十六烷值改进剂对乙醇柴油发动机放热率与排放的影响.docx

十六烷值改进剂对乙醇 2柴油发动机放热率与排放的影响吕兴才 , 张武高 , 杨剑光 , 黄震(上海交通大学内燃机研究所 , 上海 200030 )3摘要 : 研究了十六烷值改进剂对轻型高速柴油机燃用乙醇柴油燃料时放热率与排放特性的影响 . 在含 15/00乙醇的柴油中加入不同量 ( 0、0. 2/00和 0. 4/00 )的十六烷值改进剂 ,并在一台高速柴油机上分别对这些燃料进行了试验研究 . 结果表明 :柴油机燃用乙醇 2柴油后 ,动力性有一定程度降低 ,但是热效率得到较大幅度改善 ,烟度和氮氧化物排 放有很大程度的降低 ; 在乙醇 2柴油中加入适量的十六烷值改进剂 ,柴油机的动力性有所恢复 ,烟度和氮氧化物进 一步降低 ,中低负荷下 co 和 hc排放得到很大改善 . 乙醇柴油燃料的着火延迟增加 ,燃烧持续期缩短 ,大负荷下最 大放热率增加 ;加入一定量的十六烷值改进剂 ,中高负荷下的燃烧特性可以恢复到柴油机的水平 ,但是在低负荷下 与纯柴油仍然有一定的差别 .关键词 : 柴油机 ; 乙醇 2柴油 ; 十六烷值改进剂 ; 放热率 ; 排放中图分类号 : tk421. 6文献标志码 : a文章编号 : 1006 28740 ( 2005 ) 0120056206effec t of c e tan e num ber im prover on hea t re lea se ra te an d em iss ion s of h ighspeed d ie se l en g in e fue led w ith e than o l2d ie se l b len d fue ll x ing2ca i, zhan g w u2gao, yan g j ian2guang, huan g zhen( in stitu te of in te rna l com bu stion engine, shangha i j iao tong u n ive rsity, shangha i 200030 , ch ina)a b stra c t: the influence of ce tane num be r imp rove r on hea t re lea se ra te and em ission s of a h igh2sp eed d ie se l engine fue led w ith e thano l2d ie se l b lend fue l wa s inve stiga ted. d iffe ren t p e rcen tage s of ce tane num be r enhance r ( 0/00 , 0. 2/00 , 0. 4/00 ) we re added to b lend s, and the engine te sts we re p e rfo rm ed on a h igh sp eed d ie se l engine. the re su lts show tha t the engine powe r dec rea se s sligh tly; the the rm a l effic iency imp rove s rem a rkab ly, and the nox and smoke em ission s dec rea se sim u ltaneou sly when d ie se l engine is fue led w ith b lend s. b e side s, the engine powe r can be recove red, nox and smoke em ission s a re fu rthe r reduced when ce tane num be r imp rove r is added to b lend s. b y the com bu stion ana lysis, it can be found tha t the ign ition de lay p ro longs; the to ta l com bu stion du ra tion sho rten s, and the m axim um hea t re lea se ra te inc rea se s fo r e thano l2d ie se l b lend fue l when comp a red to d ie se l fue l; in add ition, the com bu stion cha rac te ristic s of e thano l2d ie se l b lend fue l a t la rge load m ay berecove red to d ie se l fue l by ce tane num be r imp rove r. howeve r a la rge d iffe rence still exists a t lowe r load.keyword s: d ie se l engine; e thano l2d ie se l b lend fue l; ce tane num be r imp rove r; hea t re lea se ra te; em ission由于乙醇是一种可以再生的生物能源 ,且含有较高比例的氧 ( 34. 8/00 ) ,因此乙醇在柴油机上的应用与 研究引起了人们的关注 14 . 但是乙醇在柴油机上的应用受到两个方面的困扰 : 一是乙醇与柴油的混合物遇水会发生相分离 ,而且乙醇容易吸水 ; 其二 ,乙醇的十六烷值很低 ,只有 5 8 单位左右 ,因此混合燃料的十六烷值会有很大程度的降低 ,这将严重影响柴油机 的燃烧与排放特性. 因此 ,解决乙醇和柴油的稳定互溶问题和恢复混合燃料的十六烷值是乙醇 2柴油燃料最重要的两个方面.3 收稿日期 : 2003 212 231.基金项目 : 国家自然科学基金 2福特基金资助项目 ( 50122166 ) ; 国家自然科学基金重点资助项目 ( 50136040 ) .作者简介 : 吕兴才 ( 1970 ) ,男 ,博士研究生 ,工程师 , lyuxc sjtu. edu. cn.2005年 2月吕兴才等 :十六烷值改进剂对乙醇 2柴油发动机放热率与排放的影响57基于上述原因 ,本文选择了一种乙醇柴油助溶剂和一种十六烷值改进剂 . 在混合燃料中加入一定量的 助溶剂可以得到稳定的混合燃料 ; 而在混合燃料中加入微量的十六烷值改进剂可以提高燃料的十六 烷 值( 0. 2/00的 十 六 烷 值 改 进 剂 提 高 十 六 烷 值 6. 5 8 单 位 ) . 本文在含 15/00乙醇的柴油中分别加入 0. 2/00、0. 4/00 的十六烷值改进剂以及不加入此改进剂的情况下 ,对柴油机不做任何调整时 ,分别测试了柴油机燃用柴油 和 3 种乙醇 2柴油的性能与排放指标 ,并对燃烧特性进 行详细的分析 ,以此来考察十六烷值改进剂对乙醇 2柴 油发动机的影响.乙醇柴油燃料的动力性有一定程度的下降 . 但是从图中可以看出 ,在混合燃料中加入十六烷值改进剂后 ,柴 油机的动力性降低程度有所减小 ,且十六烷值改进剂的量越大 ,发动 机的 动力 损 失越 小. 如 e15 2d ( 15/00乙醇 2柴油 ) 、e15 2d + 0. 2/00改进剂和 e15 2d + 0. 4/00改进剂 的最大转矩相对柴油分别降低了 10. 2 n m、8. 9 n m 和 7. 2 n m; 3 400 r /m in 下 3 种燃料分别降低了7. 9 n m、6. 1 n m 和 3. 9 n m. 一方面 ,由于没有 对燃油供给系统做相应的调整 ,最大油量受到限制 ,而 乙醇 2柴油的热值相对柴油降低 ,因此混合燃料的动力 性有少量损失 ;另一方面 ,在混合燃料中加入十六烷值 改进剂后 ,因混合燃料十六烷值降低而引起的燃烧品质变化得到明显改善 ,故含十六烷值改进剂的混合燃 料动力性更接近柴油 .1试验装置和试验方法试验是在一台 4 缸 、水冷 、自然吸气 、直接喷射式柴油机上进行的 ,发动机的主要结构参数见表 1. 主要 对发动机全负荷下的速度特性和标定转速 ( 3 400 r /m in)下的负荷特性进行了试验. 分别测量了发动机的 动力性 、经济性和排放指标. 试验中用 avl 4000 型五 气体排放分析仪分别测量废气中的一氧化碳 ( co ) 、二 氧化碳 ( co2 ) 、氮氧化物 (nox ) 、碳氢 ( hc ) 、氧气 (o2 ) 的浓度以及空燃比 ; 用佛山分析仪器厂生产的烟度仪测量废气波许烟度 ; 用 kistle r 6125a 型气缸压力传感 器测量气缸压力信号 ,经过 kistle r的 5015型电荷放大 器对信号放大 , 最后用日 本 yo ko gawa 公 司 gp2ib 型数据采集仪记录气缸压力. 测量气缸压力时 ,每次记 录 22 个循环 ,每个循环采样 1 440 个数据. 示功图为20个循环的气缸压力平均值 ,其转角信号和上止点信 号由安装在曲轴自由端的角标仪触发 .图 1 含有不同十六烷值改进剂的乙醇柴油和纯柴油的动力性比较由于乙醇的热值较低 ,只有柴油的 2 /3 左右 ,因此柴油机燃用混合燃料时 ,燃油消耗率会有所上升. 但是 从图 2所示的热效率比较来看 ,乙醇 2柴油的有效热效 率相对纯柴油显著提高 ,特别是在较低转速下. 在低于1 800 r /m in,柴油机燃用纯柴油时热效率有所降低 ,这 是因为在低速工况下进气涡流比很低 ,柴油与空气不能进行良好的混合 ,因而燃烧恶化 ; 采用乙醇柴油后 , 乙醇良好的蒸发 、雾化特性和含氧特性弥补了低速涡 流 比的不足 ,改善了燃烧品质 ,使燃烧更完全 ,因而有表 1 4缸柴油机的主要结构参数2乙醇柴油燃料的动力性和热效率图 1为含有不同十六烷值改进剂的乙醇 2柴油和纯柴油的动力性比较 . 由于没有对柴油机做任何调整 ,图 2 混合燃料和柴油的有效热效率比较 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 项 目参 数缸径 /mm 行程 /mm 排量 /l 压缩比标定功率 / kw最大转矩 / (n m )喷嘴开启压力 /m pa喷孔数 孔径 /mm981053. 16818. 558. 5 ( 3 400 r /m in)185 ( 2 400 2 600 r /m in)1950. 24燃烧科学与技术第 11卷 第 1期58效热效率明显提高.油中添加 0. 2/00的十六烷值改进剂后 ,过长的着火延迟得到显著改善 ,但是与纯柴油的着火时刻还是有一定 差距 ;当十六烷值改进剂的量增加到 0. 4/00时 ,在高负荷下乙醇 2柴油的着火时刻与纯柴油相当.图 3 ( b) ( d)为 3 400 r /m in 下几种燃料在各种 负荷下的放热率比较 . 当乙醇 2柴油的十六烷值改进剂 逐渐增加 ,着火始点 、最大瞬时放热率及其对应的曲轴转角 、总的燃烧持续期等随负荷有不同的变化趋势 ,下 面对这些燃烧参数进行详细的讨论 .3乙醇 2柴油燃料的放热率分析图 3给出了含有不同十六烷值改进剂的乙醇 2柴油和纯柴油在 3 400 r /m in 下平均有效压力为 0. 612m pa的示功图比较 ,以及各种燃料在平均有效压力分 别为 0. 612 m pa、0. 544 m pa和 0. 341 m pa时的瞬时放热率. 从示功图可以明显地看出 ,不含十六烷值改进剂的乙醇 2柴油着火时间比柴油明显延长 ; 当在乙醇 2柴( a) n = 3 400 r /m in, pm e = 0. 612 m pa时示功图( b) n = 3 400 r /m in, pm e = 0. 612 m pa时放热率( c) n = 3 400 r /m in, pm e = 0. 544 m pa时放热率( d) n = 3 400 r /m in, pm e = 0. 341 m pa时放热率图 3 十六烷值改进剂对乙醇 2柴油燃料的示功图和放热率的影响醇 2柴油的着火时刻不仅仅受到十六烷值的影响 ,还受到负荷 (缸内平均温度 )的影响 .图 4 ( b)给出了按照另外一种着火时刻定义 (累计图 4为 4种燃料的着火始点随平均有效压力的变化关系. 定义气缸的压力曲线和纯压缩线分离的时刻 为发动机的着火始点 i, 1见图 4 ( a) . 从图中可以看出 , 乙醇 2柴油 (无十六烷值改进剂 ) 的着火时刻相对柴油 有很大的推迟 ,当十六烷值改进剂量增加时 ,着火时刻 在大负荷下接近柴油 ;但在低负荷下 ,着火时刻与柴油 仍然有很大差距. 另外 ,纯柴油的着火时刻受负荷的影 响不大 ,而 3 种 乙 醇 2柴 油 的 着 火 时 刻 受 负 荷 影 响 很 大 ,特别是在低负荷下. 这主要是由于在大负荷下 ,缸 内温度较高 ,当乙醇 2柴油的十六烷值接近柴油时 ,着 火延迟得到改善 ;而在低负荷下 ,由于混合气比较稀 , 乙醇的汽化潜热大 ,缸内喷雾区温度比较低 ,靠十六烷 值改进剂来提高燃料的着火性 能效 果减 弱 . 因 此 , 乙放热率达到 5/00的时刻为着火始点 )的结果 ,乙醇柴i, 2油的着火始点随负荷的变化趋势和十六烷值改进剂对着火点的影响趋势类似于图 4 ( a) . 但是 ,可以注意到 , 含有十六烷值改进剂的乙醇 2柴油在高负荷下与纯柴 油的着火始点却有很大差距 ,与图 4 ( a)有很大差别 ,这说明乙醇柴油在燃烧开始时放热速率相对柴油要慢 得多.图 5为各种乙醇 2柴油燃料和柴油的燃烧持续期 随负荷的变化关系 . 定义累计放热率在 5/00 90/00之间 的曲轴转角为燃烧持续期 . 各种燃料的燃烧持续期随 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 2005年 2月吕兴才等 :十六烷值改进剂对乙醇 2柴油发动机放热率与排放的影响59柴油的最大瞬时放热率都比柴油小 ,而且最大放热率对应的曲轴转角相对柴油有明显的推迟. 另外 ,无十六 烷值改进剂的乙醇 2柴油在大负荷时的最大放热率比柴油高一些 ,对应最大放热率的曲轴转角比柴油推迟很多 ;当添加十六烷值改进剂后 ,乙醇 2柴油的最大放 热率稍微低于或接近纯柴油最大放热率 ,而且对应的 曲轴转角也与纯柴油相当 .( a) 着火始点 i, 1( a) 最大放热率( b) 着火始点 i, 2图 4 含不同十六烷值改进剂的乙醇 2柴油和纯柴油的 着火始点随平均有效压力的变化( b) 最大放热率时刻图 6 含不同十六烷改进剂的乙醇 2柴油和柴油的 最大放热率及对应的曲轴转角上面的分析和结果说明 ,在乙醇 2柴油中加入十六烷值改进剂后 ,大负荷下的燃烧性能可以恢复到纯柴 油水平 ,但是在中低负荷下 ,无论十六烷值改进剂的量 是多少 ,其燃烧特性与纯柴油仍然有很大的差别.图 5 含不同十六烷值改进剂的乙醇 2柴油和纯柴油的燃烧持续期比较负荷增加略有增加. 乙醇 2柴油的燃烧持续期相对柴油明显缩短 ,而随乙醇 2柴油中十六烷值改进剂的增加 ,燃烧持续期又逐渐增加 ,并慢慢接近纯柴油的水平 . 这 主要归结于乙醇良好的雾化特性 ,使混合燃料在缸内更容易形成均匀混合气 ,因此尽管乙醇 2柴油的着火推 迟 ,但是终燃时刻接近 ,乙醇 2柴油的燃烧持续期缩短 ;随十六烷值改进剂的增加 ,着火时刻接近柴油的着火 时刻 ,燃烧持续期也与柴油相当 .图 6为含有不同十六烷值改进剂的乙醇 2柴油和 纯柴油的最大瞬时放热率及其对应的曲轴转角随发动机平均有效压力的变化关系. 图中发现 ,无论乙醇 2柴 油中的十六烷值改进剂的量如何 ,在中低负荷下乙醇 24乙醇 2柴油燃料的排放特性图 7为具有不同十六烷值改进剂的 15/00乙醇 2柴油与柴油的烟度特性比较. 在外特性图 (图 7 ( a ) )上 ,由 于乙醇含氧和低沸点等特性能够改善燃料燃烧 ,从而使得烟度降低 . 但是比较 3 种乙醇 2柴油燃料发现 , 不 含十六烷值改进剂的乙醇 2柴油在外特性上烟度最低 , 随乙醇 2柴油中加入十六烷值改进剂后 ,烟度降低程度 有所减小 . 在负荷特性图 (图 7 ( b ) )上 ,中低负荷下燃 料 e15 2d + 0. 2/00十六烷值改进剂对烟度的影响不大 , 与柴油接近 ; 当乙醇 2柴油中加入 0. 4/00的十六烷值改 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 燃烧科学与技术第 11卷 第 1期60进剂后 ,中低负荷下烟度相对柴油略有上升 ;但是各种乙醇柴油燃料的烟度在高负荷下明显降低.在乙醇柴油燃料降低柴油烟度的同时 ,从图 8 可 以看出柴油机燃用乙醇柴油后 , nox 排放有明显的降 低 . 在图 8 ( a ) 中 , e15 2d 和 e15 2d + 0. 2/00改进剂两种/0燃料的 nox 排放在整个柴油机转速范围内下降了 5 015/00 ;当 15/00乙醇柴油中的十六烷值改进剂含量达到0. 4/00时 , no 排放相对纯柴油降低了 10/00 16/00. 在图 8x( b)中可以发现 ,燃用乙醇柴油混合燃料的 nox 排放在各种负荷下相对柴油都有所降低 ; 另一方面 , 15/00乙( a) 全负荷速度特性醇柴油中的十六烷值改进剂增加到 0. 4/00时 , no 排放x在低负荷时与纯柴油相当 ,但是随负荷的增加 nox 降低程度逐渐增加 ,在中高负荷下可以降低 20/00. 由于乙 醇含氧 ,加上它的沸点和黏度较低 ,因此燃料空气混合 均匀 ,局部过浓混合区减少 ,因此缸内高温区域减小 ; 另外因混合燃料的燃烧持续期缩短 ,也可以使 nox 的 产生受到抑制. 因此 , 乙醇柴油燃料的 nox 排放在各种工况下相对柴油都有一定的降低 .图 9和图 10 分别为 3 种乙醇 2柴油燃料和柴油在3 400 r /m in下各种负荷的 co 和 hc 排放比较. 乙醇 2 柴油的 co 在中低负荷下相对柴油明显升高 ,特别是 对不含十六烷值改进剂的乙醇 2柴油 ; 随混合燃料中十六烷值改进剂的加入 ,中低负荷下 co 增加量减少 ;在( b) 负荷特性 ( 3 400 r /m in)十六烷值改进剂对乙醇 2柴油发动机的烟度 r 影响图 7( a) 全负荷速度特性图 9 3 400 r /m in 下 co 排放的负荷特性( b) 负荷特性 ( 3 400 r /m in)图 8 十六烷值改进剂对乙醇柴油发动机no x 排放的影响图 10 3 400 r /m in 下 hc 排放的负荷特性 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 2005年 2月吕兴才等 :十六烷值改进剂对乙醇 2柴油发动机放热率与排放的影响61接近于全负荷的范围内 , 3 种乙醇 2柴油的 co 排放相对柴油有所降低. 从图 10 中看出 ,在乙醇 2柴油中不加 或加入少量 ( 0. 2/00 ) 改进剂 , hc 排放在各个工况下都有所增加 ,当十六烷值改进剂增加到 0. 4/00时 , hc 排放与柴油相当 .乙醇 2柴油燃料由于乙醇的沸点低 、容易挥发 ,因 而中低负荷下 co 和 hc排放增加. 但是通过上面分析发现 ,当乙醇 2柴油中十六烷值改进剂增加到一定比例 后 hc和 co 排放明显改善 ,与纯柴油排放差别不大 .缩短.( 4 )乙醇 2柴油中加入一定量的十六烷值改进剂( 0. 2/00和 0. 4/00 ) ,中高负荷的燃烧特性可以恢复到原柴 油机的水平 ,但是在低负荷下与纯柴油仍然有一定的 差别.参考文献 :r ae a lan. u sa e2d ie se l: a n imm ed ia te & p rac tica l a ir qua li2ty and ene rgy secu rity so lu tion a . in: p roceed ings of the14 th in terna tiona l s ym posium on a lcohol fuels ( isa f x iv ) c . phuke t, tha iland, 2002.a ham ed irshad. e2d ie se l: a u s exp e rience on the deve lop 2 m en t and comm e rc ia liza tion of e thano l2b lend enginee red fu2 e ls a . in: p roceed ings of the 14 th in