乙醇/生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒過(guò)程與排放特性的研究

第26卷(2008)第2期內燃機學(xué)報Transactions of CSICEvol.26(2008)N.2文章編號:1000-0909(2008)02-0140-0726021乙醇/生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒過(guò)程與排放特性的研究呂興才,馬駿駿,吉麗斌,黃震(上海交通大學(xué)動(dòng)力機械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,上海200240摘要:研究了氣口預噴射乙醇、缸內直噴生物柴油雙燃料系統的燃燒特性和排放特性。研究表明,隨著(zhù)乙醇預混合比的增加著(zhù)火時(shí)刻推遲,峰值放熱率增加。在較小的總當量比下,峰值放熱率增加幅度不大,最大氣缸壓力和最高溫度降低,放熱結束時(shí)刻差別較小。在較大的當量比下,燃燒持續時(shí)間拉長(cháng);但隨著(zhù)乙醇比例的增加峰值放熱率增加很快,放熱結束時(shí)刻顯著(zhù)提前,最大壓力升高率在預混合比例為20%~40%的某點(diǎn)達到極值,此時(shí)熱效率最高。乙醇的加入使得HC和CO排放明顯增加,但是卻使得NO,和碳煙排放同時(shí)大幅度下降。在1800r/min的各種負荷下,NO,和碳煙排放相對純生物柴油降低35%~85%關(guān)鍵詞:生物柴油;乙醇;雙燃料發(fā)動(dòng)機;燃燒;排放中圖分類(lèi)號:TK421文獻標志碼:AAn Experimental Study on the Combustion Characteristics and Emissions ofEthanol Bio-Diesel Dual Fuel Combustion EnginesLi Xing- cai, MA Jun-jun, JI Li-bin, HUANG ZhenKey Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of EducationShanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract: In this study, the combustion and emission characteristics of a dual fuel engine using direct injection of bio-diesel and port injection of ethanol were investigated. The heat release analysis shows thatthe introduction of ethanol fuel bytongslightcreasing in the maximum heat release rate. For a fixed leaner fuel/ air mixture, the peak value of the heatgas pressure and in-cyliThe indicated thermal efficiency decreases with the increase of ethanol proportion. For a rich fuel air mix-tureIncreaseleads to a rapid increase in the maximum heat release rate, and thecombustion duration decreases. The maximum value of heat release rate and the indicated thermal efficiency reach their peak value at the ethanol ratio between 20%-40%. The introduction of the ethanol fuel byport injection leads to the decrease in NO, emission and smoke opacity decreases by 35%-85% for thevestigated operating conditionsKeywords: Bio-diesel; Ethanol; Dual fuel combustion engine; Combustion; Emission引言再生燃料在美國和歐洲開(kāi)始進(jìn)人應用領(lǐng)域,國內也開(kāi)始了大量的研究1-2)。研究表明,用生物柴油部分或為了解決目前的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題,尋求者完全替代柴油作為柴油機燃料,發(fā)動(dòng)機的熱效率與清潔可再生的車(chē)用替代燃料受到越來(lái)越廣泛的重視。柴油相當燃油消耗率由于熱值低的原因而稍微升高,生物柴油,一種可以用來(lái)完全或者部分替代柴油的可但是中國煤化工降低0%左右,CNMHG收稿日期:2007-04-07;修回日期:2007-07-28?；痦椖?上海市自然科學(xué)基金資助項目(06ZR4045)。作者簡(jiǎn)介:呂興才,博土, E-mail:lyuc@sju,edu2008年3月目興才等:乙醇/生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒過(guò)程與排放特性的研究瞬態(tài)和穩態(tài)工況下的煙度大幅度降低25%~70%,試驗釆用雙燃料燃燒系統,乙醇通過(guò)安裝在進(jìn)氣降低25%-50%,常規和非常規碳氫排放總量很低,但管處的汽油噴嘴供給,噴射時(shí)刻和噴射量由電控單元是有一個(gè)明顯的弊端,就是所有生物柴油發(fā)動(dòng)機的控制;生物柴油采用原柴油機的噴射系統直接噴入氣NO2排放都有不同程度的上升缸。碳氫(HC)排放、氧的濃度、CO、二氧化碳(CO2)、為了揭示生物柴油發(fā)動(dòng)機NO.排放升高的機理,NO,通過(guò)氣體分析儀進(jìn)行測量。煙度采用AVL439進(jìn)Lehman6研究了由于生物柴油的壓縮彈性模數變化行測量。氣缸壓力采用 Kistler的6125A型傳感器,采而引起的動(dòng)態(tài)噴射時(shí)刻的變化。 McCormick則在重樣間隔為0.25°CA,每個(gè)試驗點(diǎn)采集50個(gè)循環(huán)進(jìn)行示型柴油機上考察了生物柴油的分子結構特別是脂肪功圖平均不失一般性。本文所有試驗是在固定轉速酸鏈長(cháng)度和不飽和鍵個(gè)數對NO.和PM排放的影響。為1800r/min下進(jìn)行。lee③認為十六烷值較高使得著(zhù)火延遲期縮短、燃料含氧促進(jìn)燃燒,最終導致燃燒溫度升高,使得NO,排放2結果與分析增加。對乙醇一生物柴油雙燃料燃燒系統,由于兩者的此外, Agarwal1對EGR降低生物柴油發(fā)動(dòng)機的熱值不同,因此定義了預混合比(P1)來(lái)表示進(jìn)氣口噴NO.排放進(jìn)行了試驗研究; Fernando考察了生物柴射的乙醇熱值占總燃料(乙醇和生物柴油之和)熱值油NO,產(chǎn)生的化學(xué)機理并分析了NO,的有效降低途的比為徑;Nab.用EGR技術(shù)將生物柴油發(fā)動(dòng)機的NO降低到原柴油機的水平。Hes2根據NO,的產(chǎn)生機X100%理提出了在生物柴油中加入適量的抗氧化劑,通過(guò)控mBpAuBd +meHu制NO,缸內高溫生成途徑的方式來(lái)降低NO,排放。式中:h和m分別為乙醇和生物柴油的循環(huán)消耗量,這些措施能夠在一定程度上減少生物柴油NO,排放H和Hm分別是它們的低熱值。升高幅度,但是不能從根本上大幅度降低NO,排放。在下面的分析中,分別定義了著(zhù)火時(shí)刻61為示功由于乙醇也是一種可再生的含氧生物燃料來(lái)源廣泛,圖與純壓縮線(xiàn)分離的時(shí)刻;放熱中心時(shí)刻B2(CA50)為并已經(jīng)在汽油機上大量應用在柴油機的應用也得到累計放熱達到燃料總熱值的50%;放熱結束時(shí)刻為了詳細研究;另外,乙醇具有很高的汽化潛熱用乙醇累計放熱量達到90%。作為燃料可以降低發(fā)動(dòng)機壓縮終了的溫度,抑制最高圖1為在兩種燃空當量比(中)下,乙醇預噴射比燃燒溫度。為此本文嘗試采用雙燃料系統將乙醇和例對雙燃料發(fā)動(dòng)機的缸內壓力瞬時(shí)放熱率、以及缸內生物柴油兩種燃料分別通過(guò)進(jìn)氣管?chē)娚浜透變戎眹姷臍怏w平均溫度的影響。在圖1a~圖1c中,隨著(zhù)進(jìn)氣方式供給燃料以期望同時(shí)大幅度降低生物柴油發(fā)動(dòng)噴射乙醇增加,著(zhù)火延遲增加,最大氣缸壓力和最高燃機的碳煙和NO.排放。燒溫度降低,但是最大放熱率卻有所增加。1試驗系統然而在圖1d~圖If中,雖然隨著(zhù)預混合燃料增加著(zhù)火時(shí)刻仍然推遲,峰值放熱率有所增加,但是最大氣試驗發(fā)動(dòng)機為單缸自然吸氣柴油機,發(fā)動(dòng)機的基缸壓力隨著(zhù)乙醇比例的增加先增加后降低,最大缸內本參數見(jiàn)表1。氣體平均溫度也是隨著(zhù)預混合比的增加而略微增加然表1試驗發(fā)動(dòng)機的主要結構參數后再降低。Tab. 1 Specifications of single-cylinder diesel engine缸徑/mm行程/排量幾L0.782燃燒室形式進(jìn)氣門(mén)開(kāi)/° CA BTDCP增加進(jìn)氣門(mén)關(guān)/° CA ABDC壓縮比18.5:1中國煤化工噴嘴開(kāi)啟壓力/MPa供油提前角/° CA BTDCCNMHG排氣門(mén)開(kāi)/ CA BBDC0排氣門(mén)關(guān)/° CA ATDC曲軸轉角CAa)壓力(中=0.49)142內燃機學(xué)報第26卷第2期2500008}P=62%8006P,=4P=34%1500P增加P=22%10曲軸轉角戶(hù)CA曲軸轉角CAb)放熱率(小=0.49)f)溫度(d=0.62)圖1乙醇噴射量對雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒特性的影響2500Fig 1 Effects of Pi on combustion charact由于乙醇的辛烷值較高而不容易自燃著(zhù)火,汽化潛熱較高導致壓縮終了的溫度降低,從而使得著(zhù)火時(shí)?增加刻推遲。乙醇一生物柴油雙燃料燃燒過(guò)程是生物柴油點(diǎn)燃乙醇混合氣的過(guò)程,因此乙醇/生物柴油的相對比例將顯著(zhù)影響缸內燃燒特性,從而改變發(fā)動(dòng)機的各種有害物排放。為此下面對乙醇一生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)20-10曲軸轉角尸CA機的燃燒特性和排放特性進(jìn)行詳細分析。)溫度(中=0.49)圖2顯示了在多種燃空當量比下,不同預混合比時(shí)著(zhù)火時(shí)刻、放熱中心以及放熱結束時(shí)刻的比較。從這些圖中可以發(fā)現:1)在任何當量比下,隨著(zhù)進(jìn)氣噴射乙醇比例的增加,發(fā)動(dòng)機著(zhù)火明顯推遲;2)在某固定當量比下,放熱中心時(shí)刻隨乙醇的增加略微推遲但是推遲角度不大;3)燃燒持續期(63-61)總是隨著(zhù)47%燃空當量的增加而顯著(zhù)拉長(cháng);4)整個(gè)燃燒過(guò)程中預混P=56%合燃燒持續時(shí)間(B2-B1)隨著(zhù)乙醇比例的增加而縮短,但是隨著(zhù)整個(gè)燃空當量比的增加而延長(cháng);5)在小的燃空當量比下(圖2a和圖2b),乙醇預混合比對整0-10個(gè)燃燒的結束時(shí)刻影響不大;而在較高的燃空當量下曲軸轉角尸°CA(圖2c和圖2d),放熱率結束時(shí)刻隨著(zhù)乙醇比例的增d)壓力(中=0.62)加明顯提前。60P=56%004P260.020.00P=0中國煤化工曲軸轉角PCACNMHG SO 6070e)放熱率(d=0.62)a)d=0.2008年3月呂興才等:乙醇/生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒過(guò)程與排放特性的研究143息鬃長(cháng)一中0.45√s62曲軸轉角/cAP/%b)中=0.53長(cháng)p045A=03-062曲軸轉角/°cA)中=0.62圖3預混合比對最大放熱率及其對應時(shí)刻的影響Fig 3 The maximum value of heat release rate and its圖4為雙燃料燃燒模式下在各種當量比時(shí)乙醇預混合比例對最大壓力升高率及其對應時(shí)刻的影響。很顯然,在各種當量比下,隨著(zhù)乙醇的增加,最大壓力升高率先增加然后開(kāi)始大幅度降低。在幾種當量比下,預混合比例在20%~40%壓力升高率最大。當預混合曲軸轉角/°cA比例達到50%~60%以后,下降幅度較大。這是因為乙醇加入后,著(zhù)火時(shí)刻延遲,預混合的可燃氣體質(zhì)量增圖2乙醇一生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機的著(zhù)火時(shí)刻、CA50、加,峰值放熱率增加,因此最大壓力升高率隨著(zhù)乙醇引放熱結束時(shí)刻的比較入而增加。但是由于著(zhù)火時(shí)刻和整個(gè)燃燒過(guò)程發(fā)生在Fig 2 Combustion phasing CA50 and CA9O of the biodieselfueled engine with port injection of ethanol膨脹行程,當預混合比例過(guò)高,著(zhù)火延遲時(shí)刻較長(cháng),盡at various equivalence ratios圖3是各種當量比下,乙醇預混合比對最大放熱率以及對應時(shí)刻的影響。從圖3中可以看出,純生物柴油的最大峰值放熱率隨著(zhù)燃空當量比的增加而減小,峰值對應時(shí)刻則是中=045隨當量比的增加而提前。在小的總燃空當量比下,最中國煤化工-062大峰值放熱率隨著(zhù)乙醇預混合比例的增加緩慢增加,CNMHG=0.68峰值放熱率時(shí)刻逐漸推遲;在較大的當量比下,峰值放熱率隨乙醇比例的增加而快速增加,峰值放熱時(shí)刻推遲速度也很快。144內燃機學(xué)報第26卷第2期柴油小。而在高的當量比下,氣缸壓力在較小的預混合比例下幾乎沒(méi)有明顯變化,而在某一比例下氣缸壓&堿力顯著(zhù)增加,之后再次減小;而高當量比下的燃燒溫度幾乎是成線(xiàn)性隨乙醇比例增加而增加;到最大溫度后◆045開(kāi)始下降。D中0.53圖6給出了幾種當量比下不同乙醇/生物柴油時(shí)●一中=062的平均指示壓力。在小當量比(0.45時(shí)),隨著(zhù)乙醇☆9=068的加入,平均指示壓力成下降的趨勢;而隨著(zhù)總的燃空當量比增加,平均指示壓力(IMEP)總是先逐漸增加再降低。圖4預混合比對最大壓力升高率及對應時(shí)刻影響mum pressure rise rate and its crankangle versus P管最大放熱率峰值仍然很高,但是由于膨脹過(guò)程中壓R06力溫度降低,導致擴散過(guò)程的燃燒速率大幅度減緩,引中=045起燃燒拉長(cháng),最大壓力升高率降低。φ=053圖5為預混合比例對最大燃燒壓力和最高缸內氣=0.62體平均溫度的影響。在較小當量比下,乙醇增加后著(zhù)010203040506070火延遲,使得最大氣缸壓力和缸內平均溫度比純生物圖6相同總當量比下預混合比對平均指示壓力的影響Fig. 6 The indicated mean effective pressure versusP at various equivalence ratios圖7為乙醇預混合比例對指示熱效率的影響。盡管對純生物柴油,當量比大于0.45以后,指示熱效率p=045開(kāi)始降低,但是乙醇加入后卻引起熱效率的明顯變化。對當量比為045的工況,乙醇的加入使得指示62☆一φ0.68熱效率顯著(zhù)減小;而對當量比大于0.45的工況,指示1020304050熱效率總是隨著(zhù)乙醇比例的增加先逐漸增加到最大值,然后開(kāi)始降低,并且最大熱效率增加的幅度隨總當量比的增加而增大。另外圖中也可以看出,對所有2500當量比,過(guò)大的預混合比將使得熱效率顯著(zhù)惡化。2000··令一令一410-◆04令◆0.53500F -p=0.62令一φ=0.68p=0451054◆053◆0621中國煤化工圖5預混合比對雙燃料發(fā)動(dòng)機最大氣缸壓力和最高缸內氣體平均溫度的影響CNMH小效率的影響Flg. 5 The maximum in-cylinder pressure and mean gaFig. 7 The indicated thermal efriciency as a function ofpressure as a function of premixed ratio of ethanolPi for different equivalence ratios08年3月呂興才等:乙醇/生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒過(guò)程與排放特性的研究145圖8為各種當量比下乙醇預混合比對發(fā)動(dòng)機常規∮0.45排放的影響。純生物柴油下的HC和CO排放相當低=0.53加入乙醇后則有不同程度的增加。在當量比為0.45HC排放隨乙醇預混合的增加成線(xiàn)性上升,而其它3種當量比下的規律卻不同:預混合比在20%以下時(shí),HC排放顯著(zhù)增加;預混合比繼續增大,HC排放增長(cháng)速率放緩;預混合比大于40%以后,HC排放開(kāi)始降低,并在某一比例達到極低,之后再次增加。CO排放規律與HC排放有所差別,對每種當量比的CO排放總是隨乙醇比例增加而增加;當然高當量比下的CO排放增加幅度較小。8預混合比對乙醇一生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機排放特性生物柴油具有較高的NO,排放,并且隨著(zhù)當量比的影響增加而顯著(zhù)增加。但是從上圖中可以看出,在各種當Fig 8 Effects of P on emissions of the biodiesel fueled一◆=045p=0.62量比下隨著(zhù)乙醇的加入引起NO,排放顯著(zhù)降低。如中=0.68乙醇預混合比在20%左右時(shí),總當量比在0.45的工況NO,降低了75%,當量比為0.62降低了50%,而當量比為0.68則降低了約35%;預混合比例在55%60%時(shí),總當量比在0.45的工況NO,降低了83%,當量比為0.62的工況降低了67%,而當量比為0.68的工況則降低了約55%從圖8看出,采用乙醇/生物柴油雙燃料模式后發(fā)動(dòng)機的煙度能夠更進(jìn)一步降低。比如,當乙醇預混合比在18%~22%,總的當量比在0.45~0.68時(shí)煙度中=0.45中=0.53可以降低35%、38%、44%、51%;當乙醇預混合比在03≠0.6855%~60%,總的當量比在0.45~0.68時(shí)煙度可以降低75%、83%、83%、83%。對乙醇/生物柴油雙燃料系統,一方面乙醇參加燃燒后局部氧濃度增加,另外混合氣分布更加均勻,從而導致煙度排放的大幅度降且從圖9可以看出,乙醇/生物柴油雙燃料系φ=045φ=062P增加400500中國煤化工CN MHGNO,→碳煙排放關(guān)系內燃機學(xué)報第26卷第2期統改變了傳統柴油機NO,-PM排放的“ trade-o"關(guān)系onversion and Management, 2006, 47(18/19): 3272-使得NO,和碳煙排放同時(shí)大幅度降低。[4] Labeckas G, Slavinskas S. The EHect of Rapeseed Oil結論Methyl Ester on Direct Injection Diesel Engine Performance(1)隨著(zhù)乙醇預混合比的增加著(zhù)火時(shí)刻明顯推and Exhaust Emissions [J]. Energy Conversion and Man-遲,但是達到50%放熱的時(shí)刻推遲幅度很小,而放熱agement,2006,47(13/14):1954-1967.結束時(shí)刻在小當量比下差別不大,在大的當量比下燃[5] Knothe G, Sharp A, Ryan T W. Exhaust Emissions ofBiodiesel, Petrodiesel, Neat Methyl Esters, and Alkanes in燒持續時(shí)間拉長(cháng),但是放熱結束時(shí)刻顯著(zhù)提前。a New Technology Engine [J]. Energy and Fuels, 2006,202)隨著(zhù)當量比的增加,峰值放熱率減小,對(1):403-408應時(shí)刻提前;隨著(zhù)乙醇預混合比增加,低當量比下的[6] Boehman A, David m, Szybist J. The Impact of the Bulk峰值放熱率增加不大,而大當量比下卻快速增加。最Modulus of Diesel Fuels on Fuel Injection Timing [J]. En大壓力升高率隨乙醇的增加而增加,到20%-40%的rgy and Fuels,2004,18(6):1877-1882某一比例達到極值,然后開(kāi)始降低。[7 McCormick R, Graboski M, Alleman T, et al. Impact of(3)小當量比下隨著(zhù)乙醇的加入使得平均指示Biodiesel Source Material and Chemical Structure on Emis-熱效率成線(xiàn)性下降;而在大當量比下,指示熱效率隨sions of Criteria Pollutions from a Heavy-Duty Engine [J]Environmental Science and Technology, 2001, 35(9):乙醇的增加而增加,達到極值后開(kāi)始降低,并且最大1742-1747熱效率增加的程度隨整個(gè)當量比的增加而增加。[8 Lee C S, Park S W, Kwon S L. An Experimental Study on(4)乙醇的加入使得HC和CO排放明顯增加,the Atomization and Combustion Characteristics of Biodiesel但是卻使得NO,和碳煙排放大幅度下降,改變了傳統Blended Fuels [J]. Energy and Fuels, 2005, 19(5)壓燃式發(fā)動(dòng)機NO,和PM排放的“ trade-o”關(guān)系。在本文的試驗工況范圍內,NO,排放和碳煙排放可以降9] Agarwal D, Sinha s, Agarwal A K. Experimental Investiga低35%~85%tion of Control of no. Emissions in Biodiesel-Fueled Com-pression Ignition Engine [J]. Renewable Energy, 2006, 31參考文獻(14):2356-2369[1]葛蘊珊何超韓秀坤等柴油機燃用生物柴油的多環(huán)0] Femando s,Hlc,lhas.No, Reduction from Biodiesel芳香烴排放試驗研究[J].內燃機學(xué)報,2007,25(2):Fuels [J]. Energy and Fuels, 2006, 20(1): 376-382125-129[11] Nabi M N, Akhter M S, Shahadat M. Improvement of En[2]陳虎陳文淼,王建昕,等柴油機燃用乙醇一甲酯一柴油時(shí)PM排放特性的研究[J].內燃機學(xué)報,2007,2Biodiesel Blends [J]. Bioresource Technology, 2006, 97(1):47-52[3] Rakopoulos C D, Antonopoulos K A, Rakopoulos D C,[12] Hess M, Haas M, Foglia T, et al. Effect of Antioxidantal. Comparative performance and Emissions study of a DirectAddition on NO, Emissions from Biodiesel [J]. EnergyInjection Diesel Engine Using Blends of Diesel Fuel withand fuels,2005,19(4):1749-1754Vegetable Oils or Bio-Diesels of Various Origins[ J]. Energy中國煤化工CNMHG