乙醇/柴油不同掺醇途径的性能对比

第13卷第5期燃烧科学与技术vo.13N.52007年10月Jourmal of Combustion Science and Technology0t.2007乙醇/柴油不同摻醇途径的性能对比申立中,颜文胜,毕玉华,雷基林(昆明理工大学交通工程学院,昆明60224摘要:为了对乙醇柴油混合燃料的应用和研究获取更全面的认识,在增压柴油机上对比了燃用纯柴油时与泵掺法(高压油泵掺醇)、化醇法和蒸气法(进气道掺醇)对排放性能的影响研究结果表明,泵掺法的当量燃油消耗率优于原机;化醇法和蒸气法在低、中负荷范围内的当量燃油消耗率增大在中、大负荷范围内接近原机水平泵掺法的HC排放较原机有一定的增加;CO排放在小负荷工况略有上升大负荷时明显低于原机;NO,排放有所下降,排气烟度显著降低化醇法和蒸气法与原机比较,在所有工况的HC、CO排放均大幅上升;NO排放降低的幅度不大排气烟度有一定的降低高压油泵掺醇方式对增压柴油机性能的改善效果明显优于进气道擦醇方式关键词:柴油机;乙醇;掺醇方式;排放中图分类号:TK464文献标志码:A文章编号:10058740(2007)05038904Performance Comparison of Ethanol/Diesel Blends Mixedin Different Methods of Diesel EngineSHEN Li-zhong, YAN Wen-sheng, BI Yu-hua, LEI Ji-linening, Kunming Univeraity of Science and Technology, K.50224. ChinaAbstract: For a more comprehensive understanding of ethanol/diesel blends application, the comparison experiments of emissicwere carried out on a turbo-charged to gaudy the effects on performance of diesel engine of supplying pure diesel oil and dieethanol blends mixed by high presure pump, carburetor and evaporator ethanol mixed through intake pipe). The results showthatthe equivalent oil consumption rate by using pump is better than that of the original engine, and that the equivalent oil consumptionrate by using carburetor and evaporator rises at low and medium loads, and is close to that of the original engine at the full loadtition. By using pump, the emission of HC has a little increase compared with that of the original engine; Co dischargesslightly rise at low load conditions, and are obviously lower than that of the original machine at high load conditions: NO, is de-creased to a certain agree and exhaust smoke is reduced notably. By using carburetor and evaporator, HC and Co rise sharplycompared with the use of the original machine at all operating conditions: NO, emission is only decreased slightly, and exhaustsmoke is reduced to the extent. Therefore, supplying ethano through high-preeeure oil pump is obviously superior to that through inKeywords: diesel engine; ethanol; supplying ethanol method; emission能源节约与资源综合利用是中国经济和社会发展生的清洁燃料已成为具有发展前景的汽车代用燃料之的一项长远战略方针节约和替代燃料将有利于加快,由于柴油机具有热效率高及污染排放低等优点,许我国能源结构的调整和促进能源结构的优化,是促进多从事于内燃机的科技工作者长期致力于开展乙醇燃经济社会可持续发展的有效途径之一乙醇作为可再料在柴油机上的应用研究2收稿日期:2012-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(504600);云南省自然科学基金资助项目(2005BmM)作者简介:申立中(19),男顿土教授通讯作者;申立中,hhn@ public如m,y,cm,燃娆科学与技术第13卷第5期排放法规逐渐严格,对减少柴油机有害排放物提出了进一步的要求目前国内外在柴油机上掺烧醇燃2试验结果与分析料的途径为通过高压油泵掺醇和进气道掺醇方式郭英男、许沧粟、何邦全、刘朋6和许锋等在柴图1为2200m/min负荷特性时3种掺烧方法的对油机上以不同方式进行了醇燃料与柴油混合掺烧的性比图1(a)中,3种掺烧方法的有效燃油消耗率b均高能试验试验结果表明采用柴油机高压油泵掺醇的方于原机,泵掺法优于化醇法和蒸气法图1(b)为当量式碳烟微粒(PM)排放均明显改善NO排放有所降燃油消耗率b(将乙醇的热值按纯柴油的63%折合低,HC排放增加,CO排放的变化与负荷有关;采用通为纯柴油的燃油消耗率)与负荷的关系曲线泵掺法在过柴油机进气道掺醇的方式,碳烟微粒(PM)均明显改负荷特性中的当量燃油消耗率均优于原机,中大负荷善,NO有所降低,HC和CO均增加范围内更为明显;化醇法和蒸气法在低、中负荷范围内的当量燃油消耗率上升,在中大负荷范围内的当量燃1试验方法和试验设备油消耗率接近原机水平试验用发动机为4100QB废气涡轮增压直喷式原机柴油机(简称原机),标定功率转速为64kW(3200r日泵掺mn),最大转矩转速为230N·m(2200rmin),压缩比为175,增压压比为22,供油提前角13°CA.试验所用主要测试设备有奥地利AⅥL公司产的 AFA Drive250/48交流电力测功机、 AVL CEBⅡ直采式废气分析仪、AⅥ733连续油耗仪、AⅥA39滤纸式烟度仪等.100150200试验地点的海拔高度为192m,大气压力81负荷/(N·mkPa,相对湿度40%~60%,气温18-21℃,试验数据(a)有效燃油消耗率为实测数据试验用燃油为0号柴油,乙醇为95%浓度的含水乙醇为保证不同掺烧方式获得的试验数据原机的可比性,在试验过程中,乙醇柴油混合掺比控制在日泵排15%试验期间未对增压柴油机进行任何调整,未添加化醇森气乳化剂和表面活性剂为了深入了解乙醇柴油混合燃料掺烧方式的影响规律,在废气涡轮增压柴油机上进行了高压油泵掺醇法(简称泵掺法)化醇法和蒸气法等3种掺醇方式100的试验研究,以燃用纯柴油为基础对比了不同掺醇途负荷/N·m径对柴油机性能的影响因素(b)当量燃油消耗率(1)泵掺法是在柴油机的高压油泵上安装一个液图1负荷特性的燃油消耗率对比力振动乳化装置输送乙醇柴油混合燃料,乙醇与柴油经乳化装置乳化后由泵一管一嘴喷入气缸内燃烧该图2为外特性时3种掺烧方法的当量燃油消耗率装置具有自主知识产权其技术特点是:不对柴油机结b对比试验曲线,泵掺法的当量燃油消耗率优于原构进行任何调整试验过程中可随时在不停机的状态机;化醇法和蒸气法的当量燃油消耗率接近原机水平下进行掺烧乙醇或燃用纯柴油的切换该技术不要求可以看出,泵掺法在掺烧乙醇柴油混合燃料后,在中使用变性燃料乙醇可使用含水乙醇大负荷区域的当量燃油消耗率得到较好改善的主要原(2)化醇法是在增压器压气机前安装化油器,乙因是乙醇为含氧燃料,乙醇的表面张力和黏度低,燃料醇通过化油器化醇后经增压器至进气道进入气缸燃喷射时乙醇的快速气化能促进燃料的雾化及可燃混合烧试验期间对化油器适当加热,以提高化醇效果气的形成速度,有利于扩大有适当浓度的混合气区域(3)蒸气法是利用排气余热加热嵌套在柴油机排而提高燃烧效率由于化醇法和蒸气法掺醇是经进气气管上的蒸发器乙醇通过蒸发器气化后由进气道进道进入气缸,各缸乙醇混合气不均匀过量空气系数入气缸内燃烧下降在低、中负荷范围内会有较多的乙醇混合气以2007年10月申立中等:乙醇柴油不同掺醇途径的性能对比391末燃醇、HCCO的形式排出机外,导致当量燃油消耗致HC排放量的大幅上升是难以解决的关键问题率上升图3为2200 r/min负荷特性时3种掺烧方法的排气温度对比曲线化醇法、泵掺法和蒸气法的排气口原机■泵排温度均低于原机,化醇法更为明显化醇S蒸气负荷/N·m)图4HC排放对比18002200260030003400转速(·min)蒸气法掺醇后进入气缸的路径与化醇法相同,因图2外特性的当量燃油消耗率对比此,HC排放的产生原因、规律和试验结果与化醇法相似,HC排放均比化醇法有一定的改善,但仍远高于泵掺法图5为3种掺烧方法的CO排放对比图5表明影都2200r/min时3种掺烧方法的CO排放有较大差异一蒸气化醇法和蒸气法所有工况的Co排放与原机比较均大幅上升,主要存在几个方面因素的影响:①在进气道内的乙醇蒸气占据了一定的气体容积柴油机的过量空气系数下降;②乙醇蒸气预先充满气缸后,缸内温度下降,不利于CO的氧化反应过程.图3负荷特性排气温度对比2000口原机囚化醇泵排四蒸气图4为3种掺烧方法的HC排放对比图4表明2200r/min时3种掺烧方法的HC排放均比原机的HC排放有所增加,但出现了明显的差异性泵掺法时,大、中、小负荷工况的HC排放较原机均有一定上升,增加范围在27%~57%主要原因是160掺烧乙醇后柴油机缸内温度低,乙醇气化潜热大,缸内温度进一步下降及壁面激冷等因素导致HC排放升图5co排放对比高.化醇法时小负荷工况的HC排放较原机均有大泵掺法由于乙醇/柴油混合较均匀,并同时喷入燃幅上升,增加范围为39~8倍,主要原因是除小负荷烧室内解决了化醇法和蒸气法不可避免的问题与原工况时缸内温度低、乙醇气化潜热大和自燃温度高外,机比较掺醇后小负荷工况CO排放受缸内温度下降关键是掺人乙醇的途径是通过进气道进人气缸内,在的影响均略有上升,中等负荷工况的C0排放变化不压缩过程中部分乙醇蒸气被挤人活塞活塞环和气缸大大负荷工况的C0排放均明显低于原机燃用纯柴壁构成的间隙内(狭隙效应{),柴油喷射时乙醇不能油的水平与柴油均匀混合,在排气过程中部分以未燃醇和HC图6为3种摻烧方法的NO,排放对比图6表明的形式排出机外另一方面由于乙醇通过进气歧管进2200rmn时3种掺烧方式掺醇后的NO,排放均比人气缸,还存在各缸乙醇混合不均匀的问题因此化原机有所下降,降幅为0-12%3种掺烧方式与原机醇法和蒸气法与点燃式发动机HC排放高的部分特征NO4排放的规律基本一致,表明乙醇的气化潜热作用相似,乙醇通过进气道进人气缸内进行摻烧的方法导在燃烧过程中会降低燃烧温度,能减少NO.的产生科学与技术第13卷第5期(3)化醇法和蒸气法控制有害排放物的效果基本接近,所有工况的HC、CO排放与原机比较均大幅上升;NO排放降低幅度不大排气烟度有一定降低(4)高压油泵掺醇方式对增压柴油机性能的改善效果明显优于进气道掺醇方式参考文献负荷/0N·m[1]周龙保.内燃机学[M].北京:机被工业出版Zhou Longhao. internal-Combustion Engine Srudy图6NO2排放对比jing: China Machine Press, 2005(in Chinese)[2]何学良,詹永厚,李疏松.内燃机燃料[M].北京:中国图7为3种掺烧方法的烟度对比图7表明2200石化出版社,199r/min时3种掺烧方式和原机烟度的规律有一定的差He Xueliang, Zhan Yonghou, Ii Shusong. Fued of internal异,小负荷时,蒸气法和化醇法有一定的降烟效果,泵Cambustion Engine [M]. Beijing: China Petro-Chemical Pub-lishing House, 1999(in Chinese)掺法具有较明显的降烟效果;中负荷时泵掺法的烟度[3〕郭英男,谭满志,刘金山自然吸气直喷压燃式发动机降幅约为23%~42%,化醇法约为8%~21%,蒸气法燃用柴油醇的性能和排放[门]内燃机学报,2005,23(1):约为10%~12%;大负荷时,泵摻法的烟度降幅约为32%~38%,化醇法约为0~21%,蒸气法约为1%~Guo Yingnan, Tan Manzhi, Liu Jinshan. The pedormance and17%由于蒸气法产生的乙醇蒸气有较高的温度,降低discharges of firewood ethyl alcohol with the type of nature了对进气温度的吸热能力,又占据了较多的气体容积spires straight spurts Compression burning engine [J].Transac-柴油机的过量空气系数下降,导致蒸气法在各种工况tions f CSICE, 2005, 23(1): 52-57(in Chinese)下的降烟效果相对较弱试验结果表明,泵掺法的降烟[4]许沧粟,杜得兴.含水乙醇在内燃机的应用[].内燃机效果明显优于化醇法和蒸气法工程,2004,25(4);4649Xu Cangshu, Du Dexing. The application of ethyl alcohol con-口原机tains water in the intemal-combustion engine[J].InternaL-Com-bustion Engine Project, 2004, 25(4): 4649(in Chinese)的燕气[5]何邦全,王建昕,郝及明,着火改进剂对乙醇柴油燃料排放特性的影响[].内燃机学报,2003,21(6):419422He Bungquan, Wang Jianxin, Hao Jiming. The fire improvementmedicinal influence to the diesed oil fuel discharges characteristic[J]. Trasactions of CSICE, 2003, 21(6): 419-422(in Chi负荷/N·m)[6]刘朋,宋崇林,张延锋,等,乙醇柴油混合燃料对柴图7烟度排放对比油机性能及排放的影响[刀.内燃机学报,2003,9(4)3结论Liu Peng, Song Chonglin, Zhang Yanfeng et al. The influenceof ethyl alcohol diesel oil blended fuel to the diesel engi(1)泵掺法的当量燃油消耗率优于原机,中、大负formance[J]. Transactions of CS/CE, 2003, 9(4): 300-305(in荷范围内更为明显;化醇法和蒸气法在低、中负荷范围Chinese)内的当量燃油消耗率上升,在中、大负荷范围内接近原[门]许锋,杨晓英,杜宝国,等.柴油机燃用乙醇复合柴油机水平实验研究[J.大连理工大学学报,2003,43(5):609613(2)泵摻法的HC排放均较原机有所上升;小负荷Ⅻ u Feng, Yang xiaoying, Du reog,tl. The experimental攻y工况的cO排放略有上升,中负荷工况的CO排放变化o died enginebums with the cthd alooh compound dese allr]不大大负荷工况的CO排放均明显低于原机;NO,排Joandddf Dalian Uniersity Tedndlog, 2mB, 43(5): 608-613(in放有一定的降低排气烟度降低明显