第31卷第4期上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)Vol, 31 No 42010年12月Journal of Shanghai Maritime UniversityDec.2010文章編號:1672-9498(2010)04-0045-04乙醇一柴油混合燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用朱建元1,洪亮(1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海201306;2.中國船級社上海分社,上海200135)摘要:為降低柴油杋的廢氣排放,研究含氧代用燃料乙醇對柴油機(jī)廢氣排放以及經(jīng)濟(jì)性的影響通過對燃用乙醇含量不同的乙醇一柴油混合燃料的柴油機(jī)排放情況和經(jīng)濟(jì)性的對比試驗(yàn)得出:適當(dāng)配比的乙醇一柴油混合燃料能有效改善柴油機(jī)的有害氣體排放性能,特別是能明顯降低柴油機(jī)的碳煙排放,且柴油杌的煙度隨乙醇含量的增加而明顯降低;添加乙醇能改善發(fā)動機(jī)燃料的經(jīng)濟(jì)性,而對發(fā)動機(jī)的動力性沒有明顯影響.關(guān)鍵詞:柴油機(jī);廢氣排放;含氧燃料;乙醇一柴油混合燃料圖分類號:U664.121;TK16;TQ23.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AApplication of ethanol-diesel fuel mixture to diesel engineZHU Jianyuan, HONG Liang(1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ, Shanghai 201306, China2. Shanghai Branch, China Classification Society, Shanghai 200135, ChinaAbstract: In order to reduce the diesel engine exhaust emission, the effects of oxygenated fuel ethanol onhaust emission and fuel efficiency of diesel engine is researched. Contrast experiments are conducted onexhaust emission and fuel efficiency of diesel engine which burns ethanol-diesel fuel mixture with differentethanol additive. Results show that suitable additive amount of ethanol can reduce the exhaust emission ofdiesel engine effectively, especially for soot reduction, and the amount of soot emission decreases whenthe amount of ethanol additive increases. Adding ethanol additive into diesel oil can improve the enginefuel efficiency, while the engine power is hardly influencedKey words: diesel engine; exhaust emission; oxygenated fuel; ethanol-diesel fuel mixture0引言能、降低對石油資源的依賴性和保證能源安全具有重大意義含氧燃料的特性與柴油十分相似,只是分柴油機(jī)作為熱效率最高的發(fā)動機(jī)一直受到高度子結(jié)構(gòu)中存在氧,因此很多含氧燃料被用于減少柴重視近幾年來,柴油機(jī)廢氣排放要求的日益嚴(yán)格對油機(jī)的廢氣排放柴油機(jī)的代用燃料和低排放燃燒研究提出新的挑以乙醇為代表的醇類燃料,具有辛烷值高、汽化戰(zhàn)發(fā)展新型清潔含氧代用燃料對改善柴油機(jī)的性潛熱中國煤化自身含氧,在發(fā)收稿日期:200-1011修回日期:2010-08-27CNMHG基金項(xiàng)目:上海市教育委員會科技基金(06Fm39)作者簡介:朱建元(1946),男,江蘇無錫人,教授,碩士,主要研究方向?yàn)檩啓C(jī)工程、柴油機(jī)抓動噪聲和排放控制,(Emai)hugy86@ hotmail上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)第31卷動機(jī)中燃燒可提高氧燃比,使發(fā)動機(jī)的CO排放比低非常明顯,故圖中未標(biāo)出),見圖1.汽油和柴油少,并減少碳煙排放;另外,因其汽化潛熱高,可降低發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度,提高充氣效率,純柴油降低最高燃燒溫度,減少發(fā)動機(jī)的NO,排放(4).乙E15-D醇一柴油混合燃料能有效減少柴油機(jī)的碳煙和微粒排放6。,同時(shí)可有效減少對柴油的需求量,因此有望成為一種新的柴油機(jī)清潔代用混合燃料本文主要以含氧燃料乙醇作為柴油的添加劑,通過對乙醇添加量不同的乙醇一柴油混合燃料的柴油機(jī)排放情況和經(jīng)濟(jì)性的對比試驗(yàn)及分析,對乙醇乘油機(jī)負(fù)荷/在柴油機(jī)上應(yīng)用的可行性作出評價(jià)圖1不同負(fù)荷時(shí)乙醇添加量對柴油機(jī)煙度排放的影響1試驗(yàn)裝置及設(shè)備由圖1可知,在中高負(fù)荷(>85%額定功率)下,柴油中添加乙醇能明顯降低煙度,并且隨著乙醇試驗(yàn)在D6114柴油機(jī)上進(jìn)行該機(jī)為6缸直列添加量的增加,煙度進(jìn)一步減小.這是由于醇類燃料式廢氣渦輪增壓中冷四沖程柴油機(jī),缸徑114mm,自身含氧,在柴油機(jī)中燃燒可提高氧燃比,加快燃燒活塞行程135mm,額定轉(zhuǎn)速2200r/min,額定功率速度并使燃燒更完全,從而使煙度降低184kW,壓縮比16.8.該機(jī)采用縮口型直噴式燃燒在低負(fù)荷(≤50%額定功率)下出現(xiàn)多種情況:室,供油提前角4° CA BIDC,噴油器噴孔直徑0.27m,當(dāng)乙醇添加量為5%時(shí),隨著負(fù)荷的增加,柴油機(jī)的5孔,啟噴壓力290MPa試驗(yàn)中未對柴油機(jī)燃油供煙度升高(約0.5Rb);當(dāng)乙醇添加量為10%時(shí),隨給和噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)作任何改造著負(fù)荷的增加,柴油機(jī)的煙度先增加后減少;當(dāng)乙醇當(dāng)D6114柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200r/min時(shí),對乙醇添加量為15%時(shí),柴油機(jī)的煙度隨負(fù)荷的增加而下體積占燃料總體積分別為5%,10%,15%和20%的降在各負(fù)荷下,煙度平均降低50%乙醇一柴油混合燃料發(fā)動機(jī)與純柴油燃料發(fā)動機(jī)的低乙醇添加量的混合燃料在低負(fù)荷時(shí)煙度上升負(fù)荷特性進(jìn)行對比試驗(yàn),研究各種比例的乙醇一柴的原因可能是:混合燃料的汽化潛熱較大,低負(fù)荷時(shí)油混合燃料對柴油機(jī)排放性能和經(jīng)濟(jì)性的影響.為燃燒溫度降低導(dǎo)致部分燃料未充分燃燒便于表述,以下分別將乙醇體積占燃料總體積5%,2.2乙醇添加量對CO排放的影響10%,15%和20%的混合燃料簡記為F5-D,E10-D,當(dāng)D6114柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200r/min而負(fù)荷不El5-D和E20-D.同時(shí),乙醇添加量對柴油機(jī)CO排放的影響見圖2.排氣采集分析裝置主要包括煙度計(jì)和有害氣體排放分析儀有害氣體排放分析儀器的主要作用是純柴油測量分析發(fā)動機(jī)排氣中HC,CO和NO,的含量.煙度測量采用FQD-102排氣煙度計(jì),最小刻度為0.1Rb氣體排放測量采用 AVL LIST公司的氣體排放儀 AVLCEBIL和顆粒分析儀AV472,其具體參數(shù)及指標(biāo)見 AVL LIST公司的《AVL氣體分析儀簡易使用手冊》和《AVL472顆粒分析儀簡易使用手目h冊》柴油機(jī)負(fù)荷/%2乙醇添加量對氣體排放的影響圖2不同負(fù)荷時(shí)乙醇添加量對柴油機(jī)Co排放的影響從圖2可知,在將乙醇作為燃料添加劑時(shí),柴油2.1乙醇添加量對煙度的影響機(jī)CO排放在中低負(fù)荷時(shí)增加,而當(dāng)負(fù)荷達(dá)到額定當(dāng)D6114柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200v/min時(shí)比較功率中國煤化-)排放顯著降低E5-D,E10-D,E5-D,E20-D以及純柴油燃料柴油機(jī)尤其0%額定功率時(shí)的排氣煙度當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200r/min而負(fù)荷不COCNMHG在負(fù)荷為100%同時(shí)(試驗(yàn)中最大功率保持不變)乙醇添加量對柴額定功率時(shí)降低30%左右油機(jī)煙度的影響(使用E0D時(shí),柴油機(jī)的煙度降乙醇一柴油混合燃料發(fā)動機(jī)在中高負(fù)荷下CO第4期朱建元,等:乙醇一柴油混合燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用排放減少的主要原因有:(1)含氧量的增加,使燃料少.其原因在于:乙醇汽化潛熱高,且容易揮發(fā),引起的燃燒反應(yīng)更充分,該因素的影響程度超過汽化潛柴油機(jī)缸內(nèi)溫度降低;同時(shí)高速工況下可燃混合物熱引起的溫度降低程度.(2)低碳鏈的乙醇燃料更的燃燒絕對時(shí)間短,部分可燃混合氣不能完全氧化容易氧化燃燒.在中低負(fù)荷下,由于汽化潛熱增大導(dǎo)因而HC排放增加致缸內(nèi)溫度降低,引起不完全燃燒產(chǎn)物增多,乙醇作純柴油為低碳燃料的影響超過含氧量增大的影響E15·D2.3乙醇含量對NO2排放的影當(dāng)D6114柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200r/min而負(fù)荷不同時(shí),乙醇添加量對柴油機(jī)NO,排放的影響見圖3塑純柴油圖4不同負(fù)荷時(shí)乙醇添加量對柴油機(jī)HC排放的影響3乙醇添加量對柴油機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性的影響為研究乙醇添加量對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響,須柴油機(jī)負(fù)荷/%了解乙醇一柴油混合燃料的熱效率隨乙醇添加量的圖3不同負(fù)荷時(shí)乙醇添加量對柴油機(jī)NO,排放的影響由圖3可知,在中低負(fù)荷(≤75%額定功率)變化情況.當(dāng)D6114柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200r/min而負(fù)時(shí),乙醇一柴油混合燃料使得柴油機(jī)NO,排放減荷不同時(shí),乙醇添加量不同的混合燃料的有效熱效率比較見圖5.少,但是在滿負(fù)荷時(shí)NO,排放有所增加,其中:當(dāng)負(fù)荷為額定功率的10%時(shí),NO,排放減少約50%;當(dāng)負(fù)荷為額定功率的50%時(shí),NO,排放減少約35%當(dāng)負(fù)荷為額定功率的75%時(shí),NO,排放僅減少約5%,還有一點(diǎn)值得注意:E10-D柴油機(jī)在中低負(fù)荷一鮑糶油時(shí)NO,排放低于E15D柴油機(jī),但在滿負(fù)荷的工況HESD下NO,排放高于El5D柴油機(jī)E15-DNO,排放改變的主要原因如下:柴油機(jī)排放的新一E20D氮氧化物主要是NO,而NO的生成強(qiáng)烈依賴于溫度,化學(xué)動力學(xué)研究表明,當(dāng)反應(yīng)物溫度從2500K柴油機(jī)負(fù)荷/%提高到2600K時(shí),NO的生成速率幾乎翻一番.氧圖5乙醇添加量對混合燃料有效熱效率的影響濃度提高也能使NO的生成速率加快低負(fù)荷時(shí),柴由圖5可知,以純柴油的熱效率為基準(zhǔn),在低油機(jī)燃?xì)鉁囟鹊?乙醇汽化潛熱大的原因?qū)е氯細(xì)庳?fù)荷時(shí)乙醇一柴油混合燃料的有效熱效率降低;而溫度更低,因而N,排放減少;而高負(fù)荷時(shí),乙醇自在中高負(fù)荷時(shí),乙醇一柴油混合燃料的有效熱效率帶的氧使柴油機(jī)燃?xì)庵械难鯘舛仍黾尤紵俾始由仙?平均有效熱效率提高1%~2%,特別是在高快燃燒溫度也更高,因而NO,排放增加負(fù)荷時(shí),熱效率提高效果顯著熱效率升高主要由兩24乙醇添加量對HC排放的影響個方面的原因引起:(1)乙醇是含氧燃料,燃燒時(shí)可當(dāng)D614柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200r/min而負(fù)荷不以自供氧特別是中高負(fù)荷時(shí)燃料富集區(qū)乙醇體積同時(shí),乙醇添加量對柴油機(jī)HC排放的影響見圖4.分?jǐn)?shù)越高則氧含量相對越高,燃料燃燒更完全;(2)由圖4可知,在各種負(fù)荷下乙醇一柴油混合燃料柴由于4中國煤化工射到氣缸后容易油機(jī)HC排放量都比純柴油燃料柴油機(jī)高,尤其是汽化黏度和表面張力當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷為額定功率的10%時(shí)HC排放增加較小,人己,使油氣混合更均100%;乙醇一柴油混合燃料柴油機(jī)相對于純柴油燃勻料柴油機(jī)HC排放的增加量隨負(fù)荷的增加而逐漸減圖5還可以看到,熱效率最高的F20-D在低上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)第31卷負(fù)荷段(≤25%額定功率區(qū))熱效率降幅較大(約降(1)適當(dāng)配比的乙醇一柴油混合燃料能有效改低3%),其原因在于:乙醇的汽化潛熱較高,低負(fù)荷善柴油發(fā)動機(jī)的熱效率以燃用柴油的熱效率為基工況使發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度進(jìn)一步降低,低負(fù)荷時(shí)過量準(zhǔn),在低負(fù)荷時(shí),乙醇一柴油混合燃料的有效熱效率空氣系數(shù)大柴油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可燃混合氣的絕對有所降低;而在中高負(fù)荷時(shí),乙醇一柴油混合燃料的燃燒時(shí)間縮短,導(dǎo)致乙醇添加量多的混合燃料燃燒有效熱效率上升,有效熱效率平均提髙1%~2%,反而不如純柴油燃料燃燒完全,燃燒速度減慢,有效特別是在高負(fù)荷時(shí),熱效率改變效果顯著.燃燒期難以集中在燃燒上止點(diǎn)附近,可燃混合氣的(2)適當(dāng)配比的乙醇一柴油混合燃料能有效改做功能力降低,混合燃料發(fā)動機(jī)的熱效率從而也降善柴油發(fā)動機(jī)的有害氣體排放性能,降低碳煙排放低效果尤其明顯柴油機(jī)的碳煙排放隨乙醇添加量的4結(jié)論增加呈單調(diào)下降的趨勢.(3)乙醇等醇類燃料作為可再生的內(nèi)燃機(jī)代用通過對乙醇添加量不同的乙醇一柴油混合燃料燃料對降低內(nèi)燃機(jī)對石油的依賴以及改善大氣環(huán)境以及純柴油燃料在D614柴油機(jī)上的對比試驗(yàn),得具有重要意義到如下結(jié)論:參考文獻(xiàn)[1]郭瑞篷,紀(jì)威.乙醇一柴油泥合燃料的應(yīng)用研究進(jìn)展[].內(nèi)燃機(jī)與動力裳置,2006(1):3943.[2]陳虎,陳文轟,王建昕,等,柴油機(jī)燃用乙醇一柴油含氧燃料時(shí)微粒特性的分析[,內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2005(4):2227[3]何邦全,王建盺,乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃燒與排放特性[冂內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2005(4):5862[4]方顯忠,劉異使,李國良,等。壓燃式發(fā)動機(jī)燃用柴油一乙醇的研究[].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005(3):36-38[5]事冠峰,胡知,陳亮,等.柴油一乙醇混合燃料直捶在柴油機(jī)上使用的試驗(yàn)研究[刀].內(nèi)燃機(jī),2004(3):1013.[6] 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