2005年12月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報第36卷第12期柴油/乙醇混合燃料特性及對增壓發(fā)動?xùn)i性能影響ˉ于世濤郭英男劉金山譚滿志卓斌【摘要】研究了不同摻混比例的柴油、乙醇混合燃料旳主要理化特性,結(jié)合十三工況實驗分析了混合燃料對增壓發(fā)動機(jī)性能的影響。實驗結(jié)果表眀:隨著乙醵摻混比例的増加,混合燃料的低熱值、十六烷值、粘度逐漸降低混合燃料的低溫蒸餾特性較強(qiáng)。發(fā)動?xùn)i實驗結(jié)果表明:隨著♂醇摻燒比例的増加,混合燃料的動力性逐漸降低、小負(fù)荷工況下經(jīng)濟(jì)性惡化嚴(yán)重?；旌先剂系腃O、HC、微粒、NO-比排放逐漸增加,干碳煙比排放有所降低關(guān)鍵詞:柴油/乙醇混合燃料粘度蒸餾特性排放中圖分類號:TK46+4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AStudy on the Characteristics of Diesel-ethanol blend Fuel andEffects on Turbocharged Diesel EngineYu Shitao Guo Yingnan Liu Jinshan Tan Manzhi2 Zhuo B(1. Shanghai iao Tong University 2. ilin UniversityAbstractThe investigation was made on the main physical and chemical characteristics of dieselethanol blend fuel, the effects on the characteristics of turbocharged diesel engine were alsoinvestigated experimentally following the test procedure of ece r49. The result showed thatthe low heat value, cetane number, viscosity of blends decreased as the content of ethanolincreased in the blends. The distillation characteristic of the blends was very high in the lowrange of temperature. With the content of ethanol increasing in the blended fuel, the torqueoutput decreased the fuel economy deteriorated greatly at the low load, the brake specificCO, HC, particulate and NO, emission increased gradually, the soot emission was improvedKey words Diesel-ethanol blend fuel, Viscosity. Distillation characteristic, Emission已在汽油機(jī)上推行應(yīng)用乙醇汽油(E7.7,E10,E20)引多年;然而乙醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用技術(shù)還不成熟,這隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和汽車保有量的增加,石主要是由于乙醇與柴油兩種油品理化性質(zhì)有較大差油短缺問題日益突岀,大氣環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重。異口。目前,國內(nèi)外在柴油機(jī)上應(yīng)用乙醇多采用燃用尋求清潔的石油替代燃料成為人們普遍關(guān)注的問柴油/乙醇混合燃料(以下簡稱混合燃料)的方式,對題。乙醇作為一種可再生含氧生物燃料,已越來越被E10進(jìn)行了較多的研究,然而對多種比例混合燃料認(rèn)為是一種比較有前景的代用燃料。的性質(zhì)及其對發(fā)動機(jī)性能的影響研究不多,因此本由于乙醇的性質(zhì)接近于汽油,在汽油機(jī)上摻文進(jìn)行與發(fā)動?xùn)i應(yīng)用相關(guān)的混合燃料理化特性的研燒乙醇燃料技術(shù)已十分成熟,美囯、巴西和歐共體等究,以及分析混合燃料對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和中國煤化工收稿日期:2004-11-10“十五”國家科技攻關(guān)計劃資助項目(項目編號:2003BA408B11)CNMHG于世濤上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院博士生,200030上海市郭英男吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院教授博士生導(dǎo)師,130025長春市劉金山吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授要,賣汽車工程學(xué)院講師蘸學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院教授博士生導(dǎo)師農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報2005年排放特性的影響。因為乙醇的沸點為78.5C,遠(yuǎn)小于柴油的沸點,因1實驗裝置和實驗方法而當(dāng)混合燃料的溫度升高大于乙醇的沸點溫度時乙醇首先從混合燃料中大量蒸發(fā)出來,當(dāng)混合燃料采用TYN-3型石油產(chǎn)品運動粘度測定儀,按溫度達(dá)到100C時,乙醇已基本從混合燃料中完全照GB/T265實驗方法進(jìn)行混合燃料粘溫特性實蒸發(fā),混合燃料中僅剩下柴油燃料本身,所以當(dāng)溫度驗、GBT6536實驗方法在蒸餾儀上進(jìn)行混合燃料在100℃以后,幾種混合燃料的粘溫曲線基本重合。蒸餾特性實驗。實驗用發(fā)動?xùn)i為￠A6DEⅠ-21型增正因如此,在柴油杋上燃用混合燃料的供油系統(tǒng)中壓直噴式柴油機(jī),壓縮比為17,標(biāo)定功率(轉(zhuǎn)速)為應(yīng)防止乙醇蒸發(fā)而發(fā)生氣阻和穴蝕現(xiàn)象。同時,對于155kW(2300r/min),最大轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)速)725N·m柱塞式噴油泵而言,由于混合燃料的粘度下降,導(dǎo)致(140r/min)采用日本崛廠MEXA-822D型排燃料的節(jié)流效應(yīng)下降,從而可能影響噴油泵每循環(huán)氣分析儀進(jìn)行氣體排放污染物的測量,采用日本小供油量野DF-313型油耗分析儀進(jìn)行發(fā)動機(jī)燃油油耗測量,采用分流式微粒稀釋采樣系統(tǒng)進(jìn)行微粒采樣分2,0HElO析。實驗用油是以-35號柴油為基礎(chǔ)油的E0、E30E10、E15(E后面的數(shù)字代表混合燃料中乙醇所占的體積分?jǐn)?shù))2混合燃料的性質(zhì)2.1混合燃料的低熱值、十六烷值圖2混合燃料的粘溫特性對比曲線乙醇燃料的著火性差,十六烷值僅為8,且其低of熱值為柴油的63%(設(shè)柴油的低熱值為100%)temperature of blend fuel因此隨著乙醇摻混比例的增大,混合燃料的十六烷2.3混合燃料的餾程值、低熱值逐漸下降如圖1所示燃料油的蒸餾曲線是其餾岀率隨溫度變化的曲線,其形態(tài)代表著燃料油中輕、中、重餾分的分布比例。而這種分配比例對于燃料油在內(nèi)燃機(jī)中的著火、燃燒和放熱的時刻和強(qiáng)度起著決定性的作用。圖3為E0、E10、E20、E30混合燃料蒸餾特性實驗結(jié)果。十六烷值圖1燃料低熱值百分比十六烷值隨乙醇摻混比的變化rE20Fig 1 Heating value percent and cetane number ofblend fuel versus ethanol fraction2.2混合燃料的粘度圖3混合燃料的蒸餾特性對比曲線在柴油機(jī)中,燃油在供油系統(tǒng)中兼起著潤滑和ig. 3 Comparison of distillation of blend fuels防漏作用,燃油的粘度是發(fā)動機(jī)燃料一個重要評價由圖3可見,隨著溫度的升高,燃料的餾出率在指標(biāo)然而燃料的粘度隨溫度變化關(guān)系(粘溫曲線)不斷增加,并且隨著乙醇摻混比例的增加,相同餾出是燃料特別是代用燃料重要的品質(zhì)特性。考慮到率所對應(yīng)的餾出溫度也在不斷的降低,尤其在50發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)工作溫度范圍,以-35號柴油為基餾中國煤化工混合燃料的素餾曲線相礎(chǔ)油,在20~100C的溫度范圍內(nèi),對E0、E10、差CNMH邦點較柴油低的緣故由E20、E30混合燃料進(jìn)行粘溫特性實驗實驗結(jié)果如于頭進(jìn)行的時進(jìn)程較快,乙醇的完全蒸發(fā)圖2所示。需要一定的時間,因而當(dāng)溫度達(dá)到200C左右時,可由圖2可知,隨著乙醇摻混比例的增大,混合燃以認(rèn)為乙醇已經(jīng)完全從混合燃料中蒸發(fā)出來。所以料的粘度誘沔嫛獯,并且在溫度為100附近,幾種當(dāng)混合燃料進(jìn)入50%蒸餾階段時,可以認(rèn)為此階段混合燃料的粘度和柴油的粘溫曲線保持一致。這是為純柴油燃料的蒸餾過程綜上所述,在儲存柴油乙第12期于世濤等:柴油/乙醇混合燃料特性及對增壓發(fā)動機(jī)性能影響醇混和燃料時,混合燃料的較大的低溫蒸發(fā)性是值由圖5a可見,發(fā)動機(jī)燃用E10、E15混合燃料得考慮的一個重要因素后,在中小負(fù)荷范圍內(nèi),燃料的比能耗較原機(jī)高,在3混合燃料對發(fā)動機(jī)特性的影響高負(fù)荷范圍內(nèi),兩種燃料的比能耗與原機(jī)差別不大這是由于乙醇燃料汽化潛熱較大,著火性差,且在中3.1對動力性的影響小負(fù)荷范圍內(nèi),發(fā)動機(jī)氣缸溫度較低,空燃比較大如圖4所示,發(fā)動機(jī)燃用混合燃料后,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致混合燃料的燃燒差.所以隨著乙醇摻混比矩下降較明顯。在最大轉(zhuǎn)矩點,E1θ燃料較原機(jī)下降例的增加,燃料的比能耗逐漸惡化隨著負(fù)荷的逐漸5%,E15燃料較原機(jī)下降10%。這主要是由于混合增加,缸內(nèi)溫度逐漸升高,空燃比逐漸下降,混合燃燃料的熱值低,E10燃料熱值為原柴油的96.,4%料的燃燒得到改善,因而燃料的比能耗惡化程度降E15燃料熱值為原柴油的94.6%,在沒有提高循環(huán)低供油量的情況下,發(fā)動機(jī)的動力性必然有一定程度由圖5b可見,E1θ燃料的比能耗在整個負(fù)荷范的下降。圍內(nèi)與原機(jī)相當(dāng)。E15燃料的比能耗在低負(fù)荷工況下較原機(jī)惡化,在中高負(fù)荷工況與原機(jī)相當(dāng)。這也是由于小負(fù)荷工況下,空燃比較大,乙醇燃料著火性差所引起的。E10總之,不同乙醇摻混比例的柴油乙醇混合燃料ElS的比能耗在小負(fù)荷時較柴油惡化,在中高負(fù)荷與原90012001500180021002400柴油相當(dāng)圖4不同乙醇摻混比對動力性的影響曲線3.3對排放的影響Fig 4 Effect on the torque output of diesel engi采用ECER49十三工況法對混合燃料的排放3.2對經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行實驗研究,采用分流式微粒稀釋采樣系統(tǒng)進(jìn)行由于乙醇與柴油的熱值相差較大直接采用燃微粒采樣分析。實驗結(jié)果如表1所示。圖6分別為油消耗率來考察燃料的經(jīng)濟(jì)性是不合適的,為此引CO、HC、可溶性有機(jī)成分、干碳煙和NO2的十三工入比能耗( brake specific energy consumption,)簡稱2比排放直方圖BSEC)進(jìn)行對比,如圖5所示。表1十三工況比排放對比Tab 1 Comparison of brake specific emission ofdifferent blend fuels一El5比排放/g·(kW·h)燃油種類E101.10.995.780.1330.0840.0482.161.166.790.2460.0810.1633.3.1對CO排放的影響由表1可以看岀,隨著乙醇摻混比例的增大,燃料的CO比排放逐漸增加,這主要是由于小負(fù)荷工況下乙醇燃料的不完全燃燒導(dǎo)致的(見圖6)。在小負(fù)荷工況下,缸內(nèi)燃燒溫度較低,且由于乙醇燃料汽E15化潛熱較大,從而進(jìn)一步地降低小負(fù)荷工況下缸內(nèi)的中國煤化工的氧化反應(yīng)速率。所以層是 CNMHG致的較厚的火焰淬熄由貝何⊥卜牦合燃料CO排放過高的主要原因。然而隨著負(fù)荷的增加,缸內(nèi)溫度逐漸升圖5負(fù)荷特性高,有助于削弱乙醇燃料的淬熄效應(yīng),同時.由于乙 Load characteristic醇燃料為含氧燃料,因而有助于提高CO的氧化反(a)n=1 400 r/min (b2300r/t應(yīng)速率。從而導(dǎo)致在高負(fù)荷工況下,混合燃料的CO農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報2005年排放有所改善3.3.2對HC和微粒排放的影響由表1可以看出,隨著乙醇摻混比例的增加,混合燃料的HC排放逐漸增加,尤其在小負(fù)荷工況下E10(工況號:2,3,12,見圖6),混合燃料的HC排放惡mm dl il化嚴(yán)重。這主要是因為小負(fù)荷工況下缸內(nèi)燃燒溫度較低,空燃比較大,且由于乙醇燃料具有較低的十六烷值和較大的汽化潛熱,從而導(dǎo)致小負(fù)荷工況下HC排放惡化。由于微粒中的可溶性有機(jī)成分(SOF)主要成為口E15主02未燃HC2,所以微粒中的可溶性有機(jī)成分也隨之增加(見圖6)。由圖6還可以看出,由于乙醇為含氧燃料,所以發(fā)動機(jī)燃用混合燃料后,在一定程度上也改善了微會0.05粒中干碳煙的排放量,1MEOE【0由于混合燃料的可溶性有機(jī)成分的惡化量高于干碳煙的改善量,從而導(dǎo)致隨著乙醇摻混比例的増加,混合燃料的微粒排放逐漸惡化(由表1所示)圍:r3.3.3對NO排放的影響由表1所示,隨著乙醇摻混比例的增加,混合燃料的NO排放逐漸惡化。這主要是由于在高負(fù)荷工況下(見圖6),發(fā)動機(jī)具有較高的燃燒溫度,且乙醇口EI5為含氧燃料,有助于NO排放物的生成4結(jié)論(1)隨著乙醇摻混比例的增加,混合燃料的低熱值、十六烷值、粘度逐漸降低。(2)混合燃料的低溫蒸餾特性較強(qiáng)3)乙醇燃料較低的低熱值是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力性降低的主要原因I Il(4)乙醇燃料較低的十六烷值、較大的汽化潛熱工況號是導(dǎo)致小負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性,CO、HC、可圖6十三工況比排放的對比直方圖溶性有機(jī)成分排放惡化的主要原因。(5)含氧燃料在一定程度上改善了微粒中干碳emission in ece r49 mode煙的排放量以及高負(fù)荷工況下CO排放量;但同時導(dǎo)致了混合燃料NO排放量的增加。崔心存.內(nèi)燃機(jī)的代用燃料.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19902周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19993 Likeos b. performance and emission of ethanol and ethTH中國煤化工and pre-chamber dieselto N, Ogawa H Improvement of diesel combustiCNMHGvarious oxygenated agentsdiesel fuels. SAE Paper 962115,1996