添加乙醚和乙醇對發(fā)動機(jī)燃用生物柴油-柴油混合燃料排放性能的影響

宋俊良，袁杰

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川成都 611130)

添加乙醚和乙醇對發(fā)動機(jī)燃用生物柴油-柴油混合燃料排放性能的影響

宋俊良，袁杰

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川成都 611130)

研究目的是評估使用乙醚和乙醇作為生物柴油-柴油混合燃料的添加劑時(shí)，對直噴式柴油發(fā)動機(jī)排放特性的影響。測試燃料分別為B30(體積分?jǐn)?shù)為30%的生物柴油和70%的柴油)，BE-1(體積分?jǐn)?shù)為5%的乙醚，25%的生物柴油和70%的柴油)和BE-2(體積分?jǐn)?shù)為5%的乙醇，25%的生物柴油和70%的柴油)。結(jié)果表明：與B30相比，BE-1的燃油消耗率略低；在發(fā)動機(jī)大負(fù)荷時(shí)， BE-1和BE-2排放的煙度急劇減少；BE-2的氮氧化物(NOx)排放量略高，BE-1和BE-2的碳?xì)浠衔?HC)排放量略高，但一氧化碳(CO)排放量稍低。

生物柴油-柴油混合燃料；乙醇；乙醚；排放特性

0 引言

生物燃料(如醇類、生物柴油)已被提議作為內(nèi)燃機(jī)的代用燃料[1-3]。特別是，生物柴油作為柴油的替代品，已得到了廣泛的關(guān)注，因?yàn)樗强缮锝到獾摹o毒的，同時(shí)燃燒時(shí)能夠顯著地降低污染物排放量和二氧化碳(CO2)排放。許多研究表明：在柴油發(fā)動機(jī)上燃用生物柴油可以降低碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)和顆粒物(PM)的排放量，但氮氧化物(NOx)的排放量會增加[4]。生物柴油的含氧量高是NOx形成的一個(gè)重要因素，高的含氧量會使燃燒溫度升高，從而使得 NOx排放增加[5]。另一方面，與柴油相比，生物柴油有一些不足之處，如較高的黏度和傾點(diǎn)值、揮發(fā)性低。在寒冷的天氣，生物柴油的低溫流動性差阻礙了生物柴油-柴油混合燃料的使用[6]，但乙醚和乙醇可有望改善其低溫流動性能。以前的研究表明：燃料中高的氧含量能明顯降低PM的排放量，并且比其他因素都重要，如化學(xué)結(jié)構(gòu)或揮發(fā)性。在生物柴油和柴油混合物中添加乙醚和乙醇，可以增加氧含量，從而降低PM排放量。

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，作者研究了在生物柴油-柴油混合燃料中添加乙醇或乙醚時(shí)，柴油機(jī)的排放特性，研究和討論了燃油消耗率、常規(guī)排放物(包括煙塵、NOx、CO和THC)。

1 設(shè)備和實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)燃料

測試采用的商業(yè)柴油從當(dāng)?shù)孬@得。生物柴油是以大豆為原料采用堿性催化的酯交換反應(yīng)的方法生產(chǎn)制備的。乙醇是一種分析級的無水乙醇(純度99.7%)。該乙醚是分析級的無水乙醚(純度為99.5%)。表1給出混合原料的主要特性。可以看出：乙醇中的潛熱值是840 kJ/kg，遠(yuǎn)高于其他燃料；生物柴油的黏度明顯高于其他燃料。乙醇和乙醚中的氧含量分別為34.8%和21.6%，都高于生物柴油的氧含量。在這項(xiàng)研究中，準(zhǔn)備了這3種燃料：體積分?jǐn)?shù)為30%的生物柴油與柴油混合作為基底油(記為B30)，體積分?jǐn)?shù)分別為5%的乙醚和25%的生物柴油與柴油混合(以BE-1表示)，體積分?jǐn)?shù)分別為5%的乙醇和25%的生物柴油與柴油混合(以BE-2表示)。表2顯示了測試燃料的組成和主要特性。由此可以看出：B30的密度是最高的，BE-2的潛熱值是最高的；與B30相比，BE-1的低熱值降低0.14%，BE-2的則降低1.28%。

表1 混合原料的主要特性

表2 測試燃料的組成及主要特性

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與步驟

表3 測試發(fā)動機(jī)的技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)為單缸，自然吸氣，四沖程，直噴式柴油發(fā)動機(jī)。所使用的發(fā)動機(jī)的基本數(shù)據(jù)在表3中給出。

使用一種高精度流量計(jì)每30 s測量一次燃料流量。使用AVL Digas4000測量氣體排放。使用一個(gè)部分流式煙度計(jì)測量煙度(AVL Dismoke4000)。圖1為試驗(yàn)裝置布置示意圖。表4給出了測量設(shè)備的主要規(guī)格和分辨率。為了確保測量值的精度，在每次測量之前對氣體分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，在每次測量前可以調(diào)整煙度計(jì)的零點(diǎn)。

在不同的發(fā)動機(jī)負(fù)荷下，對3種測試燃料進(jìn)行試驗(yàn)。發(fā)動機(jī)在加入新燃料運(yùn)轉(zhuǎn)之前，要求發(fā)動機(jī)運(yùn)行足夠長的時(shí)間以消耗前一次試驗(yàn)剩余的燃料。在燃料測試時(shí)，需要計(jì)算重要的發(fā)動機(jī)性能參數(shù)，如制動燃油消耗率和平均有效壓力。

測試設(shè)備項(xiàng)目測量范圍分辨率操作溫度/℃尾氣排放分析儀HC排放量/(10-6)0～200001CO排放量/%0～100.01NOx排放量/(10-6)0～40001CO2排放量/%0～200.15～35Max40不透光煙度計(jì)煙度K/m-10～99.990.01不透明度0～1000.15～45奇石樂6051B1壓力/MPa0～251×10-4-50～350氣缸壓力傳感器Max400燃料流量計(jì)流量/mL0～1000.015～45

2 結(jié)果與討論

圖2表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，測試燃料的比油耗隨平均有效壓力的變化關(guān)系。通過各種燃料的體積流率值和燃料密度計(jì)算燃料的質(zhì)量流率。由于在相同的發(fā)動機(jī)負(fù)載和速度下進(jìn)行比較，則3組試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)功率是相同的，比油耗的值實(shí)際上與燃料的質(zhì)量流率成正比。觀察發(fā)現(xiàn)B30的比油耗略高于BE-1的比油耗，和BE-2的幾乎相同。主要的原因可能是由于乙醚和乙醇的高揮發(fā)性，從而加快了空氣與燃料的混合速度，改善了燃燒過程，并增加了燃燒效率。

圖3表示在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，測試燃料的煙度排放隨平均有效壓力的變化關(guān)系。煙霧的形成是由于燃料的不完全燃燒。顯而易見，BE-1和BE-2煙霧排放量都減少。這可能歸功于乙醚和乙醇氧元素促使燃燒更充分，即使在局部濃混合區(qū)。此外，乙醚比乙醇更易揮發(fā)，這一特性看來對碳煙排放量的降低有一個(gè)顯著的影響，尤其是在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷時(shí)。因此，BE-1在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷時(shí)碳煙排放量最低。

圖4表示在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，測試燃料的NOx排放量隨平均有效壓力的變化關(guān)系。在一個(gè)直噴、自然吸氣的四沖程柴油發(fā)動機(jī)中，NOx的排放量對氧含量、絕熱火焰溫度和噴霧特性是敏感的。 BE-1氮氧化物排放量相比B30顯示出非常輕微的變化，但在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷時(shí)，BE-2的NOx排放量增加得更明顯。通常情況下，完全燃燒將獲得更高的燃燒溫度，這將導(dǎo)致NOx排放增加。BE-2的NOx明顯增加可能是由于乙醇中的氧含量高，這應(yīng)該是BE-2的NOx排放增加的主導(dǎo)因素。

圖5表示在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，測試燃料的HC排放量隨平均有效壓力的變化關(guān)系。在任何情況下，對柴油機(jī)而言，HC排放量是相對小的。如已知的，在發(fā)動機(jī)氣缸里，未燃HC的形成源于各種來源。可以觀察到BE-1和BE-2的HC排放略高于B30。因?yàn)橥饧右颐押鸵掖迹剂险舭l(fā)和“溜”進(jìn)氣缸更加容易(在低流速時(shí)，在膨脹行程后)。

圖6表示在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，測試燃料的CO排放量隨平均有效壓力的變化關(guān)系。直噴式柴油發(fā)動機(jī)的CO排放量主要取決于燃料的物理和化學(xué)性質(zhì)。整體測試結(jié)果表明：BE-1和BE-2的CO排放量相比B30略有減少。這是可以理解的，因?yàn)锽E-1和BE-2具有較高的氧含量，使燃燒能夠更充分。

3 總結(jié)

采用實(shí)驗(yàn)方法研究乙醚和乙醇添加劑對生物柴油-柴油混合燃料發(fā)動機(jī)的排放特性的影響。生物柴油-乙醚-柴油混合(BE-1)和生物柴油-乙醇-柴油混合(BE-2)表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，并且可以在柴油發(fā)動機(jī)中直接使用而無須任何修改。BE-1的比油耗略低，BE-2的比油耗與B30幾乎是類似的。 BE-1和BE-2比B30具有較高的氧含量，顯示出消除煙霧排放方面優(yōu)越的能力，尤其是在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷時(shí)。乙醚比乙醇具有較高的揮發(fā)性，所以BE-1排放的煙霧減少得更多。 BE-1的NOx排放量與B30相似，但觀察到BE-2的NOx排放量增加。BE-1和BE-2的CO排放量略有降低，但與B30相比，它們兩個(gè)的HC排放量略高。 BE-1和BE-2的燃燒特性與B30幾乎是相同的。

此外，在生物柴油-柴油混合燃料中添加氧含量較高和揮發(fā)性好的燃料，如乙醚和乙醇，是一個(gè)有前途的技術(shù)，該技術(shù)可以有效地在柴油發(fā)動機(jī)中使用生物柴油-柴油混合燃料而無需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行任何修改。

【1】邊耀璋.汽車新能源技術(shù)[M]．北京：人民交通出版社，2003.

【2】鞏利平.生物柴油的優(yōu)點(diǎn)與研究現(xiàn)狀[J]．太原大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(4):132-134.

【3】徐桂轉(zhuǎn)，張百良.生物柴油的研究與進(jìn)展[J]．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,24(6):644-650.

【4】賀泓,石曉燕.生物乙醇柴油的特性及其在柴油發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用[J].石油化工,2008,37(3):209-215.

【5】張福根.生物質(zhì)含氧燃料對柴油機(jī)性能、燃燒過程和排放特性影響的試驗(yàn)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2005.

【6】唐勝蘭.生物柴油的制備及其能值分析[D].石河子：石河子大學(xué)，2008.

Effect of Diethyl Ether and Ethanol Additives on the Emission Characteristics of Biodiesel-diesel Blended Fuel Engine

SONG Junliang, YUAN Jie

(Department of Automotive Engineering, Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu Sichuan 611130,China)

An experimental investigation was conducted to evaluate the effects of using diethyl ether and ethanol as additives into biodiesel-diesel blends on the performance, emissions characteristics of a direct injection diesel engine. The test fuels were denoted as B30 (30% biodiesel and 70% diesel in volume), BE-1 (5% diethyl ether, 25% biodiesel and 70% diesel in volume) and BE-2 (5% ethanol, 25% biodiesel and 70% diesel in volume) respectively. The results indicate that: compared with B30, there is slightly lower brake specific fuel consumption (BSFC) for BE-1; drastic reduction in smoke is observed with BE-1 and BE-2 at higher engine loads; nitrogen oxide (NOx) emissions are found slightly higher for BE-2; hydrocarbon(HC) emissions are slightly higher for BE-1 and BE-2, but carbon monoxide (CO) are slightly lower.

Biodiesel-diesel blend fuel; Ethanol; Diethyl ether; Emission characteristics

2015-07-08

宋俊良， 男，碩士，研究方向?yàn)槠囆履茉础-mail：840692101@qq.com。