柴油機論文關(guān)于柴油機論文乙醇柴油混合燃料在柴油機上的應(yīng)用摘 要：為降低柴油機的廢氣排放，研究含氧代用燃料乙醇對柴油機廢氣排放以及經(jīng)濟(jì)性的影響.通過對燃用乙醇含量不同的乙醇柴油混合燃料的柴油機排放情況和經(jīng)濟(jì)性的對比試驗得出：適當(dāng)配比的乙醇柴油混合燃料能有效改善柴油機的有害氣體排放性能,特別是能明顯降低柴油機的碳煙排放,且柴油機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)動機燃料的經(jīng)濟(jì)性，而對發(fā)動機的動力性沒有明顯影響. 關(guān)鍵詞：柴油機； 廢氣排放； 含氧燃料； 乙醇柴油混合燃料 Application of ethanol-diesel fuel mixture to diesel engine ZHU Jianyuan1, HONG Liang2 (1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China; 2. Shanghai Branch, China Classification Society, Shanghai 200135, China) Abstract：In order to reduce the diesel engine exhaust emission, the effects of oxygenated fuel ethanol on exhaust emission and fuel efficiency of diesel engine is researched. Contrast experiments are conducted on exhaust emission and fuel efficiency of diesel engine which burns ethanol-diesel fuel mixture with different ethanol additive. Results show that suitable additive amount of ethanol can reduce the exhaust emission of diesel engine effectively, especially for soot reduction, and the amount of soot emission decreases when the amount of ethanol additive increases. Adding ethanol additive into diesel oil can improve the engine fuel efficiency, while the engine power is hardly influenced. Key words：diesel engine; exhaust emission; oxygenated fuel; ethanol-diesel fuel mixture 收稿日期：2009-10-11 修回日期：2010-08-27 基金項目：上海市教育委員會科技基金（06FZ039） 作者簡介：朱建元(1946），男，江蘇無錫人，教授，碩士，主要研究方向為輪機工程、柴油機振動噪聲和排放控制，（E-mail）zhujy86 0 引 言 柴油機作為熱效率最高的發(fā)動機一直受到高度重視.近幾年來，柴油機廢氣排放要求的日益嚴(yán)格對柴油機的代用燃料和低排放燃燒研究提出新的挑戰(zhàn).發(fā)展新型清潔含氧代用燃料，對改善柴油機的性能、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，只是分子結(jié)構(gòu)中存在氧，因此很多含氧燃料被用于減少柴油機的廢氣排放. 以乙醇為代表的醇類燃料，具有辛烷值高、汽化潛熱大、熱值較低等特點.醇類燃料自身含氧，在發(fā)動機中燃燒可提高氧燃比，使發(fā)動機的CO排放比汽油和柴油少，并減少碳煙排放1-3；另外，因其汽化潛熱高，可降低發(fā)動機的進(jìn)氣溫度，提高充氣效率，降低最高燃燒溫度，減少發(fā)動機的NOx排放4-5.乙醇柴油混合燃料能有效減少柴油機的碳煙和微粒排放6-8，同時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柴油混合燃料的柴油機排放情況和經(jīng)濟(jì)性的對比試驗及分析，對乙醇在柴油機上應(yīng)用的可行性作出評價. 1 試驗裝置及設(shè)備 試驗在D6114柴油機上進(jìn)行.該機為6缸直列式廢氣渦輪增壓中冷四沖程柴油機，缸徑 114 mm，活塞行程 135 mm，額定轉(zhuǎn)速 2 200 r/min，額定功率 184 kW,壓縮比16.8.該機采用縮口型直噴式燃燒室，供油提前角 14 CA BTDC，噴油器噴孔直徑0.27 mm， 5孔，啟噴壓力29.0 MPa.試驗中未對柴油機燃油供給和噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)作任何改造. 當(dāng)D6114柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時，對乙醇體積占燃料總體積分別為5%，10%，15%和20%的乙醇柴油混合燃料發(fā)動機與純柴油燃料發(fā)動機的負(fù)荷特性進(jìn)行對比試驗, 研究各種比例的乙醇柴油混合燃料對柴油機排放性能和經(jīng)濟(jì)性的影響.為便于表述,以下分別將乙醇體積占燃料總體積5，10，15和20的混合燃料簡記為E5-D，E10-D，E15-D和E20-D. 排氣采集分析裝置主要包括煙度計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測量分析發(fā)動機排氣中HC，CO和NOx的含量.煙度測量采用FQD-102排氣煙度計，最小刻度為 0.1 Rb.氣體排放測量采用AVL LIST公司的氣體排放儀AVLCEBII和顆粒分析儀AVL472, 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AVL 472顆粒分析儀簡易使用手冊. 2 乙醇添加量對氣體排放的影響 2.1 乙醇添加量對煙度的影響 當(dāng)D6114柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時比較E5-D，E10-D，E15-D，E20-D以及純柴油燃料柴油機的排氣煙度.當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min而負(fù)荷不同時(試驗中最大功率保持不變)乙醇添加量對柴油機煙度的影響(使用E20-D時，柴油機的煙度降低非常明顯，故圖中未標(biāo)出)，見圖1. 圖1 不同負(fù)荷時乙醇添加量對柴油機煙度排放的影響 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，并且隨著乙醇添加量的增加，煙度進(jìn)一步減小.這是由于醇類燃料自身含氧，在柴油機中燃燒可提高氧燃比，加快燃燒速度并使燃燒更完全, 從而使煙度降低. 在低負(fù)荷(50%額定功率)下出現(xiàn)多種情況：當(dāng)乙醇添加量為5時，隨著負(fù)荷的增加，柴油機的煙度升高（約0.5 Rb）；當(dāng)乙醇添加量為10時，隨著負(fù)荷的增加，柴油機的煙度先增加后減少；當(dāng)乙醇添加量為15時，柴油機的煙度隨負(fù)荷的增加而下降.在各負(fù)荷下，煙度平均降低50. 低乙醇添加量的混合燃料在低負(fù)荷時煙度上升的原因可能是：混合燃料的汽化潛熱較大，低負(fù)荷時燃燒溫度降低導(dǎo)致部分燃料未充分燃燒. 2.2 乙醇添加量對CO排放的影響 當(dāng)D6114柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min而負(fù)荷不同時，乙醇添加量對柴油機CO排放的影響見圖2. 圖2 不同負(fù)荷時乙醇添加量對柴油機CO排放的影響 從圖2可知,在將乙醇作為燃料添加劑時，柴油機CO排放在中低負(fù)荷時增加，而當(dāng)負(fù)荷達(dá)到額定功率的75%和100%時，柴油機CO排放顯著降低，尤其是E10-D柴油機在負(fù)荷為100額定功率時CO排放降低 48.9%, E15-D柴油機在負(fù)荷為100%額定功率時降低30左右. 乙醇柴油混合燃料發(fā)動機在中高負(fù)荷下CO排放減少的主要原因有：（1）含氧量的增加，使燃料的燃燒反應(yīng)更充分，該因素的影響程度超過汽化潛熱引起的溫度降低程度.（2）低碳鏈的乙醇燃料更容易氧化燃燒.在中低負(fù)荷下，由于汽化潛熱增大導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，引起不完全燃燒產(chǎn)物增多，乙醇作為低碳燃料的影響超過含氧量增大的影響. 2.3 乙醇含量對NOx排放的影響 當(dāng)D6114柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min而負(fù)荷不同時，乙醇添加量對柴油機NOx排放的影響見圖3. 圖3 不同負(fù)荷時乙醇添加量對柴油機NOx排放的影響 由圖3可知，在中低負(fù)荷(75%額定功率）時，乙醇柴油混合燃料使得柴油機NOx排放減少，但是在滿負(fù)荷時NOx排放有所增加，其中：當(dāng)負(fù)荷為額定功率的10%時，NOx排放減少約50；當(dāng)負(fù)荷為額定功率的50%時，NOx排放減少約35；當(dāng)負(fù)荷為額定功率的75%時，NOx排放僅減少約5.還有一點值得注意：E10-D柴油機在中低負(fù)荷時NOx排放低于E15-D柴油機，但在滿負(fù)荷的工況下NOx排放高于E15-D柴油機. NOx排放改變的主要原因如下：柴油機排放的氮氧化物主要是NO，而NO的生成強烈依賴于溫度,化學(xué)動力學(xué)研究表明，當(dāng)反應(yīng)物溫度從2 500 K提高到2 600 K時，NO的生成速率幾乎翻一番.氧濃度提高也能使NO的生成速率加快.低負(fù)荷時，柴油機燃?xì)鉁囟鹊停掖计瘽摕岽蟮脑驅(qū)е氯細(xì)鉁囟雀?，因而NOx排放減少；而高負(fù)荷時，乙醇自帶的氧使柴油機燃?xì)庵械难鯘舛仍黾?、燃燒速率加快、燃燒溫度也更高，因而NOx排放增加. 2.4 乙醇添加量對HC排放的影響 當(dāng)D6114柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min而負(fù)荷不同時，乙醇添加量對柴油機HC排放的影響見圖4.由圖4可知, 在各種負(fù)荷下乙醇柴油混合燃料柴油機HC排放量都比純柴油燃料柴油機高，尤其是當(dāng)柴油機負(fù)荷為額定功率的10%時HC排放增加100；乙醇柴油混合燃料柴油機相對于純柴油燃料柴油機HC排放的增加量隨負(fù)荷的增加而逐漸減少.其原因在于：乙醇汽化潛熱高,且容易揮發(fā)，引起柴油機缸內(nèi)溫度降低；同時高速工況下可燃混合物的燃燒絕對時間短，部分可燃混合氣不能完全氧化，因而HC排放增加. 圖4 不同負(fù)荷時乙醇添加量對柴油機HC排放的影響 3 乙醇添加量對柴油機燃料經(jīng)濟(jì)性的影響為研究乙醇添加量對柴油機經(jīng)濟(jì)性的影響，須了解乙醇柴油混合燃料的熱效率隨乙醇添加量的變化情況.當(dāng)D6114柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min而負(fù)荷不同時，乙醇添加量不同的混合燃料的有效熱效率比較見圖5. 圖5 乙醇添加量對混合燃料有效熱效率的影響 由圖5可知, 以純柴油的熱效率為基準(zhǔn)，在低負(fù)荷時乙醇柴油混合燃料的有效熱效率降低；而在中高負(fù)荷時，乙醇柴油混合燃料的有效熱效率上升.平均有效熱效率提高1%2，特別是在高負(fù)荷時，熱效率提高效果顯著.熱效率升高主要由兩個方面的原因引起：(1)乙醇是含氧燃料，燃燒時可以自供氧，特別是中高負(fù)荷時，燃料富集區(qū)乙醇體積分?jǐn)?shù)越高則氧含量相對越高，燃料燃燒更完全；(2)由于乙醇的沸點很低，混合燃料噴射到氣缸后容易汽化，加之乙醇柴油混合燃料的黏度和表面張力較小，可有效改善燃料的霧化質(zhì)量，使油氣混合更均勻. 由圖5還可以看到，熱效率最高的E20-D在低負(fù)荷段（25額定功率區(qū)）熱效率降幅較大（約降低3），其原因在于：乙醇的汽化潛熱較高，低負(fù)荷工況使發(fā)動機缸內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，低負(fù)荷時過量空氣系數(shù)大，柴油機高速運轉(zhuǎn)時可燃混合氣的絕對燃燒時間縮短，導(dǎo)致乙醇添加量多的混合燃料燃燒反而不如純柴油燃料燃燒完全，燃燒速度減慢，有效燃燒期難以集中在燃燒上止點附近，可燃混合氣的做功能力降低，混合燃料發(fā)動機的熱效率從而也降低. 4 結(jié) 論 通過對乙醇添加量不同的乙醇柴油混合燃料以及純柴油燃料在D6114柴油機上的對比試驗，得到如下結(jié)論： (1)適當(dāng)配比的乙醇柴油混合燃料能有效改善柴油發(fā)動機的熱效率.以燃用柴油的熱效率為基準(zhǔn)，在低負(fù)荷時，乙醇柴油混合燃料的有效熱效率有所降低；而在中高負(fù)荷時，乙醇柴油混合燃料的有效熱效率上升，有效熱效率平均提高1%2，特別是在高負(fù)荷時，熱效率改變效果顯著. (2)適當(dāng)配比的乙醇柴油混合燃料能有效改善柴油發(fā)動機的有害氣體排放性能，降低碳煙排放效果尤其明顯.柴油機的碳煙排放隨乙醇添加量的增加呈單調(diào)下降的趨勢. (3)乙醇等醇類燃料作為可再生的內(nèi)燃機代用燃料對降低內(nèi)燃機對石油的依賴以及改善大氣環(huán)境具有重要意義. 參考文獻(xiàn)： 1郭瑞蓮, 紀(jì)威. 乙醇柴油混合燃料的應(yīng)用研究進(jìn)展J. 內(nèi)燃機與動力裝置, 2006(1): 39-43. 2陳虎, 陳文淼, 王建昕, 等. 柴油機燃用乙醇柴油含氧燃料時微粒特性的分析J. 內(nèi)燃機學(xué)報, 2005(4): 22-27. 3何邦全, 王建昕. 乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃燒與排放特性J. 內(nèi)燃機學(xué)報, 2005(4): 58-62. 4方顯忠, 劉巽俊, 李國良, 等. 壓燃式發(fā)動機燃用柴油乙醇的研究J. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2005(3): 36-38. 5李冠峰, 胡知, 陳亮, 等. 柴油乙醇混合燃料直接在柴油機上使用的試驗研究J. 內(nèi)燃機, 2004(3): 10-13. 6HE Bangquan,WANG Jianxin,YAN Xiaoguang, et al. Study on combustion and emission characteristics of diesel engines using ethanol blended diesed fuelsJ. SAE 2003 World Congress & Exhibition, 2003-01-0762. 7KREME F G, FACHETTI A. Alcohol as automotive fuel-brazilian experienceJ. CEC/SAE Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exposition, 2000:2000-01-1965. 8NURUN Md N, MINAMI M, OGAWA H, et al. 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