第39卷第2期小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車Vol 39 No. 22010年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2010柴油機(jī)燃燒乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性研究陸克久張金迎肖銀培(解放軍汽車管理學(xué)院安徽蚌埠233011)摘要:在一臺(tái)單缸直噴式柴油機(jī)上分別燃用柴油、乙醇-柴油一生物柴油混合燃料,對(duì)不同摻燒比的乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性進(jìn)行了對(duì)比研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著乙醇摻混比例的增大,燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放情況是:煙度排放大幅度降低,中高負(fù)荷下CO排放大幅度減少,HC排放量明顯增加,NO,排放變化不大。關(guān)鍵詞:柴油機(jī)乙醇生物柴油排放特性中圖分類號(hào):TK421.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-0630(2010)02-0078-04Study on Emission Characteristics of Diesel EngineFueled with Ethanol-Diesel-Biodiesel Blend Fuelu Kejiu, Zhang Jinying, Xiao YinpeiAutomobile Management Institute of PLA( Bengbu, Anhui, 233011, China)Abstract: An experimental study is made on the emission characteristics of a single-cylinder direct injectiondiesel engine with different proportions of diesel and ethanol-diesel-biodiesel. The results show that, while themixed proportion of alcohol getting larger, the emission circumstances of diesel engine burning the ethanoldiesel-biodiesel blend fuel are that the smoke decreases significantly, that the Co emission decreases significantly at the medium and high loads, that the HC emission increases obviously, that the NO, emission does neKeywords: Diesel engine, Ethanol, Bio-diesel, Emission characteristics引言就是柴油機(jī)比較理想的燃料,而且也可以作為混合燃通常降低內(nèi)燃機(jī)的有害氣體排放可以從完善內(nèi)燃料的添加劑。生物柴油不但能夠分別與乙醇和柴油互機(jī)的設(shè)計(jì)尾氣后處理以及使用清潔燃料3個(gè)方面入溶,而且通過生物柴油的助溶作用,可以使乙醇與柴油手。對(duì)于柴油機(jī)而言,在設(shè)計(jì)和排氣后處理方面目前在一定范圍內(nèi)形成穩(wěn)定的乙醇-柴油-生物柴油混合還沒有經(jīng)濟(jì)可行的簡便措施可以大幅度降低這些有害燃料-9。由于乙醇的物理化學(xué)性質(zhì)不同于柴油而物的生成與排放因而清潔燃料的研兗和應(yīng)用成為目且隨著乙醇含量的增加,乙醇-柴油-生物柴油混合前研究的熱點(diǎn)之一1)。近年來國內(nèi)外研究人員對(duì)柴燃料的熱值和十六烷值都會(huì)降低、汽化潛熱增大,影響油機(jī)燃用乙醇進(jìn)行了大量的研究,但其技術(shù)難點(diǎn)是必柴油機(jī)的燃燒與排放性能。為此本文將乙醇-柴油須使用價(jià)格昂貴的助溶劑,才能形成比較穩(wěn)定的乙醇生物柴油混合燃料與柴油進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),研究乙醇柴油混合燃料←“。生物柴油是由各種脂肪酸與甲在不中國煤化工醇-柴油-生物柴醇進(jìn)行酯化反應(yīng)的產(chǎn)物其理化特性接近柴油它本身油混CNMHG作者簡介:陸克久(1969-),男,講師主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)與排放控制技術(shù)。第2期陸克久等:柴油機(jī)燃燒乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性研究1試驗(yàn)燃料E30(柴油、乙醇、生物柴油的體積分?jǐn)?shù)分別為60%試驗(yàn)研究了柴油、El0(柴油、乙醇生物柴油的體30%和10%)的排放特性。試驗(yàn)用基礎(chǔ)燃料和乙醇積分?jǐn)?shù)分別為85%、10%和5%)、E20(柴油、乙醇和柴油-生物柴油混合燃料的理化特性如表1所示。生物柴油的體積分?jǐn)?shù)分別為7%、20%和5%)以及表1柴油、乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的理化性質(zhì)理化特性生物柴油乙醇柴油E10E20E30密度(20℃)/(kg·L)0.8750.7890.8350.8320.8280.825十六烷值50.345.9運(yùn)動(dòng)黏度(20℃)/(mm2·s-1)6.41.23.93.3低熱值/(MJ·kg-)37,426.842.540.9339.4237.45氧含量(%)1034.783.977.4511.432試驗(yàn)設(shè)備與方法試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為s5單缸渦室柴油機(jī)其技術(shù)3試驗(yàn)結(jié)果分析水溫度80℃。主要設(shè)備有XP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示碳煙是柴油機(jī)尾氣的主要污染物之一,一般多儀: Automex AMX電渦流型測功機(jī);FS公司的在高負(fù)荷或加速的條件下產(chǎn)生。圖1為燃用混合燃FGA415五氣分析儀在線測量NO、c、HC有害氣體料的煙度排放對(duì)比。由圖1可見,燃用乙醇-柴油濃度; AVL Dismoke4000不透光煙度計(jì);AMX240動(dòng)生物柴油混合燃料時(shí)煙度的排放較柴油有大幅度態(tài)油耗儀; Sensycon P空氣流量計(jì)。下降,滿負(fù)荷時(shí)E0較柴油煙度下降20.7%左右試驗(yàn)時(shí)選取200r/min轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性進(jìn)行臺(tái)E20較柴油煙度下降38.8%,E30煙度最大下降50架試驗(yàn)研究。柴油機(jī)在更換柴油和各種比例的混合6%。主要原因是乙醇和生物柴油均為含氧燃料,含燃料后,首先觀察一段時(shí)間,看柴油機(jī)是否出現(xiàn)粗暴氧燃料可在燃燒過程中提供較多的氧,因此降低了運(yùn)轉(zhuǎn),然后進(jìn)行性能測試。每一個(gè)工況下的性能測燃料濃混合區(qū)缺氧的程度,也就在一定程度上抑制試均當(dāng)柴油機(jī)在該工況下運(yùn)轉(zhuǎn)處于穩(wěn)定后進(jìn)行。在了碳煙的生成;另外乙醇的沸點(diǎn)比較低使得乙醇在柴油機(jī)動(dòng)力燃油耗廢氣測定試驗(yàn)過程中,不同燃?xì)飧變?nèi)比柴油更容易蒸發(fā)霧化更有利于燃料與空料切換后,柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)足夠長時(shí)間,以消除燃油氣的混合降低了缸內(nèi)空燃比的不均勻性,從而降低系統(tǒng)內(nèi)的殘余燃料對(duì)新試燃料的影響。整個(gè)試驗(yàn)過了碳煙的排放。程中,原發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)未做任何調(diào)整,即發(fā)動(dòng)機(jī)的供油壓力噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角等參數(shù)均為原4.0一E10機(jī)數(shù)值2.5e-E30表2柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)缸徑/mm行程/mm負(fù)荷(%)排量/L0.82涅^她葉〓煙排放對(duì)比圖壓縮比中國煤化工標(biāo)定功率/kWCNMHG個(gè)重要指標(biāo)就是8.8自由冊(cè)及,出四么咧以看出,混合燃料標(biāo)定轉(zhuǎn)速/(r·min1)00自由加速下煙度排放較柴油有比較明顯的下降,其小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車第39卷中E10、E20和E30分別較柴油下降了10.8%、HC排放增加;由于乙醇的汽化潛熱大,缸內(nèi)溫度低31.8%和40.1%。同時(shí)末燃乙醇也會(huì)有一定的排放。HC排放主要是燃燒不完全引起,這在擴(kuò)散燃燒的柴油機(jī)中表現(xiàn)更為明顯,它與過量空氣系數(shù)的關(guān)系不大。因此,由于乙醇柴油一生物柴油混合燃料的汽化潛熱大,導(dǎo)致其HC排放升高。9乙醇含量/(%9圖2不同燃料自由加速時(shí)的煙度排放對(duì)比圖43213.2Co排放對(duì)比-E30CO是碳?xì)淙剂显诓裼蜋C(jī)燃燒過程中生成的不完80負(fù)荷(%全燃燒產(chǎn)物之一。圖3為混合燃料對(duì)CO排放的影圖4燃用不同燃料時(shí)的HC排放對(duì)比圖響。由圖可見,在中低負(fù)荷范圍內(nèi),隨著乙醇含量的增3.4NO,排放對(duì)比加,CO的排放略有增加。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí),氣缸內(nèi)混合氣過稀,燃料霧化較差,乙醇汽化潛熱高溫、富氧足夠的滯燃期時(shí)間是產(chǎn)生NO排放高,缸內(nèi)燃燒溫度低不利于C0的繼續(xù)氧化反應(yīng)。在的主要原因。圖5為燃用混合燃料NO,的排放情大負(fù)荷時(shí),CO排放大幅減少。其原因是氣缸溫度較況。由圖可見隨著負(fù)荷的增加NO,排放逐漸增高有助于燃料的霧化,乙醇和生物柴油是含氧燃料,加同一負(fù)荷下混合燃料NO.的排放相差不大,但有利于燃料的燃燒?？梢?乙醇-柴油-生物柴油混E10的NO2排放值最大,而E3O的NO,排放值最小。合燃料的CO排放主要是由缸內(nèi)溫度與氧含量共同作兗其原因可能是E10的乙醇添加量相對(duì)較少,其汽用的結(jié)果。化潛熱造成的溫度降低對(duì)NO2的減小作用不如乙醇中氧元素促進(jìn)NO,的生成作用;而E30正好相反,由于乙醇添加量已很大,其汽化潛熱使得缸內(nèi)溫度下降很大,溫度的降低極大地抑制了NO,的生成。此外,混合燃料的燃燒持續(xù)期縮短也是導(dǎo)致NO,排放E30下降的另一個(gè)原因。E101000一E20800E30負(fù)荷(%)圖3燃用不同燃料時(shí)的CO排放對(duì)比圖3HC排放對(duì)比在柴油機(jī)的燃燒過程中,由于燃料和空氣的混合負(fù)荷(%)不均勻,燃燒室內(nèi)混合氣局部過濃或過稀,致使燃燒不圖5燃用不同燃料時(shí)的NO,排放對(duì)比圖完全而產(chǎn)生HC排放;另外,在靠近氣缸壁面的可燃混合物受到冷激效應(yīng)的影響,導(dǎo)致燃燒不完全,產(chǎn)生HC4結(jié)論排放;在活塞和缸套的間隙內(nèi)有未燃燒的燃料,亦導(dǎo)致中國煤化工乙醇和柴油互溶而HC排放產(chǎn)生。圖4為混合燃料HC的排放情況。且通CNMHG使乙醇與柴油在由圖可以看出,隨著負(fù)荷的增加,HC排放逐漸增加。定范疋m呼-采酒-生物柴油混合燃這是由于乙醇的著火性能較差,主要靠柴油引燃,使得料,而且隨著乙醇含量的增加,乙醇-柴油-生物柴氵第2期陸克久等:柴油機(jī)燃燒乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的排放特性研究混合燃料的熱值和十六烷值都會(huì)降低、汽化潛熱增大prover on heat releasnd emissions of high speed diesel影響柴油機(jī)的排放性能。ol diesel blend fuelFuel2)燃用乙醇一柴油一生物柴油混合燃料時(shí)煙度2004,83:2013的排放較柴油有大幅度下降,滿負(fù)荷時(shí)E0較柴油煙度下降20.7%左右,F20較柴油煙度下降38.8%,E30diesel blend fuel and its effect on performance and emis-ns of diesel engines[J]. Renewable Energ煙度最大下降50.6%。隨著乙醇摻混比例的增大,乙967~976醇-柴油-生物柴油混合燃料的HC排放呈現(xiàn)增加趨6何邦全,王建新閏小光乙醇一柴油在線混合燃料的燃勢,NO,排放變化不大;CO的排放在中小負(fù)荷時(shí)略高燒排放特性[].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2003,43(11):1523-于柴油,中高負(fù)荷時(shí)明顯低于柴油。參考文獻(xiàn)7黃忠水.生物柴油的理化性質(zhì)及其燃燒排放特性研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2041 Yeh L I, Rickeard D J. Oxygenates: an evaluation of their 8 Yamane K, Ueta A, Shimamoto Y. Influence of physical andeffect on diesel emissions[ C]. SAE Paper 2001-01-2019chemical properties of biodiesel fuels2 Curran HJ, Fisher E M, Glaude P A, et al. Detailed chemtion and exhaust emission characteristics in a direct injectioncompression ignition engine[J]. Intemational Journal of En-fuels[ C]. SAE Paper 2001-01-0653gine Research,2001,2(4):249~2613 Natarajan Mani, Frame Edwin A, Naegeli David W, et al.9符太軍.乙醇-柴油一生物柴油混合燃料的配制及其應(yīng)Oxygenates for advanced petroleum-based diesel fuels(I):用研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2006Screening and selection methodology for the oxygenates[C]10王忠,袁銀南梅德清等.生物柴油的排放試驗(yàn)研究[J]SAE Paper2001-01-3631內(nèi)燃機(jī)工程,2007,28(1):83~854 Lv X C, Yang J G, Zhang WG. Effect of cetane number im-(收稿日期:2009-05-07)③4433a34四444443633否4④公③③③4③4否⑤④4④④3(上接第53頁)在缸體平衡孔處應(yīng)力值為450MPa,遠(yuǎn)大于缸體材料的拉伸強(qiáng)度極限值05MPA2)為了增強(qiáng)原發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的強(qiáng)度,減少了平衡孔處的直徑并改變其形狀,增加了缸體加強(qiáng)筋的數(shù)量;缸體改進(jìn)方案1的強(qiáng)度還未滿足要求,方案2和方案3在缸體平衡孔處應(yīng)力值相當(dāng)并滿足要求,而方案3的應(yīng)力值比方案2小,因此建議采用方案3。參考文獻(xiàn)圖5缸體改進(jìn)方案2應(yīng)力分布圖1劉曉波黃其柏.轉(zhuǎn)子葉片裂紋擴(kuò)展故障診斷實(shí)驗(yàn)研究.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005(9):24-26Lsyr2袁偉;王炯耿420h鍋爐再熱器向空排氣管座及其附近管道裂紋的原因分析及對(duì)策浙江電力,2000(4):383胡玉梅,鄧兆祥.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體瞬態(tài)強(qiáng)度分析內(nèi)燃機(jī)工程,2005(1):12-14收稿日期:200906-22)圖6缸體改進(jìn)方案3應(yīng)力分布圖中國煤化工結(jié)論CNMHG1)19000發(fā)動(dòng)機(jī)T9000690003#在試驗(yàn)中發(fā)生裂紋的原因是缸體增加開窗口結(jié)構(gòu),導(dǎo)致缸體剛度下降,