乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究

第26卷(2008)第2期内燃机学报Transactions of CSICEvol.26(2008)N.2文章编号:1000-0909(2008)02-0140-0726021乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究吕兴才,马骏骏,吉丽斌,黄震(上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室,上海200240摘要:研究了气口预喷射乙醇、缸内直喷生物柴油双燃料系统的燃烧特性和排放特性。研究表明,随着乙醇预混合比的增加着火时刻推迟,峰值放热率增加。在较小的总当量比下,峰值放热率增加幅度不大,最大气缸压力和最高温度降低,放热结束时刻差别较小。在较大的当量比下,燃烧持续时间拉长;但随着乙醇比例的增加峰值放热率增加很快,放热结束时刻显著提前,最大压力升高率在预混合比例为20%~40%的某点达到极值,此时热效率最高。乙醇的加入使得HC和CO排放明显增加,但是却使得NO,和碳烟排放同时大幅度下降。在1800r/min的各种负荷下,NO,和碳烟排放相对纯生物柴油降低35%~85%关键词:生物柴油;乙醇;双燃料发动机;燃烧;排放中图分类号:TK421文献标志码:AAn Experimental Study on the Combustion Characteristics and Emissions ofEthanol Bio-Diesel Dual Fuel Combustion EnginesLi Xing- cai, MA Jun-jun, JI Li-bin, HUANG ZhenKey Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of EducationShanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract: In this study, the combustion and emission characteristics of a dual fuel engine using direct injection of bio-diesel and port injection of ethanol were investigated. The heat release analysis shows thatthe introduction of ethanol fuel bytongslightcreasing in the maximum heat release rate. For a fixed leaner fuel/ air mixture, the peak value of the heatgas pressure and in-cyliThe indicated thermal efficiency decreases with the increase of ethanol proportion. For a rich fuel air mix-tureIncreaseleads to a rapid increase in the maximum heat release rate, and thecombustion duration decreases. The maximum value of heat release rate and the indicated thermal efficiency reach their peak value at the ethanol ratio between 20%-40%. The introduction of the ethanol fuel byport injection leads to the decrease in NO, emission and smoke opacity decreases by 35%-85% for thevestigated operating conditionsKeywords: Bio-diesel; Ethanol; Dual fuel combustion engine; Combustion; Emission引言再生燃料在美国和欧洲开始进人应用领域,国内也开始了大量的研究1-2)。研究表明,用生物柴油部分或为了解决目前的能源短缺和环境污染问题,寻求者完全替代柴油作为柴油机燃料,发动机的热效率与清洁可再生的车用替代燃料受到越来越广泛的重视。柴油相当燃油消耗率由于热值低的原因而稍微升高,生物柴油,一种可以用来完全或者部分替代柴油的可但是中国煤化工降低0%左右,CNMHG收稿日期:2007-04-07;修回日期:2007-07-28。基金项目:上海市自然科学基金资助项目(06ZR4045)。作者简介:吕兴才,博土, E-mail:lyuc@sju,edu2008年3月目兴才等:乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究瞬态和稳态工况下的烟度大幅度降低25%~70%,试验釆用双燃料燃烧系统,乙醇通过安装在进气降低25%-50%,常规和非常规碳氢排放总量很低,但管处的汽油喷嘴供给,喷射时刻和喷射量由电控单元是有一个明显的弊端,就是所有生物柴油发动机的控制;生物柴油采用原柴油机的喷射系统直接喷入气NO2排放都有不同程度的上升缸。碳氢(HC)排放、氧的浓度、CO、二氧化碳(CO2)、为了揭示生物柴油发动机NO.排放升高的机理,NO,通过气体分析仪进行测量。烟度采用AVL439进Lehman6研究了由于生物柴油的压缩弹性模数变化行测量。气缸压力采用 Kistler的6125A型传感器,采而引起的动态喷射时刻的变化。 McCormick则在重样间隔为0.25°CA,每个试验点采集50个循环进行示型柴油机上考察了生物柴油的分子结构特别是脂肪功图平均不失一般性。本文所有试验是在固定转速酸链长度和不饱和键个数对NO.和PM排放的影响。为1800r/min下进行。lee③认为十六烷值较高使得着火延迟期缩短、燃料含氧促进燃烧,最终导致燃烧温度升高,使得NO,排放2结果与分析增加。对乙醇一生物柴油双燃料燃烧系统,由于两者的此外, Agarwal1对EGR降低生物柴油发动机的热值不同,因此定义了预混合比(P1)来表示进气口喷NO.排放进行了试验研究; Fernando考察了生物柴射的乙醇热值占总燃料(乙醇和生物柴油之和)热值油NO,产生的化学机理并分析了NO,的有效降低途的比为径;Nab.用EGR技术将生物柴油发动机的NO降低到原柴油机的水平。Hes2根据NO,的产生机X100%理提出了在生物柴油中加入适量的抗氧化剂,通过控mBpAuBd +meHu制NO,缸内高温生成途径的方式来降低NO,排放。式中:h和m分别为乙醇和生物柴油的循环消耗量,这些措施能够在一定程度上减少生物柴油NO,排放H和Hm分别是它们的低热值。升高幅度,但是不能从根本上大幅度降低NO,排放。在下面的分析中,分别定义了着火时刻61为示功由于乙醇也是一种可再生的含氧生物燃料来源广泛,图与纯压缩线分离的时刻;放热中心时刻B2(CA50)为并已经在汽油机上大量应用在柴油机的应用也得到累计放热达到燃料总热值的50%;放热结束时刻为了详细研究;另外,乙醇具有很高的汽化潜热用乙醇累计放热量达到90%。作为燃料可以降低发动机压缩终了的温度,抑制最高图1为在两种燃空当量比(中)下,乙醇预喷射比燃烧温度。为此本文尝试采用双燃料系统将乙醇和例对双燃料发动机的缸内压力瞬时放热率、以及缸内生物柴油两种燃料分别通过进气管喷射和缸内直喷的气体平均温度的影响。在图1a~图1c中,随着进气方式供给燃料以期望同时大幅度降低生物柴油发动喷射乙醇增加,着火延迟增加,最大气缸压力和最高燃机的碳烟和NO.排放。烧温度降低,但是最大放热率却有所增加。1试验系统然而在图1d~图If中,虽然随着预混合燃料增加着火时刻仍然推迟,峰值放热率有所增加,但是最大气试验发动机为单缸自然吸气柴油机,发动机的基缸压力随着乙醇比例的增加先增加后降低,最大缸内本参数见表1。气体平均温度也是随着预混合比的增加而略微增加然表1试验发动机的主要结构参数后再降低。Tab. 1 Specifications of single-cylinder diesel engine缸径/mm行程/排量几L0.782燃烧室形式进气门开/° CA BTDCP增加进气门关/° CA ABDC压缩比18.5:1中国煤化工喷嘴开启压力/MPa供油提前角/° CA BTDCCNMHG排气门开/ CA BBDC0排气门关/° CA ATDC曲轴转角CAa)压力(中=0.49)142内燃机学报第26卷第2期2500008}P=62%8006P,=4P=34%1500P增加P=22%10曲轴转角户CA曲轴转角CAb)放热率(小=0.49)f)温度(d=0.62)图1乙醇喷射量对双燃料发动机燃烧特性的影响2500Fig 1 Effects of Pi on combustion charact由于乙醇的辛烷值较高而不容易自燃着火,汽化潜热较高导致压缩终了的温度降低,从而使得着火时?增加刻推迟。乙醇一生物柴油双燃料燃烧过程是生物柴油点燃乙醇混合气的过程,因此乙醇/生物柴油的相对比例将显著影响缸内燃烧特性,从而改变发动机的各种有害物排放。为此下面对乙醇一生物柴油双燃料发动20-10曲轴转角尸CA机的燃烧特性和排放特性进行详细分析。)温度(中=0.49)图2显示了在多种燃空当量比下,不同预混合比时着火时刻、放热中心以及放热结束时刻的比较。从这些图中可以发现:1)在任何当量比下,随着进气喷射乙醇比例的增加,发动机着火明显推迟;2)在某固定当量比下,放热中心时刻随乙醇的增加略微推迟但是推迟角度不大;3)燃烧持续期(63-61)总是随着47%燃空当量的增加而显著拉长;4)整个燃烧过程中预混P=56%合燃烧持续时间(B2-B1)随着乙醇比例的增加而缩短,但是随着整个燃空当量比的增加而延长;5)在小的燃空当量比下(图2a和图2b),乙醇预混合比对整0-10个燃烧的结束时刻影响不大;而在较高的燃空当量下曲轴转角尸°CA(图2c和图2d),放热率结束时刻随着乙醇比例的增d)压力(中=0.62)加明显提前。60P=56%004P260.020.00P=0中国煤化工曲轴转角PCACNMHG SO 6070e)放热率(d=0.62)a)d=0.2008年3月吕兴才等:乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究143息鬃长一中0.45√s62曲轴转角/cAP/%b)中=0.53长p045A=03-062曲轴转角/°cA)中=0.62图3预混合比对最大放热率及其对应时刻的影响Fig 3 The maximum value of heat release rate and its图4为双燃料燃烧模式下在各种当量比时乙醇预混合比例对最大压力升高率及其对应时刻的影响。很显然,在各种当量比下,随着乙醇的增加,最大压力升高率先增加然后开始大幅度降低。在几种当量比下,预混合比例在20%~40%压力升高率最大。当预混合曲轴转角/°cA比例达到50%~60%以后,下降幅度较大。这是因为乙醇加入后,着火时刻延迟,预混合的可燃气体质量增图2乙醇一生物柴油双燃料发动机的着火时刻、CA50、加,峰值放热率增加,因此最大压力升高率随着乙醇引放热结束时刻的比较入而增加。但是由于着火时刻和整个燃烧过程发生在Fig 2 Combustion phasing CA50 and CA9O of the biodieselfueled engine with port injection of ethanol膨胀行程,当预混合比例过高,着火延迟时刻较长,尽at various equivalence ratios图3是各种当量比下,乙醇预混合比对最大放热率以及对应时刻的影响。从图3中可以看出,纯生物柴油的最大峰值放热率随着燃空当量比的增加而减小,峰值对应时刻则是中=045随当量比的增加而提前。在小的总燃空当量比下,最中国煤化工-062大峰值放热率随着乙醇预混合比例的增加缓慢增加,CNMHG=0.68峰值放热率时刻逐渐推迟;在较大的当量比下,峰值放热率随乙醇比例的增加而快速增加,峰值放热时刻推迟速度也很快。144内燃机学报第26卷第2期柴油小。而在高的当量比下,气缸压力在较小的预混合比例下几乎没有明显变化,而在某一比例下气缸压&碱力显著增加,之后再次减小;而高当量比下的燃烧温度几乎是成线性随乙醇比例增加而增加;到最大温度后◆045开始下降。D中0.53图6给出了几种当量比下不同乙醇/生物柴油时●一中=062的平均指示压力。在小当量比(0.45时),随着乙醇☆9=068的加入,平均指示压力成下降的趋势;而随着总的燃空当量比增加,平均指示压力(IMEP)总是先逐渐增加再降低。图4预混合比对最大压力升高率及对应时刻影响mum pressure rise rate and its crankangle versus P管最大放热率峰值仍然很高,但是由于膨胀过程中压R06力温度降低,导致扩散过程的燃烧速率大幅度减缓,引中=045起燃烧拉长,最大压力升高率降低。φ=053图5为预混合比例对最大燃烧压力和最高缸内气=0.62体平均温度的影响。在较小当量比下,乙醇增加后着010203040506070火延迟,使得最大气缸压力和缸内平均温度比纯生物图6相同总当量比下预混合比对平均指示压力的影响Fig. 6 The indicated mean effective pressure versusP at various equivalence ratios图7为乙醇预混合比例对指示热效率的影响。尽管对纯生物柴油,当量比大于0.45以后,指示热效率p=045开始降低,但是乙醇加入后却引起热效率的明显变化。对当量比为045的工况,乙醇的加入使得指示62☆一φ0.68热效率显著减小;而对当量比大于0.45的工况,指示1020304050热效率总是随着乙醇比例的增加先逐渐增加到最大值,然后开始降低,并且最大热效率增加的幅度随总当量比的增加而增大。另外图中也可以看出,对所有2500当量比,过大的预混合比将使得热效率显著恶化。2000··令一令一410-◆04令◆0.53500F -p=0.62令一φ=0.68p=0451054◆053◆0621中国煤化工图5预混合比对双燃料发动机最大气缸压力和最高缸内气体平均温度的影响CNMH小效率的影响Flg. 5 The maximum in-cylinder pressure and mean gaFig. 7 The indicated thermal efriciency as a function ofpressure as a function of premixed ratio of ethanolPi for different equivalence ratios08年3月吕兴才等:乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究145图8为各种当量比下乙醇预混合比对发动机常规∮0.45排放的影响。纯生物柴油下的HC和CO排放相当低=0.53加入乙醇后则有不同程度的增加。在当量比为0.45HC排放随乙醇预混合的增加成线性上升,而其它3种当量比下的规律却不同:预混合比在20%以下时,HC排放显著增加;预混合比继续增大,HC排放增长速率放缓;预混合比大于40%以后,HC排放开始降低,并在某一比例达到极低,之后再次增加。CO排放规律与HC排放有所差别,对每种当量比的CO排放总是随乙醇比例增加而增加;当然高当量比下的CO排放增加幅度较小。8预混合比对乙醇一生物柴油双燃料发动机排放特性生物柴油具有较高的NO,排放,并且随着当量比的影响增加而显著增加。但是从上图中可以看出,在各种当Fig 8 Effects of P on emissions of the biodiesel fueled一◆=045p=0.62量比下随着乙醇的加入引起NO,排放显著降低。如中=0.68乙醇预混合比在20%左右时,总当量比在0.45的工况NO,降低了75%,当量比为0.62降低了50%,而当量比为0.68则降低了约35%;预混合比例在55%60%时,总当量比在0.45的工况NO,降低了83%,当量比为0.62的工况降低了67%,而当量比为0.68的工况则降低了约55%从图8看出,采用乙醇/生物柴油双燃料模式后发动机的烟度能够更进一步降低。比如,当乙醇预混合比在18%~22%,总的当量比在0.45~0.68时烟度中=0.45中=0.53可以降低35%、38%、44%、51%;当乙醇预混合比在03≠0.6855%~60%,总的当量比在0.45~0.68时烟度可以降低75%、83%、83%、83%。对乙醇/生物柴油双燃料系统,一方面乙醇参加燃烧后局部氧浓度增加,另外混合气分布更加均匀,从而导致烟度排放的大幅度降且从图9可以看出,乙醇/生物柴油双燃料系φ=045φ=062P增加400500中国煤化工CN MHGNO,→碳烟排放关系内燃机学报第26卷第2期统改变了传统柴油机NO,-PM排放的“ trade-o"关系onversion and Management, 2006, 47(18/19): 3272-使得NO,和碳烟排放同时大幅度降低。[4] Labeckas G, Slavinskas S. The EHect of Rapeseed Oil结论Methyl Ester on Direct Injection Diesel Engine Performance(1)随着乙醇预混合比的增加着火时刻明显推and Exhaust Emissions [J]. Energy Conversion and Man-迟,但是达到50%放热的时刻推迟幅度很小,而放热agement,2006,47(13/14):1954-1967.结束时刻在小当量比下差别不大,在大的当量比下燃[5] Knothe G, Sharp A, Ryan T W. Exhaust Emissions ofBiodiesel, Petrodiesel, Neat Methyl Esters, and Alkanes in烧持续时间拉长,但是放热结束时刻显著提前。a New Technology Engine [J]. Energy and Fuels, 2006,202)随着当量比的增加,峰值放热率减小,对(1):403-408应时刻提前;随着乙醇预混合比增加,低当量比下的[6] Boehman A, David m, Szybist J. The Impact of the Bulk峰值放热率增加不大,而大当量比下却快速增加。最Modulus of Diesel Fuels on Fuel Injection Timing [J]. En大压力升高率随乙醇的增加而增加,到20%-40%的rgy and Fuels,2004,18(6):1877-1882某一比例达到极值,然后开始降低。[7 McCormick R, Graboski M, Alleman T, et al. Impact of(3)小当量比下随着乙醇的加入使得平均指示Biodiesel Source Material and Chemical Structure on Emis-热效率成线性下降;而在大当量比下,指示热效率随sions of Criteria Pollutions from a Heavy-Duty Engine [J]Environmental Science and Technology, 2001, 35(9):乙醇的增加而增加,达到极值后开始降低,并且最大1742-1747热效率增加的程度随整个当量比的增加而增加。[8 Lee C S, Park S W, Kwon S L. An Experimental Study on(4)乙醇的加入使得HC和CO排放明显增加,the Atomization and Combustion Characteristics of Biodiesel但是却使得NO,和碳烟排放大幅度下降,改变了传统Blended Fuels [J]. Energy and Fuels, 2005, 19(5)压燃式发动机NO,和PM排放的“ trade-o”关系。在本文的试验工况范围内,NO,排放和碳烟排放可以降9] Agarwal D, Sinha s, Agarwal A K. Experimental Investiga低35%~85%tion of Control of no. Emissions in Biodiesel-Fueled Com-pression Ignition Engine [J]. Renewable Energy, 2006, 31参考文献(14):2356-2369[1]葛蕴珊何超韩秀坤等柴油机燃用生物柴油的多环0] Femando s,Hlc,lhas.No, Reduction from Biodiesel芳香烃排放试验研究[J].内燃机学报,2007,25(2):Fuels [J]. Energy and Fuels, 2006, 20(1): 376-382125-129[11] Nabi M N, Akhter M S, Shahadat M. Improvement of En[2]陈虎陈文淼,王建昕,等柴油机燃用乙醇一甲酯一柴油时PM排放特性的研究[J].内燃机学报,2007,2Biodiesel Blends [J]. Bioresource Technology, 2006, 97(1):47-52[3] Rakopoulos C D, Antonopoulos K A, Rakopoulos D C,[12] Hess M, Haas M, Foglia T, et al. Effect of Antioxidantal. Comparative performance and Emissions study of a DirectAddition on NO, Emissions from Biodiesel [J]. EnergyInjection Diesel Engine Using Blends of Diesel Fuel withand fuels,2005,19(4):1749-1754Vegetable Oils or Bio-Diesels of Various Origins[ J]. Energy中国煤化工CNMHG