添加乙醇对柴油_生物柴油混合燃料性能的影响

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
1 试验仪器与燃料
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 105 mm ,活塞行程为 115 mm ,压 缩比为 16. 5,排量为 0. 996 L ,标定功率为 11103 k W , 喷油提前角为上止点前 22 °。

最大扭矩对应转速 为 1 500 r /m i n 。

试验采用日本小野公司生产的 C B 566 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 动机的示功图 。

废气排放的测量采用 AVL 公司生 产的 AVL D i ga s4000 发动机排气分析仪 。

烟度测 量采用 AVL D ismoke4000 部 分 流 不 透 光 烟 度 计 , 选光吸收系数 K (m - 1 ) 来表示烟度值 。

使用日本 小野生产的 TP 2244 流量传感器和 D F 2313 数字流 量计测量 30 s 油耗进而计算出比油耗 。

112 试验燃料
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 B 30 表示 ) ,柴
油 - 生物柴油 - 乙醇 ( 70 % 柴油 、20 % 生物柴油 、
10 %乙醇 ,以下用 B 20 + 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
节能和环保是当今车用发动机发展的两大主
题 ,随着对石油资源有限性的认识 ,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高 , 抗 爆性能优于常规柴油 ; 硫含量低 , S O 2 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 C O 2释放较少的显著特点 。

生物柴油既是比较理 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 ,为 柴油机代用燃料的发展提供理论和试验依据 。

收稿日期 : 2007 - 11 - 13
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新能源汽车 乙醇 。

通过理化试验得到 3 种基础燃料及 B 30 和 B 20 + E10 两种混合燃料主要指标 ,如表 1所示 。

表 1 燃料主要理化特性
图 1 燃烧压力对比
2 试验结果与分析
图 2 压力升高率对比
选择转速 (以下用 n 表示 ) 为 1 500 r /m i n,平 图 3为 n = 1 500 r /m i n 、Pm e = 0. 531 M Pa 时 B 30 与 B 20 + E10 的放热率对比 。

从图中可以看 出 , B 20 + E10 的峰值放热率增大了 11. 8 % ,对应 的曲轴转角推迟了 1 ℃A 。

以放热率连续 3 个点 为负 值 作 为 燃 烧 终 点 , B 20 + E10 在 上 止 点 后
35 ℃A 燃 烧 结 束 , B 30 则 是 在 上 止 点 后 42 ℃A 。

B 20 + E10 燃烧持续期较 B 30 缩短 7 ℃A , 这是因
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 B 20 + E10 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 ; B 20 + 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
均有效压力 (以下用 Pm e 表示 )为 0. 531 M Pa 的工
况点对比 B 30和 B 20 + E10燃烧特性 ,通过对示功 图的分析 , 计算燃烧放热率 、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 1、2分别为 n = 1 500 r /m i n 、P m e = 0. 531 MPa 时 B 30 与 B 20 + E10 的燃烧压力和压力升高率对 比 。

从图 1、2 可 以看 出 : 与 B 30 相 比 , B 20 + 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 。

B 20 + E10 的最大燃烧压力比 B 30 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 1 ℃A 。

B 20 + 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 。

图 3 燃烧放热率对比
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燃料
柴油
生物柴油
(豆油 )
乙醇
B30
B20 + E10 密度 ( 20 ℃) ( g ·c m - 3 )
0. 83
0. 88
0. 789
0. 845
0. 836
十六烷值
40～60
56 8
44. 8～ 58. 8
40～54
质量热值 (MJ ·kg - 1 )
42. 68
38. 81
27. 2
41. 47
40. 4
20 ℃运动粘度 (mm 2 ·s - 1 )
3. 9 6. 4 1. 2
4. 7
4. 1 气化潜热
( kJ / kg )
25112
200
854
2351204
2971318
氧含量
( % )
10
34. 78
3. 12
5. 39
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 1 500 r /m i n时燃用 B 30和 B 20
+ E10比油耗对比。

由图4 可见: 燃用B 20 + E10
比油耗高于 B 30。

在7 个负荷点处B 20 + E10 比
油耗平均比B 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B 20 + E10 与
B 30 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,
图 6 ～9为发动机转速 1 500 r /m i n 时燃用
B 30 和B 20 + E10各种排放污染物对比。

图6 C O 排放对比
由图 6 可见, 随着乙醇的加入, B 20 + E10 的
C O 排放量平均减少了32. 4 % , 并且在大负荷时
C O 排放大幅减少,而在中小负荷时CO 的减少量
较小。

其原因是乙醇的高含氧量有利于燃料的燃
烧,大负荷时气缸温度较高, 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, 不利于
C O 的继续氧化,从而减弱了乙醇对燃烧的促进作
用。

可见B 20 + E10 混合燃料的C O 排放主要是
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C O 排放的抑制起主导作用。

图4 比油耗对比
图5为转速1 500 r /m i n时燃用B 30和B 20
+
E10比能耗对比。

在中小负荷区,燃用B 20 + E10
的比能耗比 B 30 略高, 而在高负荷区, B 20 + E10
的比能耗略低, 7 个负荷点 B 20 + E10 的平均比能
耗 B 30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 B 20 + E10 的比油耗较高,
但比能耗相对来说并没有升高。

图7 HC排放对比
图7为HC排放的对比。

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C O 排放图5 比能耗对比
2. 3 排放特性对比
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新能源汽车 温度对 C O 排放的促进起主导作用 。

( 1 ) 与 B 30 相比 , B 20 + 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 ) B 20 + 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 B 30 相比 , B 20 + E10 由于乙醇的加入使得 C O 和烟度 图 8 NO X 排放对比
NO X 的排放对比如图 8 所示 。

随着负荷的增
加两种 燃 料 NO X 排 量 都 明 显 增 加 , B20 + E10 的
NO X 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 NO X 的排放 。

排放均有所降低 ,而 HC 和 NO 排放略有增加 。

X 参考文献
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图 9 烟度对比
由图 9两种燃料的烟度对比 可以 看出 , 燃 用
B 20 + E10 的碳烟排放与 B 30 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 。

A b strac t
Ex p e ri m e n t s of the com b u s ti o n, fue l con s ump 2 ti o n and em issi o n p e r f o r m a nce comp a rison be t w een the d i e s e l - b i o d i e s e l b l end fue l ( d i e s e l 70 % , b i o d i e s e l 30 % ) and e t hano l - d i e s e l - b i o d i e s e l b l end fue l ( d i e s e l 70 % , b i o d i e s e l 20 % , e t hano l 10 % ) a r e done on a si ngl e cyli nde r d i e s e l engi ne . The i nfl uence of the acce s si o n of e t hano l t o the com 2 bu s ti o n p re s su r e, i gn iti o n de l ay p e r i o d, hea t re l ea s e and sp e c i fi c fue l con s ump ti o n is ana l yz ed.
3 结语
本文通过柴油发动机燃用 B 30 和 B 20 + E10
两种混合燃料的燃烧特性 、经济性和排放特性对 比试验 ,分析了添加乙醇对柴油 燃料性能的影响 。

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