新型燃料柴油機(jī)性能和排放研究*

張海波　黃孝慈

（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院上海201620）

新型燃料柴油機(jī)性能和排放研究*

張海波黃孝慈

（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院上海201620）

新型燃料是一種部分替代或是全部替代柴油的潛在燃料。把甲醇、乙醇和二甲醚作為添加劑直接注入柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，以評(píng)估研究新型燃料對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響。通過(guò)新型燃料柴油機(jī)性能試驗(yàn)，得到不同新型燃料對(duì)柴油機(jī)功率、扭矩、制動(dòng)熱效率、制動(dòng)比油耗、排氣溫度的影響。通過(guò)新型燃料柴油機(jī)排放試驗(yàn)，得到不同新型燃料對(duì)柴油機(jī)排氣中一氧化碳、二氧化碳、HC、NOx和煙霧排放的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：新型燃料二甲醚柴油機(jī)的廢氣排放與柴油機(jī)相比相對(duì)減少，尤其是NOx減少了50%，新型燃料二甲醚柴油機(jī)的性能優(yōu)于甲醇、乙醇柴油機(jī)，排放低于甲醇、乙醇柴油機(jī)。

新型燃料性能排放

引言

近年來(lái)，由于世界范圍內(nèi)資源和環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，新型燃料的研究及應(yīng)用得到進(jìn)一步重視。針對(duì)我國(guó)能源資源特點(diǎn)，發(fā)展新型清潔含氧代用燃料，對(duì)改善柴油機(jī)的性能、降低對(duì)石油資源的依賴性和保證能源安全都具有重大意義。本文研究了以甲醇、乙醇為代表的醇類(lèi)含氧燃料以及以二甲醚（DME）為代表的醚類(lèi)含氧燃料對(duì)柴油機(jī)性能、排放以及缸內(nèi)燃燒特性的影響。具體工作表現(xiàn)在：1）研究了甲醇為20%的甲醇柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等的影響。研究表明：甲醇柴油混合燃料能有效降低柴油機(jī)的碳煙排放，并改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能不會(huì)受到明顯影響，是一種良好的柴油含氧替代燃料，具有良好的推廣應(yīng)用前景。2）研究了乙醇為20%的乙醇柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等的影響。研究表明：乙醇柴油混合燃料能有效降低柴油機(jī)的碳煙排放和NOx排放，并改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能，是一種優(yōu)良的柴油含氧替代燃料。3）研究了二甲醚對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響。研究表明：二甲醚能有效降低柴油機(jī)的排放，在改變?nèi)剂舷到y(tǒng)的條件下應(yīng)用二甲醚具有廣闊的前景。

本研究關(guān)于含氧燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)果為：1）在柴油中添加含氧添加劑能有效改善柴油機(jī)的性能和排放，降低碳煙排放效果尤其明顯。研究表明，柴油機(jī)的碳煙排放隨著含氧量的增加呈單調(diào)下降趨勢(shì)。2）各種含氧燃料添加劑對(duì)降低柴油機(jī)的尾氣排放都具有一定的效果，其中NOx排放在含氧添加劑比例較低時(shí)基本不變或略有增加，當(dāng)含氧添加劑的比例增大到一定程度時(shí)，由于缸內(nèi)燃燒溫度下降，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放有降低的趨勢(shì)。新型燃料柴油機(jī)的性能和柴油機(jī)類(lèi)似，幾乎有相同的制動(dòng)熱效率，表現(xiàn)出更低的燃油消耗率和更少的煙霧排放［1］。

1　實(shí)驗(yàn)過(guò)程及設(shè)備

有文獻(xiàn)對(duì)直噴式柴油機(jī)的燃燒和性能與新型燃料柴油機(jī)的燃燒和性能進(jìn)行對(duì)比分析，他們得出的結(jié)論是：使用20%的新型燃料與柴油混合不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響［2］。由于低熱值和高粘度，新型燃料混合比例限制在20%。在這項(xiàng)研究中，用甲醇、乙醇和二甲醚作為添加劑，觀察直噴式柴油機(jī)的燃燒、性能和排放［3］。發(fā)現(xiàn)更高比例的甲醇、乙醇和二甲醚會(huì)影響燃燒室的冷卻效果，所以僅限于新型燃料混合比例為20%［4］。因此我們嘗試使用混合比例為20%的新型燃料，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和添加劑混合所形成的燃料獲得的結(jié)果非常接近傳統(tǒng)的柴油燃料。本研究的主要目的是研究新型燃料的燃燒特性［5］，通過(guò)新型燃料柴油機(jī)性能試驗(yàn)和排放試驗(yàn)，得到新型燃料柴油機(jī)的性能和排放與傳統(tǒng)柴油機(jī)性能和排放的對(duì)比結(jié)果。

燃料和添加劑的屬性如表1所示。

使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是單缸、自然吸氣、四沖程、水冷、壓縮比為16.5：1的直噴式柴油機(jī)，最大功率為3.7 kW/1 500（r·min-1）。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速直接從轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得。實(shí)驗(yàn)的主要傳感器有壓力傳感器、溫度傳感器、曲軸轉(zhuǎn)角傳感器、機(jī)油壓力傳感器、冷卻水溫度傳感器、空氣流量傳感器和排氣溫度傳感器等［6］。所有傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)使用軟件界面。

表10　號(hào)柴油、甲醇、乙醇和二甲醚屬性

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中CO，HC，NOx，二氧化碳的測(cè)定，使用AVL-444 Di氣體分析儀。廢氣排放測(cè)量從排氣門(mén)升程在200 mm時(shí)進(jìn)行。煙度的測(cè)定，使用AVL-437 c煙度計(jì)后減少膨脹室的壓力和溫度［7］。發(fā)動(dòng)機(jī)在空載起動(dòng)調(diào)整后，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和穩(wěn)態(tài)條件，將燃油消耗率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣溫度和功率的測(cè)量結(jié)果輸出并顯示在監(jiān)視器上，對(duì)新型混合燃料的性能和排放特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)柴油的性能和排放特性進(jìn)行對(duì)比分析。

2　結(jié)果和討論

圖1　四種燃料不同負(fù)荷下制動(dòng)熱效率的變化

2.1氣缸內(nèi)壓力和曲軸轉(zhuǎn)角

通過(guò)對(duì)柴油機(jī)氣缸內(nèi)氣體壓力隨柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角的變化進(jìn)行分析，可以很明顯地看出，柴油機(jī)氣缸內(nèi)氣體壓力峰值較高。對(duì)于新型混合燃料，最重要的燃燒現(xiàn)象是點(diǎn)火延遲。由于新型混合燃料粘度略低和熱值較低，其點(diǎn)火延遲比柴油降低［8］，因此燃燒混合燃料比柴油早些時(shí)候開(kāi)始。分別給予甲醇柴油混合、乙醇柴油混合和二甲醚柴油混合滿負(fù)荷，氣缸內(nèi)氣體壓力峰值幾乎獲得相同的曲軸轉(zhuǎn)角位置，上止點(diǎn)后6到9°。由于時(shí)間越長(zhǎng)，點(diǎn)火延遲，氣缸壓力峰值降低［9］。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)性能

所有四種燃料不同負(fù)荷下制動(dòng)熱效率的變化如圖1所示。從圖1中可以看出，四種燃料制動(dòng)熱效率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增加。在全負(fù)荷工況下，四種燃料制動(dòng)熱效率分別為25.5%，23.6%，24.1%和24.3%。在全負(fù)荷運(yùn)行條件下，二甲醚柴油混合燃料的制動(dòng)熱效率比柴油高出5%，數(shù)值是25.5%，比乙醇柴油高7.38%，比甲醇柴油高4.63%。從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)得出：二甲醚柴油混合燃料的制動(dòng)熱效率比甲醇柴油、乙醇柴油僅小幅增加。

四種燃料不同負(fù)荷下制動(dòng)比油耗的變化如圖2所示?；旌先剂吓c柴油相比，制動(dòng)比油耗（BSFC）有所減少。對(duì)所有燃料來(lái)說(shuō)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，制動(dòng)比油耗顯著減少。這是由于隨著負(fù)荷的增大，機(jī)械效率迅速增加，熱損失相對(duì)減小，指示效率有所增加，因此，制動(dòng)比油耗迅速下降。二甲醚柴油混合燃料的制動(dòng)比油耗略低，乙醇柴油和甲醇柴油的制動(dòng)比油耗幾乎是相同的。

圖2　四種燃料不同負(fù)荷下制動(dòng)比油耗的變化

排氣溫度受到點(diǎn)火延遲變化的影響，更高的點(diǎn)火延遲導(dǎo)致燃燒延遲和較高的排氣溫度［5］?；旌先剂系牡狞c(diǎn)火延遲與柴油機(jī)相比要少。點(diǎn)火延遲減少可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)混燃燒的減少，從而增加了二次燃燒。如圖3所示，混合燃料的排氣溫度比柴油的排氣溫度要高。

圖3　四種燃料不同負(fù)荷下排氣溫度的變化

2.3污染物的排放

2.3.1一氧化碳

隨發(fā)動(dòng)機(jī)加載不同，混合燃料的一氧化碳（CO）排放變化如圖4所示。一氧化碳的最小值和最大值分別是0.01%和0.31%。從圖4可以看出，CO最初是減少，一直到80%負(fù)荷；此后一直到全負(fù)荷CO急劇上升。對(duì)于更高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載可能沒(méi)有足夠時(shí)間完全燃燒，因而有更多的CO排放。二甲醚柴油混合燃料CO排放在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)，要比乙醇柴油混合燃料CO排放低19%。

圖4　四種燃料不同負(fù)荷下一氧化碳（CO）的變化

2.3.2碳?xì)浠衔?/p>

不同負(fù)荷下混合燃料的碳?xì)浠衔铮℉C）排放變化如圖5所示。一般來(lái)說(shuō)，混合燃料的HC排放增大，主要是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的點(diǎn)火延遲，導(dǎo)致預(yù)混燃燒階段更高的燃料積累。與柴油燃料的HC排放相比，混合燃料的HC排放增加。但是二甲醚柴油混合燃料比其它混合燃料顯示更少的HC排放，全負(fù)荷時(shí)比甲醇柴油混合燃料降低約35%。這種HC排放的降低是由于混合燃料的氧含量有助于完全燃燒。

圖5　四種燃料不同負(fù)荷下碳?xì)浠衔铮℉C）的變化

2.3.3氮氧化物

混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷下的氮氧化物（NOx）排放如圖6所示。從圖6中可以觀察到：在小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度相對(duì)較低，混合燃料中含氧成分的存在對(duì)NOx排放影響不大，NOx排放顯示出特別小的減少。在中、高負(fù)荷時(shí)，與柴油燃料相比，甲醇柴油混合燃料的NOx排放更大。NOx排放增加是由于燃料燃燒溫度增加，混合燃料中含氧優(yōu)勢(shì)發(fā)揮作用，加之，甲醇的加入使滯燃期延長(zhǎng)，使更多的氮原子被氧化，導(dǎo)致NOx的生成量增加。但是乙醇柴油混合燃料和二甲醚柴油混合燃料與甲醇柴油混合燃料相比，NOx排放減少，乙醇柴油混合燃料NOx排放平均減少約57%，二甲醚柴油混合燃料NOx排放平均減少約69%。詳細(xì)的火焰分析可以得出現(xiàn)象背后的原因，這種現(xiàn)象是由于燃燒溫度、反應(yīng)時(shí)間和氧含量之類(lèi)的因素復(fù)雜的相互作用所造成的。

圖6　四種燃料不同負(fù)荷下氮氧化物（NOx）的變化

2.3.4煙度

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放是通過(guò)測(cè)量排氣煙度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)的。測(cè)量的排氣煙度實(shí)際上是顆粒物含量。煙塵的形成主要發(fā)生在高溫高壓下的富油區(qū)域，尤其是在燃油噴霧的核心區(qū)域，是由于高溫分解引起的。如果燃料部分含氧，就可以減少局部過(guò)濃區(qū)域和限制主要煙霧的形成。燃料在排氣中的煙度測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，甲醇柴油混合燃料比純柴油燃料產(chǎn)生較少的煙度，在中等負(fù)荷，二甲醚柴油混合發(fā)動(dòng)機(jī)煙度更少。二甲醚柴油混合發(fā)動(dòng)機(jī)在最小負(fù)荷時(shí)有最小的煙度，最大負(fù)荷時(shí)有最大的煙度。全負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)煙度是77%，二甲醚柴油混合發(fā)動(dòng)機(jī)煙度是93%。這可能是由于在混合燃料中氧分子的存在，形成了比柴油機(jī)更完全的燃燒；同時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，消耗更多的燃料，而更多的燃料以擴(kuò)散模式燃燒掉。

圖7　四種燃料不同負(fù)荷下煙度的變化

3　結(jié)論

在柴油機(jī)中使用混合燃料可滿足能源發(fā)展的需要，甲醇柴油混合、乙醇柴油混合及二甲醚柴油混合都可以作為柴油機(jī)的燃料。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用混合燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)不需做任何修改?；旌先剂媳绕渌N類(lèi)的純?nèi)剂系挠泻ξ廴疚锱欧诺褪且粋€(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。

甲醇柴油混合燃料特性如十六烷值、熱值、硫含量、閃點(diǎn)等都比柴油更好。

二甲醚和乙醇作為添加劑可降低混合物的密度和粘度。二甲醚柴油混合的制動(dòng)比油耗略低，乙醇柴油混合的制動(dòng)比油耗與甲醇柴油混合幾乎相同。乙醇柴油混合及二甲醚柴油混合，其氧含量比甲醇柴油混合高，所以碳煙排放減少，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)更明顯。因此，采用較高的氧含量和高揮發(fā)性的燃料，如二甲醚和乙醇，可以說(shuō)是一個(gè)很有前途的技術(shù)。

二甲醚比乙醇有更高的揮發(fā)性，所以二甲醚的煙度更低。二甲醚柴油混合與乙醇柴油混合相比，煙度減少28%，HC、CO和NOx排放都降低。

新型燃料二甲醚柴油機(jī)的廢氣排放與柴油機(jī)相比相對(duì)減少，尤其是NOx減少了50%，新型燃料二甲醚柴油機(jī)的性能優(yōu)于甲醇、乙醇柴油機(jī)，排放低于甲醇、乙醇柴油機(jī)。因此二甲醚柴油混合可以有效地應(yīng)用于柴油機(jī)中。

1王鐵，馮丹華，王娜，等.柴油機(jī)應(yīng)用非標(biāo)柴油-二甲醚混合燃料的性能研究［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011（5）：63-67

2張俊軍，喬信起，管斌，等.柴油機(jī)燃用二甲醚復(fù)合燃燒試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（6）：13-16，45

3劉曉輝.甲醇/柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，16（2）：18-21

4楊敬，胡真，楊慶佛，等.二甲醚-柴油混合燃料性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006（2）：30-32，35

5Rakesh Kumar Maurya，Avinash Kumar Agarwal.Experimental investigations of particulate size and number distribution in an ethanol and methanol fueled HCCI engine［J］.Journal of Energy Resources Technology，2014，137（1）：JERT-13-1231

6T.Pushparaj，S.Ramabalan.Green fuel design for diesel engine，combustion，performance and emission analysis［J］.Procedia Engineering，2013，64：701-709

7A.Broatch，B.Tormos，P.Olmeda，et al.Impact of biodiesel fuel on cold starting of automotive direct injection diesel engines［J］.Energy，2014，73：653-660

8Abdolsaeid Ganjehkaviri，Mohammad Nazri Mohd Jaafar.Energy analysis and multi-objective optimization of an internal combustion engine-based CHP system for heat recovery［J］. Entropy，2014，16：5633-5653

9何邦全，王建昕，閆小光，等.乙醇-柴油在線混合燃料的燃燒排放特性［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，43（11）：1523-1525，1541

Performance and Emission Research on New Fuel for Diesel Engine

Zhang Haibo，Huang Xiaoci
College of Automobile Engineering，Shanghai University of Engineering Science（Shanghai，201620，China）

New fuel is a kind of potential fuel that partly or entirely replaces diesel fuels.Experiments are carried out by injecting the methanol，ethanol and dimethyl ether as the additives directly into diesel engine，to evaluate and study the effects of new fuel on diesel engine performance and emissions.By new fuel diesel engine performance test，effects of different fuels on engine power，torque，brake thermal efficiency，fuel consumption and exhaust temperature are obtained.By the new fuel diesel engine emission test，the influence of different fuels on engine exhaust，such as carbon monoxide，carbon dioxide，HC，NOx and smoke are obtained.Test results show that the exhaust emissions of the new fuel of dimethyl ether engine compared with that of diesel engine is relatively reduced，especially NOx emission decreased by 50%，the performance of the new fuel dimethyl ether engine is better than that of methanol，ethanol diesel engine，and its emissions are lower than that of methanol，ethanol diesel engine.

New fuel，Performance，Emission

TK421+.5

A

2095-8234（2016）03-0052-04

上海高校知識(shí)創(chuàng)新工程（085工程）建設(shè)項(xiàng)目（JZ0901）資助；上海市高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（06XPYQ20）。

張海波（1975-），男，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)性能與設(shè)計(jì)。

2016-03-06）