柴油机论文关于柴油机论文

柴油机论文关于柴油机论文乙醇柴油混合燃料在柴油机上的应用摘 要：为降低柴油机的废气排放，研究含氧代用燃料乙醇对柴油机废气排放以及经济性的影响.通过对燃用乙醇含量不同的乙醇柴油混合燃料的柴油机排放情况和经济性的对比试验得出：适当配比的乙醇柴油混合燃料能有效改善柴油机的有害气体排放性能,特别是能明显降低柴油机的碳烟排放,且柴油机的烟度随乙醇含量的增加而明显降低；添加乙醇能改善发动机燃料的经济性，而对发动机的动力性没有明显影响. 关键词：柴油机； 废气排放； 含氧燃料； 乙醇柴油混合燃料 Application of ethanol-diesel fuel mixture to diesel engine ZHU Jianyuan1, HONG Liang2 (1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China; 2. Shanghai Branch, China Classification Society, Shanghai 200135, China) Abstract：In order to reduce the diesel engine exhaust emission, the effects of oxygenated fuel ethanol on exhaust emission and fuel efficiency of diesel engine is researched. Contrast experiments are conducted on exhaust emission and fuel efficiency of diesel engine which burns ethanol-diesel fuel mixture with different ethanol additive. Results show that suitable additive amount of ethanol can reduce the exhaust emission of diesel engine effectively, especially for soot reduction, and the amount of soot emission decreases when the amount of ethanol additive increases. Adding ethanol additive into diesel oil can improve the engine fuel efficiency, while the engine power is hardly influenced. Key words：diesel engine; exhaust emission; oxygenated fuel; ethanol-diesel fuel mixture 收稿日期：2009-10-11 修回日期：2010-08-27 基金项目：上海市教育委员会科技基金（06FZ039） 作者简介：朱建元(1946），男，江苏无锡人，教授，硕士，主要研究方向为轮机工程、柴油机振动噪声和排放控制，（E-mail）zhujy86 0 引 言 柴油机作为热效率最高的发动机一直受到高度重视.近几年来，柴油机废气排放要求的日益严格对柴油机的代用燃料和低排放燃烧研究提出新的挑战.发展新型清洁含氧代用燃料，对改善柴油机的性能、降低对石油资源的依赖性和保证能源安全具有重大意义.含氧燃料的特性与柴油十分相似，只是分子结构中存在氧，因此很多含氧燃料被用于减少柴油机的废气排放. 以乙醇为代表的醇类燃料，具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低等特点.醇类燃料自身含氧，在发动机中燃烧可提高氧燃比，使发动机的CO排放比汽油和柴油少，并减少碳烟排放1-3；另外，因其汽化潜热高，可降低发动机的进气温度，提高充气效率，降低最高燃烧温度，减少发动机的NOx排放4-5.乙醇柴油混合燃料能有效减少柴油机的碳烟和微粒排放6-8，同时可有效减少对柴油的需求量，因此有望成为一种新的柴油机清洁代用混合燃料. 本文主要以含氧燃料乙醇作为柴油的添加剂，通过对乙醇添加量不同的乙醇柴油混合燃料的柴油机排放情况和经济性的对比试验及分析，对乙醇在柴油机上应用的可行性作出评价. 1 试验装置及设备 试验在D6114柴油机上进行.该机为6缸直列式废气涡轮增压中冷四冲程柴油机，缸径 114 mm，活塞行程 135 mm，额定转速 2 200 r/min，额定功率 184 kW,压缩比16.8.该机采用缩口型直喷式燃烧室，供油提前角 14 CA BTDC，喷油器喷孔直径0.27 mm， 5孔，启喷压力29.0 MPa.试验中未对柴油机燃油供给和喷射系统的结构作任何改造. 当D6114柴油机转速为2 200 r/min时，对乙醇体积占燃料总体积分别为5%，10%，15%和20%的乙醇柴油混合燃料发动机与纯柴油燃料发动机的负荷特性进行对比试验, 研究各种比例的乙醇柴油混合燃料对柴油机排放性能和经济性的影响.为便于表述,以下分别将乙醇体积占燃料总体积5，10，15和20的混合燃料简记为E5-D，E10-D，E15-D和E20-D. 排气采集分析装置主要包括烟度计和有害气体排放分析仪.有害气体排放分析仪器的主要作用是测量分析发动机排气中HC，CO和NOx的含量.烟度测量采用FQD-102排气烟度计，最小刻度为 0.1 Rb.气体排放测量采用AVL LIST公司的气体排放仪AVLCEBII和颗粒分析仪AVL472, 其具体参数及指标见AVL LIST公司的AVL气体分析仪简易使用手册和AVL 472颗粒分析仪简易使用手册. 2 乙醇添加量对气体排放的影响 2.1 乙醇添加量对烟度的影响 当D6114柴油机转速为2 200 r/min时比较E5-D，E10-D，E15-D，E20-D以及纯柴油燃料柴油机的排气烟度.当柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时(试验中最大功率保持不变)乙醇添加量对柴油机烟度的影响(使用E20-D时，柴油机的烟度降低非常明显，故图中未标出)，见图1. 图1 不同负荷时乙醇添加量对柴油机烟度排放的影响 由图1可知，在中高负荷(85%额定功率)下，柴油中添加乙醇能明显降低烟度，并且随着乙醇添加量的增加，烟度进一步减小.这是由于醇类燃料自身含氧，在柴油机中燃烧可提高氧燃比，加快燃烧速度并使燃烧更完全, 从而使烟度降低. 在低负荷(50%额定功率)下出现多种情况：当乙醇添加量为5时，随着负荷的增加，柴油机的烟度升高（约0.5 Rb）；当乙醇添加量为10时，随着负荷的增加，柴油机的烟度先增加后减少；当乙醇添加量为15时，柴油机的烟度随负荷的增加而下降.在各负荷下，烟度平均降低50. 低乙醇添加量的混合燃料在低负荷时烟度上升的原因可能是：混合燃料的汽化潜热较大，低负荷时燃烧温度降低导致部分燃料未充分燃烧. 2.2 乙醇添加量对CO排放的影响 当D6114柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时，乙醇添加量对柴油机CO排放的影响见图2. 图2 不同负荷时乙醇添加量对柴油机CO排放的影响 从图2可知,在将乙醇作为燃料添加剂时，柴油机CO排放在中低负荷时增加，而当负荷达到额定功率的75%和100%时，柴油机CO排放显著降低，尤其是E10-D柴油机在负荷为100额定功率时CO排放降低 48.9%, E15-D柴油机在负荷为100%额定功率时降低30左右. 乙醇柴油混合燃料发动机在中高负荷下CO排放减少的主要原因有：（1）含氧量的增加，使燃料的燃烧反应更充分，该因素的影响程度超过汽化潜热引起的温度降低程度.（2）低碳链的乙醇燃料更容易氧化燃烧.在中低负荷下，由于汽化潜热增大导致缸内温度降低，引起不完全燃烧产物增多，乙醇作为低碳燃料的影响超过含氧量增大的影响. 2.3 乙醇含量对NOx排放的影响 当D6114柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时，乙醇添加量对柴油机NOx排放的影响见图3. 图3 不同负荷时乙醇添加量对柴油机NOx排放的影响 由图3可知，在中低负荷(75%额定功率）时，乙醇柴油混合燃料使得柴油机NOx排放减少，但是在满负荷时NOx排放有所增加，其中：当负荷为额定功率的10%时，NOx排放减少约50；当负荷为额定功率的50%时，NOx排放减少约35；当负荷为额定功率的75%时，NOx排放仅减少约5.还有一点值得注意：E10-D柴油机在中低负荷时NOx排放低于E15-D柴油机，但在满负荷的工况下NOx排放高于E15-D柴油机. NOx排放改变的主要原因如下：柴油机排放的氮氧化物主要是NO，而NO的生成强烈依赖于温度,化学动力学研究表明，当反应物温度从2 500 K提高到2 600 K时，NO的生成速率几乎翻一番.氧浓度提高也能使NO的生成速率加快.低负荷时，柴油机燃气温度低，乙醇汽化潜热大的原因导致燃气温度更低，因而NOx排放减少；而高负荷时，乙醇自带的氧使柴油机燃气中的氧浓度增加、燃烧速率加快、燃烧温度也更高，因而NOx排放增加. 2.4 乙醇添加量对HC排放的影响 当D6114柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时，乙醇添加量对柴油机HC排放的影响见图4.由图4可知, 在各种负荷下乙醇柴油混合燃料柴油机HC排放量都比纯柴油燃料柴油机高，尤其是当柴油机负荷为额定功率的10%时HC排放增加100；乙醇柴油混合燃料柴油机相对于纯柴油燃料柴油机HC排放的增加量随负荷的增加而逐渐减少.其原因在于：乙醇汽化潜热高,且容易挥发，引起柴油机缸内温度降低；同时高速工况下可燃混合物的燃烧绝对时间短，部分可燃混合气不能完全氧化，因而HC排放增加. 图4 不同负荷时乙醇添加量对柴油机HC排放的影响 3 乙醇添加量对柴油机燃料经济性的影响为研究乙醇添加量对柴油机经济性的影响，须了解乙醇柴油混合燃料的热效率随乙醇添加量的变化情况.当D6114柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时，乙醇添加量不同的混合燃料的有效热效率比较见图5. 图5 乙醇添加量对混合燃料有效热效率的影响 由图5可知, 以纯柴油的热效率为基准，在低负荷时乙醇柴油混合燃料的有效热效率降低；而在中高负荷时，乙醇柴油混合燃料的有效热效率上升.平均有效热效率提高1%2，特别是在高负荷时，热效率提高效果显著.热效率升高主要由两个方面的原因引起：(1)乙醇是含氧燃料，燃烧时可以自供氧，特别是中高负荷时，燃料富集区乙醇体积分数越高则氧含量相对越高，燃料燃烧更完全；(2)由于乙醇的沸点很低，混合燃料喷射到气缸后容易汽化，加之乙醇柴油混合燃料的黏度和表面张力较小，可有效改善燃料的雾化质量，使油气混合更均匀. 由图5还可以看到，热效率最高的E20-D在低负荷段（25额定功率区）热效率降幅较大（约降低3），其原因在于：乙醇的汽化潜热较高，低负荷工况使发动机缸内温度进一步降低，低负荷时过量空气系数大，柴油机高速运转时可燃混合气的绝对燃烧时间缩短，导致乙醇添加量多的混合燃料燃烧反而不如纯柴油燃料燃烧完全，燃烧速度减慢，有效燃烧期难以集中在燃烧上止点附近，可燃混合气的做功能力降低，混合燃料发动机的热效率从而也降低. 4 结 论 通过对乙醇添加量不同的乙醇柴油混合燃料以及纯柴油燃料在D6114柴油机上的对比试验，得到如下结论： (1)适当配比的乙醇柴油混合燃料能有效改善柴油发动机的热效率.以燃用柴油的热效率为基准，在低负荷时，乙醇柴油混合燃料的有效热效率有所降低；而在中高负荷时，乙醇柴油混合燃料的有效热效率上升，有效热效率平均提高1%2，特别是在高负荷时，热效率改变效果显著. (2)适当配比的乙醇柴油混合燃料能有效改善柴油发动机的有害气体排放性能，降低碳烟排放效果尤其明显.柴油机的碳烟排放随乙醇添加量的增加呈单调下降的趋势. (3)乙醇等醇类燃料作为可再生的内燃机代用燃料对降低内燃机对石油的依赖以及改善大气环境具有重要意义. 参考文献： 1郭瑞莲, 纪威. 乙醇柴油混合燃料的应用研究进展J. 内燃机与动力装置, 2006(1): 39-43. 2陈虎, 陈文淼, 王建昕, 等. 柴油机燃用乙醇柴油含氧燃料时微粒特性的分析J. 内燃机学报, 2005(4): 22-27. 3何邦全, 王建昕. 乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃烧与排放特性J. 内燃机学报, 2005(4): 58-62. 4方显忠, 刘巽俊, 李国良, 等. 压燃式发动机燃用柴油乙醇的研究J. 农业机械学报, 2005(3): 36-38. 5李冠峰, 胡知, 陈亮, 等. 柴油乙醇混合燃料直接在柴油机上使用的试验研究J. 内燃机, 2004(3): 10-13. 6HE Bangquan,WANG Jianxin,YAN Xiaoguang, et al. Study on combustion and emission characteristics of diesel engines using ethanol blended diesed fuelsJ. SAE 2003 World Congress & Exhibition, 2003-01-0762. 7KREME F G, FACHETTI A. Alcohol as automotive fuel-brazilian experienceJ. CEC/SAE Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exposition, 2000:2000-01-1965. 8NURUN Md N, MINAMI M, OGAWA H, et al. Ultra low emission and high performance diesel combustion with highly oxygenated fuelJ. SAE 2000 World Congress, 2000-01-0231.