内燃机清洁高效燃烧国际学术研讨会（２００２８）０４２０６７
冬季汽车保养柴油一酒精混合燃料发动机的性能研究舟
张武高杨剑光黄震
上海交通大学机械与动力工程学院
洛杉矶快船队上海，２０００３０
摘要：本文在分析柴油一酒精混合燃料物理化学特性的基础上，研究了不同混合比例的柴油一一酒精混合燃料发动机的性能。研究表明：柴油醇燃料发动机的有效燃油消耗率较柴油机的升高，而有效能耗率有一定程度的降低；排放性能表明，发动机的碳烟排放明显降低，在保持同样排温的前提下，其功率有一定程度的升高，尾气排放明显降低；燃烧性能表明，柴油机使用混合燃料后，滞燃期延长，燃烧持续期缩短。
在采用推迟供油的条件下，柴油酒精混合燃料发动机的尾气排放性能可以得到较大幅度的提高。
＾
关键词：柴油醇，柴油机，燃烧，排放；ｊ性能
new year
引言
由于我国经济的高速发展，机动车保有量日益增多，导致车用燃料对国外的依赖性越来越强，而且汽车尾气排放也成为大中城市大气污染的主要污染源。寻找清洁的可再生能源已经成为解决我国能源与环境问题的重点研究课题。
作为一种可再生的含氧燃料，酒精具有广泛的来源，大规模生产具有很大的潜力。利用生物酶技术以及农产品发酵技术制取工业用酒精，已经取得了很大的进展“’２’３１，而且关于酒精从生产到作为汽车燃料燃烧的整个生命周期的研究，也取得了令人鼓舞的成果“１５“１。酒精在内燃机上的应用，将对加强我国的能源安全，降低大气环境污染，具有重要的意义。
目前，汽车使用汽油酒精混合燃料在国外已经得到了比较系统的研究，实际应用也比较成熟”’８１．但柴油酒精的利用，在国内外仍然处于探索阶段ｏ”’１１］。
柴油醇发动机的应用，除了涉及到摩擦、磨损、燃料的溶解性、材料的相容性等问题外１１２１，还将导致发动机燃烧性能的改变，这部分内容还有待进一步的研究。本研究正是在这种背景下展开的。
１燃料的物理化学性质分析
酒精分子键中，主要包括烷基（－－Ｒ）以及羟基（一ＯＨ），这决定了它本身就是一种很好的含氧
替代燃料，同时，由于氢氧根原子团的存在，它与普通的石油燃料将会有一定的区别。
影响酒精作为车用燃料的物理化学性质主要包括以下几个方面。
热值：车用燃料要求燃料的热值较高，热值太低将引起续驶里程短以及燃料箱难布置等问题。酒精的热值低于柴油的热值，但其热值还没有低到影响它作为车用燃料的程度。
氧含量：含氧燃料的过量空气系数降低，对发动机的进气系统要求降低，这对改善发动机的尾气排放性能，特别是柴油机的碳烟排放性能具有良好的作用。酒精中的高含氧量决定了它是一种潜在的清洁燃料。
十六烷值：十六烷值影响柴油的着火性能，柴油的十六烷值越高，其压缩着火性能越好。滔精的十六烷值远远低于柴油的十六烷值。因此，在不添加十六烷值改进剂的条件下，柴油酵燃料的酒精含量不宜过高，否则将引起使用混合燃料的发动机燃烧性能下降。
３１２
亲水性：由于柴油中总会含有一定的水分，且酒精能与水任意比例互溶，而酒糟的水溶液不溶于柴油。因此，制备柴油酒精混合燃料时需要添加一定的互溶剂。水含量的高低及环境温度等参数，都将很大程度上影响混合燃料的稳定性以及互溶剂的添加量。
粘度：粘度是表征流体的流动阻力性能的参数。燃油的粘度对发动机的影响是双方面的，粘度大，润滑性能好，但流动阻力增大；粘度小，流动性能好，但发动机运动件的摩擦磨损性能会恶化。柴油酒精混合燃料的粘度低于普通柴油的粘度。
润滑性：燃油的润滑性主要与其粘度有关。发动机使用润滑性能差的燃料，将引起燃料供给系统运动部件的摩擦磨损增强。柴油酒精混合燃料的润滑性较柴油的差。
密度：燃油的密度是其组成与性能的外在反映。它影响燃料的点火性能、动力性、经济性、低温起动性能以及排烟倾向。一般讲，高粘度的燃油具有较强的排烟倾向。柴油醇燃料的密度低于普通柴油的密度。
闪点：燃料的闪电将对燃料的存储、运输以及使用安全性具有较大的影响。闪点高的燃料使用安全性好。酒精的闪点大大低于柴油的闪电，且即使混合燃料中酒精含量很低，其闪电也将较柴油大大降低。
倾点：燃料中的腊质物的存在是发动机故障的潜在原因。燃料的倾点是只指燃油中第一次分离出腊质物的最低温度。柴油酒精混合燃料的倾点高于纯柴油的倾点。
硫含量：柴油中的硫元素是引起催化剂中毒以及碳烟、颗粒排放的最重要原因之一，因此，我们希望
柴油中的硫含量越低越好。很显然，由于酒精中硫元素含量极低，因此，柴油酒精混合燃料的硫含量将明显降低，且酒精含量越高，混合燃料中的硫含量将越低，对改善柴油机的微粒排放具有积极的作用。
蒸汽压：酒精的蒸汽压很低，但酒精与柴油混合后，混合燃料的蒸汽压迅速上升，且上升呈非线性关系。
稳定性：柴油稳定性比较好，柴油酒精混合燃料的稳定性一般低于纯柴油的稳定性。
表１给出了各种燃料的物理化学性质。
表ｌ不同燃料的物理化学性质比较
性质甲醇乙醇汽油轻柴油
分子式ＣＨ３０ＨＣＨ３ＣＨ２０ＨＣ５—１２Ｃ１０—２１
分子量３２４６
氧含量（％）５０３４．７３０Ｏ
比重（２００Ｃ）０．７９２０７８９０．７２—０７８０．８３－０８６
沸点（ｏＣ）６４．５７８４４０也１０１８０－３７０
闪电（０ｃ）１１～１２１３－１４－４５—．３８６５～８８
凝固点（Ｏｃ）一９７．８．１１７．３－６０－．５６—１－３
粘度／ｍＰＢ·ｓＯ６ｌｌｌ２００．２８—０５９３０－８．０
汽化潜热／ｋＪ／ｋｇｌ０８８０．８５４Ｏ．３１－０．３４Ｏ．２５加３
低热值／ＭＪ／ｋｇ１９９１６２６７７８４３．９－－４４．４４２．５—４２．８
着花温度（ｏｃ）４７０４３４３５０—４６８２７０—０５０
中文在线翻译英语
火焰传播速度／ｍ／ｓ０．５２３０．３８－０．５８
理论空燃比／ｋｇ／ｋｇ６４５８．４５１４．７－１５．０１４４－１４６
十六烷值ＣＮ３～５８５－２５４５—６５
辛烷值ＲＯＮ１０６－１１５１１０８０．９８２０
３１３
２试验方法及条件
本研究在Ｄ２１３５试验机上进行。发动机的主要参数见表２。
表２试验机主要参数
缸径１３５冲程
１５０
压缩比１６５进气方式自然吸气
缸数２燃烧室形状
标定功率
２９
４ｋＷ／１５００ｒｐｍ
wuyue供油提前角
２８０ＣＡＢＴＤＣ
试验在标定转速下进行，通过调整发动机转矩、供油提前角等方式，比较研究了不同酒精含量的柴油醇发动机的动力性、经济性、尾气排放性以及缸内燃烧性能。试验中采用的与纯柴油对比的混合燃料的酒精体积含量分别为１０％、１５％和２０％（分别简称为Ｅ１０、Ｅ１５和Ｅ２０）。在制备柴油酒精混合燃料时，在混合液中添加了少量的由英国ＡＡＥ公司提供的助溶剂。
３试验结果与分析
发动机的燃油耗及能耗
在标定转速下，对比测定了柴油机及柴油醇发动机的有效燃油消耗率（ＢＳＦＣ）及有效能耗（ＢＳＥＣ）。结果分别见图１与图２。
ｌＯ骼Ｔｏｒａｕｅ
７５ｌＴｏｒａｕｅ
５鼎ＴｏｒＱｕｅ
２５＿Ｔｏｒｃｔｕｅ
田ＤｉｅｓｅｉｍＥＩＯ口Ｅｔ￥ＤＥ２０
图１发动机的ＢＳＦＣ比较
东方丽人Ｆｉｇｕｒｅ１ＲｄａｆｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＢＳＦＣａｎｄｐｏｗｅｒ
１８重
southampton
１６
ｊ１４奋口１２
譬ｈ
１０８
１００９６
Ｔ叮ａｕｅ
７５０，６ＴｏｒＱｕｅ
５嘶Ｔｏｒａｕｅ２珊Ｔｏｒａｕｅ
日Ｄｉｅｓｅｌ日ＥＩＯ口Ｅｉ５日Ｅ２０
图２发动机的ＢＳＥＣ比较
Ｆｉｇｕｒｅ２ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＢＳＥＣａｎｄｐｏｗｅｒgood friend
哈尔滨环球雅思国际英语学校可见，燃用柴油醇时，发动机的油耗增大，但能耗降低。这说明使用柴油醇后，发动机的有效热效率增高，由于酒精的汽化潜热较高，因此，柴油醇发动机的缸内燃烧状况应该优于柴油机的缸内燃烧状况。
３１４
蜘枷锄｜｝咖瑚ｍｍ∞ｏ
¨率ｌ、＼§
ＩＩ５
Ｉｉ２要
ｊ１０９、
笛１０６昌
１０·３ｒ…………………………………………………尘霉管．霍
Ｆｕｅｌ目甲嘶ｎ幽／。ＣＡＢＴＤＣ
ｎ＝１５００ｒｐｍ，１０皤Ｔｏｒｑｕｅ，Ｅ１５
图３供油提前角对燃油经济性的影响
Ｆｉｇｕｒｅ３ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｕｅｌｓｕｐｐｌｙａｎｇｌｅｏｎＢＳＥＣ
图３给出了标定转速下供油提前角与ＢＳＥＣ的关系。可见，使用柴油醇燃料时，从燃油经济性角度讲，发动机的供油提前角应该适当延迟。
３．２烟度及ＮＯｘ捧放
图４给出了不同燃料间的烟度排放比较。可见，在标定转速工况下，含氧柴油醇燃料的碳烟排放得到了不同程度的降低，特别是酒精含量较高的燃料的降低程度更明显。
３５
３
２．５
ｏ
路２
＼
４１．５
鹫
ｌ
０，５
０
１６００§１”喜Ｉ瑚
ｌ棚Ｏ
２３．４２２１４．７７．３５
Ｎｅ／蚶．ｎ＝ｌＳ００ｒｐｍ
图４不同燃料间的烟度捧放比较
Ｆｉｇｕｒｅ４Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｈｅｓｍｏｋｅｅｍｉｓｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｕｅｌｓ
Ｄｉ·媳ｌＥｌｏＥ１５Ｅ２０
Ｆ１５∞ｒｐ＿Ｔｏｒｗ．＝ｌ∞＊
（ａ）（ｂ）
图５不同燃料闻的ＮＯｘ排放比较
Ｆｉｇｕｒｅ５ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｈｅＮＯｘｅｍｉｓｓｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｃ∞ｔｆｅｅｌｓ
豳，是不同燃料问的ＮＯｘ排放比较。可见，各种燃料的Ｎ０譬捧敖事基本不变。
３１５
图６比较了烟度排放与ＮＯｘ排放间的关系。它们之间的关系与纯柴油的类似。
４
；３
罄
＼２
蛊ｌ
０
３１２８２４２１
０２
０１５
，
；ｏ１
。
００５
０
２５
２０§１５＼
呈１０
５
ＤｉｅｓｅｌＥ１０Ｅ１５Ｅ２０关于上班这件事
ｎ＝ｌＳ００ｒｐｌ．１姒Ｔｏｒｑｕｅ
Ｆｉｇｕｒｅ７ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｕｅｌａｎｄＣＯｅｍｉｓｓｉｏｎｓ
图７不同燃料的ＣＯ排放比较
Ｄｉｅ辩ｌＥＩＯＥ１５口０
ｎ＝１５００ｒ阻１００％Ｔｏｌ＇ｑｕｅ
２５
２０
＿
§１５
＼
ｇ１０
５
２９．４２２１４．７７．３５
十Ｄｉｅｓｅｌ—‘ｐＥＩＯＥ１５、Ｅ２０
Ｎｅ／Ｈ．舻ＬＳＯＯ邓ｍ
Ｆｉｇｕｒｅ８ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｆｕｏｌａｎｄｔｈｅＨＣｅｍｉｓｓｉｏｎｓ
图８不同燃料的ＨＣ排放比较
可见在标定转速下，转速及负荷都较高时，柴油醇发动机的Ｃ０排放降低，ＨＣ排放增高。
原因在于，ＣＯ排放主要是由缸内温度与氧含量两者共同决定。当转速与负荷较高时，缸内温度较高，此时ＣＯ排放的主要因素是气缸内的氧含量，导致含氧柴油醇的ＣＯ排放率明显低于纯柴油发动机的ＣＯ排放率：ｌ－ＩＣ排放主要是燃烧不完全引起，这在扩散火焰的柴油机中表现更明显，它与
过量空气系数的关系不大。因此，由于柴油醇发动机的汽化潜热高，柴油醇发动机缸内温度低于柴油机，导致其ＨＣ捧放升高。
３１６
