第38卷第6期小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)Vol 38 No 62009年12月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEoec.2009柴油機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的排放特性硏究陸克久徐寅生(解放軍汽車(chē)管理學(xué)院安徽蚌埠23011摘要:將乙醇與柴油混合配制出不同比例的混合燃料,在一臺(tái)雙缸直噴式柴油機(jī)上進(jìn)行排放對(duì)比試驗(yàn),研究了在柴油中添加乙醇及助溶劑能降低柴油杋排放廢氣中所含污染物的機(jī)理,并分析了排放污染物隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化的規(guī)律。研究結(jié)果表明,在柴油中添加體積分?jǐn)?shù)為20%的乙醇,可使柴油機(jī)碳煙和C0、HC排放大幅度降低,№O排放稍有下降。不添加助溶劑時(shí),乙醇的摻混導(dǎo)致排放尾氣中產(chǎn)生乙醇、微量乙醛等有機(jī)物,而添加助溶劑可使乙醇、乙醛排放的濃度明顯降低。關(guān)鍵詞:柴油機(jī)乙醇助溶劑混合燃料排放特性中圖分類號(hào):TK428.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-0630(2009)06-0063-04Study on Emission Characteristics of DieselEngine Fueled with Ethanol-diesel Fuel BlendsLu Kejiu, Xu YinshengAutomobile Management Institute of PLA( Bengbu, Anhui, 233011, China)Abstract: An experimental study is made on the emissions of a dual-cylinder direct injection diesel enginewith different proportions of ethanol and diesel. The study shows the mechanism when ethanol and additive isadded to diesel in order to reduce the pollutants in diesel engine emissions. And an analysis of pollutant emissions is made on the regularities ofvanation with engine load changesdiesel oil in the volume fraction of 20% of ethanol can substantially decrease carbon smoke and Co, HC emissions,and slightly lessen the NO, emissions. Without the addition of additive, the blend of ethanol producednew organic compounds such as ethanol and acetaldehyde in tail gas. However, the addition of additive obviously reduced the emission of ethanol and acetaldehydeKeywords: Diesel engine, Ethanol, Additive, Mixed fuel, Emission characteristic引言HC、CO排放的有效措施。大量研究表明,柴油機(jī)燃通常降低內(nèi)燃機(jī)的有害氣體排放可以從完善內(nèi)燃燒含氧燃料可大大改善廢氣排放特別是可大幅度減機(jī)的設(shè)計(jì)尾氣后處理以及使用清潔燃料3個(gè)方面入少碳煙排放因此對(duì)含氧燃料的研究與探討已成為世1l對(duì)于柴油機(jī)而言,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和排氣后處理方界各國(guó)研究的熱點(diǎn)之一。。乙醇作為一種含氧且具面,目前還沒(méi)有經(jīng)濟(jì)可行的簡(jiǎn)便措施可以大幅度降低有可再生性的生物能源被認(rèn)為是一種較理想的代用這些廢氣的生成與排放,因而清潔燃料的研究和使用燃料”。由于乙醇和柴油能夠均勻混合,且含氧量是柴油機(jī)的重要研究課題。如使用含氧燃料或作為含高H中國(guó)煤化工為柴油的部分替代氧添加劑與柴油混合被認(rèn)為是降低柴油機(jī)煙度及燃料CNMHG中所含污染物。本作者簡(jiǎn)介:陸克久(1969-),男,碩士,講師主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)與排放控制小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)第38卷試驗(yàn)探索了乙醇柴油混合燃料和助溶劑的制備方法,3試驗(yàn)結(jié)果與分析研究了摻混乙醇對(duì)柴油機(jī)排放的影響?？紤]到摻混乙3.1煙度特性醇會(huì)導(dǎo)致新有害物質(zhì)的生成,所以除了考察排放標(biāo)準(zhǔn)碳煙是柴油機(jī)尾氣的主要污染物之一,一般多在規(guī)定的煙度、NO、HC和CO指標(biāo)外,還對(duì)乙醇乙醛的高負(fù)荷或加速的條件下產(chǎn)生。圖1給出了各種燃料的排放進(jìn)行了研究。煙度排放與負(fù)荷的關(guān)系。由圖1可知,同種燃料的煙1試驗(yàn)燃料度排放會(huì)隨著負(fù)荷的增大而增加。這是由于隨著負(fù)荷1.1助溶劑的制備的增大,每循環(huán)的噴油量增加,即α降低,缸內(nèi)局部出助溶劑的主要成分為不飽和酸+高分子聚合物+現(xiàn)過(guò)濃混合氣的幾率變大,所以煙度的排放隨負(fù)荷的卵磷脂。助溶劑的制備方法是將不飽和酸和高分子聚增大而增加。當(dāng)負(fù)荷小于7kW時(shí),煙度的排放維持在合物按3:1的體積比混合,置于真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中,較低水平。隨著負(fù)荷的增加,當(dāng)負(fù)荷達(dá)到138kW時(shí)加入體積約為不飽和酸15%的二甲苯和5%的酞酸四排氣煙度顯著增加。其中純柴油的煙度為3.1BU,而丁酯。反應(yīng)過(guò)程中,水溫控制在0℃,真空泵抽真空,E10、E20、E30乙醇柴油混合燃料分別為2BsU反應(yīng)時(shí)間3~4h。加入體積約為不飽和酸2%的卵磷1.4BSU、1.8BSU,分別降低了35.5%、54.8%、脂,得到棕黃色的粘稠狀液體助溶劑。41.9%?？梢?jiàn),摻混乙醇的柴油較純柴油燃燒排氣煙1.2乙醇柴油混合燃料的制備度有顯著的降低,并當(dāng)乙醇摻混量為20%時(shí),煙度排本試驗(yàn)采用市售0柴油與無(wú)水乙醇將乙醇和柴放降低效果最為顯著。摻混乙醇導(dǎo)致煙度降低的主要油按不同的體積比進(jìn)行混合,得到混合乙醇柴油(EX原因,一是因?yàn)橐掖既剂显诟邷叵聲?huì)發(fā)生微爆效應(yīng),有乙醇+柴油X為乙醇的摻混比)。本試驗(yàn)首先將無(wú)助于缸內(nèi)混合氣的均勻混合及燃燒,從而抑制了碳煙水乙醇按10%、20%和30%的體積比(分別記為E10、的生成;另外因?yàn)橐掖际且环N含氧燃料,這等于增大了E20和E30純柴油記為EO)與柴油混合,然后在攪拌a,在一定程度上促進(jìn)了混合燃料的燃燒減少了由于的條件下加人總體積2%的助溶劑,經(jīng)高速剪切攪拌、燃燒不充分而產(chǎn)生的碳煙顆粒超聲波震蕩、過(guò)濾等工藝,得到乙醇柴油混合燃料(EX乙醇+柴油+助溶劑)。在室溫條件下放置15d,觀oE0一E10+助溶劑察相態(tài)。一E20+助溶劑2試驗(yàn)設(shè)備與方法E30+助溶劑本試驗(yàn)是在配有 Automex AMX電渦流型測(cè)功機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行的,所用發(fā)動(dòng)機(jī)為雙缸非增壓直噴式295TA型柴油機(jī),缸徑95mm,行程115mm,壓縮比為17,額定功率為19kW,該功率下的轉(zhuǎn)速為2200min1,最大轉(zhuǎn)矩9N·m,該轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速為1540功率/kWmin。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中靜態(tài)噴油定時(shí)按純柴油機(jī)運(yùn)行的最佳值設(shè)定,試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有改變?cè)瓩C(jī)的供油系統(tǒng)圖1不同燃料的煙度特性對(duì)比及其他參數(shù)。32NO,排放特性排放氣體分成2路,一路進(jìn)入排氣分析系統(tǒng)高溫、富氧、足夠的滯燃期時(shí)間是產(chǎn)生NO,排放( AVLGEM-110型),用于測(cè)量排氣中的NO,、HC和的主要原因。圖2給出了各種燃料的NO,排放與負(fù)CO濃度,過(guò)量空氣系數(shù)根據(jù)各排氣成分組成計(jì)算而荷的關(guān)系。從圖2中可以看出,同種燃料的NO排放得排氣煙度測(cè)量采用FBY-1型波許式煙度計(jì);另濃度隨著負(fù)荷的增大而增加。這是因?yàn)殡S著負(fù)荷的提路被收集在氣袋中,用于分析排氣中的乙醛和乙高中國(guó)煤化工最高燃燒溫度升高,醇含量采用色譜689N-質(zhì)譜5973N(4gnt公所以CNMH荷時(shí)乙醇摻混比越司,美國(guó))聯(lián)用手段,配有PLOT-Q極性毛細(xì)管柱,大NO,的排放越少,而高負(fù)荷時(shí)乙醇的摻混比越大,進(jìn)行定量分析。NO,的排放越多。這是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)氣缸內(nèi)的溫度較第6期陸克久等:柴油機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料的排放特性研究低,不利于NO,的生成而且乙醇越多缸內(nèi)溫度越荷較低時(shí)雖然燃燒室溫度相對(duì)較低,但缸內(nèi)局部區(qū)低所以摻混比越大,NO,的排放越少;隨著負(fù)荷的增域燃料濃度相對(duì)較高的幾率較低,故HC排放濃度較大,缸內(nèi)溫度升高,而乙醇越多燃料中的氧含量也越低;隨著負(fù)荷的增加,缸內(nèi)局部區(qū)域燃料濃度相對(duì)增多,所以摻混比越大,NO,的排放越多。但是,在乙醇加,HC的排放有所增加。當(dāng)摻混乙醇燃燒時(shí),乙醇作柴油混合燃料中添加助溶劑,可有效地降低NO2的排為一種含氧有機(jī)燃料,在高負(fù)荷氧氣不足的狀態(tài)下,有放,不同乙醇摻混比的混合燃料其NO,排放濃度相利于促進(jìn)HC的燃燒,導(dǎo)致HC的排放濃度顯著降低。當(dāng),且接近于純柴油燃燒排放的NO濃度。34CO排放特性排氣中的CO主要是混合氣不完全燃燒的產(chǎn)物E10+助溶劑圖4給出了各種燃料的CO排放與負(fù)荷的關(guān)系。從圖E20+助溶劑一E30+助溶劑4中可以看出,對(duì)于同種燃料,CO排放濃度隨著負(fù)荷的增大先減少后增加。在低負(fù)荷時(shí),CO排放濃度變化挺不大;當(dāng)達(dá)到高負(fù)荷時(shí),CO排放濃度急劇增加。這是由于在高負(fù)荷時(shí),燃燒溫度高,CO2分解還原加劇,CO的排放濃度急劇增加。摻混乙醇有助于降低CO排放,在相同負(fù)荷的情況下,CO的排放隨乙醇摻混比例功率kW的提高而降低。對(duì)于摻混30%乙醇的混合燃料,在負(fù)圖2不同燃料的NO,排放特性對(duì)比荷為13.8&kW時(shí),CO排放濃度為1531μL/L,其降低幅33HC排放特性度為44.8%。原因是在高負(fù)荷時(shí),會(huì)出現(xiàn)局部濃混合在柴油機(jī)的燃燒過(guò)程中,存在燃料和空氣的混合氣,而乙醇自身攜帶的氧會(huì)緩解這種缺氧狀況降低了不均勻燃燒室內(nèi)混合氣局部過(guò)濃或過(guò)稀,致使燃燒不氣缸內(nèi)空燃比的不均勻性,從而降低CO排放。完全而產(chǎn)生HC排放;在靠近氣缸壁面的可燃混合物-OEO受到冷激效應(yīng)的影響,導(dǎo)致燃燒不完全,也產(chǎn)生HC排助溶劑放;在活塞和缸套的間隙內(nèi)有未燃燒的燃料,亦導(dǎo)致+助溶劑30+助溶劑HC排放產(chǎn)生。圖3給出了各種燃料的HC排放與負(fù)荷的關(guān)系。從圖3中可以看出,隨著負(fù)荷的增加,不同燃料的HC排放濃度隨負(fù)荷增加而增大。純柴油燃燒時(shí),HC的排放濃度較高,當(dāng)負(fù)荷為13.8kW時(shí),HC的排放濃度高達(dá)2764μL/L;乙醇的添加導(dǎo)致HC濃度下46810121416功率/kw降至1480μLL;助溶劑的添加,有助于乙醇在混合燃圖4不同燃料的CO排放特性對(duì)比料中的均勻分布,進(jìn)一步使HC的排放顯著降低。當(dāng)負(fù)荷為138kW時(shí),HC的排放濃度可降低70%。負(fù)3.5乙醛排放特性由于研制乙醇柴油混合燃料的主要目的之一是著3500HEld+眼于保護(hù)環(huán)境的燃燒排放效果,因此本研究高度重視助溶劑+助溶劑乙醇、乙醛等新有害物質(zhì)的產(chǎn)生和排放。乙醛是一種具辛辣刺激性氣味的有害氣體,它是乙醇不完全燃燒形成的產(chǎn)物。圖5給出了各種燃料的乙醛排放與負(fù)荷,的關(guān)系。從圖5中可以看出,純柴油燃燒只產(chǎn)生微量乙BrV中國(guó)煤化工2左右。添加30%CNMHG排放的乙醛在低負(fù)功率/kW荷點(diǎn)3./kw的,8.6μL/L。助溶劑的添加有助于降圖3不同燃料的HC排放特性對(duì)比低乙醛的排放使乙醛的排放濃度接近于純柴油燃燒小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)第38卷排放的水平?？傮w來(lái)看,乙醛是在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的,時(shí)摻混20%乙醇的混合燃料可降低煙度55%,降低無(wú)論是純柴油還是乙醇柴油混合燃料,乙醛的排放濃HC排放70%降低CO排放45%。度均較低,乙醇的摻混并不會(huì)帶來(lái)新的環(huán)境問(wèn)題。2)純柴油的燃燒不會(huì)產(chǎn)生乙醇,卻會(huì)產(chǎn)生微量的乙醛。乙醇的摻混導(dǎo)致乙醛的排放明顯增加,但添加適當(dāng)?shù)闹軇?可以使乙醛排放量降低到可以忽略不計(jì)的程度,即純柴油燃燒排放的水平。乙醇的摻混導(dǎo)E10+助溶劑趙后NAE20+助溶劑致乙醇排放量明顯增加,助溶劑的添加可在很大程度上降低乙醇的排放濃度。在適當(dāng)?shù)拇呋瘲l件下,殘余的乙醇可以作為還原NO2的有效還原劑參考文獻(xiàn)2468101214161 Yeh L I, Rickeard D J. Oxygenates: an evaluation of their圖5不同燃料的乙醛排放特性對(duì)比effect on diesel emissions[C]. SAE Paper 2001-01-20193.6乙醇排放特性2 Curran H J, Fisher E M. Glaude PA. et al. Detailed chem-圖6給出了各種燃料的乙醇排放與負(fù)荷的關(guān)系。ical kinetic modeling of diesel combustion with oxygenated當(dāng)不摻混乙醇時(shí),排氣中沒(méi)有檢測(cè)到乙醇,摻混乙醇導(dǎo)fuels[C]. SAE Paper 2001-01-0653致排氣中的乙醇濃度顯著增加。添加30%乙醇得到3 Natarajan Mani, Frame Edwin A, Naegeli David W,ea的混合燃料,其燃燒排放的乙醇在低負(fù)荷點(diǎn)3.7kW時(shí)Oxygenates for advanced petrolbased diesel fuels(I)高達(dá)132μLL。乙醇排放的增加是由于添加的乙醇在Screening and selection methodology for the oxygenates[C]混合燃料中分布不均勻?qū)е伦陨砣紵煌耆隆?duì)SAE Paper 2001-014 Beatrice C, BertoliC. D于乙醇柴油混合燃料來(lái)說(shuō),乙醇的排放濃度隨乙醇摻oxygenated synthetic fuel and reformulated fuel on emissions混比的增加而增加,助溶劑的添加有助于乙醇和柴油from a modem DI diesel engine[ C]. SAE Paper 1999-01的均勻混合,因而大大降低了乙醇的排放濃度。由此可見(jiàn)純柴油燃燒時(shí)并不產(chǎn)生乙醇,單純添加乙醇會(huì)使5 Huang Zuohua, u hongbing, Jiang deming,etal.etom乙醇的排放明顯增加,但可通過(guò)添加助溶劑的方法來(lái)ance and emissions of a compression ignition engine fueled降低乙醇的排放,并且在適當(dāng)?shù)拇呋瘲l件下,尾氣中殘with diesel/oxygenate blends for various fuel delivery advance余的乙醇可以作為還原NO2的有效還原劑。angles[J ]. Energy and Fuels, 2005, 19(2): 403-4106 Guo Hejun, Zhen Li, Liu Shenghua, et al. Study on ethanol140and ethylene glycol dimethyl ether blends ether blends as ox-E1o+助溶劑ygenated diesel fuels[J]. Division of Petroleum Chemistry一E20+助溶劑2006,51(2):862-864墨80E30+助溶劑7王建昕閆小光程勇.乙醇一柴油混合燃料的燃燒與排放特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2002,20:225~2298賈元華,于喜順魯永良,等.乙醇-柴油混合X195柴油機(jī)燃料性能實(shí)驗(yàn)研究與分析[].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,19(3):275-277功率/kW(收稿日期:2009-02-08)圖6不同燃料的乙醇排放特性對(duì)比4結(jié)論中國(guó)煤化工1)柴油機(jī)燃燒乙醇柴油混合燃料(特別是添加助CNMHG溶劑),與純柴油相比較可明顯降低煙度、HC和CO排放。在高負(fù)荷(功率為138kW、轉(zhuǎn)速為1540r·min1)