第44卷 第5期河南农业大学学报V o.l 44 N o .52010年
10月
Journa l of H enan A gricultural Un iversity
O ct .
2010
收稿日期:2010-05-14
基金项目：农业部公益性行业科研专项(nyhyz x07-013)
作者简介：何金戈,1971年生，男，河南宝丰人，讲师，主要从事发动机代用燃料研究.
文章编号:1000-2340(2010)05-0553-04
乙醇与柴油混合燃料的燃烧特性和
排放特性试验研究
何金戈，肖明伟，陈振斌，张惜辉
(海南大学机电工程学院，海南儋州571737)
摘要：研究了以正丁醇为助溶剂的乙醇与柴油混合燃料的燃烧特性和排放特性.结果表明，混合燃料与纯柴油相比，发动机的当量燃油消耗率在低负荷工况时比柴油高，在负荷为17%时,E20比E0高出10%，在大中负荷工况时与纯柴油相当.NO X 和碳烟排放在各种工况下都显著降低，在100%负荷时,E20比纯柴油碳烟排放降低了43%.在中小负荷时纯柴油的CO 排放最低，在大负荷时差别不大.混合燃料的H C 排放在所有工况下都高于纯柴油，特别是小负荷17%时,E20比E0高300%.随着乙醇比例的增加,NO X 降低,HC 增加，当量燃油消耗率、CO 、碳烟在小负荷时增加、大负荷时降低.关键词：乙醇；柴油；燃烧特性；排放特性中图分类号:U 464.171 文献标志码:A
Experi m ent al study on co mbustion and exhaust e m ission
characteristics of diel e ngi ne fuele d w ith blendi ng ratio of et hanol
hold是什么意思啊
H E Ji n -ge ,X I A O M ing -w e,i C H E N Zhen -bin ,ZHANG X -i hu i
homealone(M echan ica l and E lectrical Eng i n eer i n g Co llege ,H a i n an U niversity ,Danzhou 571737,Ch i n a)Abst ract :The experi m ent o f the co mbusti o n and exhaust e m issi o n characteristics o f dies
e l eng i n e fu -eled w ith a m ixture o f n -butano l and ethano-l d i e l w as carried ou.t The resu lts sho w tha:t co m pared w it h d ie l engine ,the equ i v a lent brake spec ific fue l consum pti o n is h i g her than t h at of ethano-l d iel
w hen the diel eng i n e works on h i g h l o ad ,and the E20incread by 10%than E0when eng ine load is 17%,I n other cond itions t h ey are equivalen.t NO X and s m oke decread obv i o usl y i n a ll conditi o ns ,the s moke decread by 43%in full load .CO o f co m busting pure d ie l is l o w est in m edium le and l o w load ,and no d ifference i n high load .The e m issi o n ofHC i n cread i n all cond itions ,E20i n cread by 300%than E0when load is 17%.W ith the increasing of proporti o n o f ethano ,l NO X e m ission reduced and H C e m issi o n i n cread respectively at a ll load cond itions .The equ i v a l e nt brake specific fue l con -sum ption ,the e m ission of s m oke and CO incread w hen on lo w l o ad condition ,and decread when on h i g h l o ad conditi o n .K ey w ords :et h ano ;l die;l co m bustion characteristic ;exhaust e m i s sion characteristic 由于世界石油资源的日趋枯竭，内燃机的高效清洁燃烧以及替代燃料的研究受到了越来越多的重视.使用含氧燃料或作为含氧添加剂与柴油混
veny合，被认为是降低柴油机烟度及H C ,CO 排放的有
效措施[1]
.乙醇是一种可再生的含氧燃料，因此在发动机上掺烧乙醇，可以改善燃烧、降低发动机的
554河南农业大学学报第44卷
有害排放.乙醇-汽油燃料已在发动机上得到比较
好的推广应用[2~4].但柴油机上掺烧乙醇目前还仍
然处于试验研究阶段，为此研究人员做了大量的研
究工作，乙醇与柴油直接混合的燃料特性试验的研
究较多，但使用助溶剂的乙醇-柴油混合燃料的特
性试验研究目前还少见报道[5~11].本试验采用正
丁醇作为助溶剂，研究燃烧不同配比的乙醇-柴油
的燃油经济性和排放性，为乙醇-柴油混合燃料在
柴油机上推广应用提供理论依据.
1混合燃料的制备与试验装置
1.1混合燃料的制备
乙醇柴油应用的最大技术难点是乙醇与柴油
的互溶性.纯乙醇在常温下能够以0%~30%的比
例与无水柴油互溶，但是由于乙醇容易吸水，它与
柴油混合后对水分和温度相当敏感.因此，当乙醇
柴油中水含量超过一定比例后混合液会发生相分
离，而且当温度降低后乙醇与柴油的互溶性也会变
差.因此，在配制混合燃料时，需要在其中加入一定
比例的助溶剂，以得到均匀、稳定的混合燃料.本试
验选用正丁醇作为助溶剂可以使混合燃料有较好
的稳定性，同时正丁醇也可以作为代用燃料.
将无水乙醇按10%,15%,20%的体积比与柴
油混合(分别记为E10,E15,E20)，纯柴油记为
E0，然后加入4%的正丁醇作为助溶剂，经高速剪
切搅拌5m in、过滤得到乙醇-柴油混合燃料.不同
配比的乙醇柴油中各种成分的体积比见表1.
表1不同配比的乙醇-柴油
Tab le1D ifferen t m ix ratio of e thano-l d iel%
项目Ite m 柴油
D iel
乙醇
E t hanol
正丁醇
N-butanol
E010000
E1086104
E1581154
E2076204
1.2试验装置及方法
试验选用上海内燃机厂生产的自然吸气式直喷295柴油机，排量1163L，标定功率1318k W，供油提前角22b.试验中对发动机的结构和参数不做任何调整，燃用不同配比的混合燃料，在标定转速1500r#m in-1下按负荷特性进行柴油机性能试验，比较发动机的经济性和排放性.由于乙醇、正丁醇的热值都比纯柴油的低，因此乙醇-柴油单位质量的热值要小于纯柴油.为了便于比较发动机燃用混合燃料对热效
率的影响，本研究燃油消耗率按能量相等原则折算为与纯柴油热值相当的当量燃油消耗率，采用EBSFC(equivalent brake specific f u el consum pti o n)表示当量燃油消耗率，计算方法参见文献[6]和[10].
试验采用AVL D i g as4000发动机尾气分析仪测量排气中CO,HC,NO X气体体积浓度.烟度测量采用AVL D i s m oke4000不透光式烟度计，选光吸收系数表示烟度值.油耗测量采用湖南湘仪测试有限公司生产的FC2210智能油耗仪.
2结果与分析
2.1不同配比乙醇-柴油对柴油机经济性能的影响
blister当量燃油消耗率随发动机负荷的变化见图1.从图1可以看出，在低负荷工况时，燃用乙醇-柴油的当量燃油消耗率比柴油高，且混合燃料中乙醇的比例越大，当量燃油消耗率越高.在负荷为17%时,E20的当量燃油消耗率比E0高10%；在中负荷工况，混合燃料的当量燃油消耗率与纯柴油相当.在高负荷工况时，乙醇-柴油的当量燃油消耗率比柴油的略低，在负荷为100%时,E20的当量燃油消耗率比E0高5%.不同配方的混合燃料的当量燃油消耗率相差不大.
这种变化趋势是由于乙醇-柴油的汽化潜热比柴油的大造成的.掺混乙醇的比例越大，混合燃料的汽化
潜热也越大，在小负荷时缸内温度较低，燃料汽化进一步降低了缸内的温度，降低了燃烧效率，故此时乙醇-柴油的当量燃油消耗率增加；随着负荷的增大，缸内的热负荷增大，汽化潜热的影响减小；大负荷时，空燃比增大，但由于乙醇-柴油含氧量比柴油高，改善了空燃比，故混合燃料当量燃油消耗率相对纯柴油有所减小
.
图1不同配比乙醇-柴油的当量燃油消耗率
F i g.1Equ ivalen t b rak e specif ic fue l consump ti on of
视频英文ethano-l d iel fue l w ith d ifferent ethanol conten t
第5期何金戈等：乙醇与柴油混合燃料的燃烧特性和排放特性试验研究555
2.2 不同配比乙醇-柴油对柴油机NO X 排放的影响
nt是什么意思 不同配比混合燃料的NO X 排放见图2.由图2可知，柴油中掺混乙醇后，发动机的NO X 排放减少，且乙醇掺混比越大,NO X 排放越低.在小负荷时和满负荷时，混合燃料中NO X 排放最低的E20比纯柴油的NO X 排放分别降低了110@10-6
,255@10-6
，最大达到340@10
-6
(50%负荷处).这
是由于乙醇-柴油的汽化潜热比柴油的大，同时乙
醇-柴油的热值比柴油低，因此燃烧反应温度降低，使得相同负荷下乙醇-柴油混合燃料燃烧时缸内平均温度增加较小.与柴油相比，燃烧乙醇-柴油时，虽然增大了含氧量，但破坏了形成NO X 的高温氛围，因此发动机废气里的NO X 会显著下降
.
图2 不同配比乙醇-柴油的NO X 排放Fig .2 NO X e m issi on of ethano-l d iel fue l w ith d ifferen t e thanol con tent
2.3 不同配比乙醇-柴油对柴油机碳烟排放的影响由图3可知，在中高负荷时，乙醇-柴油可大幅度降低发动机的碳烟排放，且掺烧乙醇的比例越大，碳烟排放越少.在100%负荷处,E20比纯柴油碳烟排放降低了43%.由于乙醇-柴油混合燃料中氧的含量增加，使燃烧更加充分，从而降低了碳烟排放；同时，乙醇-柴油的汽化潜热大，降低了缸内最高燃烧温度，减少了燃油的热裂反应，抑制了碳烟的形成[10]
.此外，碳烟主要是在燃烧室内部过浓区高分子烃(尤其是芳香烃)高温缺氧裂解而产生，而乙醇中不含芳香烃，且碳/氢质量比低，所以碳烟减少[11]
.
在中小负荷时，混合燃料和纯柴油都处于较低的碳烟排放水平.但随着乙醇掺烧的比例增大，碳烟的排放又有所增加.这主要是由于乙醇-柴油的汽化潜热比柴油的大，中小负荷时缸内温度低，燃油汽化进一步降低了缸内的温度，使缸内的燃烧恶
化，导致碳烟排放增加.
图3 不同配比乙醇-柴油的碳烟排放Fig .3 Sm oke e m ission of ethano-l d ie l fu el w ith differen t ethanol con ten t
怎样评课
2.4 不同配比乙醇-柴油对柴油机CO 排放的影响
由图4可知，在中小负荷时纯柴油的CO 排放最低，随着混合燃料中乙醇比例的增加,CO 排放逐渐增多，在17%负荷处,E20的CO 排放比纯柴油高70%，在大负荷时差别不大.这主要是由于乙醇-柴油的汽化潜热大，在低负荷时，由于混合燃料汽化吸热量多，使燃烧过程中出现淬熄层，造成此时乙醇-柴油CO 的排放比柴油高一些.发动机大负荷时，缸内热负荷增大，缩短了燃料的着火延迟期，减小了淬熄层，改善了缸内燃烧，使得CO 排放有所降低.随着乙醇配比增大，燃料汽化需要的热
量增多，使缸内的温度更低，不利于CO 的氧化反应，所以C O 排放随乙醇配比的增大而增加.
图4 不同配比乙醇-柴油的CO 排放F i g .4 CO e m ission of ethano-l diel fuel
w ith d ifferent ethanol conten t
2.5 不同配比乙醇-柴油对柴油机HC 排放的影响
由图5可知，发动机燃烧乙醇-柴油时在所有
工况下H C 排放都比纯柴油的高，且掺烧乙醇的比例越高,H C 排放越多.特别是在小负荷17%处,E20比E0的H C 排放高300%.
556河南农业大学学报第44
卷
图5不同配比乙醇-柴油的HC排放
F i g.5H C e m ission of ethan o-l d ie l fu el
w ith differen t ethano l con ten t
HC主要是由于在柴油机的燃烧过程中，燃烧室内混合气局部过浓或过稀，致使燃烧不完全而产生；在靠近气缸壁面的可燃混合气受到冷激效应，导致燃烧不完全也会产生HC排放.乙醇-柴油汽化潜热大，增加了燃烧过程中出现的淬熄层，导致HC排放增加；同时乙醇-柴油十六烷值低，燃烧时着火延迟期延长，燃烧速率减慢，火焰温度降低，喷雾过稀区增多，因此导致HC排放增加.
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3结论
1)在发动机参数不作任何调整的前提下，燃用乙醇-柴油与燃用纯柴油相比，在中小负荷时当量燃油消耗率增大，而在高负荷工况当量燃油消耗率有所减小.
2)燃用乙醇-柴油，在所有工况下都可以减少NO X排放量，且混合燃料中乙醇比例越大,NO X 排放量越低；在中高负荷可以显著降低发动机的碳烟排放，小负荷乙醇比例达到20%时，碳烟排放反而增加；中小负荷时C O排放量增加，大负荷乙醇比例为10%时,CO排放最低.在所有工况下,H C 排放都比纯柴油的高.参考文献:
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(责任编辑：蒋国良)
