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Vol.25(2007)No.1Transactions of CSICE文章编号:1000-0909(2007)01-0024-0625004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2,郑尊清(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,大津30002;2.广西大学机械工程学院,广西南宁530004)摘要:在一台YC4112ZLQ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,E10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/min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:AExperimental Investigation on Combustion and Emission Characteristics ofEngine Fuelled with Ethanol-Diesel BlendsXING Yuan, YAO Ming.fa, ZHANG Fu-gen", ZHENG Zun-ging(1. Stated Key laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)Abstract The effects of ethanol-diesel blends on engine combustion and emission characteristics were in-estigated. Experiments were carried out on a turbo-charged inter-cooled YC4112ZLQ diesel engine. Theresults show that, with the increase of ethanol ratio, the ignition timing is delayed, and the maximum value of heat release rate is increased, leading to the increase in peak cylinder pressure and maximum rate ofrise, The effective thermal efficiencies of E10 and E20 are almost the same as that of the dieselfuel, while thermal efficiency of E30 decreases at high speed and heavy load. Compared with the dieselengine, both NO, emission and smoke are reduced, while HC and Co emission are related to the ethanolratio and engine speed. With the increase of ethanol ratio, HC and CO emissions decrease at engine speedof 1 500 r/min, but they give the increase at engine speed of 2 300 r/minKeywords: Ethanol; Diesel; Combustion process; Performance; Emission引言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能源短缺和环境保护是今后内燃机发展所面临着低(10左右),与柴油的十六烷值(大于45)相差较大的两大挑战,在这种形势下,各种石油替代燃料的研究着火能力比较差,难以在柴油机上直接使用。随着低得到了广泛的重视。乙醇是含氧燃料,在内燃机的燃成本添加剂出现,乙醇与柴油很难直接互溶的问题得烧过程中具有自供氧功能,在扩散燃烧模式中可以增到了中国煤化工的大量应用成为可CNMHG收稿日期:2006-04-25;修回日期:2006-08-05基金项目:广西科技攻关项目(06300044A)。作者简介:邢元,硕士研究生,Email;smileinsun@eyou.com。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,研油(E20)和30%乙醇柴油(E30)等4种燃料进行了标究乙醇柴油对燃烧与排放特性的影响,笔者在定转速(2300r/min)和最大转矩转速(1500r/minYC41ZLQ柴油机中燃用了不同掺比的乙醇柴油混负荷特性试验,研究乙醇燃料比例、成分对柴油机燃烧合燃料,研究了乙醇比例对发动机性能、燃烧过程及排过程的影响。为了消除助溶剂对乙醇柴油混合燃料燃放的影响。烧过程的影响配制的不同比例的乙醇柴油没有添加1试验装置和试验方法助溶剂,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试验装置主要分为:发动机、测功机、发动机测控搅拌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DLS2300 Horiba,废气分析仪型号是2参数定义MEXA-7100 DEGR Horib。图1为试验装置图。发动由于乙醇的热值较低,柴油中添加乙醇后单位质机为一台广西玉柴机器股份有限公司生产的量的热值相应出现变化,为了比较燃用乙醇柴油对热YC412Q立式增压水冷四冲程车用柴油机,主要技效率的影响,本研究采用当量比油耗进行对比。当量术参数见表I。气缸压力的采集由 Labview高速采集比油耗是将乙醇柴油混合燃料的油耗率根据能量消耗系统完成。发动机缸盖上安装有压力传感器,与Lab-折算成能量等值的柴油消耗率,本研究中用 EBSFCview采集系统相连。试验前,先燃用柴油对发动机进( Equivalent Brake Specific Fuel Consumption)来表示当行暖机待冷却水温和机油温度均达到85℃后,发动量比油耗,则有机改燃用乙醇柴油混合燃料进行试验。试验中分别采H用了柴油体积比为10%乙醇柴油(E10)、20%乙醇柴HSFCH式中:Bss、B3src分别表示当量比油耗、混合燃料的比油耗,g/(kW·h);H1、H1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HL计算公式为H,=(100E)p:H+EP·式中:H1为混合燃料低热值,MJ/kg;H1为柴油低热值MJ/kg;HL为乙醇低热值,MJ/kg;p4为柴油密度,kg/m3;pn为乙醇密度,kg/m3;E为混合燃料中乙醇所占的体积比,%1一排气分析仪;2一烟度计;3一涡轮增压器;4一进气流量计;5-喷油器;6—缸内压力传感器;7一角标;8一进气中冷器;3试验结果及分析9缸内压力数据采集系统;10燃料箱;1l-油耗仪3.1乙醇比例对柴油机性能的影响12一油泵;13—测功机;14-发动机图2为1500r/min和2300r/min时发动机的当图1试验装置图Fig. 1 The experimental setting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表1发动机主要技术参数大。在中低负荷,随着乙醇比例的升高,油耗率有小幅Tab 1 Main technology parameters of engine上升;在高负荷,各种乙醇比例的燃料油耗率相当。但型号E30在2300r/min大负荷工况下,油耗率有显著上气缸直径升。这一变化趋势是下面4种因素共同影响的结活塞行程132mm果23:(1)混合燃料的汽化潜热,乙醇具有很大的汽排量5.202L化潜玉缩比中国煤化工合燃料的汽化潜热标定功率/转速随着132kW/(2300r/minHCNMHG低负荷时,由于缸内最大转矩/转速660N·m/(1500r/min)温度近—少严氐温度,降低了燃烧效供油提前角9 CA BTDC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26内燃机学报第25卷第1期转换的效率降低;(3)混合燃料的含氧量,乙醇含r/min工况几乎相当,但2300r/min工况随着乙醇比34.8%的氧,混合燃料的含氧量随着乙醇的比例的增例增大,缸内最大爆发压力降低。乙醇比例增大,滞燃大而增大,使燃烧更完全;(4)乙醇柴油热值降低,使期延长,最大放热率峰值升髙,最大爆发压力推迟。喷油量增多,喷油持续期延长,导致燃烧持续期延长,7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n=l 500 r/min乙醇比例的增大而有所增加。在高负荷,缸内温度高E10 Pamp 1.21 MPa燃料的含氧量对油耗率的相互影响所以油耗率的变20-10燃料的汽化潜热影响相对较小,主要受滞燃期和混合化相对较小。图2b中E30在2300r/min大负荷工况下,因为在髙转速燃料燃烧时间缩短,燃料中乙醇比例20-100曲轴转角PCA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著上升。76200曲轴转角PCA转矩/(N·m)a)n=l 500 r/min■一柴油E30Pomeg-845 MPa12曲轴转角/CA100200300400500600b)n=2300图2乙醇和柴油掺比对当量比油耗的影响Fig. 2 The influence of blend fuel of ethanol and diesel ouivalent brake specific fuel consumptiei Pe 6.04 MPa3.2燃烧特性中国煤化工图3是不同乙醇柴油与柴油在最大转矩转速CNMHG(1500r/min)和标定转速(2300r/min)不同负荷工况缸内压力及燃烧放热规律图。图中表明,随着混合曲轴转角CA燃料中乙醇比例的增大,缸内最大爆发压力在1500007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273.3排放分析l13.3.1HC排放n-1 500 r/min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1500r/min,HC排放有所降低Petp=13.2MPa 3 5己160柴油随着负荷的增大,HC降低的幅度增大;在2300r/min哥城长工况,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10010曲轴转角/CA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240n=2 300 r/min长,喷雾过稀区增多,使HC排放增加。1500r/mim200=13.16Mh3时,空燃比相对较低,燃料中的氧起主导作用,HC排120放降低;2300m/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曲轴转角CA例变化而变化不大。图3乙醇柴油摻比对气缸压力和放热率的影响Fig 3 The influence of blend fuel of ethanol and diesel柴油n heat release rate and in-cylinder pressureE30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100200300400500600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,同一工况喷入的混合燃料体积流a)n=l 500 r/min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,十六烷值柴油降低,缸内压缩温度低,导致滞燃期延长,最高燃烧放▲…E20热峰值增加,小负荷工况这种影响尤其明显,但小负荷E30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,由于喷入的燃料量增多,喷油持续期延长导致燃烧持续期延长;但高转00400500600中国煤化工m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,CNMHG群洇比刈nL排放的影响混合燃料改善了燃油与空气的混合质量,使燃烧反应Fig 4 The influence of blend fuel of ethanol速度加快。and diesel on Hc emission内燃机学报第25卷第1期3.3.2CO排放乙醇的高汽化潜热影响没有那么明显,所以CO排放图5是乙醇比例对CO排放影响的变化规律,图随着负荷的增大越来越接近,到最大负荷时基本相当。中,在最大转矩转速1500r/min工况,CO排放总体上3.3.3NO,排放比原柴油机低,而且随着乙醇比例增大,有降低趋势;乙醇柴油可以降低燃烧反应温度,降低NO,排但在标定转速2300r/min工况,CO排放比原柴油机放。从图6中可以看出,发动机在1500r/min和高,随着乙醇比例增大,CO排放有增加的趋势。十三2300r/min,NO排放规律基本一致,即随着负荷的增工况比排放测试结果表明(表2所示),与原柴油机相大,发动机NO,排放增大,随着转速的提高,发动机比,比排放均有所降低,但乙醇比例增大,比排放反而NO,排放浓度降低。乙醇柴油与柴油相比,NO,排放有增加的趋势。转速为1500r/min工况,燃料混合燃明显降低,E30的降低幅度最大,最大转矩转速工况降烧的时间相对较长,乙醇柴油因为乙醇的低沸点使燃低幅度比标定转速工况大,高负荷工况降低幅度大,小料的雾化混合更加完善,减少了过浓区域,而且乙醇的负荷工况基本与原机相当。这主要是由于混合燃料单含氧也使燃烧更加充分,另外乙醇的含C量少也是降位体积的热值降低,燃烧反应温度降低,导致NO排低CO排放的重要原因,所以,乙醇柴油与柴油相比放降低。十三工况比排放测试结果表明(表2所C0排放降低,而且随着乙醇比例的增大,CO排放降示),随着乙醇比例增大,NO,比排放明显降低,F30比低程度越大。当发动机转速提高到2300r/min时,乙原机No比排放降低了15%。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2200燃料混合、燃烧的时间相对缩短,CO在膨胀过程和排1800E10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1400}一大,缸内燃烧温度增加,靠近壁面的淬冷层厚度减小柴油E300100200300400500600700转矩/(N·m)v:平求一柴油002003004005006007001000转矩/(E20a)n=l 500 r/mins600柴油b)n=2 300 t/min图6乙醇柴油摻比对NO2排放的影响Fig 6 TI00200300400500600ssIon转矩/(N·m)中国煤化工b)n=2 300 r/min3.3CNMHG图5乙醇柴油掺比对CO排放的影响图7是烟度随乙醇比例的变化规律,图中可以看Fig. 5 The influence of blend fuel of ethanol and出,碳烟排放随着乙醇比例的增大而有所降低,这是由diesel on CO emission于随着混合燃料中乙醇比例的增大,燃料中氧的含量07年邢元等: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,从发动机性能、排放综合考虑,乙醇柴油混合燃料般认为碳烟的生成机理是燃烧室内部过浓区高分子烃中乙醇比例不宜太大,E20在热效率与原机相当的情(尤其是芳香烃)高温缺氧裂解而产生的。而乙醇中况下,HC、CONO.和微粒排放均有一定程度的降低不含芳香烃,而且m(H)/m(C)高,所以碳烟减其中HC排放降低了15%,CO排放降低了7%,NO.排少6。碳烟是微粒的重要组成部分,烟度降低有利放降低了8%,而微粒排放降低了439%。因而E20的于降低微粒排放量,十三工况微粒比排放测试结果综合性能最佳(表2)表明,E10和E20微粒排放与原柴油机相比均有明显地降低,且F20比E10低。但E30微粒排放升4结论高,主要原因可能是由于乙醇比例太高,在小负荷工况1)乙醇与柴油混合燃料热效率与原机相当尤其是怠速工况,HC排放将显著增大,微粒中的SOF但乙醇比例过高(E30)在高速大负荷工况,热效率明增大,导致E30微粒排放增大。此外,测试误差也可显变差。能是E30微粒排放高的重要原因。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,最大爆发压力柴油基本相当,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。1.0…▲…E20v-E30(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100200300400500微粒排放最低,F30反而有所升高。(4)E20的性能和排放综合性能最佳,在保证a)n=l 500 r/min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。E10参考文献v-E301,2[1] Vaitilingom G, Berge J Ch. 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