第9卷第4期燃燒科學(xué)與技術(shù)Ⅴol.9No.42003年8月Journal of Combustion Science and TechnologyAug.2003乙醇柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)性能及排放的影響劉朋,宋崇林張延峰'王守元2賈貴啟2楊潤(rùn)東1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072;2.東風(fēng)朝陽柴油機(jī)有限責(zé)任公司朝陽122000摘要通過對(duì)乙醇含量分別為%、15%和20%的混合燃料及純柴油5種油品的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了燃用乙醇-柴油混合燃料時(shí)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、功率及排放特性的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明燃用乙醇-柴油混合燃料柴油機(jī)的能量消耗率在乙醇含量為15%時(shí)最佳功率有所下降但由于乙醇添加量較小總體來說對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響不大在排放特性方面NO,的比排放量基本隨著乙醇摻燒比例的增加而減少HC、CO的比排放量基本上隨著乙醇摻燒比例的増加而增加著乙醇摻λ比例旳増加發(fā)動(dòng)?xùn)i旳可見煙度和濾紙式煙度均有顯著旳降低干碳煙(DS)的比排放量也呈下降趨勢(shì)關(guān)鍵詞柴油機(jī)乙醇-柴油混合燃料渫油杋性能排放特性中圖分類號(hào)TK42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào)1006-8740(2003)40300.06Effects on the Performance and Emission Characteristics of Heavy-DutyDiesel Engine Using Ethanol-Diesel Blends as FuelLIU Peng, SONG Chong- lin', ZHANG Yan-feng, WANG Shou-yuanJIA Gui-qi, YANG Run-dong(l. State Key Laboratory of Engine Combustion Tianjin University Tianjin 300072, China i2. Dongfeng Chaoyang Diesel Co. Ltd, Chaoyang 122000, ChinaAbstract The effects of ethanol-diesel blend as fuel on fuel consumption power and emission characteristics of a heavy-duty diesel engine were investigated. Five kinds of test fuel were used in this study. The first one was standard diesel fuel thatwas used as a reference and base fuel for the preparation of ethanol/diesel blends the other four kinds of fuel were ethanol/diesel mixtures containing 5%0, 10%, 15%0, 20% of ethanol respectively. The experimental results shown that the brakespecific energy consumption was the best at combusting E15 and the power decreased according to the increase of the ethanols proportion in the mixtures, As to the small quantity of blended ethanol there were few effects on the performance ofdiesel engine. The exhaust emissions of No, basically decreased and that of THC and CO increased with the increasing pro-portion of ethanol. With the increase of blending ethanol, the OPAC, filter smoke number and brake emission of dry sootdecreased distinctlyKeywords diesel engine ethanol-diesel blend fuel diesel engine performance emission characteristics近十幾年由于排放法規(guī)的日益嚴(yán)格及石油資源料可以部分摻入柴油或少量直接噴入氣缸中燃燒以的短缺科研工作者除了開發(fā)、研究電控及后處理等技降低柴油機(jī)有害污染物排放.南非在20世紀(jì)70年代術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)外還努力尋找新的替代能源以實(shí)就開始中國煤化工究其后德國和美現(xiàn)柴油機(jī)高效、低污染燃燒.乙醇作為一種含氧生物燃國也開HCNMHG1旨在減少柴油機(jī)微*收稿日期2002-10-22器孬瑾自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目作者)男頑士研究生聯(lián)系人宋崇林songchonglin@263.net2003年8月劉朋等乙醇-柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)性能及排放旳影響粒的排放、降低煙度.從目前的研究結(jié)果看乙醇替代表2使用設(shè)備名稱及生產(chǎn)廠家柴油存在以下問題:)由于乙醇的熱值低于柴油所設(shè)備名稱生產(chǎn)廠家以乙醇的燃料消耗量高32)乙醇與柴油的互溶性發(fā)動(dòng)機(jī)全自動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)PUMA5.6.1奧地利AVL公司測(cè)功機(jī)ALPHA350AF奧地利AVL公司差大比例摻混有困難其混合物性質(zhì)不穩(wěn)定摻入廢氣分析儀奧地利AVL公司少量的水就可能引起分層13)乙醇的十六烷值低,全自動(dòng)濾紙式煙度計(jì)AV415奧地利AVL公司自燃性差著火延遲期長(zhǎng)71;4)乙醇的潤(rùn)滑性低于柴透光式煙度計(jì)AVI439奧地利AVL公司油36]5)由于乙醇自燃性差,著火延遲期長(zhǎng)預(yù)混燃定容取樣系統(tǒng)AVL 472奧地利AVL公司油耗儀733S奧地利AVL公司燒比例增加,易使發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴引起敲缸681;)流量計(jì)TP16A奧地利AVL公司由于乙醇的氣化澘熱大在小負(fù)荷工況下易引起火焰變量程分析天平AE240梅特勒托利多儀器上海有限公淬滅61燃油溫控儀EME308東風(fēng)汽車工程研究院標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣系統(tǒng)西安新航自動(dòng)化工程有限公司柴油機(jī)燃用乙醇主要是采用柴油-乙醇按一定比例進(jìn)行摻燒摻燒技術(shù)主要有以下幾種方式”:)柴油機(jī)進(jìn)氣中添加乙醇 alcohol fumigation method)叫熏1.2實(shí)驗(yàn)用燃料理化特性及SOF分析方法蒸法即利用乙醇表面張力及粘度低的特點(diǎn)通過不同實(shí)驗(yàn)用柴油為0號(hào)標(biāo)準(zhǔn)輕柴油,它是用直餾柴油形式的裝置文丘利管、低壓噴嘴等)將乙醇霧化并與餾分和催化裂化柴油餾分調(diào)配精制而成與歐共體標(biāo)空氣混合通過進(jìn)氣道在進(jìn)氣過程送入氣缸并由柴油準(zhǔn)柴油 Reference fuel CEC RF03-A84相當(dāng)無水乙醇點(diǎn)燃2)雙燃料噴射系統(tǒng)(dual- Injection system)柴油為分析純.柴油和乙醇的性能指標(biāo)見表3.本實(shí)驗(yàn)所用和乙醇分別由兩套燃料供給系統(tǒng)噴入缸內(nèi)3)無水乙的燃料為純柴油(E0)5%乙醇+95%柴油(E5)醇和柴油混合 alcohol- diesel fuel blend)形成混合燃料10%乙醇+90%柴油(E10)15%乙醇+85%柴油供發(fā)動(dòng)機(jī)使用4)使用乳化劑乳化柴油和乙醇(alco-E15)20%乙醇+80%柴油E20)種按一定質(zhì)量比hol- diesel fuel emulsion)本文采用無水乙醇和柴油混配制的混合燃料燃料混合采用機(jī)械攪拌方式合的方法研究柴油機(jī)摻燒乙醇后對(duì)柴油機(jī)性能和法規(guī)限定THC、NO、CO、PM和可見污染物的影響規(guī)律表3標(biāo)準(zhǔn)柴油和乙醇的參數(shù)指標(biāo)參數(shù)號(hào)柴油乙醇1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法密度(20℃)(g·mL1)閃點(diǎn)/℃冷凝點(diǎn)/℃-117.31.1柴油機(jī)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備沸點(diǎn)/℃78.4實(shí)驗(yàn)用柴油機(jī)為東風(fēng)朝陽柴油機(jī)有限責(zé)任公司生著火溫度/℃產(chǎn)的6102B?Q型廢氣渦輪增壓柴油機(jī)其性能指標(biāo)見理論空燃比/(kg·kg14.3-14.68.45六烷值CN表1.柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)步驟嚴(yán)格按GB17691-1999中十三辛烷值RON工況法進(jìn)行為保證數(shù)據(jù)的可靠性每種混合燃料的十低熱值(MJkg-1)42,84526.778三工況循環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值所用的汽化熱(kkg-1)水分儀器設(shè)備見表2.為考察摻燒乙醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影硫含量/響在這十三個(gè)工況點(diǎn)中最大功率點(diǎn)和最大扭矩點(diǎn)采0.0012用等小時(shí)油量控制氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%0.02134.73苯胺點(diǎn)/℃機(jī)械雜質(zhì)表1發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)運(yùn)動(dòng)粘度(20℃)(mm2:s-1)參量參數(shù)型號(hào)6102BZQ環(huán)保型107kW/2800r最大扭矩/轉(zhuǎn)速431N·m/l400~1800r:min紙為聚H中國煤化工衩稱重法采集用的濾CNMHG劑為二氯甲烷(分析排放指標(biāo)歐I純)為保證測(cè)試精度,二氯甲烷在使用前重蒸提純缸數(shù)并經(jīng)美國 Varian公司3800型氣相色譜儀檢測(cè)后無雜缸徑x行程02mm×118mm5.785L質(zhì)峰岀現(xiàn)方可使用.在樣品采集前、后將濾紙放入干燥燃燒科學(xué)與技術(shù)第9卷第4期皿中待一定時(shí)間后取出稱量質(zhì)量穩(wěn)定后方可使用采集的微粒樣品裝入60mL的全玻璃索式萃取裝置中用超級(jí)恒溫水浴加熱溫度穩(wěn)定在65℃二氯甲烷的回流速度控制在8~10次h樣品萃取時(shí)間為24h.蘭2試驗(yàn)結(jié)果及討論2.1對(duì)柴油機(jī)性能的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)不做任何調(diào)整的條件下分別對(duì)1020305種不同比例的乙醇/柴油混合燃料按十三工況法進(jìn)圖31700r/min時(shí)能量消耗率的變化行的圖1和圖2給出了在最大扭矩轉(zhuǎn)速1700r/min和標(biāo)定轉(zhuǎn)速2800r/min時(shí)燃油消耗率BSFC的變化的熱值低于柴油使混合柴油燃油消耗率隨乙醇含量規(guī)律由圖1和圖2可以看出加入乙醇后由于乙醇的增加稍有上升.但由于乙醇和柴油的熱值相差較大直接采用BSFC考察燃料經(jīng)濟(jì)性是不合適的為此引2入能量消耗率BSEC進(jìn)行對(duì)比如圖3和圖4所示.圖中顯示燃用E15時(shí)BSEC的改善效果最大改善效果為3%左右.但因?yàn)榧尤胍掖剂枯^少所以總體來說燃油消耗率變化不大P/(kw)圖42800r/min時(shí)能量消耗率的變化從圖5可以看到在1700r/min時(shí)功率的變化并不明顯在2800r/min時(shí)功率隨乙醇含量的增加有下程中滯燃期延長(zhǎng)而且加入乙醇后使循環(huán)放熱量減小,降趨勢(shì)這主要因?yàn)橐掖嫉臍饣瘽繜岷艽髮?dǎo)致著火過同樣使滯燃期延長(zhǎng)火焰溫度降低并且乙醇的熱值低于柴油故功率出現(xiàn)降低的現(xiàn)象.另一方面由于乙醇燃料的自攜氧性″混合燃料燃燒充分發(fā)動(dòng)機(jī)功率會(huì)略有上升因此在1700r/min時(shí)燃用E10發(fā)動(dòng)機(jī)E25400功率略小于燃用E5和E202800r/min時(shí)燃用E15的功率略小于燃用E20.1700r/min時(shí)燃用E15以及2800r/min時(shí)燃用E20的功率偏高可能因?yàn)榛旌先剂戏謱又率箵綗壤行┳兓?P/(kw)1 7)r/ min2 800 r/ min圖11700r/min時(shí)燃油消耗率的變化中國煤化工CNMHG圖5兩砰轉(zhuǎn)遝卜以舉的變化規(guī)律P/(kW2.2氣體污染物CO、THC和NO)的變化規(guī)律另數(shù)r/min時(shí)燃油消耗率的變化圖6~圖11給出了1700r/min和2800r/r2003年8月劉朋等乙醇-柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)性能及排放旳影響時(shí)THC、CO和NO,排放濃度隨負(fù)荷的變化規(guī)律.圖12給出了摻燒不同比例乙醇后的THC、CO、NO.的十三工況比排放量.由圖6~圖11可見對(duì)于同一種燃料在1700r/s400min時(shí),THC和CO排放濃度基本上是隨著負(fù)荷的增加而減小注在2800r/min時(shí),THC和CO的排放濃度隕著負(fù)荷的增加變化不明顯.NO,排放濃度的變化規(guī)律與之相反在1700r/min和2800r/min時(shí)都是隨1"曲著負(fù)荷的增加而增大負(fù)荷/%對(duì)于相同工況條件下在小負(fù)荷時(shí)隨著乙醇摻燒圖92800r/min時(shí)HC隨負(fù)荷的變化規(guī)律EOEONESM E151000s800言游以之EI5負(fù)荷負(fù)荷/%圖61700r/min時(shí)NO隨負(fù)荷的變化規(guī)律圖101700r/min時(shí)CO隨負(fù)荷的變化規(guī)律200d血NE負(fù)荷/%負(fù)荷/%圖112800r/min時(shí)CO隨負(fù)荷的變化規(guī)律圖72800r/min時(shí)NO隨負(fù)荷的變化規(guī)律比例的增大,THC和CO的排放濃度增加幅度較大而NO排放濃度變化較小在中高負(fù)荷工況條件下乙醇摻燒比例的變化對(duì)THC、CO和NO.的排放濃度的影響相對(duì)較小出現(xiàn)以上結(jié)果主要是由于燃料的理化特性的影響柴油氣化潛熱為270kJ/kg低熱值為42.5MJ/kg而乙醇中國煤化工熱值為26.77MJ/kg,且乙醇CNMHG等小時(shí)耗油量條件下,負(fù)荷/%燃料摻入的乙醇量越多循環(huán)放熱量就越少燃料蒸發(fā)所需的熱量增加從而導(dǎo)致隨著乙醇的摻λ量增加燃圖81700r/min時(shí)THC隨負(fù)荷的變化規(guī)律米的滯燃期延長(zhǎng)燃燒速率減慢火焰溫度降低.NO燃燒科學(xué)與技術(shù)第9卷第4期的形成條件是高溫、富氧與高溫持續(xù)時(shí)間因此隨著乙從圖12和表4中可以看到燃用E5混合燃料時(shí)醇的摻入量增加燃燒溫度降低NO,的排放有下降趨柴油機(jī)NO,的比排放量最高為8.47g/(kW·h)燃勢(shì).但是滯燃期的延長(zhǎng)使發(fā)動(dòng)?xùn)i預(yù)混燃燒的比重加用EO和E20燃料時(shí),NO,的比排放量較低分別為大加之乙醇是含氧燃料有利于NO,的形成由于以7.934g(kW·h)和7350g(kW·h)THC、CO的上兩方面的相互影響和制約對(duì)于同一種工況乙醇摻比排放量基本上隨著乙醇摻燒比例的增加而增加.燃燒比例的變化對(duì)NO的排放濃度的影響規(guī)律不顯著.用EO時(shí),THC的比排放量為1.112g/(kW·h),CO的比排放量為1.583g(kW·h),燃用E20時(shí),THC的比排放量為1.702g(kW.h),CO的比排放量為2.699g/(kW.h)表4乙醇不同摻燒比例條件下污染物的比排放量g/(kW.h)污染物葉「N裝THC1.1121.3561.3751.4151.7021.8172.280圖12摻燒不同比例乙醇的( THC NO、CO)排放規(guī)律NO7.9348.4718.1728.1137.350柴油機(jī)排放中THC、CO等不完全燃燒產(chǎn)物主要2.3可見污染物的排放規(guī)律是由于氧缺乏或者反應(yīng)過程溫度較低造成的,由柴油圖13~圖15分別表示了柴油機(jī)燃用乙醇-柴油混噴注邊緣稀火焰區(qū)及熄火焰區(qū)未完全氧化產(chǎn)物與噴注合燃料后可見煙度、濾紙式煙度 FSN filter smoke num-芯部缺氧燃燒產(chǎn)生的不完全燃燒產(chǎn)物組成因此隨著ber)以及干碳煙(Ds)和有機(jī)可溶成分(SOF)的比排乙醇摻入量的增加燃料滯燃期延長(zhǎng)燃燒速率減慢,放量隨乙醇摻入量的變化規(guī)律火焰溫度降低燃油噴注邊緣的稀熄火焰區(qū)增大未完全氧化產(chǎn)物有增加的趨勢(shì).此外由于乙醇蒸氣的冷卻1 700r/min2 800r/ min作用使燃燒過程中出現(xiàn)淬滅層,也造成THC、CO的增多.另一方面隨著乙醇的摻入量增加使噴注芯εe 0.11部的氧濃度增加不完全燃燒產(chǎn)物有減少的趨勢(shì).在1700r/min、小負(fù)荷工況下滯燃期延長(zhǎng)燃燒00o速率減慢,火焰溫度降低對(duì)THC、CO的排放影響較大而含氧量增加對(duì)它們的排放影響較小因此THCCO的排放有所增加.隨著負(fù)荷的升高增壓柴油機(jī)壓005020乙醉摻燒比例縮終點(diǎn)的溫度、壓力大幅度地提高縮短了燃料的滯燃圖13可見煙度隨乙醇摻入量的變化規(guī)律期隆降低了燃料燃燒的稀油限減小了稀熄火焰區(qū)含氧量增加從而使THC、CO的排放隨著乙醇摻燒比例-D- 1 700r/ min的增加而有減少的趨勢(shì)112800r/在2800r/min、小負(fù)荷的工況下THC、CO的排放濃度也是隨著乙醇摻燒比例的增加而增加但是增加的幅度相對(duì)于1700y/mn時(shí)小這是由于在2800*中國煤化工min時(shí)噴油速度快、霧化好以及燃燒溫度高等原因在CNMHG定程度上抑制了THC和CO排放的增加.在高負(fù)荷時(shí)由于兩種因素的相互作用隨乙醇摻燒比例的增乙醉擋燒比例/%加,THC和CO的排放濃度變化規(guī)律不明顯圖14FSN隨乙醇摻入量的變化規(guī)律2003年8月劉朋等乙醇-柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)性能及排放旳影響0.323結(jié)論0.281)燃料中乙醇含量在5%~20%范圍內(nèi)燃用乙醇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低的幅度不大90.122)NO的比排放量基本隨著乙醇摻燒比例的增0.08加而減少而THC、CO的比排放量基本上隨著乙醇摻0.04燒比例的增加而增加乙醇燒比例/%隨著乙醇摻入比例的增加柴油機(jī)的可見煙度和濾紙式煙度均有顯著的降低隨著乙醇摻燒比例的圖15干碳煙DS)和SOF排入量隨乙醇增加干碳煙DS)的比排放量呈下降趨勢(shì),而微粒的摻入量的變化規(guī)律比排放量隨乙醇摻燒比例的增加變化不是很大.參考文獻(xiàn)從圖13和圖14中可以看到隨著乙醇摻入比例的增加在1700r/min和2800r/min兩種工況下發(fā)[1 National Mechanical Engineering Research Institute. Council for scien動(dòng)機(jī)的可見煙度和濾紙式煙度均有顯著的降低.主要tific and industry research[ R ] Pretoria, Republic of South Africa1980.MEl584ME1651是因?yàn)椤?隨著含氧燃料乙醇的摻入量增加,燃料的[2 Wetdmann K, Menrad H, FleetPerformance and emissions of滯燃期延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混合燃燒比例增大而擴(kuò)散燃燒diesel engine using different alcohol fuel blend[ A ] SAE Papar C]比例減小使柴油、乙醇和空氣有相對(duì)較充分的時(shí)間混1984841331合提高了混合質(zhì)量減少了碳煙的排放隊(duì)而降低了3] Doane H. cohol Fuels[ M] Boulder; iCo: Westview pres煙度2)柴油燃料燃燒易產(chǎn)生碳煙排放的一個(gè)重要原[4] Ajav E A, Bachchan Singh, Bhattacharya TK. Experimental study of因是柴油本身的HC比例小加入乙醇能增加燃料里some performance parameters of a constant speed stationary diesel en-的H的含量最終減少碳煙的排放12泚此外乙醇是ne using ethanol-diesel blends as fue[ J ]. Biomass and bioenerg含氧燃料含氧量的增加也使碳煙的的生成減少煙度1999,17357-365下降并且乙醇和柴油形成的微乳化液在燃燒室內(nèi)的[5] Eugene E, Bechtold L, Timbario TJ et al. State-of-the-art report高溫空氣中可能產(chǎn)生微爆作用31,可以改善柴油機(jī)的on the use of alcohols in diesel engines[ A ] SAE Paper C ] 198440l18混合氣形成和燃燒使煙度的排放減少[ 6] Broukhiyan E M H, Lestz S S. Ethanol fumigation of a light duty au圖15顯示隨著摻燒乙醇比例的增加,干碳煙tomotive diesel engine A ] SAE Paperl C]. 1981 811209DS)的比排放量呈下降趨勢(shì)而SOF呈上升的趨勢(shì).[7] Baranescu R A. Fumigation of alcohols in multi-cylinder diesel en-燃用E20時(shí)DS排放量最小為0.0863g(kW.h)gine-evaluation of potentia[ A ]. SAE Paper C ].1986 860308SOF比排放量最大為0.1697g(kW·h):燃用E[8 Heisey JB, Lestz s s. Aqueous alcohol fumigat時(shí)DS排放量最大為0.1501g(kW·h)der DI diesel engine[ A]. SAE Paper C ].1981 811208[9] Hayes TK, Savage L D, White R A et aL. The effect of fumigation of柴油機(jī)微粒主要由DS和SOF組成.SOF主要是different ethanol proofs on a turbo-charged diesel engine[ A ] SAE的增”有增大的趨勢(shì)別是在燃用0的時(shí)候t00口SOF的比排放量要明顯高于其它摻燒比例下的比排放量這主要是由于乙醇摻入量過多引起燃料燃燒惡化,sion management 2000 41 389-399燃燒不充分從而產(chǎn)生了大量未氧化或未完全氧化的碳[1J魏象儀內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)M大連大連理工大學(xué)出版社108[12ngom G et al. Interest of com-氫化合物.由于干碳煙的減少和SOF的增加微粒的中國煤化工lends for use in diesel engines比排放量隨乙醇摻燒比例的增加變化不大,在燃用HCNMHGE10時(shí)微粒比排放量最小,為0.233g(kW·h)在[131張耀宏,使用含水乙醇和輕柴油WEO型)乳化燃料的壓燃式燃用E20時(shí)比排放量最大為0.256g(kW·h)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究J]小型內(nèi)燃機(jī)』993.130-33