柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性

第40卷第9期西安交通大学学报2006年9月JOURNAL OF XI AN JIAOTONG UNIVERSITY2006柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性李蔚,黄佐华,蒋德明,任毅(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安)摘要:分析了柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性和放热规律,硏究了相同十六烷值条件下混合燃料中含氧量对燃烧特性和放热过程的影响,为柴油机燃用含氧混合燃料提供理论指导和试验依据.研究结果表明:十六烷值改进剂(亚硝酸异戊酯)的体积分数为0.2%时,可使其着火性能与乙醇的体积分数减小10%时的水平相当.当保持十六烷值不变,混合燃料中氧的质量分数提高3.6%,扩散燃烧期和总燃期的曲轴转角平均缩短0.8°,中高负荷放热率曲线型心位置的曲轴转角向上止点平均靠近0.25,可以认为,试验结釆反映了混合燃料含氧量对燃烧的影响.关键词:燃烧;柴油机;柴油/乙醇混合燃料;十六烷值改进剂中图分类号:TK411.2文献标识码:A文章编号:0253-987X(2006)09-1019-05Combustion Characteristics of a Compression ignition EngineFuelled with Diesel/Ethanol BlendsLi Wei, Huang Zuohua, Jiang Deming, Ren Yi(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi an Jiaotong University, Xi an 710049, China)Abstract: The combustion characteristics and heat release were investigated in a compression ignition engine fuelled with diesel/ethanol blends. The cetane number improver was employed torecover the cetane number of the blended fuels due to the addition of ethanol with low cetanenumber. The results show that added 0. 2% volume fraction of cetane number improver(iso-amylnitrite)the combustion performances of diesel/ ethanol blends are equivalent to that of the mixedblends reduced 10% ethanol fraction. Maintaining cetane number constantly, for every 3.6%increase in oxygen mass fraction, the diffusive combustion duration and total combustion durationdecreased by 0. 8 crank angle degree, and the position of the center of heat release curve movedclose to the top dead center by 0. 25 crank angle degree under middle and high loads, which can beregarded as the influence of the ethanol addition as extracting the effect from ignition delayKeywords: combustion; diesel engine; diesel/ethanol blends; cetane number improver在内燃机髙效清洁燃烧的硏究和石油替代燃烧十六烷值改进剂(亚硝酸异戊酯)对燃烧和排放的影发动机的开发研究中,内燃机燃用柴油/含氧化合物响时,均未能在完全消除由于十六烷值变化而带来混合燃料或直接燃用含氧燃料是一条有效途径.由的滞燃期和预混燃烧变化的情况下进行,本文硏究于乙醇产量和成本方面的优势,以及在汽油机上已的出发点正基于此经得到了商业应用,国内外研究人员希望也将它应干价格和实用方面的因素,本试验采用乙醇用于热效率较高的柴油机上,为此研究人员做了大作中国煤化工比例助溶剂的帮助下,量的研究工作.目前,在研究混合燃料含氧量和形CNMHG合燃料在供油提前角收稿日期:2006-01-06.作者简介:李蔚(1980~),男,硕士生;黄佐华(联系人),男,教授,博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50576070);国家基础研究计划资助项目(2001(B209208);优秀国家重点实验室基金资助项目(503230011020第40卷0为-25°、-21°、-18°(负号表示上止点前,下同),表1混合燃料的物性参数转速为20001600、1200r/min,平均有效压力p低热值/汽化潜热/为0.70、0.42、0.14MPa和有、无十六烷值改进剂燃料(C)/%c(H)/%v(O)/%的情况下,开展了混合燃料燃烧和放热过程的对比260硏究,阐明混合燃料的燃烧特性与混合燃料中含氧量的关系,尤其消除了滞燃期对预混燃烧的影响,其E5/E5A85.112.62.2541.6中转速为1600r/min时仅在O为-25°工况下进行E10E10A83.312.64.0740.331了测量.El5/E15A81.512.65.8539.81试验装置与试验燃料E20/E20A792.67.6239.0试验用发动机为TY1100型立式、单缸、四冲程、强制水冷、直喷式柴油机,其缸径为100mm,排混比例的增加而增加.图1b则显示添加十六烷值改进剂后EoΔ燃料燃烧始点和预混燃烧峰值均恢复量为903cm3,ω型燃烧室,压缩比为18,额定功率额定转速为11kW/2300r·min1,供油提前角为到纯柴油的水平,而扩散燃烧阶段扩散燃烧放热率3士1°曲轴转角.试验测量仪器为:针阀升程仪;峰值在中等负荷时比柴油高岀大约8%,扩散燃烧的结束点曲轴转角平均比柴油早约0.8°,在E15AKISTLER角标器和 KISTLER石英压力传感器;与E5、E20A与E10的对比中出现了类似的结论AVL数据采集分析系统.试验中压力数据的采样间隔为0.1°曲轴转角.(虽然具体数据有小差别).这说明体积分数为试验选用乙醇作为含氧添加燃料,其与柴油的0.2%的十六烷值改进剂可以恢复乙醇体积分数每物性比较可分别参见文献[5-6],表1给出了9种不提高10%带来的混合燃料十六烷值的降低.同时,同比例混合燃料的物性参数,其中EO、E5、El0乙醇柴油混合燃料在降低到与柴油相同的滞燃期和El5、E20分别表示乙醇的体积分数分别为0%(纯预混燃烧峰值的情况下仍然加快了燃烧的进程其柴油)、5%、10%、15%、20%的混合燃料.为了保持原因将在后面详细分析燃料稳定,额外加入了与乙醇量成正比的助溶剂,乙图2给出了本文下面用到的滞燃期g,预混燃醇与其体积比为5:1.试验发现加入体积分数为烧期q以及扩散燃烧期9定义的图示滞燃期为0.20%的十六烷值改进剂后,可以将E10燃料恢复从喷油开始到着火开始的一段时间.在本实验中,将到与纯柴油相同的滞燃期水平,故对E5~E20均添喷油器针阀信号迅速上升并达到最大值的10%的加该剂量的十六烷值改进剂,形成改进型燃料,分别时刻作为喷油始点,而将放热率曲线开始急剧升高用E5A、E10A、E15A、E20A表示,以克服乙醇对着的时刻作为着火始点.预混燃烧期定义为从放热率火性能降低的影响.这样,微量的十六烷值改进剂的曲线快速增加的时刻开始,到放热率曲线2个峰值加入基本上对混合燃料的性能不产生影响.各混合中间的谷点结束.扩散燃烧期为从预混燃烧结束时燃料的滞燃期(按照乙醇和柴油的十六烷值插值计刻开始到燃烧放热结束.由于燃烧末期放热量微小算和本文试验确认的)由高到低排列为:E5A、E0与且受到压力波动影响燃烧结束时刻读取误差较大,E10A、E5与E15A、E10与E20A、E15、E20,其十六故本试验中定义累计放热率X为0.99时的时刻为烷值由高到低依次为47.1、45.0、42.9、40.8、38.7、扩散燃烧末端的燃烧结束点,其单位均为(°)36.7滞燃期的变化一般由十六烷值的变化所导致.2试验结果与分析前面计算出混合燃料中氧的质量分数每增加约3.6%(乙醇体积分数提高10%),燃料的十六烷值从图1a可以看出,混合燃料的放热初期曲线随平中国煤化工出,未添加十六烷值改着乙醇添加比例的增加而推后,放热率峰值随着乙进CNMHG氧量的增加而近似线醇添加比例的增加而增大.由于乙醇的十六烷值低,性增加,而添加十六烷值改进剂的体积分数为使得混合燃料的十六烷值随着燃料中乙醇掺混比例0.2%时,可抵消添加φ(乙醇)为10%(乙醇的体积的增加而降低,导致混合燃料的滞燃期増加,预混燃分数)所带来的滞燃期变化.这证实在试验的误差范烧阶段的气增多,使预混燃烧量随乙醇掺围内,乙醇添加到柴油中对燃料的十六烷值的降低李蔚,等:柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性1021确实是线性的,所得燃料的十六烷值与本文插值推测值相同.在一定范围内,加人定量的十六烷值改进E20:1600 imin剂对滞燃期的恢复幅度也是基本确定的,不受改进Pe=0. 42 MPa燃料自身十六烷值高低的影响.从图4a中可以看出,预混燃烧期随着含氧量的增加而增加.这是由于随着含氧量的升高,在着火滞燃期内形成的可燃混合气数量增加,预混燃烧期增加添加体积分数为0.2%的十六烷值改进剂,使得曲轴转角(°)混合燃料的预混燃烧期恢复到未添加改进剂时燃料的氧的质量分数降低约3.6%的水平.图4b显示了a)未添加十六烷值改进剂时不同含氧量的燃料添加十六烷值改进剂前预混燃烧放热量随氧含量的增加而增长的近似线性关系,而添加体积分数为0.2%的十六烷值改进剂使得混合燃料的预混燃烧ed=-25Mel 600 r/min放热量也恢复到改进前燃料的氧的质量分数降低约Pn =0.42 MPa3.6%的水平.这个结果同时印证了滞燃期的长短主要决定了滞燃期内形成的可供预混燃烧期内燃烧的可燃混合气数量多少的理论,同样适用于小比例掺混的(乙醇的体积分数低于20%)乙醇/柴油混合燃料.15-10曲轴转角(°)由图5a可以看出:对于不添加十六烷值/或添加十六烷值的燃料,扩散燃烧期均随着氧含量的增(b)相同十六烷值不同含氧量的燃料加而缩短.这主要由于乙醇的添加使预混燃烧量和图1混合燃料放热率曲线预混燃烧期增加,相应减小了扩散燃烧放热量和扩散燃烧期.同时,乙醇含氧加快了燃烧速度.保持燃曲轴转角")30-20-1001020304050料含氧量不变,加入十六烷值改进剂后扩散燃烧期100般增加,理由是相同的.对相同十六烷值、不同含E5An=2000r/min 11.2氧量的混合燃料扩散燃烧期的比较,体现了燃烧速Pme-0.70MPa11.0度加快对扩散燃烧期缩短的影响,该影响大约为缩p6票短0.8曲轴转角由于相同十六烷值的混合燃料燃烧始点相同以及预混燃烧放热也基本相同,其扩散20燃烧期的缩短主要是因为乙醇的添加使得扩散燃烧期内混合燃料燃烧速度加快.由图5b可知,扩散燃烧期放热量随燃料中氧含量的增加而减小.添加十图2滞燃期、预混燃烧期和扩散燃烧期六烷值改进剂(体积分数为0.2%)后,混合燃料的扩散燃烧量恢复到改进前燃料的氧质量分数降低(乙醇)=5%p(乙醇)=13.6%的水平(乙醉)=10%4p(乙醇)=0%p(乙醉)=20%由图6可知,无论有无十六烷值添加剂,总燃烧製的增加有所缩短.对于所有混合燃料,中高中国煤化工的质量分数每提高6a-21°Pme0. 70 MPaCNMHG.2°曲轴转角.这是因△▲n=200 min o末添●n-1200r/min▲·添为:一方面,预混燃烧的增大使燃料更早被消耗,而(0)%燃料富氧又提高了扩散燃烧阶段的燃烧速率;另方面,总燃烧期的缩短克服了由于混合燃料热值降图万方料着火滞燃期随氧含量的变化低的影响.对于具有相同十六烷值的混合燃料(如,第40卷8}(乙醇)0%/(乙醉5%(乙醇)=10%p(乙醇)15%(乙醇)=20%q(乙醇)辛丰°P-04MP。入h-1870 MPa▲Pm=0.70MPa2°·p=042MPa°黍谿去復蓬潸熠●Pac=042MPa值改进剂◇◆Pm=0.14MPa▲·◆添加改进剂后(a)预混燃烧期图6混合燃料的总燃烧期q(乙醇)=15值相同,混合燃料中氧质量分数每提高3.6%,总燃(乙醇)=10%(醇)=5%↓亿乙醇)=20%期平均缩短0.8°曲轴转角.这可以认为是燃料含氧p(乙醇)=0%促进扩散燃烧的结果,与扩散燃烧期的缩短量是致的由图7可知,随着混合燃料含氧量的增加,放热丌=2000r/min率曲线型心位置移向上止点(其中正值表示上止点后)在试验中,对于混合燃料,氧质量分数每提高3.6%,对应放热率曲线型心位置均向上止点靠近约w(o)r%0.35°曲轴转角.这是因为:一方面,乙醇掺混比例的(b)预混燃烧期放热量增加使预混燃烧量増加,扩散燃烧量减小,燃烧的等图4混合燃料的预混燃烧期和预混燃烧期放热量容度提高,从而使放热率曲线型心位置向上止点靠近;另一方面,随着含氧量的增加滞燃期增长,燃烧p(乙醇)=5559(醇)=0%↓乙图=10%(乙醇)15%始点推后,但放热速率和放热速率峰值增加,放热率曲线型心位置仍移向上止点.在相同十六烷值的燃p(乙醇)=20%料(如,E10A与E,E15A与E5,E20A与E10)之间进行比较,发现含氧量升高时放热率曲线型心位△▲Pa=0.70MPao·P042MPa△a◇未置仍然移向上止点.在试验的中高负荷范围内,具有◇◆Pm:=0.14MPa会含没是相同十六烷值的混合燃料的氧质量分数提高t(O)/%3.6%,放热率曲线型心位置曲轴转角向上止点平均靠近约0.25其原因与燃料十六烷值不变而含氧(a)扩散燃烧期量变化时对扩散燃烧期及总燃烧期变化的分析相1.6同.1.29(乙醇)-0%p(乙醇)=10%(乙醇)=20%由图8可知,未添加十六烷值改进剂时,最大压力升高率随燃料中氧含量的增加而大致线性增加S%、叫5%(乙醇)=15%在试验范围内,中高负荷工况下,氧的质量分数提高▲Pm=0.70MPa3.6%(十六烷值降低4.2)对应燃料的最大压力升o·pm=0.42MPa△o◇未添加十04L°◆Pm=0.14MPa▲·◆添加十六烷值改进剂高率平均上升大约20%.添加十六烷值改进剂的体v0)/%积中国煤化工的最大压力升高率与(b)扩散燃烧期放热量改CNMHG条低3.6%且未添加改图5混合燃料扩散燃烧期和扩散燃烧期放热量进剂时的水平相当.由于恢复到相同十六烷值的对不同含氧量混合燃料预混燃烧放热率大致相同,E1OA与E0,El5A与E5,E20A与E10)中,含氧量且滞燃期相同导致燃烧始点相同,故这一对混合燃较高的燃料意较短.在试验范围内,保持十六烷料由燃烧放热带来的主要压力升高相同,而且该曲李蔚,等:柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性轴转角上来自发动机活塞运动带来少量的压力升高不同的混合燃料预混燃烧期、预混燃烧放热量、最大也相同,这2个压力升高的叠加即使最大压力升高压力升高率相同,燃料中氧的质量分数每提高率也相同.图8表明,乙醇的添加增加了发动机工作3.6%,扩散燃烧期和总燃期平均缩短0.8°曲轴转粗暴程度,而添加十六烷值改进剂的体积分数为角,中高负荷下放热曲线型心位置向上止点平均靠0.2%时,可使得发动机工作粗暴程度降低,燃烧噪近0.25°曲轴转角,可以认为它反映了排除滞燃期音从而降低对燃烧的影响后,燃料含氧量对燃烧的影响.(2)着火滞燃期、预混燃烧期和预混燃烧量随混18c醇0%↓以(醇10%(乙醇)15%合燃料中含氧量的增加而增加,最大压力升高率上p(乙醇)=20%升,这被认为是十六烷值降低而滞燃期延长的影响扩散燃烧期、扩散燃烧放热量和总燃烧期随混合燃8料中含氧量的增加而缩短,放热曲线型心位置随混合燃料中含氧量增加而向上止点靠近.这是滞燃期=2000r/min2::6盘平大会备傻签滑票变化和燃料含氧促进燃烧的共同作用的结果.十六烷值改进剂(亚硝酸异戊酯)的体积分数为0.2%t()%时,可抵消添加乙醇的质量分数为10%时所引起的十六烷值降低.图7混合燃料放热率曲线型心位置曲轴转角(3)试验确认乙醇/柴油混合燃料在添加小比例乙醇(体积分数在20%以下)的情况下,通过滞燃期q(乙醇)=15反推的混合燃料十六烷值仍然呈现出线性变化关(醇)=0%g(乙醇)=10%g(乙醇)=59q(乙醇)=20%系,符合由插值计算获得的十六烷值.可以通过恢复燃料十六烷值的手段使用乙醇体积分数高达20%的乙醇/柴油混合燃料0▲n=2000rmin△oo·r=1200r/min▲·加十六参考文献:[1 de Caro P S, Mouloungui Z, vaitilingom G, et al. In(O)/%图8混合燃料最大压力升高率endsuse Indiesel engines[J][2]王建盺,闫小光,程勇,等.乙醇-柴油混合燃料的燃烧3结论和排放特性[].内燃机学报,2002,20(3):225-22采用小比例助溶剂获得了稳定的柴油/乙醇混3]吕兴才,张武高,杨剑光,等.十六烷值改进剂对乙醇-柴油发动机热效率与排放的影响[.燃烧科学与合燃料,并确认了滞燃期恢复后对混合燃料燃烧参技术,2005,11(1):56-61数的影响大小在3个供油提前角、个转速、3个负[何邦全,王建昕,郝吉明着火改进剂对乙醇柴油燃料荷的工况下,燃用1种基础油、4种未改进十六烷值排放特性的影响[].内燃机学报,2003,21(6):419的混合燃料和4种经十六烷值改进的混合燃料,分析了直喷柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料时的燃烧「5]何学良,詹永厚,李疏松.内燃机燃料[M.北京:中国特性,获得的主要结论如下石化出版社,1999:245-246(1)利用改进剂恢复混合燃料的十六烷值,可以[6]周龙保内燃机学M北京:机械工业出版社,19在具有相同十六烷值的混合燃料之间精确地比较燃中国煤化工料含氧量对燃烧带来的影响.滞燃期相冋而含氧量CNMHG(编辑王焕雪)