乙醇与柴油混合燃料燃烧特性及排放特性的试验研究

乙醇与柴油混合燃料燃烧特性及排放特性的试验研究 乙醇与柴油混合燃料燃烧特性及排放特性 的试验研究 第25卷(2007)第1期内燃机 TransactionsofCSICEVo1.25(2O07)No.1 文章编号:1000—0909(2007)01-0024-06 引言 乙醇与柴油混合燃料燃烧特性及 排放特性的试验研究 邢元,尧命发’,张福根,郑尊清 (1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072; 2.广西大学机械工程学院,广西南宁530004) 摘要:在一台YCAll2ZLQ增压柴油机上进行了不加任何助溶剂和着火改进剂的情况下,无水乙醇与柴油混 合对柴油机燃烧过程影响的研究.试验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,随着混合燃料中乙醇比例的提高,滞燃期延长,放热峰值增 大,缸内最大爆发压力和最大压力升高率升高.与柴油相比,El0和E20有效热效率与原机相当,E30在高速 大负荷工况热效率降低,NO和碳烟排放明显降低;但HC和CO排放随着混合燃料中乙醇比例的增大,发动 机转速为1500r/rain时,HC排放和CO排放均降低,发动机转速为 2300r/min时,HC排放和CO排放均有 所升高. 关键词:乙醇;柴油;燃烧过程;发动机性能;发动机排放 中图分类号:TK421.2文献标志码:A ExperimentalInvestigationonCombustionandEmissionCharacteristicsof . EngineFuelledwithEthanol-DieselBlends XINGYuan,YAOMing-fa,ZHANGFu-gen,ZHENGZun-qing (1.StatedKeylaboratoryofEngine$,TianjinUniversity,Tianjin300072,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China) Abstract:Theeffectsofethanol—dieselblendsonenginecombustionandemi ssioncharacteristicswerein— vestigated.Experimentswerecarriedoutonaturbo—chargedinter-cooledY CA112ZLQdieselengine.The resultsshowthat,withtheincreaseofethanolratio,theignitiontimingisdelayed,andthemaximumval- ueofheatreleaserateisincreased,leadingtotheincreaseinpeakcylinderpressureandmaximumrateof pressurerise.TheeffectivethermalefficienciesofEIOandE20arealmostthesameasthatofthediesel fuel,whilethermalefficiencyofE30decreasesathighspeedandheavyload.Comparedwiththediesel engine,bothNOemissionandsmokearereduced,whileHCandCOemissiona】relatedtotheethanol ratioandenginespeed.Withtheincreaseofethanolratio,HCandCOemissionsdecreaseatenginespeed of1500r/min,buttheygivetheincreaseatenginespeedof2300r/min. Keywords:Ethanol;Diesel;Combustionprocess;Performance;Emission 能源短缺和环境保护是今后内燃机发展所面临着 的两大挑战,在这种形势下,各种石油替代燃料的研究 得到了广泛的重视.乙醇是含氧燃料,在内燃机的燃 烧过程中具有自供氧功能,在扩散燃烧模式中可以增 收稿日期:200604-25;修回日期:2006-08-05. 基金项目:广西科技攻关项目(063o0044A). 作者简介:邢元.硕士研究生,E-mail:smileinsun@eyou.tom. 25删 加混合气中氧的浓度,减少局部过浓区的范围,从而降 低发动机碳烟的排放….但由于乙醇的十六烷值很 低(1O左右),与柴油的十六烷值(大于45)相差较大, 着火能力比较差,难以在柴油机上直接使用.随着低 成本添加剂出现,乙醇与柴油很难直接互溶的问题得 到了解决,因此乙醇柴油混合燃料的大量应用成为可 2007年1月邢元等:乙醇与柴油混合燃料燃烧特性及排放特性的试 验研究 能.为了寻求优化乙醇在柴油中的最佳替代比例,研 究乙醇柴油对燃烧与排放特性的影响,笔者在 YC4112ZLQ柴油机中燃用了不同掺比的乙醇柴油混 合燃料,研究了乙醇比例对发动机性能,燃烧过程及排 放的影响. 1试验装置和试验方法 试验装置主要分为:发动机,测功机,发动机测控 系统,缸内压力采集系统,排气采集分析装置.微粒测 试系统型号是DLS-2300Hodba,废气分析仪型号是 MEXA-7100DEGRHorib.图1为试验装置图.发动 机为一台广西玉柴机器股份有限公司生产的 YC4112ZLQ立式增压水冷四冲程车用柴油机,主要技 术参数见表1.气缸压力的采集由Labview高速采集 系统完成.发动机缸盖上安装有压力传感器,与Lab- view采集系统相连.试验前,先燃用柴油对发动机进 行暖机,待冷却水温和机油温度均达到85?后,发动 机改燃用乙醇柴油混合燃料进行试验.试验中分别采 用了柴油,体积比为10%乙醇柴油(El0),20%乙醇柴 1—排气分析仪;2一烟度计;3一涡轮增压器;4一进气流量计; 5一喷油器;6一缸内压力传感器;7一角标:8一进气中冷器; 9一缸内压力数据采集系统;1O一燃料箱;l1一油耗仪; 12一油泵;13一测功机;14一发动机 图1试验装置图 Fig.1Theexperimentalsetting 表1发动机主要技术参数 Tab.1Maintechuologyparametersofengine 型号YC41I2ZLQ 气缸直径 活塞行程 排量 压缩比 标定功率/转速 最大转矩/转速 供油提前角 112lILrn 132mm 5.202L 17.5:1 132kW/(2300r/min) 660N?m/(1500r/min) 9.CABTDC 油(E20)和30%乙醇柴油(E30)等4种燃料进行了标 定转速(2300r/min)和最大转矩转速(1500r/min) 负荷特性试验,研究乙醇燃料比例,成分对柴油机燃烧 过程的影响.为了消除助溶剂对乙醇柴油混合燃料燃 烧过程的影响,配制的不同比例的乙醇柴油没有添加 助溶剂,为了确保其不分层,试验开始前现场配制,试 验过程中在燃料箱内始终用搅拌器对混合燃料进行 搅拌. 2参数定义 由于乙醇的热值较低,柴油中添加乙醇后单位质 量的热值相应出现变化,为了比较燃用乙醇柴油对热 效率的影响,本研究采用当量比油耗进行对比.当量 比油耗是将乙醇柴油混合燃料的油耗率根据能量消耗 折算成能量等值的柴油消耗率,本研究中用EBSFC (EquivalentBrakeSpecificFuelConsumption)来表示当 量比油耗,则有 ‰= 式中:B脚B唧分别表示当量比油耗,混合燃料的比 油耗,g/(kW?h);HE,分别表示混合燃料质量低 热值,柴油质量低热值,MJ/kg. 其中,混合燃料质量低热值日计算公式为 r (100一E)?Pd?HM+E.P..HLe,1, —— (100..E)?Pd+E?P’ 式中:为混合燃料低热值,MJ/kg;HM为柴油低热 值,MJ/kg;为乙醇低热值,MJ/kg;p为柴油密度, kg/m为乙醇密度,kg/m;E为混合燃料中乙醇所 占的体积比,%. 3试验结果及分析 3.1乙醇比例对柴油机性能的影响 图2为1500r/min和2300r/min时发动机的当 量比油耗随发动机负荷变化的规律图.从图中可以看 出,乙醇柴油混合燃料中乙醇比例对比油耗的影响不 大.在中低负荷,随着乙醇比例的升高,油耗率有小幅 上升;在高负荷,各种乙醇比例的燃料油耗率相当.但 E30在2300r/min大负荷工况下,油耗率有显着上 升.这一变化趋势是下面4种因素共同影响的结 果j:(1)混合燃料的汽化潜热,乙醇具有很大的汽 化潜热(约为柴油的3倍),所以混合燃料的汽化潜热 随着乙醇比例的增大而增大,在中低负荷时,由于缸内 温度较低,燃料汽化进一步降低温度,降低了燃烧效 率;(2)乙醇的滞燃期长,乙醇的十六烷值很低,它的 加入使燃料的滞燃期延长,过长的着火滞燃期使热功 内燃机第25卷第1期 转换的效率降低;(3)混合燃料的含氧量,乙醇含 34.8%的氧,混合燃料的含氧量随着乙醇的比例的增 大而增大,使燃烧更完全;(4)乙醇柴油热值降低,使 喷油量增多,喷油持续期延长,导致燃烧持续期延长, 使热效率降低.在低负荷工况,燃料的汽化潜热为主 要因素,混合燃料随着乙醇比例的增大,汽化潜热增 大,缸内平均温度降低,燃烧效率降低,因而油耗率随 乙醇比例的增大而有所增加.在高负荷,缸内温度高, 燃料的汽化潜热影响相对较小,主要受滞燃期和混合 燃料的含氧量对油耗率的相互影响,所以油耗率的变 化相对较小.图2b中E30在2300r/min大负荷工况 下,因为在高转速燃料燃烧时间缩短,燃料中乙醇比例 过高,燃烧持续期延长导致热效率降低成为主要因素, 所以油耗率显着上升. 莹 犍 黑 口 鞲 拿 誊 震 如 辖 a,n=1500r/rain 转矩/(N?m) b)2300r/rain 图2乙醇和柴油掺比对当?比油耗的影响 Fil1.2Thelnl~luenceofblendfuelofethanolanddieselon equival~tbrakegped丘cfuelconsumpti掺比对气缸压力和放热率的影响 Fig.3Theinfluenceofblendfuelofethanolanddiesel onheatreleaserateandin-cylinderpressure 上述缸内压力及燃烧放热变化规律主要是由以下 几个原因共同作用的结果:(1)乙醇汽化潜热大,添加 乙醇导致压缩行程缸内温度降低,乙醇比例增大,对温 度影响越明显;(2)乙醇柴油十六烷值低,乙醇比例越 大,十六烷值越小;(3)混合燃料热值降低,在热效率 几乎不变的条件下,同一工况喷人的混合燃料体积流 量增多,喷油持续期延长;(4)乙醇燃料中含有氧,乙 醇燃料黏度低,混合燃料有利于混合气形成,提高燃烧 反应速度.随着混合燃料中乙醇比例增大,十六烷值 降低,缸内压缩温度低,导致滞燃期延长,最高燃烧放 热峰值增加,小负荷工况这种影响尤其明显,但小负荷 工况对燃烧持续期影响不大;随着负荷增大,滞燃期影 响变小,但燃烧持续期的影响增大,转速1500r/min 工况燃烧持续期明显延长,这是由于随着负荷增大,缸 内热负荷增大,汽化潜热的影响变小,由于喷人的燃料 量增多,喷油持续期延长导致燃烧持续期延长;但高转 速工况(2300r/min),混合燃料的燃烧持续期明显缩 短,这是由于转速升高,单个循环燃烧反应时间缩短, 混合燃料改善了燃油与空气的混合质量,使燃烧反应 速度加快. 3.3排放分析 3.3.1HC排放 如图4所示,发动机燃用乙醇柴油与燃用柴油相 比,总体趋势均是在l500r/min,HC排放有所降低, 随着负荷的增大,HC降低的幅度增大;在2300r/min 工况,HC排放中低负荷工况略有升高,大负荷工况略 有降低;乙醇比例对HC排放的影响则与发动机工况 有关.十三工况比排放测试结果表明(表2所示),柴 油中添加10%以上的乙醇,HC排放都有所降低,但乙 醇比例对比排放影响不大.这是由正反两个方面的因 素共同作用的结果:一方面,乙醇中含有氧,乙醇的增 加有利于燃料充分燃烧,降低HC排放;另一方面,乙 醇汽化潜热大且十六烷值低,乙醇的增加使滞燃期延 长,喷雾过稀区增多,使HC排放增加.1500r/min 时,空燃比相对较低,燃料中的氧起主导作用,HC排 放降低;2300r/min时,滞燃期延长将起主导作用,而 大负荷工况,空燃比相对较低,乙醇中的氧作用明显. 正是由于这些因素的综合作用,使比排放随着乙醇比 例变化而变化不大. a)n=1500r/min b1n=2300r/rain 图4乙醇柴油掺比对HC排放的影响 Fig.4Theinfluenceofblendfuelofethanol anddieselonHCemissi0n ? 28?内燃机第25卷第1期 3.3.2CO排放 图5是乙醇比例对CO排放影响的变化规律,图 中,在最大转矩转速1500r/min工况,CO排放总体上 比原柴油机低,而且随着乙醇比例增大,有降低趋势; 但在标定转速2300r/min工况,CO排放比原柴油机 高,随着乙醇比例增大,CO排放有增加的趋势.十三 工况比排放测试结果表明(表2所示),与原柴油机相 比,比排放均有所降低,但乙醇比例增大,比排放反而 有增加的趋势.转速为1500r/min工况,燃料混合燃 烧的时间相对较长,乙醇柴油因为乙醇的低沸点使燃 料的雾化混合更加完善,减少了过浓区域,而且乙醇的 含氧也使燃烧更加充分,另外乙醇的含C量少也是降 低CO排放的重要原因,所以,乙醇柴油与柴油相比 CO排放降低,而且随着乙醇比例的增大,CO排放降 低程度越大.当发动机转速提高到2300r/min时,乙 醇的高汽化潜热使靠近壁面的淬冷层厚度增加,发动 机燃烧初期CO排放增加,另外发动机转速的提高,使 燃料混合,燃烧的时间相对缩短,CO在膨胀过程和排 气过程中的二次氧化数量减少,所以发动机CO排放 随着乙醇比例的增大而增大.随着发动机负荷的增 大,缸内燃烧温度增加,靠近壁面的淬冷层厚度减小, an=1500r/min b,n=2300r/min 图5乙醇柴油掺比对CO排放的影响 Fig.5Theinfluenceofblendfuelofethanoland dieselonCOemission 乙醇的高汽化潜热影响没有那么明显,所以CO排放 随着负荷的增大越来越接近,到最大负荷时基本相当. 3.3.3NO排放 乙醇柴油可以降低燃烧反应温度,降低NO排 放.从图6中可以看出,发动机在1500r/min和 2300r/min,NO排放规律基本一致,即随着负荷的增 大,发动机NO排放增大,随着转速的提高,发动机 NO排放浓度降低.乙醇柴油与柴油相比,NO排放 明显降低,E30的降低幅度最大,最大转矩转速工况降 低幅度比标定转速工况大,高负荷工况降低幅度大,小 负荷工况基本与原机相当.这主要是由于混合燃料单 位体积的热值降低,燃烧反应温度降低,导致NO排 放降低H].十三工况比排放测试结果表明(表2所 示),随着乙醇比例增大,NO比排放明显降低,E30比 原机NO比排放降低了15%. 0 一 \ 0 2 V a,n=1500r/min b,n=2300r/min 圈6乙醇柴油掺比对NO排放的影响 Fig.6Theinfluenceofblendfuelofethanoland dieselonNOemission 3.3.4碳烟与微粒(PM)排放 图7是烟度随乙醇比例的变化规律,图中可以看 出,碳烟排放随着乙醇比例的增大而有所降低,这是由 于随着混合燃料中乙醇比例的增大,燃料中氧的含量 2007年1月邢元等:乙醇与柴油混合燃料燃烧特性及排放特性的试验研究 增大,使燃烧更加充分,从而降低了碳烟排放;此外,一 般认为碳烟的生成机理是燃烧室内部过浓区高分子烃 (尤其是芳香烃)高温缺氧裂解而产生的.而乙醇中 不含芳香烃,而且m(H)/m(C)高,所以碳烟减 少].碳烟是微粒的重要组成部分,烟度降低有利 于降低微粒排放量,十三工况微粒比排放测试结果 (表2)表明,El0和E20微粒排放与原柴油机相比均 有明显地降低,且E20比El0低.但E30微粒排放升 高,主要原因可能是由于乙醇比例太高,在小负荷工况 尤其是怠速工况,HC排放将显着增大,微粒中的SOF 增大,导致E30微粒排放增大.此外,测试误差也可 能是E30微粒排放高的重要原因. 0 ? ? , 鬻 a)=1500r/rain b1n=2300r/min 圈7乙醇柴油掺比对烟度排放的影响 Fig.7Theinfluenceofblendfuelofethanoland dieselonsmokeemission 表2十三工况比排放测量结果 Tab.2Thirteen-modespecificemissionresult (g/(kW-h)) 从发动机I生能,排放综合考虑,乙醇柴油混合燃料 中乙醇比例不宜太大,E20在热效率与原机相当的情 况下,HC,CO,NO和微粒排放均有一定程度的降低, 其中HC排放降低了15%,CO排放降低了7%,NO排 放降低了8%,而微粒排放降低了43.9%.因而E20的 综合性能最佳. 4结论 (1)乙醇与柴油混合燃料热效率与原机相当, 但乙醇比例过高(E30)在高速大负荷工况,热效率明 显变差. (2)乙醇柴油使滞燃期延长,燃烧放热峰值增 大,中等转速工况燃烧持续期略有延长,最大爆发压力 基本相当,标定转速工况随着乙醇比例增大,燃烧持续 期缩短,最大爆发压力降低. (3)乙醇柴油混合燃料对HC和CO比排放与 乙醇比例和发动机工况有关,但十三工况比排放与柴 油相比有一定改善;NO排放随着乙醇比例增大而降 低,大负荷工况尤其明显,十三工况比排放也随乙醇比 例增大而降低;碳烟随着乙醇比例增大而降低,E20的 微粒排放最低,E30反而有所升高. (4)E20的性能和排放综合性能最佳,在保证 热效率基本不变的条件下,微粒排放降低,气体排放均 有一定程度的改善. 参考文献: [1]VaitilingomG.BergeJCh.InterestofCombininganAddi— tivewithDiesel—EthanolBlendsforUseinDieselEngines [J].Fuel,2001,80(4):565—574. [2]吕兴才,杨剑光,张武高,等.乙醇一柴油混合燃料的理化 特性研究[J].内燃机,2004.22(4):289--295. [3]HansenAlanC,ZhangQin,LynePeterWL.Ethano1. DieselFuelBlends——AReview[J].BioresoureeTeehnolo- gY,2005,96(3):277—285. [4]LiDegang,HuangZhen,LuXingcai,eta1.Physico—Chemi— calPropertiesofEthanol-DieselBlendFuelandItsEffecton PerformanceandEmissionsofDieselEngines[J].Renew- aJ)leEnergy,2005,30(6):967—976. [5]杜德兴,元广杰.混燃甲醇和乙醇改善柴油机碳烟排放 [J].环境科学,2001,21(6):759—762. 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