添加乙醇對柴油_生物柴油混合燃料性能的影響

1、新能源汽車添加乙醇對柴油-生物柴油混合燃料性能的影響劉家利陳昊劉金霞(長安大學(xué))【摘要】在一臺小型直噴式柴油機(jī)上進(jìn)行柴油-生物柴油(柴油70%,生物柴油30%)與柴油-生物柴油-乙醇(柴油70%,生物柴油20%,乙醇10%)兩種混合燃料的燃燒、油耗和排放性能對比試驗(yàn)。分析了乙醇的加入對柴油-生物柴油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力、滯燃期、放熱規(guī)律、比油耗等的影響?！局黝}詞】直噴式柴油機(jī)生物柴油乙醇0引言題,人們意識到應(yīng)減少對其作為主要能源的依賴,在全球范圍內(nèi)加快了對可再生能源的研究。生物柴油是由植物油或動(dòng)物脂肪通過酯化反應(yīng)制成的脂肪酸甲酯燃料,理化特性接近柴油,是典型的可再生能源。其十六烷值和閃點(diǎn)較

2、高,抗爆性能優(yōu)于常規(guī)柴油;硫含量低,SO2和硫化物的排放低;不含對環(huán)境造成污染的芳香族烷烴;含氧量高于礦物柴油,可達(dá)10%,燃燒所需的氧氣量較常規(guī)柴油少;此外,生物柴油還具有生命周期內(nèi)CO2釋放較少的顯著特點(diǎn)。生物柴油既是比較理111試驗(yàn)儀器試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為ZH1105W型單缸直噴柴油機(jī),其氣缸直徑為105mm,活塞行程為115mm,壓縮比為16.5,排量為0.996L,標(biāo)定功率為11103kW,噴油提前角為上止點(diǎn)前22。最大扭矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速為1500r/min。試驗(yàn)采用日本小野公司生產(chǎn)的CB566燃燒分析儀、電荷放大器、壓力傳感器、光電傳感器、曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生器等組成的一套動(dòng)態(tài)測試分析儀測錄發(fā)動(dòng)機(jī)的

3、示功圖。廢氣排放的測量采用AVL公司生產(chǎn)的AVLDigas4000發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析儀。煙度測量采用AVLDismoke4000部分流不透光煙度計(jì),-1選光吸收系數(shù)K(m)來表示煙度值。使用日本小野生產(chǎn)的TP2244流量傳感器和DF2313數(shù)字流量計(jì)測量30s油耗進(jìn)而計(jì)算出比油耗。112試驗(yàn)燃料想的代用燃料,也可作為混合燃料添加劑,受到人們的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn),室溫下柴油、生物柴油和乙醇可以很好地互溶,而且長期放置不分層。將乙醇加入柴油-生物柴油混合燃料中,通過柴油-生物柴油與柴油-生物柴油-乙醇兩種混合燃料的燃燒和排放性能對比試驗(yàn),研究乙醇的加入對柴油-生物柴油燃燒特性、經(jīng)濟(jì)性與排放特性的影響,

4、為柴油機(jī)代用燃料的發(fā)展提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)用燃料為柴油-生物柴油混合燃料(70%柴油、30%生物柴油,以下用B30表示),柴油-生物柴油-乙醇(70%柴油、20%生物柴油、10%乙醇,以下用B20+E10表示)。試驗(yàn)用基礎(chǔ)燃料為0號商品柴油、大豆油制成的生物柴油和收稿日期:2007-11-13上海汽車200812 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 9新能源汽車乙醇。通過理化試驗(yàn)得到3種基礎(chǔ)燃料及B30和B20+E10兩種混合燃料主要指標(biāo),如表1所示。表1燃料主

5、要理化特性燃料密度(20)(gcm-3)十六烷值質(zhì)量熱值(MJkg-1)20運(yùn)動(dòng)粘度(mm2s-1)柴油0.83406042.683.9251120生物柴油(豆油)0.885638.816.420010乙醇0.789827.21.285434.78B300.84544.858.841.474.723512043.12B20+E100.836405440.44.129713185.39圖1燃燒壓力對比氣化潛熱(kJ/kg)氧含量(%)2選擇轉(zhuǎn)速(以下用n表示)為1500r/min,平均有效壓力(以下用Pme表示)為0.531MPa的工況點(diǎn)對比B30和B20+E10燃燒特性,通過對示功圖的分析,計(jì)

6、算燃燒放熱率、壓力升高率,確定出最高燃燒壓力及其所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角、滯燃期等表征發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的各參數(shù),進(jìn)而對發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特征進(jìn)行分析。2.1燃燒特性對比圖2壓力升高率對比圖3為n=1500r/min、Pme=0.531MPa時(shí)B30與B20+E10的放熱率對比。從圖中可以看出,B20+E10的峰值放熱率增大了11.8%,對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角推遲了1A。以放熱率連續(xù)3個(gè)點(diǎn)為負(fù)值作為燃燒終點(diǎn),B20+E10在上止點(diǎn)后35A燃燒結(jié)束,B30則是在上止點(diǎn)后42A。B20+E10燃燒持續(xù)期較B30縮短7A,這是因圖1、2分別為n=1500r/min、Pme=0.531MPa時(shí)B30與B20+E10的燃燒壓力和

7、壓力升高率對比。從圖1、2可以看出:與B30相比,B20+E10的滯燃期延長,最大壓力和最大壓力升高率均出現(xiàn)位置后移,最大壓力略有降低,而最大壓力升高率升高。B20+E10的最大燃燒壓力比B30降低了0.4%,而最大壓力升高率增加了9.1%,對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均推遲了1A。B20+E10的燃燒曲線后移主要是因?yàn)橐掖嫉臍饣瘽摕岽蟆⑹橹档?添加乙醇使得混合燃料的滯燃期延長。最大燃燒壓力略有降低是因?yàn)橐掖嫉娜剂系蜔嶂递^低,導(dǎo)致燃燒熱量較低,而最大壓力升高率升高主要是因?yàn)橐掖嫉难鹾枯^生物柴油有較大的提高,使得燃燒速率加快。10為乙醇的低沸點(diǎn)和粘度可降低燃料的表面張力,使含有乙醇量的混合燃料B20+E

8、10更容易霧化和蒸發(fā),提高了混合氣形成質(zhì)量,乙醇的高含氧量使得燃燒速率加快,燃燒持續(xù)時(shí)間縮短;B20+E10的放熱率曲線位置后移的原因與前面所述的燃燒壓力和壓力升高率曲線位置后移相同,都是由滯圖3燃燒放熱率對比上海汽車200812 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 新能源汽車燃期的延長引起的。2.2經(jīng)濟(jì)性對比圖4為轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)燃用B30和B20+E10比油耗對比。由圖4可見:燃用B20+E10比油耗高于B30。在7個(gè)負(fù)荷點(diǎn)處B20+E10比油耗平均比B

9、30增加了3.1%。這是因?yàn)橐掖嫉牡蜔嶂当炔裼秃蜕锊裼投嫉?相同體積的柴油-生物柴油-乙醇混合燃料釋放的能量較柴油-生物柴油明顯降低,因此必須加大循環(huán)噴油量才能保證發(fā)出同樣功率。在大負(fù)荷點(diǎn)時(shí)B20+E10與B30比油耗差距有所縮小,這是在中高負(fù)荷時(shí),缸內(nèi)溫度較高,乙醇較高含量的氧元素發(fā)揮作用,燃料燃燒比較充分的結(jié)果。圖69為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)燃用B30和B20+E10各種排放污染物對比。圖6CO排放對比由圖6可見,隨著乙醇的加入,B20+E10的CO,并且在大負(fù)荷時(shí),CO的減少量,有助于燃料的霧化和燃燒,而中小負(fù)荷時(shí)氣缸內(nèi)混合氣過稀,燃料霧化較差,乙醇?xì)饣瘽摕岣?缸內(nèi)燃燒溫度低,

10、不利于CO的繼續(xù)氧化,從而減弱了乙醇對燃燒的促進(jìn)作用?？梢夿20+E10混合燃料的CO排放主要是圖4比油耗對比由缸內(nèi)溫度與氧含量共同作用的結(jié)果,且乙醇的高氧含量對CO排放的抑制起主導(dǎo)作用。圖5為轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)燃用B30和B20+E10比能耗對比。在中小負(fù)荷區(qū),燃用B20+E10的比能耗比B30略高,而在高負(fù)荷區(qū),B20+E10的比能耗略低,7個(gè)負(fù)荷點(diǎn)B20+E10的平均比能耗B30基本相等,只高出了0.5%。這也是因?yàn)橐掖嫉牡蜔嶂递^低,雖然B20+E10的比油耗較高,但比能耗相對來說并沒有升高。圖7HC排放對比圖5比能耗對比2.3排放特性對比上海汽車200812圖7為HC排放的對比。

11、隨著負(fù)荷的增加兩種燃料的HC排量都緩慢降低?？梢钥闯鲭S著乙醇的加入,B20+E10的HC排放量平均增加了6.1%,但在大負(fù)荷下,HC排放緩慢降低。這是由于乙醇的著火性能較差,主要靠柴油引燃,尤其在中小負(fù)荷下,乙醇的氣化潛熱大,缸內(nèi)溫度低,使得燃燒惡化,HC排放增加。大負(fù)荷下缸內(nèi)溫度較高,HC排放略有減小。由此可見,B20+E10混合燃料的CO排放主要是缸內(nèi)溫度與氧含量共同作用的結(jié)果,且缸內(nèi)11 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 新能源汽車溫度對CO排放的促進(jìn)起主導(dǎo)

12、作用。(1)與B30相比,B20+E10的滯燃期延長,氣缸最大壓力升高率以及峰值放熱率均增加且峰值位置后移,但燃燒持續(xù)期縮短?？梢娨掖嫉募尤虢档土嘶旌先剂系闹鹦?但促進(jìn)了燃燒。(2)B20+E10的比油耗增加,但比能耗變化不大。由此表明雖然乙醇的加入增加了混合燃料的油耗量,但從能量角度來講,能量消耗率并沒有增加。(3)乙醇的加入使混合燃料的排放因子水平的改變主要受缸內(nèi)溫度與氧含量共同作用,與B30相比,B20+E10由于乙醇的加入使得CO和煙度排放均有所降低,而HC和NOX排放略有增加。1,邊耀璋,宋建桐.直噴式柴油機(jī)燃用生物柴圖8NOX排放對比NOX的排放對比如圖8所示。隨著負(fù)荷的增加兩種

13、燃料NOX排量都明顯增加,B20+E10的NOX排量要比B30高出15.6%?？梢钥闯?雖然乙醇的加入降低了混合氣溫度,但乙醇的高含氧量使得燃燒在富氧條件下進(jìn)行,增大了油的性能與排放J.長安大學(xué)學(xué)報(bào),200712司利增,邊耀璋,張春化.直噴式柴油機(jī)燃用脂肪酸甲酯的排放特性J.安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2006.3李跟寶,周龍保,蔣德明.生物柴油對直噴式柴油機(jī)燃燒和排放的影響J.柴油機(jī),2004.4李玉芹,曾虹燕.生物柴油特性及作為混合燃料添加劑的研究J.寧波化工,200515HodgsonJW,IrickDK,WhalenMV.viceC.SAE981359.6AbuQudaisM,HaddadQ,Qu

14、daisatM.Theeffectofalco2holfumigationondieselengineperformanceandemissionsJ.Ener2gyConversionandManagement,199917何邦全,王建昕,閻小光.柴油機(jī)含氧燃料的研究進(jìn)展J.Improvingthecoldstartperformanceofalcoholfueledenginesusingarichcombustorde2圖9煙度對比由圖9兩種燃料的煙度對比可以看出,燃用B20+E10的碳煙排放與B30相比降低了52.4%。主要原因是:乙醇的高含氧量可在燃燒過程中提供更多的氧,因此降低了燃

15、料濃混合區(qū)缺氧的程度,也就在一定程度上抑制了碳煙的生成;另外乙醇的沸點(diǎn)比較低,使得乙醇在氣缸內(nèi)比柴油更容易蒸發(fā)霧化,更有利于燃料與空氣的混合,降低了缸內(nèi)空燃比的不均勻性,從而降低了碳煙的排放。農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),20031AbstractExperimentsofthecombustion,fuelconsump2tionandemissionperformancecomparisonbetweenthediesel-biodieselblendfuel(diesel70%,biodiesel30%)andethanol-diesel-biodieselblendfuel(diesel70%,biodiesel20%,ethanol10%)aredoneonasinglecylinderdieselengine.Theinfluenceoftheaccessionofethanoltothecom2bustionpress