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自然吸气直喷压燃式发动机燃用柴油醇的性能和排放

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自然吸气直喷压燃式发动机燃用柴油醇的性能和排放 第23卷(2005)第1期 内 燃 机 学 报Transactions of CSICE Vol. 23(2005)No. 1 文章编号:1000-0909(2005)01-0052-06 23-008 自然吸气直喷压燃式发动机燃用柴油醇的性能和排放‘ 郭英男‘,谭满志‘,刘金山’,黄为钧‘,于世涛2 (1.吉林大学 内燃机系,吉林 长春 130022;2.上海交通大学 汽车电子技术研究所,上海200030) 摘要:应用助溶剂解决了乙醇和柴油相溶性较差的问题并配制柴油醇燃料,分析了柴油醇的主要理化特 性,结果表明,柴...
自然吸气直喷压燃式发动机燃用柴油醇的性能和排放
第23卷(2005)第1期 内 燃 机 学 报Transactions of CSICE Vol. 23(2005)No. 1 文章编号:1000-0909(2005)01-0052-06 23-008 自然吸气直喷压燃式发动机燃用柴油醇的性能和排放‘ 郭英男‘,谭满志‘,刘金山’,黄为钧‘,于世涛2 (1.吉林大学 内燃机系,吉林 长春 130022;2.上海交通大学 汽车电子技术研究所,上海200030) 摘要:应用助溶剂解决了乙醇和柴油相溶性较差的问并配制柴油醇燃料,了柴油醇的主要理化特 性,结果明,柴油醇的翻度、热值和十六烷值有所下降,但汽化潜热却明显增加。自然吸气直喷压燃式发 动机不作任何调整,燃用E10柴油醇,动力性和经济性基本不变,燃用E20柴油醇,动力性下降,小负荷经 济性恶化。燃用柴油醇,在中小负荷工况,CO和HC浓度排放增加,N仪 浓度排放减少;在大负荷工况, CO浓度排放减少,HC浓度排放变化较小,NO二浓度排放增加,排气烟度降低明显。柴油醇中乙醇含量越 多,排放性能变化越大。适当推迟供油提前角对压燃式发动机燃用柴油醇的性能有利。 关键词:柴油醇;自然吸气柴油机;性能;排放 中图分类号:TK411. 71 文献标识码;A Performance and Emissions of a Naturally Aspirated DI CI Engine Fueled with Diesohol GUO Ying-nan' , TAN Man-zhi' , LIU Jin-shan', HUANG Wei一un' , YU Shi-tao2 (1. Department of Internal Combustion Engine, Jilin University, Changchun 130022,China; 2. Institute of Automotive Electronic Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030,China) Abstract: A solublizerw as added to the blend of diesel and ethanol to help to form a stabilized diesohol fuel. The main physical and chemical properties of diesoholw ere analyzed. The results show that the viscosity, the anol fraction lower heating value and the cetane number of the diesohols decrease with increase of eth- in fuel blend, while the vaporization latent heat increases with increase of ethanol fraction in fuel blend. For a no modified naturally aspirated DI CI engine,engine power output and fuel econo- my fueled with E10 could keep the same level to those of diesel fuel operation while the engine power output fueled with E20 would decrease and fuel economy at low load would deteriorate. Meanwhile, NO= emission decrease while CO and HC emission increase at the low and moderate load conditions. At the high load conditions, great reduction in smoke,a decrease in CO emission,an increase in NO= emis- sion and little variation in HC emission were observed for diesohol, and the behavior tended to be more obvious at high ethanol fraction. The study suggests that appropriate postponing of fuel delivery angle will beneficial to the engine performance fueled with the diesohol. Keywords; Diesohol; Naturally aspirated diesel engine; Performance; Emission 引言 乙醇可以从植物及粮食中提取,是一种可再 生的生物质能源,随着石油资源的短缺及农产品 产量的增加,世界各国都在开展乙醇燃料在内燃 机上的应用研究C1-41。表1列出了乙醇燃料、汽 收稿日期:2004-06-04;修灯日期:2004-07-16. 基金项目:国家科技攻关计划资助项目(2003BA408B11), 作者简介:郭英男(1946- ),男,教授,主要研究方向为新能源与节能技术 2005年1月 郭英男等:自然吸气直喷压燃式发动机燃用柴油醇的性能和排放 53 油和柴油的主要理化特性,乙醇与汽油的性质较 接近,两者相溶性较好,汽油机上应用汽油一乙醇 混合燃料在许多国家得到推广应用;而由于乙醇 燃料的低十六烷值、高汽化潜热及与柴油的相溶 性差,柴油一乙醇混合燃料在柴油机上的应用尚 处在研究阶段C-61。本文采用助溶剂解决乙醇和 柴油相溶性差的问题并配制出柴油醇燃料,在一 台自然吸气直喷压燃式发动机,循环供油量未作 调整情况下,进行了燃用柴油醇的试验研究,探讨 了柴油醇中乙醇含量、供油提前角等因素对发动 机动力性、经济性和排放性能的影响。 表1 燃料的主要理化特性 Tab. 1 Physical and chemical properties of fuels 燃料 密度 10' kg/ms 氧含量 % 运动勃度 10-s m3 / s 沸点 (二 低热值 k!/kg 汽化潜热 k) / kg 辛烷值 十六 烷值 自燃温度 亡 与乙醇 相溶性 乙醇 汽油 柴油 0.79 34. 8 111 8 420 0. 70^ 0. 78 0 0.65-0.85 90 95 0^ -10 220^ -260 0.82-0.88 0.4 2. 5-8. 5 78.5 26 770 30^ -200 43 500 175^ -360 42 500 20^ -30 40^ 55 200^ 220 较好 较差 ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? , ? 1 试验用设备及发动机 动力测试采用洛阳南峰机械厂产CW26。电 涡流测功机,燃油消耗测量用日本小野测器产 DF313燃油流量计,气态排气污染物和排气烟度 测量分别用佛山分析仪器厂产FGA405五组分排 放分析仪和FTY101波许烟度计,排气取样管路 中安装一抽气泵,非测量状态工作,防止水蒸气在 管路中凝结。 试验用发动机为直列 6缸、水冷、4冲程、自 然吸气柴油机;燃烧室形式为直接喷射。型;缸径x 行程为110 mm X 120 mm;压缩比为17 0 1;标定 功率为 103 kW/(2 900 r/min);最大转矩为329 N·m儿0 800^-2 000) r/min],最低燃油消耗率 为231 g/(kW " h);发动机排量为6. 842 L;供油 提前角为150 CA. 2 柴油醇的配制及其理化特性 2.1 乙醇燃料的相溶性及柴油醇的配制 由于乙醇分子中含有轻基(OH),具有较强的 亲水性,能无限溶于水,而柴油属石油系燃料,具 有较强的憎水性。石油系燃料憎水性的顺序:脂 肪组烃>烯烃>芳香烃,汽油中含有较多芳香烃, 与乙醇的相溶性较好;而柴油含有少量的芳香烃, 与乙醇的相溶性较差,需要应用助溶剂解决其相 溶性。本文使用10”柴油和99. 8%的无水乙醇, 加人 1%的助溶剂,通过机械搅拌配制柴油醇燃 料(diesohol) 0 10“柴油与乙醇的相溶特性如图1 所示,从图中可看出添加小比例乙醇的相溶性较 好,助溶剂的加人使分层温度降低,因此本文对乙 醇体积含量为10%和20%的柴油醇(称为E10和 E20)进行试验研究,EO代表纯柴油。 30 20 ? ?? ? ? ? 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 燃料中乙醇体积分数/% 图1 柴油乙醇相溶特性曲线 Fig. 1 Curve of the mutual dissolubility characteristic of diesel and ethanol 2.2 柴油醇的私度 燃料的赫度影响燃料的雾化和供油系统三对 偶件的润滑性。私度大,雾化性差,润滑性好;赫 度小,雾化性好,但润滑性差,会引起偶件的磨损 和泄漏。 图2为104柴油添加不同比例乙醇后的豁度u 变化曲线。可看出,10#柴油添加30%乙醇后赫 54 内 燃 机 学 报 第 23卷第 1期 度有所下降,但20℃时仍在允许范围内[(2. 5- 8. 5)X10-6 m3/s],不会影响三对偶件的润滑性和 密封性。 油醇的低热值将随燃料中乙醇含量的增加而下降。 忽略助溶剂的影响和混合燃料总体积的变化,柴油 醇的低热值可由经验Hvm = Hv,·X, + H,2· XZ估算。其中,H,,m " H-,, " Hv2分别为柴油醇、柴 油、乙醇的低热值,U/kg; X, ,X:分别为柴油、乙醇 的质量分数。计算结果如表2所示。 ? ? ?? ????? ? ? 表2 燃料的理化性质计算值 ?、 ? ?? ????? ?? ? ?﹂ Tab. 2 Calculated value of physical and chemical properties of fuels ? ? ?? ? ????? , ? ? .5 .0 燃料 柴油 F10 E20 ?? ? ,。?? 、? 825 821.5 818 0.5L- 10 42 500 40 989 39 463 50 70 温度/℃ 图2 Fig. 2 不同乙醇含t的嫩料毅温特性曲线 Curve of the viscosity vs temperature 质量密度// (kg/m3 ) 热值//(kJ/kg) 十六烷值 汽化潜热/(kJ/kg) 42. 5 41.0 39. 5 270 330 392 characteristic of different fuels 2.3 柴油醇的馏程 柴油是多沸点的混合物,乙醇是单一沸点的化 合物。两者混合后的蒸馏特性如图3所示。可看 出,混合燃料的沸点和蒸馏曲线与混合前各自的沸 点和蒸馏曲线均有区别,在乙醇沸点78.4℃附近, 混合燃料明显偏离柴油的蒸馏曲线,表明混合燃料 在低温时有较大的蒸发性,在柴油醇的储运过程应 加以注意。 声- . 2.5 柴油醇的十六烷值 十六烷值是用以表征燃料着火性能好坏的指 标。乙醇的十六烷值为8,远远小于柴油。因而 柴油醇的十六烷值将随燃料中乙醇含量的增加而 下降。柴油醇的十六烷值可由经验公式C N一 CN, " a+CN2 " b估算。其中,CNm , C', , CN2 分别为柴油醇、柴油、乙醇的十六烷值;a,b分别 为柴油、乙醇的体积分数;计算结果如表2所示。 2.6 柴油醇的汽化潜热 由于乙醇的汽化潜热约为柴油的3倍,因而 柴油醇的汽化潜热将随燃料中乙醇含量的增加而 增加。柴油醇的汽化潜热可由经验公式Hv. = H v,·X;十H v,·X2估算。其中,Him, Hv,、 H v,分别为柴油醇、柴油、乙醇的汽化潜热,kJ/ kg; X1, Xz分别为柴油、乙醇的质量分数。计算 结果如表2所示。 ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? , ? ??????? 、? ? 0 20 40 60 80 100 馏出百分数/% 图 3 Fig. 3 不同乙醇含f的燃料蒸馏特性曲线 Curve of the distillation characteristic of different fuels 2.4 柴油醇的热值 由于乙醇的低热值约为柴油的63%,因而柴 3 试验结果及分析 3.1 燃用柴油醇对柴油机动力性的影响 图4为柴油机燃用不同燃料的外特性功率和 转矩比较。柴油机燃用E10柴油醇与燃用柴油的 转矩和功率基本相当;而燃用E20柴油醇,柴油机 的转矩和功率有所降低,最大转矩降低了2%,标 定功率降低了5%。由于柴油醇的热值低于柴 油,E10和E20柴油醇的热值分别为柴油的96. 4% 2005年 1月 郭英男等:自然吸气直喷压燃式发动机燃用柴油醇的性能和排放 55 30 只 25 月 十柴油 f Elo -*- E20 ?? ?? ?、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????????? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ,? ??? 。? ????? ?、 ? 和92.8%,在没有提高柴油机循环供油量情况 下,动力性必然有所降低。在大负荷工况,由于乙 醇燃料含氧,改善了混合气形成和燃烧过程,从而 部分补偿了热值低的影响,使柴油机转矩降低值 小于柴油醇的热值降低值,燃料中乙醇含量增加, 补偿作用有所减弱。 0 100 200 300 400 T,,/(N ·m) b)能量消耗 ? ? 。? 200 180 160 140 120 100 80 60 图5 燃用不同燃料1 700 r/min负荷特性 燃油消耗和能t消耗的比较 ?? 。??? Fig,s of the fuel consumption ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 000 1 500 2000 2 500 --J 40 3 000 and 700 n/(r/min) consumption of different fuels at 1 constant speed characteristics energy r/min 图4 燃用不同燃料外特性功率和转矩的比较 Fig.4 Comparison of the power and torque of different fuels at full-load performance 汽化潜热的影响,缸内温度降低,产生不完全燃 烧,导致燃用E20的小负荷b,高于柴油。 3.3 燃用柴油醇对柴油机排放性能的影响 图6为发动机外特性燃用不同燃料的排气烟 度比较。可看出随着燃料中乙醇含量的增加,排 气烟度明显下降,E10和E20柴油醇的烟度分别 比柴油降低了20%和40%左右。这是由于燃料 中乙醇含氧,具有供氧功能,改善了浓混合气区的 缺氧程度,从而抑制了碳烟的生成。 3.5 3.0 2.0 1.5 ? ??、? 3.2 燃用柴油醇对柴油机经济性的影响 图5a给出了燃用不同燃料(柴油、E10和 E20)1 700 r/min负荷特性燃油消耗率(be)的比 较。与柴油相比,燃用E10柴油醇在部分负荷时 b。稍有增加,在全负荷时相当;燃用E20柴油醇 在所有负荷b。都增加,小负荷增加较多。b。的增 加是由于柴油醇的热值低,发动机输出相同的功 率,需要的燃料量增加。为排除热值的影响,引入 能量消耗率(b sec)评价其经济性。图5b给出了燃 用不同燃料1 700 r/min负荷特性能量消耗率的 比较。燃用E10的b 与柴油相当。受乙醇高 1.0 0.5 20 15 1 000 -A- E20 一- ,Jeseses 1 500 2000 n/(r/min) 2 500 3 000 图6 燃用不同燃料外特性烟度比较 Fig. 6 Comparison of the smokeemissions of different fuels at full-load performance 100 200 300 400 叼(N’m) a)燃油消耗 -0500 图7为发动机 1 700 r/min负荷特性,不同 燃料CO浓度排放的比较。随着燃料中乙醇含量 的增加,在中小负荷工况,CO浓度排放增加;在大 ? ??? ?? ?????? ?? ?? ?,???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?、 ? ? ?? ? ,? ??????? 。? ? 、? 、? 56 内 燃 机 学 报 第23卷第1期 负荷工况,CO减少。在部分负荷,影响CO排放 的主要因素为温度,乙醇的高汽化潜热降低了缸 内温度,由于激冷作用使CO增加,同时由于温度 降低的影响,产生不完全燃烧,燃料消耗增加,使 过量空气系数降低,也使 CO增加。在大负荷工 况,缸内温度足够高,影响CO排放的主要因素为 过量空气系数,燃料中乙醇含量增加,过量空气系 数增加,CO排放减少。 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 +柴油 t E10 -t E20? ? ?? ? ?? 0 100 200 300 T,,/(N ·m) 全负荷工况,E10柴油醇的HC排放与柴油相当, E20柴油醇的HC排放高于柴油。造成部分负荷 HC排放增加的原因有三个方面:乙醇的低十六 烷值导致柴油醇的着火性变差;乙醇蒸发性好,使 喷注外缘混合气变稀,火焰不能传播;乙醇的高汽 化潜热使混合气温度降低,产生激冷效应。在全 负荷工况,E10柴油醇的乙醇含量较少,乙醇含氧 增加了过量空气系数,补偿了低十六烷值和高汽 化潜热的影响,使HC排放变化不大;E20柴油醇 的乙醇含量较多,低十六烷值和高汽化潜热的影 响也加大,使HC排放增加。 图9为发动机 1 700 r/min负荷特性,不同 燃料NO,浓度排放的比较。随着燃料中乙醇含 量的增加,在中小负荷,NO二浓度排放减少,在大 负荷,NO二浓度排放增加。这是由于在中小负 荷,乙醇的高汽化潜热造成缸内温度降低,使 NO二排放减少;在大负荷,缸内温度足够高,乙醇 含氧使NO二排放增加。 2 500 图7 燃用不同燃料1 700 r/min负荷特性 CO浓度排放比较 Fig. 7 Comparison of the CO emissions of different fuels at 1 700 r/min constant speed characteristics + 柴油 2000 图8为发动机 1 700 r/min负荷特性,不同 燃料HC浓度排放的比较。随着燃料中乙醇含量 的增加,在部分负荷工况,HC浓度排放增加;在 0 100 +柴油 300 400 .m) f E10 图 9 Fig. 9 fuels 燃用不同燃料1 700 r/min负荷特性NOx 浓度排放比较 Comparison of the NO, emissions of different at 1 700 r/min constant speed characteristics ? ?????? 200 T,al(N ·m) 燃用不同嫩料1 700 r/min负荷特性 HC浓度排放比较 ???? ? ??? ? ?? ? ??????????????????????????????????????????????????????? ????????????????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ?? ? ? ? ?? , ? ? Fig.8 Comparison of the HC emissions of different fuels at 1 700 r/min constant speed characteristics 3.4 供油提前角的影响 鉴于柴油醇的主要理化特性与柴油有所区 别,原柴油机的最佳供油提前角(150 CA)对于柴 油醇未必是最佳,因此分别对E10和E20柴油醇 在最大转矩工况(0 700 r/min,100%负荷),进行 了供油提前角调整试验,在原 150 CA基础上分 别推迟到120 CA和提前到180 CA。图10、图11 2005年1月 郭英男等:自然吸气直喷压燃式发动机燃用柴油醇的性能和排放 57 分别给出了燃用柴油醇,供油提前角对柴油机性 能和排放的影响。从图中可看出,燃用柴油醇,适 当推迟供油提前角对发动机动力性、经济性和排 放性能都有利。 450 30 ? ?? 。 ? ? ?言400 邑 350 含 300 + E10 t E20 T? ??? ?、 ? 200 b- 15 ? ??、??、? 12 15 0/0 CA 18 」10 21 4 结 论 (1) 自然吸气直喷压燃发动机不作任何调 整燃用E10柴油醇,动力性和经济性基本不变,燃 用E20柴油醇,动力性下降,小负荷经济性恶化。 燃用柴油醇,在中小负荷工况,CO和HC浓度排 放增加,NO二浓度排放减少;在大负荷工况,CO 浓度排放减少,HC浓度排放变化较小,NO,浓度 排放增加,排气烟度降低明显。 (2) 自然吸气直喷压燃发动机不作任何调 整燃用柴油醇燃料,燃料中乙醇含量不宜超过 10%,乙醇含量增加,对发动机性能影响较大。 (3) 自然吸气直喷压燃发动机燃用柴油醇, 适当推迟供油提前角对发动机性能有利。 n =1 700 r/min,100%负荷 参考文献: 供油提前角对柴油醇性能的影响 Effect of the fuel supply advance angle on diesohol performances [1] [2] [3] ? ??、? ? 、?? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ?? ? … … ? ? ? ? ,? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?????,?? ???????????????????????????????????????????????????? 1 400 翻 E10 令 E20 1200 NO, 1 000 ?????? ? ?? 800 R, 600 ? ? 400 ? ?????? 200 0 HC 0.5 0.0 [4] 12 15 9/0 CA 18 21 1 700 r/min,100%负荷 图11 供油提前角对柴油醇排放的影响 Fig. 11 Effect of the fuel supply advance angle on dies曲of emissions Kurt Weldmann, Holger Menrad. Fleet Test, Per- formance and Emissions of Diesel Engines Using Different Alcohol-Diesel Fuel Blends[C]. SAE Pa- per 841331,1984. Schuetzle D, Han W. The Evaluation of Diesel/ Ethanol Fuel Blends for Diesel Vehicles in Thai- land: Performance and Emissions Studies[C]. In; The 14th International Symposium on Alcohol Fuels (ISAFXIV)Phuket,2002-VT-19,2002. Zhang Wugao, Huang Zhen. Study of Performance and Exhaust Emission of a Compression Ignition Diesel Engine Fueled with Bio-diesohol[C]. In: The 14th International Symposium on Alcohol Fuels (ISAFXIV) Phuket, 2002-VT-01, 2002. 谭满志,郭英男,刘金山,等.使用柴油醇对增压中冷 柴油机性能和排放的影响[J].吉林大学学报(工学 版),2004,34(1):112一117. 崔心存.内燃机的代用燃料〔M].北京:机械工业出 版社,1990,131一146. 何学良,詹永厚,李疏松.内燃机燃料〔M].北京:中 国石化出版社,1999,323一394. ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ?
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