乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究

第28卷第2期农业工程学报VoL 28 No. 22012年1月Transactions of the CSAEJan.201229乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究李铭迪,王忠※,许广举,陈林,李立琳(江苏大学汽车与交通工程学院,镇江212013)摘要:在YZ4DB3柴油机上,通过测量燃用乙醇/柴油混合燃料的示功图和排放污染物,分析了燃烧过程与排放污染物的变化规律。结果表明,随着乙醇掺混比例的增加,乙醇/柴油混合燃料的滞燃期延长,燃烧终点提前,燃烧持续期缩短。小负荷时,与柴油相比,E10和E20的最大爆发压力分别下降了0.2、04MPa,扩散燃烧放热率峰值升高:全负荷时,与柴油相比,乙醇柴油混合燃料的最大爆发压力变化不大,预混燃烧放热率峰值升高。与燃用柴油相比,掺混乙醇能明显降低烟度,NOκ排放变化不大:HC和CO排放随着乙醇掺混比例的增加而升高,小负荷时较明显。乙醇柴油混合燃料的燃料消耗率与燃用柴油的燃油消耗率基本相冋关键词:柴油机,排放,试验,乙醇/柴油,燃烧过程doi:10.3969/jisn.1002-68192012.02006中图分类号:TQ464文献标志码:A文章编号:1002-6819(2012)02-002906李铭迪,王忠,许广举乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究[J].农业工程学报,2012,28(2):29-34.Li Mingdi, Wang Zhong, Xu Guangju, et al. Experimental investigation on combustion and emission characteristics of dieselengine fueled with ethanol/diesel blends[]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(2): 29-34. (in Chinese with English abstract0引言多,滞燃期越长,烟度和微粒排放降1低4。天津大学的何邦全等人对比分析了柴油机分别燃用柴油、乙醇/柴油/含氧燃料可以部分替代柴油,而且能减少燃烧的排甲酯混合燃料、乙醇/甲酯混合燃料和纯甲酯燃料时的燃烧放污染物。日前硏究较多的含氧燃料有:甲醇、乙醇、和排放特性。结果表明,燃用含氧燃料可以明显降低柴油二甲醚和生物柴油等。乙醇含有34.8%的氧,燃烧时机烟度;掺混乙醇后着火时刻延迟,THC排放增加。理论上所需的空气接近柴油的一半,柴油掺混乙醇可以在不改变YZ4DB3柴油机结构参数和供油提前角的减少燃烧过程中局部混合气过浓的问题,改善燃烧,从条件下,通过改变乙醇掺混比例,开展了不同乙醇掺混而降低柴油机的碳烟排放811比对乙醇/柴油混合燃料燃烧过程影响的研究工作,同时针对乙醇偞柴油混合燃料的燃烧与排放,国内外进行了测量和分析了不同乙醇掺混比对乙醇/柴油混合燃料排放大量的研究工作。立陶宛农业大学的 Gvidonas Labeckas污染物的变化规律。研究了直喷式柴油机燃用乙醇汽油同菜籽油混合燃料的排放特性。结果表明,NOx排放随着乙醇掺混量的增加试验方案和设备而增加;全负荷时,10%汽油/菜籽油的CO排放和烟度试验选取了两种乙醇掺混比例(10%和20%)与柴油比10%乙醇/菜籽油的分别低47.8%和7%;单独掺混乙醇进行掺混,形成乙醇/柴油的混合燃料,分别记为E10和的HC排放低于掺混汽油或乙醇/汽油的HC排放。巴E20。按照柴油机标定转速,不同负荷及外特性运行工况,西菲亚特汽车测试中心在B20调合生物柴油中添加乙醇,测量了燃用柴油、E10和E20混合燃料的缸内压力、燃研究了这种混合燃料的燃烧与排放的变化规律。结果表油经济性及排放污染物。明,掺混乙醇能够有效降低NOκ和CO2排放,但CO试验采用潍柴动力扬州柴油机有限责任公司的PM、HC排放有所增加。清华大学的陈虎等人研究了YZ4DB3直列四缸增压中冷柴油机,柴油机的主要技术乙醇甲酯/柴油对柴油机性能燃烧和排放特性的影响。结参数见表1,试验采用的主要仪器和设备见表2。果表明,燃用含氧燃料的动力性有所下降,乙醇含量越表1YZ4DB3柴油机的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of YZ4DB3 diesel engine收稿日期:2011-07-06修订日期:2011-08-31项参数基金项目:国家自然科学基金(No.50776042);江苏省高校自然科学基金重点项目(No.10KJA47000);江苏省2010年研究生创新计划项目燃烧类型资No CXII0B261Z):江苏高校优势学科建设工程资助项目(2011年)。105x118作者简介:李铭迪(1987-),女,江苏常熟人,主要从事清沽代用燃料方面的研究工作。镇江江苏大学汽车与交通工程学院,212013。压缩比175Email:Imd-f@163.com标定功率kW、标定功率转速※通信作者:王忠(1961-),男,江苏镇江人,教授,博士生导师,主中国煤化工要从事清洁代用燃料方面的研究工作。镇江江苏大学汽车与交通工程学最大扭矩(Nm2)310、1800院,212013。 Email: wanghong@ ujs. edu.crCNMHG农业工程学报2012年表2试验用仪器和设备大,小负荷(10%和25%)时,随着乙醇掺混比例的增加Table 2 Test instruments and equipments最大爆发压力略有降低。乙醇的汽化潜热、低热值和粘殳备名称度等理化特性是影响乙醇/柴油混合燃料缸内压力的主要测功器与测控系统AVL AFA335、PUMA5因素。排气分析系统Honba MEXA-720OD不同乙醇掺混比在标定转速时,25%和100%负荷下油耗仪AVL735烟度计的放热规律如图2所示。25%负荷时的放热规律如图2a燃烧分析仪Dewetron燃烧分析仪所示,可以看出,放热率曲线呈单峰;柴油、E10、E20的放热率峰值分别为:524、60.8、649J/°CA,对应曲轴转角分别为:4、5、55°CA;随着乙醇掺混比例的增2试验结果与分析加,着火时刻延迟,放热率峰值升高,峰值对应的曲轴2.1燃烧特性转角滞后。采用滞燃期、燃烧持续期、缸内最大爆发压力和放热率峰值等指标对燃烧特性进行了分析一柴油2.1.1示功图和放热率E10图1为不同乙醇掺混比在标定转速时,25%和100%负荷下的缸内压力随曲轴转角的变化曲线。曲轴转角4(cA)曲轴转角e°cA):E10a.25%负荷20b.100%负荷图2标定转速(2900r/min)的放热率44030-20-10010203040Fig 2 Heat release rate at rated speed (2 900 r/min)曲轴转角p(cA)b.100%负荷全负荷时的放热规律如图2b所示,可以看出,燃烧图1标定转速(2900min)的示功图柴油、E10、E20时,扩散燃烧的放热率峰值和对应曲轴Fig 1 Indicator diagram at rated speed(2 900 r/min)转角相近,燃烧终点提前;柴油、E10、E20的预混燃烧放热率峰值分别为:43.7、566、75.5JCA,对应曲轴25%负荷的示功图如图1a所示,E10、E20的最大爆转角分别为:3、4、5A:随着乙醇掺混比例的增加发压力较柴油(77MPa)分别下降了02、04M。最预混燃烧放热率峰值升高,峰值对应的曲轴转角滞后。大爆发压力随着乙醇掺混比例的增加有所降低:掺混乙柴油、E10、E20的放热率峰值随着负荷的增加而升高,醇后最大爆发压力对应的曲轴转角较柴油(6℃CA)滞后小负荷(10%和25%)时,掺混乙醇对乙醇柴油混合燃了约3CA料着火延迟的影响明显,随着负荷的增加,乙醇对着火全负荷的示功图如图b所示,柴油、E10、E20的延迟的影响减弱,燃烧终点提前。最大爆发压力分别为11.3、114、11.6MPa,掺混乙醇的乙醇/柴油混合燃料的燃料消耗率和燃用柴油的燃油最大爆发压力与柴油相比变化不大;E10、E20最大爆发消耗率曲线如图3石酶掺混比佩不超过20%时,中国煤化工料的燃料消醇坐油混合燃料的最大爆发压力随着负荷的增加变化不耗率与柴油基本相CNMHG第2期李铭迪等:乙醇柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究柴油3)乙醇的汽化潜热约为柴油的34倍,混合燃料气一EI0多哥解买化吸收的热量增加,燃料的物理和化学变化过程的时间e-E20增加,滞燃期延长。这些因素导致了乙醇/柴油混合燃料的滞燃期延长掺混乙醇对的燃烧持续期的影响如图4b所示。10%负荷时,E10、E20的燃烧持续期较柴油(35°CA)分别缩短了2、4CA。全负荷时,E10、E20的燃烧持续期较柴油(397°CA)分别缩短了23、5°CA。随着乙醇掺混负荷%比例的增加,燃烧持续期缩短图3标定转速(2900r/min)的燃油消耗率影响乙醇/柴油混合燃料燃烧持续期的主要因素有:Fig3 Fuel consumption at rated speed (2 900 r/min)1)乙醇含34.8%的氧,增加了燃烧过程中活性氧的2.1.2滞燃期与燃烧持续期浓度,加快了燃烧的反应速率,燃烧终点提前,燃烧持续期缩短。掺混乙醇对滞燃期和燃烧持续期的影响如图4所示。2)乙醇具有较小的表面张力和黏度,乙醇柴油喷雾由图4a可以看出,随着乙醇掺混比例的增加,滞燃期明的索特平均直径(SMD)随着乙醇掺混比的增加而减小,显延长。10%负荷时,E0、E20的滞燃期较柴油(2CA)且空间分布更均匀,有利于改善混合燃料的雾化混合分别延长了1、2CA:全负荷时,E10、E20的滞燃期较过程,燃烧持续期缩短。柴油(13°CA)分别延长了03、19CA。随着负荷的增加,在这些因素的综合作用下:随着乙醇掺混比例的增乙醇对滞燃期的影响减小。加,乙醇柴油燃烧的滞燃期延长,燃烧始点推迟,燃烧A柴油终点提前,燃烧持续期缩短。全负荷时表现为预混燃烧一E10的放热率峰值升高;小负荷时表现为扩散燃烧的放热率峰值升高。2.2排放特性2.2.1HC排放乙醇掺混比对HC排放的影响如图5所示。109%负荷时,E10、E20的HC排放分别是柴油的21和29倍。主要因为:小负荷时,乙醇的高汽化潜热使得混合燃料气负荷化吸热量增加,不利于混合气的雾化混合过程,燃烧不盘.滞燃期完全;靠近气缸壁面的淬熄层增厚,HC排放增加。随着4柴油负荷的增加,E10、E20的HC排放下降很快。与10%负日E10荷相比,E10、E20在75%负荷时的HC排放分别下降了54%和58%,但仍高于柴油。全负荷时,E10、E20的HC“,排放和柴油相当。300A柴油E10-E20负荷b.燃烧持续期图4掺混乙醇对滞燃期、燃烧持续期的影响Fig 4 Effect of ethanol ratios on ignition delay and combustion负荷影响乙醇柴油混合燃料滞燃期的主要因素有图5乙醇掺混比对HC的影响1)乙醇的体积模量约为柴油的3/4,乙醇柴油混合Fig S Effect of ethanol ratios on HC emission燃料的体积模量随着乙醇掺混比例的增加而减小,混合燃料的可压缩性增加,喷油提前角随着乙醇掺混比例的2.2.2C0排放增加而延迟,使得燃烧始点延迟。乙醇掺混比对中国煤化工示。小负荷时2)乙醇的十六烷值仅为8,随着乙醇掺混比例的增E10、E20的CO排YHCNMHG9倍,其原因加,乙醇/柴油的十六烷值下降,着火性变差,滞燃期延长。主要是:小负荷时,小,混合气浓度较稀,乙醇农业工程学报2012年汽化过程的吸热影响明显,燃烧不完全,乙醇/柴油混合降,25%负荷时,E10、E20的烟度较柴油(036m1)分燃料燃烧生成的CO不能被进一步氧化,导致CO排放较别下降了33%和24%。柴油、E10、E20的烟度随着负荷高。随着负荷的增加,E10和E20的CO排放下降很快,的增加而降低。全负荷时,E10、E20的烟度较柴油与10%负荷相比,E10、E20全负荷时的CO排放分别下(0.087m4)分别下降了15%和51%。一方面,掺混乙醇降了79%和73%。全负荷时,3种燃料的CO排放相近。降低了燃料中的芳香烃含量,有利于降低碳烟排放;另这是由于负荷增加,喷油量增加,乙醇汽化潜热的作用方面,随着乙醇比例增加,燃料中的含氧量增大,且减弱,部分生成的CO被氧化,CO排放降低乙醇的沸点和粘度较低,有利于燃气的充分混合,减少过浓混合气区域,燃烧更充分,碳烟排放下降。A柴油E106E20子E10A负荷%图6乙醇掺混比对CO的影响Fig 6 Effect of ethanol ratios on CO emission图8乙醇掺混比对烟度的影响Fig 8 Effect of ethanol ratios on smoke2.2.3N0x排放影响NOx排放的主要因素主要有燃烧温度、氧含量乙醇/柴油在大幅度降低排气烟度的同时,NOx排放及在高温下的滞留时间。图7是标定转速下,乙醇掺混有所升高。为了在降低碳烟排放的同时抑制NOx排放的比对NOⅸx排放的影响。可以看出:随着负荷的增加,NOx升高,可以采用推迟喷油提前角或优化喷油规律等措施排放增加;小负荷时,E10和E20的NOx排放与柴油相3结论差不大;中、高负荷时,E10和E20的NOx排放略高于柴油。全负荷时,E10和E20的NOx排放较柴油升高了)乙醇柴油混合燃料的最大爆发压力随着负荷的增6%和7%。原因主要有:一方面,添加乙醇的混合燃料的加变化不大。小负荷时,最大爆发压力随着乙醇掺混比滞燃期延长,预混燃烧量增加,等容燃烧程度増加,燃例的增加略有降低,对应曲轴转角滞后。全负荷时,最烧温度升高,NO排放增加;另一方面,燃用含氧燃料大爆发压力随着乙醇掺混比例的增加变化不大。乙醇,增加了燃烧过程中的活性氧,更易生成NOx,导2)随着乙醇掺混比例的增加,滞燃期延长,增加了致NOx排放增加预混可燃混合气量,放热率峰值升高。乙醇含氧增加了燃烧过程中活性氧的浓度,加快了燃烧的反应速率,燃烧终点提前,燃烧持续期缩短。A-柴油3)与柴油相比,掺混乙醇可以明显降低烟度。燃用E10E20时,烟度的最大降幅度达51%。HC和CO排放随着乙醇掺混比例的增加而升高,在小负荷时较为明显,但对NOx排放影响不大。[参考文献][1] Alan C. Hansen, Qin Zhang, Peter W L. Lyne. Ethview[]. Biores负荷%96(3):277-285图7乙醇掺混比对NOx的影响[2]Gunfeel Moon, Yonggyu Lee, Kyonam Choi, et al. EmissionFig 7 Effect of ethanol ratios on NOx emissioncharacteristics of diesel, gas to liquid, and biodiesel-blendedfuels in a diesel engine for passenger ars[]. Fuel, 2010,2.2.4烟度碳烟的形成主要是燃烧室中混合较浓区域内的高分3] Ekren Buyukka中国煤化工 diesel engine子烃,尤其是芳香烃高温缺氧裂解形成的。图8是标定performance,CNMH Caracteristic转速时,乙醇掺混比对烟度的影响。掺混乙醇后烟度下Fuel,2010,8(10:3099-3105第2期李铭迪等:乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究33[4]姚春德,夏琦,阳向兰,等.柴油/甲醇组合燃烧增压中冷[10] Redjem Hade, Klaus Peter geigle, Wolfgang Meier,etal.发动机的甲醛及常规排放特性[.燃烧科学与技术,Soot characterization with laser-induced incandescence2010,16(2):155-159applied to a laminar premixed ethylene-air flame[J]. IntermationalYao Chunde, Xia Qi, Yang Xianglan, et al. Characteristic ofJournal of Thermal Sciences, 2010(49): 1457-1467regulated emissions and formaldehyde emission from [11] Matti Happonen, Tero Lahde, Maria E Messing, et al. Theturbocharged inter-cooled diesel engine with diesel/methanolcomparison of particle oxidation and surface structurdiesel soot particles between fossil fuel and novel renewableScience and Technology, 2010, 16(2): 155-159. (in Chinesediesel fuel[J]. Fuel, 2010, 89(12)13.with English abstract)[12] Gvidonas Labeckas, Stasys Slavinskas. Study of exhaust[5]王忠,袁银南,历宝录,等.生物柴油的排放特性试验研emissions of direct injection diesel engine operating究门农业工程学报,2005,21(0):77-80ethanol, petrol and rapeseed oil blends[]. Energy ConversionWang Zhong, Yuan Yingnan, Li Baolu, et al. Experimentaland Management, 2009, 50: 802-812study on the emission characteristics of bio-diesel fuel(n[13 Mario L Randazzo, Jose R Sodre. Exhaust emissions from aTransactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering,diesel powered vehicle fuelled by soybean biodiesel blends2005, 21(7): 77-80. (in Chinese with English abstract)(B3-B20) with ethanol as an additive(B20E2-B20E5J]6]李跟宝,周龙保.柴油机燃用二甲醚柴油混合燃料时的特Fuel,2011,90:98-103性研究[内燃机工程,2010,31(1):13-16.[4]陈虎,王建听,帅石金.乙醇甲酯柴油含氧燃料对柴油Li Genbao, Zhou Longbao. Research on operation机性能与燃烧特性的影响[J燃烧科学与技术,2007characteristics of compression ignition engine fueled with13(3):243-247.dimethyl-ether/diesel blend[J]. Chinese Internal CombustionChen Hu, Wang Jianxin, Shuai Shijin. Effects of ethanolEngine Engineering, 2010, 31(1): 13-16.(in Chinese withester-diesel oxygen fuel on performance and combustionEnglish abstract)ustIon[胡志远,孙晓清,谭丕强,等.共轨柴油机燃用麻疯树制Science and Technology, 2007, 13 ( 3): 243-247 (in Chinese生物柴油的性能及排放特性门J农业工程学报,2011with English abstract)[5]陈虎,陈文淼,王建听,等.柴油机燃用乙醇甲酯柴油27(S1):308-312Hu Zhiyuan, Sun Xiaoqing, Tan Piqiang, et al. Performanc时PM排放特性的研究.内燃机学报,2007,25(1):47and emission characteristics of common rail engine fueledwith jatropha based biodiesel blends[J]. Transactions of TheChen Hu, Chen Wenmiao, Wang Jianxin, et al. 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The results showed that with the increase of ethanol ratios, the ignition delay periods were delayed,thecombustion endings were advanced and the combustion durations were shortened. At low load, the peak in-cylinderressure of E10 and E20 were 0.2 and 0.4 MPa lower than that of diesel, the peak heat release rate of diffusioncombustion increased. At full load, the peak in-cylinder pressure of ethanol/diesel blends were almost the same as that ofdiesel, the peak heat release rate of premixed combustion increased Compared with diesel, smoke of ethanol/diesel blendsreduced significantly. Ethanol ratios had little effect on NOx emission. With the increase of ethanol ratios HC and Coemission increased, especially at low load. The fuel consumption of ethanol/diesel blends and diesel were almost the sameKey words: diesel engine, emission, experiments, ethanol/diesel, combustion processV中国煤化工CNMHG