添加乙醇对柴油_生物柴油混合燃料性能的影响

1、新能源汽车添加乙醇对柴油-生物柴油混合燃料性能的影响刘家利陈昊刘金霞(长安大学)【摘要】在一台小型直喷式柴油机上进行柴油-生物柴油(柴油70%,生物柴油30%)与柴油-生物柴油-乙醇(柴油70%,生物柴油20%,乙醇10%)两种混合燃料的燃烧、油耗和排放性能对比试验。分析了乙醇的加入对柴油-生物柴油混合燃料的发动机燃烧压力、滞燃期、放热规律、比油耗等的影响。【主题词】直喷式柴油机生物柴油乙醇0引言题,人们意识到应减少对其作为主要能源的依赖,在全球范围内加快了对可再生能源的研究。生物柴油是由植物油或动物脂肪通过酯化反应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。其十六烷值和闪点较

2、高,抗爆性能优于常规柴油;硫含量低,SO2和硫化物的排放低;不含对环境造成污染的芳香族烷烃;含氧量高于矿物柴油,可达10%,燃烧所需的氧气量较常规柴油少;此外,生物柴油还具有生命周期内CO2释放较少的显著特点。生物柴油既是比较理111试验仪器试验所用发动机为ZH1105W型单缸直喷柴油机,其气缸直径为105mm,活塞行程为115mm,压缩比为16.5,排量为0.996L,标定功率为11103kW,喷油提前角为上止点前22。最大扭矩对应转速为1500r/min。试验采用日本小野公司生产的CB566燃烧分析仪、电荷放大器、压力传感器、光电传感器、曲轴转角发生器等组成的一套动态测试分析仪测录发动机的

3、示功图。废气排放的测量采用AVL公司生产的AVLDigas4000发动机排气分析仪。烟度测量采用AVLDismoke4000部分流不透光烟度计,-1选光吸收系数K(m)来表示烟度值。使用日本小野生产的TP2244流量传感器和DF2313数字流量计测量30s油耗进而计算出比油耗。112试验燃料想的代用燃料,也可作为混合燃料添加剂,受到人们的广泛关注。研究发现,室温下柴油、生物柴油和乙醇可以很好地互溶,而且长期放置不分层。将乙醇加入柴油-生物柴油混合燃料中,通过柴油-生物柴油与柴油-生物柴油-乙醇两种混合燃料的燃烧和排放性能对比试验,研究乙醇的加入对柴油-生物柴油燃烧特性、经济性与排放特性的影响,

4、为柴油机代用燃料的发展提供理论和试验依据。试验用燃料为柴油-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)。试验用基础燃料为0号商品柴油、大豆油制成的生物柴油和收稿日期:2007-11-13上海汽车200812 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 9新能源汽车乙醇。通过理化试验得到3种基础燃料及B30和B20+E10两种混合燃料主要指标,如表1所示。表1燃料主

5、要理化特性燃料密度(20)(gcm-3)十六烷值质量热值(MJkg-1)20运动粘度(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图1燃烧压力对比气化潜热(kJ/kg)氧含量(%)2选择转速(以下用n表示)为1500r/min,平均有效压力(以下用Pme表示)为0.531MPa的工况点对比B30和B20+E10燃烧特性,通过对示功图的分析,计

6、算燃烧放热率、压力升高率,确定出最高燃烧压力及其所对应的曲轴转角、滞燃期等表征发动机燃烧过程的各参数,进而对发动机的燃烧特征进行分析。2.1燃烧特性对比图2压力升高率对比图3为n=1500r/min、Pme=0.531MPa时B30与B20+E10的放热率对比。从图中可以看出,B20+E10的峰值放热率增大了11.8%,对应的曲轴转角推迟了1A。以放热率连续3个点为负值作为燃烧终点,B20+E10在上止点后35A燃烧结束,B30则是在上止点后42A。B20+E10燃烧持续期较B30缩短7A,这是因图1、2分别为n=1500r/min、Pme=0.531MPa时B30与B20+E10的燃烧压力和

7、压力升高率对比。从图1、2可以看出:与B30相比,B20+E10的滞燃期延长,最大压力和最大压力升高率均出现位置后移,最大压力略有降低,而最大压力升高率升高。B20+E10的最大燃烧压力比B30降低了0.4%,而最大压力升高率增加了9.1%,对应的曲轴转角均推迟了1A。B20+E10的燃烧曲线后移主要是因为乙醇的气化潜热大、十六烷值低,添加乙醇使得混合燃料的滞燃期延长。最大燃烧压力略有降低是因为乙醇的燃料低热值较低,导致燃烧热量较低,而最大压力升高率升高主要是因为乙醇的氧含量较生物柴油有较大的提高,使得燃烧速率加快。10为乙醇的低沸点和粘度可降低燃料的表面张力,使含有乙醇量的混合燃料B20+E

8、10更容易雾化和蒸发,提高了混合气形成质量,乙醇的高含氧量使得燃烧速率加快,燃烧持续时间缩短;B20+E10的放热率曲线位置后移的原因与前面所述的燃烧压力和压力升高率曲线位置后移相同,都是由滞图3燃烧放热率对比上海汽车200812 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 新能源汽车燃期的延长引起的。2.2经济性对比图4为转速1500r/min时燃用B30和B20+E10比油耗对比。由图4可见:燃用B20+E10比油耗高于B30。在7个负荷点处B20+E10比油耗平均比B

9、30增加了3.1%。这是因为乙醇的低热值比柴油和生物柴油都低,相同体积的柴油-生物柴油-乙醇混合燃料释放的能量较柴油-生物柴油明显降低,因此必须加大循环喷油量才能保证发出同样功率。在大负荷点时B20+E10与B30比油耗差距有所缩小,这是在中高负荷时,缸内温度较高,乙醇较高含量的氧元素发挥作用,燃料燃烧比较充分的结果。图69为发动机转速1500r/min时燃用B30和B20+E10各种排放污染物对比。图6CO排放对比由图6可见,随着乙醇的加入,B20+E10的CO,并且在大负荷时,CO的减少量,有助于燃料的雾化和燃烧,而中小负荷时气缸内混合气过稀,燃料雾化较差,乙醇气化潜热高,缸内燃烧温度低,

10、不利于CO的继续氧化,从而减弱了乙醇对燃烧的促进作用。可见B20+E10混合燃料的CO排放主要是图4比油耗对比由缸内温度与氧含量共同作用的结果,且乙醇的高氧含量对CO排放的抑制起主导作用。图5为转速1500r/min时燃用B30和B20+E10比能耗对比。在中小负荷区,燃用B20+E10的比能耗比B30略高,而在高负荷区,B20+E10的比能耗略低,7个负荷点B20+E10的平均比能耗B30基本相等,只高出了0.5%。这也是因为乙醇的低热值较低,虽然B20+E10的比油耗较高,但比能耗相对来说并没有升高。图7HC排放对比图5比能耗对比2.3排放特性对比上海汽车200812图7为HC排放的对比。

11、随着负荷的增加两种燃料的HC排量都缓慢降低。可以看出随着乙醇的加入,B20+E10的HC排放量平均增加了6.1%,但在大负荷下,HC排放缓慢降低。这是由于乙醇的着火性能较差,主要靠柴油引燃,尤其在中小负荷下,乙醇的气化潜热大,缸内温度低,使得燃烧恶化,HC排放增加。大负荷下缸内温度较高,HC排放略有减小。由此可见,B20+E10混合燃料的CO排放主要是缸内温度与氧含量共同作用的结果,且缸内11 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 新能源汽车温度对CO排放的促进起主导

12、作用。(1)与B30相比,B20+E10的滞燃期延长,气缸最大压力升高率以及峰值放热率均增加且峰值位置后移,但燃烧持续期缩短。可见乙醇的加入降低了混合燃料的着火性,但促进了燃烧。(2)B20+E10的比油耗增加,但比能耗变化不大。由此表明虽然乙醇的加入增加了混合燃料的油耗量,但从能量角度来讲,能量消耗率并没有增加。(3)乙醇的加入使混合燃料的排放因子水平的改变主要受缸内温度与氧含量共同作用,与B30相比,B20+E10由于乙醇的加入使得CO和烟度排放均有所降低,而HC和NOX排放略有增加。1,边耀璋,宋建桐.直喷式柴油机燃用生物柴图8NOX排放对比NOX的排放对比如图8所示。随着负荷的增加两种

13、燃料NOX排量都明显增加,B20+E10的NOX排量要比B30高出15.6%。可以看出,虽然乙醇的加入降低了混合气温度,但乙醇的高含氧量使得燃烧在富氧条件下进行,增大了油的性能与排放J.长安大学学报,200712司利增,边耀璋,张春化.直喷式柴油机燃用脂肪酸甲酯的排放特性J.安全与环境学报,2006.3李跟宝,周龙保,蒋德明.生物柴油对直喷式柴油机燃烧和排放的影响J.柴油机,2004.4李玉芹,曾虹燕.生物柴油特性及作为混合燃料添加剂的研究J.宁波化工,200515HodgsonJW,IrickDK,WhalenMV.viceC.SAE981359.6AbuQudaisM,HaddadQ,Qu

14、daisatM.Theeffectofalco2holfumigationondieselengineperformanceandemissionsJ.Ener2gyConversionandManagement,199917何邦全,王建昕,阎小光.柴油机含氧燃料的研究进展J.Improvingthecoldstartperformanceofalcoholfueledenginesusingarichcombustorde2图9烟度对比由图9两种燃料的烟度对比可以看出,燃用B20+E10的碳烟排放与B30相比降低了52.4%。主要原因是:乙醇的高含氧量可在燃烧过程中提供更多的氧,因此降低了燃

15、料浓混合区缺氧的程度,也就在一定程度上抑制了碳烟的生成;另外乙醇的沸点比较低,使得乙醇在气缸内比柴油更容易蒸发雾化,更有利于燃料与空气的混合,降低了缸内空燃比的不均匀性,从而降低了碳烟的排放。农业机械学报,20031AbstractExperimentsofthecombustion,fuelconsump2tionandemissionperformancecomparisonbetweenthediesel-biodieselblendfuel(diesel70%,biodiesel30%)andethanol-diesel-biodieselblendfuel(diesel70%,biodiesel20%,ethanol10%)aredoneonasinglecylinderdieselengine.Theinfluenceoftheaccessionofethanoltothecom2bustionpress