第21卷(2003)第6期內(nèi)燃機學報Vol.21(2003)No.6Transactions of CSICE文章編號:1000909(2003)06-0419-0421-101著火改進劑對乙醇一柴油燃料排放特性的影響何邦全,王建昕,郝吉明(清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京100084)摘要:隨著乙醇含量的增加,乙醇—柴油混合燃料旳含氧量増大,但熱值、十六烷值和粘度下降。助溶劑可以提高混合燃料的穩(wěn)定性,著火改進劑能提高它的十六烷值。在發(fā)動機上的硏究結(jié)果表明:柴油機的排放與負荷、摻醇量、助溶劑及著火改進劑有關(guān)。大負荷時,隨著混合燃料中乙醇含量的增加,煙度明顯改善,NO排放有所降低,但使用乙醇—柴糶油混合燃料時,未燃乙醇和乙醛排放增加,而且CO和總碳氫(THC)排放高于柴油,但助溶劑與著火改進劑能降低CO和THC排放,THC排放甚至低于柴油關(guān)鍵詞:柴油機;乙醇;助溶劑;著火改進劑;排放中圖分類號:TK421.5文獻標識碼引言排氣煙度由FBY-200型全自動煙度計測量排氣成分由AVL公司產(chǎn)的CEB型分析儀測量用乙醇部分替代柴油不僅可以緩解柴油的供求其中NO用化學發(fā)光法(CID)分析,總碳氫矛盾而且可以減少有害排放物。但乙醇是極性分(THC)由氬火焰離子法(FID)分析,CO由不分光子,難以與柴油互溶,而且乙醇_柴油混合燃料的穩(wěn)紅外線法(NDR)分析。排氣中的乙醛和乙醇排放定性受柴油中碳氫化合物的構(gòu)成、含水量、比重、溫量由 Agilent公司產(chǎn)的色譜6890N-質(zhì)譜5973N聯(lián)度和添加劑量的影響,因此要形成均勻穩(wěn)定的乙用手段分析,該機配有PLOT-Q極性毛細管柱。料公司研制的 Puranol添加劑能保證含有體積分數(shù)2試驗結(jié)果與討論為10%~15%的乙醇—柴油燃料長期不分層,而且2.1乙醇一柴油混合燃料的物理化學性質(zhì)這種燃料能分別減少柴油機的微粒、CO和NO,排本試驗研究了5種燃料的排放特性。這5種燃放41%、27%和5%。但是乙醇和助溶劑的加入,料是:0*柴油(簡稱E0),含有10%乙醇的乙醇柴使得乙醇—柴油—助浛劑燃料的物理化學性質(zhì)發(fā)生油燃料(簡稱E10,含有30%乙醇的乙醇一柴油燃了改變。Caro等3的研究結(jié)果表明:乙醇的添加使料(簡稱E30),含有2%助溶劑、0.1%著火改進劑得乙醇—柴油混合燃料的粘度和十六烷值降低,柴和10%乙醇的乙醇_柴油燃料(E10AⅠ,含有2%油機旳NO排放降低,循環(huán)壓力波動也降低,但同助溶劑、1%著火改進劑和30%乙醇的乙醇一柴油時有新生排放物—未燃乙醇排出4燃料(E30AI)。以上燃料中,各種成分均以體積分考慮到乙醇—柴油混合燃料最容易在柴油機上數(shù)計。助溶劑由中國科學院生態(tài)中心提供,它不含推廣應用,因此本文重點研究這類燃料的排放特性。金屬和S成分。著火改進劑為硝酸異辛酯。5種燃1試驗裝置料的物理化學性質(zhì)示于表1由表1可見,隨著乙醇含量的增加,混合燃料的試驗用發(fā)動機是一臺非增壓直噴式4102型柴C/H比、密度、運動粘度、高熱值、十六烷值均降低,油機,最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速為245N·m/(1700r/而且E10和E30的十六烷值低于0=柴油下限。著min)壓縮比為17.5。為便于比較各種燃料的排放火改進劑可提高混合燃料的十六烷值,并能使其滿特性,試驗時發(fā)動機未做調(diào)整足0柴油對十六烷值的要求。使用助溶劑后,乙醇*收稿日期:2003-06-02;修訂日期:2003-07-30420內(nèi)燃機學報第21卷第6期柴油混合燃料能長期存放而不分層,而且助溶劑粘度仍低于0柴油標準。還可以看出,各種乙醇一還可以部分恢復混合燃料的運動粘度,但E30AⅠ的柴油混合燃料的餾程能滿足θ°柴油的要求。表1試驗用燃料的物理化學性質(zhì)Tab. 1 Physicochemical properties of various fuels目0#柴油標準乙醇EOE10E30ElOAlE3OAl50%回收溫度/C2552340%回收溫度/C31895%回收溫度/C332密度(20C)/(kg/L)實測0,83660,83080,82060.8224運動粘度(20C)/(mm2/s)3.0~8.03.7443.2153.3152.889高熱值/(MJ/kg)46.4543.88十六烷值4544.225.548.745.8芳香烴/%(m/m)18.23.118.1C含量/%(m/m)52.3583.4683.0176.60H含量/%(m/m)13.253.15C/H6.5526.3475.8446.3465.8432.2煙度圖1給出了各種燃料對煙度排放的影響。由圖1 700 r/min可知煙度與柴油機的負荷和乙醇含量有關(guān)。當柴油機處于低負荷時,乙醇對煙度排放的影響較小,因+一E10x一E10AI為此時燃燒室內(nèi)的過量空氣系數(shù)較大。在大負荷y一E30時,隨著乙醇含量的增加,煙度逐步降低。如平均有E30AL效壓力(BMEP)p。為0.58MPa時,E0、E10AI和E30AI的波許煙度分別為1.6,1.5和0.9。與E0相比,E10AⅠ與E30AI的煙度分別降低了6.3%和43.8%。發(fā)生上述現(xiàn)象的原因是:1)高負荷時噴油時間長,此時進入油束中心的乙醇可抑制碳煙的形成;2)乙醇不提供生成芳香環(huán)的先趨物( precursor)7;3)高的含氧量、低的C/H比也有利于減少1 700 r/min碳煙排放;4)高的過量空氣系數(shù)(圖2)使得局部缺氧的可能性降低。就E10和E10AI來說,著火改進劑對碳煙排放的影響較小。但E30AI能明顯降低帳茶x- ElOAly-E30柴油機的碳煙排放。O- E30Al2.3NO2排放圖3給出了各種燃料對NO,排放的影響。可以看出,隨著乙醇含量的增加,在中、高負荷時,NO0.00.6排放有所降低,其主要原因是乙醇的氣化潛熱高而P, /MPa且混合燃料的熱值低,導致燃燒溫度降低。E10和圖2過量空氣系數(shù)與平均有效壓力p2的關(guān)系E10AI.E30與E30AⅠ的NO排放趨勢可能與燃料Fig. 2 The relation between excess air的均勻性有關(guān)。ratio and BMEP(P)2003年11月何邦全等:著火改進劑對乙醇—柴油燃料排放特性的影響421I 700 r/min1 700 r/min1000x-El04E10E10Alg60-°-E0A-E304006501 700 r/min5500- E30Alx一E10AI。-E30AI400圖↓各種燃料對THC排放的影響圖6各種燃料對乙醛排放的影響Fig 4 The effect of ethanol on THCFig. 6 The effect of ethanol on acetaldehyde2.5CO排放圖7給出了未燃乙醇的排放趨勢?？梢钥闯?圖5給岀了各種燃料對CO排放的影響?？梢允褂眉儾裼蜁r,排氣中沒有未燃乙醇排放。但隨著看岀,使用乙醇_柴油混合燃料時,C○排放總體上混合燃料中乙醇含量的增加,未燃乙醇排放量增加。高于柴油的,其中E10和E30的CO排放相對較未燃乙醇在中、高負荷時最大。分析認為:低負荷時高,這說眀未完全燃燒的燃料較多。對于E10AI和未燃乙醇低主要是由于此時供油少,形成未燃乙醇內(nèi)燃機學報第21卷第6期著火改進劑相比,助溶劑與著火改進劑的應用能部(4)隨著乙醇含量的增加,排氣中的乙醛和未分降低使用E10AI和E30AI時的未燃乙醇排放燃乙醇排放均增加.但助溶劑和著火改進劑可以相對降低乙醛與未燃乙醇的排放。1 700 riminE10參考文獻:L OAl一。-E30AI[1 Ecklund EE, Bechtold R L. Timbario T J, et al.State of the Art Report on the Use of Alcohols inDiesel Engines[C]. SAE Paper 840118.198gines[C]. SAE Paper 2001-01-2475,2001[3 Caro P S, Mouloungui Z, Vaitilingom G, et al. Inter圖7各種燃料對未燃乙醇排放的影響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結(jié)論4]王建昕,閆小光,程勇,等.乙醇一柴油混合燃料的燃(1)乙醇改變了混合燃料的物理化學性質(zhì)。排放特性[J].內(nèi)燃機學報,2002,20(3):225隨著乙醇含量的増加,混合燃料中的含氧量增加,但「5] Choic y, Reitz d. An Experimental Study on the其熱值、十六烷值和粘度下降。助溶劑可以提高混Effects of Oxygenated Fuel Blends and Multiple Injec-合燃料的穩(wěn)定性,著火改進劑可以提高其十六烷值。ion Strategies on DI Diesel Engine Emissions[J].Fu各種混合燃料的餾程均能滿足θ=柴油標準的要求。el,1999,78:1303~1317(2)乙醇柴油混合燃料對柴油機排放的影6HeBQ, Wang J X, Yan XG. Tian x. Chen H響與負荷、含醇量和助溶劑及著火改進劑有關(guān)。在Study on Combustion and Emission Characteristics ofDiesel Engines Using Ethanol Blended Diesel Fuels小負荷時,混合燃料對煙度排放影響不大;但在中高負荷時,乙醇對降低煙度有利。隨著乙醇含量的增[C]. SAE Technical Paper Series 2003-01加,降煙效果更明顯,而且NO,排放有所降低[7 Gjirja S. Olsson E, Karlstrom A.Considerations on(3)在中小負荷時,乙醇—柴油混合燃料的esignects onTHC和CO排放高于純柴油,但助溶劑和著火改進Qualitative Combustion in Alcohol Diesel Engines[C]劑可以相對降低這兩種排放,THC甚至低于柴油SAE Technical Paper Series 982530, 1998.The 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 kinemat-table y 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 engine show that emissions have close relation to loads, ethanol content, additive and ignition improver. Withthe increase of ethanol, smoke reduces significantly at high loads, NO, emissions decrease, but acetaldehyand unburned ethanol emissions increase. CO and total hydrocarbon ( THC) emissions of ethanol blendeddiesel fuels are higher than those of diesel, however, with additive and ignition improver, CO and THC e-missions of the blends can be decreased moderately, even thc emissions are less than those of diesel fuel