負(fù)荷時與(9邢元,堯命發(fā),張福根,等、乙醇與柴油混合燃料燃燒特柴油相近,在中、大負(fù)荷時明顯低于柴油,而且基本上性及排放特性的試驗研究[內(nèi)燃機學(xué)報,2007,25(1)隨著乙醇比例增大而減小。其排氣煙度在小負(fù)荷時略高隨著負(fù)荷增大,其排氣煙度大幅度降低。其NOx排放在Xing Yuan, Yao Mingfa, Zhang Fugen, et al. Experimental中、小負(fù)荷時明顯低于柴油,而且隨著乙醇比例增大而investigation on combustion and emission characteristics of明顯減小;但在大負(fù)荷時E10略高于柴油。其CO排放engine fuelled with ethanol-diesel blends []. Transactions of在低負(fù)荷時高于柴油,隨著負(fù)荷增大,在中、高負(fù)荷時CSICE,2007,25(1):24-29.(in略低或相近于柴油。其HC排放高于柴油,且隨著乙醇比abstract)例增大而增大。[10] Di Yage, Cheung CS, Huang Zuohua. Experimental study on2)對于試驗柴油機,適當(dāng)減小供油提前角有利于改particulate emission of a diesel engine fueled with blendedethanol-dodecanol-diesel[J]. Aerosol Science, 2009, (40): 101善乙醇柴油發(fā)動機經(jīng)濟性和排放特性。1123)對于試驗車輛,E10的等速工況燃料消耗量在車( I1] Jincheng Huang, Yaodong Wang, Shuangding Li,etal.速為40~70km/h時比柴油高;在80~120km/h時比柴Experimental investigation on the performance and emissions油低。E10常溫下冷起動后的PM和NOx排放量都比柴of a diesel engine fuelled with ethanol-diesel blends[]油低Applied Thermal Engineering, 2009, 29(11/12): 2484-2490.[12] Liu Jie, Liu Shenghua, Wei Yanju, et al. Diesehol CI engine[參考文獻(xiàn)performances, regulated and nonregulated emissions[1] Leung P, Tsolakis A, Wyszynski M L, et al. Performance,characteristics[J]. Energy and Fuels, 2010, 24(2 ) 828-833emissions and exhaust-gas reforming of an emulsified fuel: A3]張煒,宋崇林,李方成,等乙醇柴油混合燃料醛、酮類comparative study with conventional diesel fuel[]. SAE污染物排放特性的研究門內(nèi)燃機學(xué)報,2008,26(3):238Paper,2009-01-1809[2] Abu-Jrai A, Tsolakis A. The effects of H2 and Co on theWei, Song Chonglin, Li Fangcheng, et al. Study onlective catalytic reduction on NOx under real diesel enginecarbonyl emissions from an Engine Fueled with ethanol/exhaust conditions over Pt/Al2O3[J]. Int. Journal of Hydrogendiesel blends[J]. Transactions of CSICE, 2008, 26(3): 238Energy,2007,32(12):2073-208042. (in Chine[3]陳振斌,蔣盛軍,肖明偉,等、復(fù)配乳化劑乳化柴油的經(jīng)濟卩14]李冠峰,陳亮,李遂亮,等.柴油機供油提前角性和排放特性門農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(7):285-289.中國煤化工業(yè)工程學(xué)報,數(shù)2圖Chen Zhenbin, Jiang Shengjun, Xiao Mingwei, et al. Engineeconomical performances and emissions characteristics ofCNMHG et al Inffuence of fuelcompound-surfactants [). Trsupply advance angle on fuel economy of diesel engine withof the CSAE, 2010, 26(7): 285-289. (in Chinese withethanol-diesel blend fuel[J]. Transactions of the CSAE, 2006,English abstract22(12): 90-93. (in Chinese with English abstract)第4期陳振斌等:不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放性[15]肖陽,徐斌,吳健,等.供油提前角對柴油/乙醇發(fā)動機經(jīng)supply advance angle on the economy and emission濟性和排放特性的影響[門柴油機,2010,32(1):31-35characteristics of diesel-ethanol engine []. Diesel Engine,Xiao Yang, Xu Bin, Wu Jian, et al. The influence of fuel2010, 32(1): 31-35. (in Chinese with English abstractFuel economy and emissions of ethanol-diesel blends with differentpropolChen Zhenbin,, Ni Jimin ', Ye Nianye, Yu Feng Xiao Mingwei, He jinge 2(1. Automotive College, Tongji University, Shanghai, 201804 China2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University, Danzhou, 571737 China)Abstract: In order to research fuel economy and emissions of ethanol-diesel blends, based on engine bench test andchassis dynamometer test, the fuel consumption and exhaust emissions of a 2-cylinder direct-injection diesel engine anda diesel passenger car in use were measured. The results indicated that without any modifications on the diesel engineethanol-diesel blends could proper improve fuel economy and reduce the emissions of smokes and NOx, but theemissions of HC increased. Besides, properly reducing the fuel supply advance angles was beneficial to improving fueleconomy and reducing emissions. In the case of vehicle testing, which fueled with E10, the fuel consumption reduced atmiddle and high speeds, and also the emissions of PM and NOx reduced after the cold starting at normal temperatureTherefore, the research results can provide practical references for the improvement of fuel economy and characteristicsof ethanol-diesel blendsKey words: ethanol-diesel blends, diesel engine, diesel passenger car, fuel consumption, smoke, NOx中國煤化工CNMHG