第20卷(2002)第3期內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)Transactions of CSICEVol.20(2002)No文章編號(hào):1000-0909(2002)03-0225-05乙醇柴油混合燃料的燃燒與排放特性王建昕,閆小光,程勇,蔣恒飛(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)摘要:研究了柴油機(jī)燃用不同摻混比的乙醇-柴油混合燃料對排氣煙度以及NO氣體排放成分的影響分析了尾氣排放中甲醛、乙醛以及未燃乙醇的含量。研究結(jié)果表明,加入一定比例的乙醇可改善缸內(nèi)燃燒過程,大幅度降低排氣煙度提高燃油經(jīng)濟(jì)性。隨著乙醇摻混比的提高,尾氣中NO含量、乙醛和未燃乙醇的含量有明顯增加關(guān)鍵詞:代用燃料;含氧燃料;燃燒特性;排放特性中圖分類號(hào):TK46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼」引言點(diǎn)、氣化熱、閃點(diǎn)、著火溫度、活化能、辛烷值、十六烷值、蒸氣壓、比熱容、液態(tài)氣態(tài)粘度、液體表面張力以及大量旳試驗(yàn)結(jié)果證明,含氧燃料在排放特性上比液態(tài)氣態(tài)的熱導(dǎo)率等一系列物理_化學(xué)特性傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)燃料有很多優(yōu)勢,對含氧燃料的研究在表1列出了醇類燃料與柴油、汽油的物化特性。可解決內(nèi)燃機(jī)的廣泛應(yīng)用與石油資源日益枯竭、環(huán)境污以看岀,由于醇類燃料的“自攜氧”特點(diǎn),燃燒時(shí)理論上染日益嚴(yán)重的矛盾上有深遠(yuǎn)的意義。乙醇是一種可取所需空氣只有汽油或柴油的一半左右。這對于改善擴(kuò)自于植物和農(nóng)作物下腳料旳可再生燃料,也是一種典散燃燒時(shí)由于油氣混合不均勻而生成碳煙和微粒應(yīng)該型的含氧燃料:2具有積極的作用。當(dāng)然,甲醇或乙醇摻入柴油中的比率乙醇在汽油機(jī)上的應(yīng)用研究開展得比較多,在柴(稱為混合比,以體積計(jì))越高,在混合燃料含氧量提高油機(jī)上的應(yīng)用很少,并且研究工作主要著眼于燃料“替的同時(shí),燃料熱值會(huì)成比例下降,如圖1所示代”性上,同時(shí)對于由于乙醇燃料的摻入引起的新排放污染物的研究也很不夠。本研究主要著眼于利用乙醇表1幾種燃料的主要物化特性比較Tab. 1 Comparison of physical and chemical的含氧特性改善柴油杋燃燒和排氣煙度這一目標(biāo)。對characteristics of several fuels乙醇柴油混合燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性進(jìn)行物化特性甲醇乙醇汽油輕柴油了試驗(yàn)與分析,利用色譜分析儀對排氣中醛類和未燃分子式 CH3OH CH CH2OH C512C10-21醇類的含量進(jìn)行了測量,并測錄了燃用混合燃料時(shí)的分子量3246含氧量/%300示功圖結(jié)果表明加入一定比例的乙醇可以大幅度降度(2)0.7920.78930.72-0.780.83-0.86低排氣煙度,但必須注意由此帶來的NO排放上升和78,440~210180~370乙醛及未燃乙醇等新的有害排放問題。凝點(diǎn)/C97.8-1173-60~-56-1~3閃點(diǎn)(閉)/C11-1213~14-45~-3865~88粘度(20C)1醇類燃料的物化特性0,6111.200.28~0.593.0~801.0880.8540.31~0.340.25~0.30醇類是烴基(一R)與羥基(-OH)組成的化合物,在熱值19.91626.77843.9~4.442.5~42.8這就從本質(zhì)上決定了醇類可以替代傳統(tǒng)的石油系燃料50~468270~350包括汽油、柴油成為內(nèi)燃機(jī)的燃料。而羥基的存在又決焰?zhèn)鞑ニ俣?,520.38~0.58定了它有很多不同于石油系燃料的特性。內(nèi)燃機(jī)在壓著火界限/%(o)6.0~36.53.5-18.01.3~7.6縮過程后期開始著火,并在隨后很短的時(shí)間內(nèi)完成燃中國煤化工14.7-15.014.3-1.6CNMHG5~2545~65燒過程。燃料的著火燃燒特性取決于燃料的揮發(fā)性、沸收稿日期:2001-10-15;修訂日期:2001-12-2基金然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50136040)作者簡介:王建昕(1953-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制的研究226·內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第20卷第3期示功圖測錄采用 Kistler公司的6617A壓力傳感器,配用 Kistler5011電荷放大器。利用自行開發(fā)的高42速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測取缸內(nèi)壓力。3排放特性及新的有害排放物在發(fā)動(dòng)機(jī)不做任何調(diào)整的條件下,分別進(jìn)行了標(biāo)定轉(zhuǎn)速2200r/min和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1540r/min的負(fù)乙醇摻混比/荷特性試驗(yàn),考察了純柴油(號(hào)柴油)以及乙醇摻混比分別為10%、20%、30%(分別記為E10、E20、E30)時(shí)的NO、煙度、甲醛、乙醛、未燃乙醇的排放特性,以1燃料含氧量和熱值隨乙醇摻混比的變化及燃料經(jīng)濟(jì)性。本次試驗(yàn)著重關(guān)注排放效果,燃油是現(xiàn)rig, I The relationship between oxygen content and heat value場摻混,摻混10%以及20%乙醇時(shí)未加助溶劑,摻混2試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置30%乙醇時(shí)加入5%的汽油助溶。3.1煙度及NO排放試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一非增壓直噴式295型柴油機(jī),圖2給出了不同乙醇摻混比時(shí)的排氣煙度對比壓縮比為17,標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速為20kW/2200r隨乙醇摻混比的提高,排氣煙度明顯下降,在中高負(fù)荷min-1,最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速為99N·m/1540r·min-1。時(shí)尤其顯著。在標(biāo)定工況點(diǎn)20kW/2200m·min時(shí),排氣氣體成分的分析采用AVL公司的GE純柴油的排氣煙度為2.7BSU,而E10、E20、E30燃料11型發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析儀;對醛類和未燃醇類的分析分別為2.3BsU、1.0BsU、0.6BSU,分別降低了采用SP-502型氣相色譜儀,固定相成分為二乙烯苯15%、60%、80%;在最大轉(zhuǎn)矩時(shí),E30燃料可降低煙度檢測器為FID方式;排氣煙度的測量采用FBY-1型波60%以上。許式煙度計(jì)。筆漕540 r/min2 200 rimin46810121416182468101161820立P/kwP/kw圖2不同乙醇摻混比對排氣煙度的改善效Fig. 2 The relationship between smoke and ethanol content in diesel ft同樣條件下,NO排放特性的變化如圖3所示。的前提下降低排氣煙度隨乙醇摻混比的提高,NO排放明顯上升,在最大負(fù)3.2燃料經(jīng)濟(jì)性變化荷的80%~90%時(shí)上升幅度最大,可以認(rèn)為這主要是圖4給出了不同乙醇摻混比時(shí)的燃油消耗率由于氧化氣氛提高造成的。當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)提高時(shí),由于混(Bsc)合氣濃度提高,氧化氣氛被減弱,NO的上升幅度減由于中國煤化坦高,Bsc呈上升趨勢。但大,直接采用Bsc考察CNMHG小燃料經(jīng)旦以。八,引入能量消耗率BsEc由此說明,乙醇柴油混合燃料在大幅度降低排氣( Brake Specific Energy( onsumption)進(jìn)行對比,如圖煙度的同時(shí),會(huì)按照 Trade-o規(guī)律岀現(xiàn)NO排放特5所示。顯然,使用乙醇混合燃料時(shí),在不同工況下的性的惡化亮要瞎采用推遲噴油提前角或優(yōu)化噴油規(guī)能量消耗率Bm均有不同程度的改善。E20燃料的律等措施降低NO,在抑制NO排放不超過原機(jī)水平Bsεc改善效果最大,改善效果可達(dá)10%左右。這說明2002年5月王建昕等:乙醇-柴油混合燃料的燃燒與排放特性227Bsc改善效果并不是隨摻混比變化單調(diào)增或減,而是統(tǒng)的不同而變化存在一個(gè)最佳值,這個(gè)最佳值會(huì)隨具體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系24002001600t 2FE30540 r/min圖3不同乙醇摻混比對NO,排放的影響Fig 3 The relationship between NO and ethanol content in diesel fuel「520E301214161824681012i4i6182022圖↓不同乙醇摻混比時(shí)的燃油消耗率變化Fig4 The relationship between Brake Specific Fuel Consumption and power主2 200 r/min。圖5不同乙醇摻混比時(shí)的能量消耗率變化Fig. 5 The relationship between Brake Specific Energy Consumption and power3.3醛類和未燃醇類排放中國煤化工、甲醛和乙醇隨乙醇采用氣相色譜儀分析了排氣中醛類和未燃乙醇成摻混比CNMHGE放濃度在純柴油和乙分,圖6給出了分析結(jié)果的一例圖中橫坐標(biāo)表示被測醇混合燃料時(shí)懸本相同,開且不隨乙醇摻混比的不同氣體在色譜柱中的滯留時(shí)間,縱坐標(biāo)表示FI輸出電而變化。因此可以認(rèn)為,在本試驗(yàn)條件下,乙醇的添加壓,與某一氣體成分的濃度對應(yīng)。由圖中可以清晰地辨對甲醛的生成無影響別出乙醛弜醇這三種本研究所關(guān)心的新的有由圖7還可看出,純柴油燃燒時(shí),無論是在高負(fù)荷害排放成分。還是低負(fù)荷,乙醛排放濃度大約均為6左右;228·內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第20卷第3期隨乙醇摻混量的增加,排氣中乙醛濃度上升。但值得注n=l 540 r/min意的是,盡管在小負(fù)荷時(shí)每循環(huán)噴入氣缸的乙醇質(zhì)量P=3.2 kw成倍地小于在大負(fù)荷時(shí)的噴入量,但排氣中的乙醛濃度卻是小負(fù)荷時(shí)高于大負(fù)荷,這可能是燃燒溫度不同而造成的。另外,純柴油燃燒時(shí)排氣中未檢測到乙醇,而隨乙醇摻混比的提高,排氣中的未燃乙醇成倍地增長同乙時(shí)s醛排放特性相似,小負(fù)荷時(shí)的未燃乙醇濃度高于大負(fù)荷,如使用E10燃料時(shí),小負(fù)荷時(shí)未燃乙醇濃度是大負(fù)荷的2倍,E30燃料時(shí)是3.5倍6排氣成分色譜分析結(jié)果Fig. 6 The other emissions by chromatogram analysis/Fl 540 r/mi柴油柴油P-3, 2 kwn=】540rmin□E30乙醇甲醛圖7甲醛、乙醛和未燃乙醇的排放特性Fig. 7 Emission characteristics of formaldehyde, aldehyde and UBE(無論負(fù)荷大小,E10較柴油延遲1°CA,E30延遲4燃燒特性的對比3°CA),燃燒結(jié)束時(shí)間未拖后,甚至提前(小負(fù)荷時(shí),圖8顯示了不同乙醇摻混比時(shí)的示功圖。由圖可E10落后不到1°CA,E30提前約1°CA;大負(fù)荷時(shí),見,在低負(fù)荷時(shí),隨摻混比的增加,缸內(nèi)的峰值壓力略玊1θ和E3θ都提前2.5°℃A),因此燃燒持續(xù)期減少有降低;而在大負(fù)荷時(shí),隨摻混比增加,峰值壓力卻明(小負(fù)荷時(shí),Elθ燃燒持續(xù)期基本不變,E3θ燃燒持續(xù)顯增加。期縮短近4°CA;大負(fù)荷時(shí),E10縮短3.5°CA,E30縮利用統(tǒng)一式計(jì)算模型,對不同乙醇摻混比時(shí)的示短5.5°CA),即等容度提高,說明乙醇的加入會(huì)有效功圖進(jìn)行了放熱計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示在圖9中。地改善缸內(nèi)的燃燒,這也解釋了除前述的氧化氛圍提圖9表明,隨著摻混比增加,著火延遲期有所增長高之外的另一個(gè)使NO上升和Bε改善的原因1 540 r/min1 540 r/min154kW中國煤化工CNMHG36039曲軸轉(zhuǎn)角p℃A曲軸轉(zhuǎn)角φC圖8不同乙醇摻混比時(shí)的氣缸壓力Fig8 Comparison of cylinder pressure tracks under different ethanol content2002年5月王建昕等:乙醇-柴油混合燃料的燃燒與排放特性229·曲軸轉(zhuǎn)角g℃A曲軸轉(zhuǎn)角中/℃CA(a)1540r/min,3.2kW(b)1540r/min,15.4kW圖9不同乙醇摻混比時(shí)的放熱規(guī)Fig 9 Comparison of heat release ratios under different ethanol content5結(jié)論降低;在大負(fù)荷時(shí),隨著摻混比增加,缸內(nèi)峰值壓力增加。隨著摻混比增加,著火延遲期有所増長;燃燒結(jié)束(1)在對發(fā)動(dòng)?xùn)i不做任何改動(dòng)的條件下,柴油中時(shí)間未拖后,甚至提前,燃燒持續(xù)期減少,即等容度提加入一定比例的乙醇,可大幅度降低排氣煙度。乙醇混高,有效地改善了缸內(nèi)的燃燒。合比例為30%時(shí),標(biāo)定工況點(diǎn)的煙度可降低80%,燃料經(jīng)濟(jì)性有一定程度的改善,NO按 Trade-off規(guī)律參考文獻(xiàn)變化,因此在使用乙醇-柴油混合燃料時(shí),應(yīng)同時(shí)采用1L. ikos b. Performance and Emission of Ethanol and Et降低NO-的技術(shù)措施hanol-Diesel Blends in Derect-Injection and Pre-cham-(2)在本試驗(yàn)條件下,排氣中甲醛排放并未因柴ber Diesel Engines[C]. SAE Paper 821039, 1982油中加入乙醇而惡化,乙醛和未燃乙醇的排放隨乙醇「2」 Miyamoto n, Ogawa I. Improvement of Diesel Com-摻混比的增加而大幅度上升,并且小負(fù)荷時(shí)的排放數(shù)bustion and Emissions with Addition of various Oxy倍于大負(fù)荷時(shí)的排放Fuels [C ]. SAE Paper962115,1996.)小負(fù)荷時(shí),隨著摻混比增加,缸內(nèi)峰值壓力Investigation on Com bustion and emissions characteristics of ethanol-Diesel blend fuelWANG Jian-xin, YAN Xiao-guang, CHENG Yong, JIANG Heng-fei(State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: This investigation is made on the combustion of ethanol-diesel blend fuel in diesel engine and its influence on PM and NO, emissions. The concentrations of formaldehyde, aldehyde and unburned ethanol in theexhaust gas are analyzed. The results show that the blend of a proper proportion of ethanol to diesel fuel cangreatly reduce smoke, improve engine performance and thermal efficiency. NO,, aldehyde and unburnedethanol emissions will increase when more ethanol is added to diesel fuelKeywords: Alternative fuel: Oxygenated fuel Combustion chaTH中國煤化工CNMHG