柴油機燃用不同替代燃料的燃燒與排放特性分析

侯軍興，劉建偉，文振華，馮憲章，蔣志強，喬信起

(1.鄭州航空工業管理學院 機電工程學院，鄭州　450015； 2.上海交通大學 動力機械及工程教育部重點實驗室，上海　200240)

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柴油機燃用不同替代燃料的燃燒與排放特性分析

侯軍興1，劉建偉1，文振華1，馮憲章1，蔣志強1，喬信起2

(1.鄭州航空工業管理學院 機電工程學院，鄭州450015； 2.上海交通大學 動力機械及工程教育部重點實驗室，上海200240)

摘要：在一臺增壓發動機上分別進行了燃用生物柴油和二甲醚的燃燒和排放試驗研究。研究結果表明：增壓發動機在高負荷下燃用生物柴油和二甲醚時，預混合燃燒不明顯，出現擴散燃燒單峰的燃燒規律，生物柴油燃燒的單峰規律更明顯。與生物柴油相比，二甲醚的缸內壓力峰值、壓力升高率幅值和放熱率峰值均降低；NOx排放大幅下降，HC排放和CO排放升高，碳煙排放和燃油消耗率降低。

關鍵詞：生物柴油；二甲醚；燃燒；排放

0引言

在能源和環保雙重壓力下，開發技術成熟、低排放的柴油機替代燃料，是節約石油資源、降低汽車尾氣污染的主要途徑之一。生物柴油是近年來國際上廣泛關注的一種綠色油品，由于其含氧、不含硫、理化特性與柴油相當，應用到柴油機上不需要做大的調整，因此國內外開展了一些試驗研究[1-3]。二甲醚由于資源豐富、具有卓越的燃燒和排放特性而成為柴油機理想的替代燃料，國內外對二甲醚的噴霧和發動機性能進行了大量的研究[4-5]。由于兩種替代燃料的理化特性不同，在噴射、霧化、燃燒和排放形成方面不同，因此需要深入研究柴油機燃用生物柴油和二甲醚的燃燒和排放特性。漢陽大學的HJ Kim分析了生物柴油和二甲醚的噴霧特性，結果表明：環境壓力顯著影響燃料的噴霧特性，在相同的環境條件和噴射條件下，生物柴油的霧化性能遜于二甲醚的霧化性能[6]；但未比較研究其燃燒過程和排放。為此，本文在一臺增壓柴油機上分別進行了燃用生物柴油和二甲醚的試驗，分析了兩種不同替代燃料的燃燒和排放特性。

1試驗裝置和方法

試驗在1臺六缸、增壓中冷直噴發動機上進行。燃用生物柴油(廢食用油類)時，采用原機噴嘴6×0.24mm，燃用二甲醚時采用二甲醚噴嘴6×0.40mm，并用低壓泵給燃料系統加壓，保證二甲醚在燃料系統中為液態，消除燃料系統的氣阻。試驗測試了最大扭矩轉速1 400r/min時、不同負荷下的有效燃油消耗率、缸內壓力、NOx排放、HC排放、CO排放和碳煙排放。試驗中，缸內壓力采用壓電式壓力傳感器、電荷放大器和高速數據采集儀測量，采樣頻率為20kHz，并由缸內壓力計算燃燒放熱規律。有效燃油消耗率采用電子天平來測量，為了方便比較，將生物柴油和二甲醚的有效燃油消耗率都轉化為等熱值的柴油當量有效燃油消耗率(簡稱燃油消耗率)。

2試驗結果與分析

2.1柴油機燃用生物柴油和二甲醚燃燒特性對比

圖1為1 400r/min、1.52MPa BMEP時柴油機燃用生物柴油和二甲醚的缸內壓力、放熱率和壓力升高率對比。由圖1(a)可知：生物柴油的缸內壓力峰值為12.5MPa，二甲醚的缸內壓力峰值為10.1MPa。與生物柴油相比，二甲醚的缸內壓力峰值顯著降低。這是因為二甲醚的十六烷值比生物柴油高、滯燃期短，滯燃期內發動機缸內積聚的燃料少，著火后一起燃燒，導致缸內壓力峰值降低。

由圖1(b)放熱率曲線知：1 400r/min、1.52MPa BMEP時，出現擴散燃燒單峰的燃燒規律，生物柴油的單峰燃燒規律更明顯。由于增壓發動機進氣溫度和進氣壓力較高，滯燃期較短，且其工況為高負荷工況，缸內溫度較高，滯燃期更短，預混合燃燒少。與生物柴油相比，二甲醚的放熱率峰值較低，相位延后。生物柴油的放熱率(相位)為241.9J/℃A (上止點后11.5℃A)，二甲醚的放熱率(相位)為186.9J/℃A (上止點后19℃A)。

由于二甲醚彈性模量小，可壓縮性比生物柴油大，因此其壓力上升、下降均較緩慢，相同的供油提前角下噴油延遲比生物柴油大。雖然二甲醚的十六烷值高，比生物柴油更易著火，但噴油延遲的影響更大。

圖1　柴油機燃用生物柴油和二甲醚燃燒性能對比

圖1(c)為柴油機燃用生物柴油和二甲醚的壓力升高率對比。由壓力升高率曲線可知：生物柴油的壓力升高率幅值顯著大于二甲醚的幅值。這是由于二甲醚的滯燃期短，參與預混合燃燒的燃料較少，因此壓力升高率幅值降低。燃用二甲醚時的壓力升高率幅值小，說明二甲醚發動機工作較柔和。

2.2柴油機燃用二甲醚和生物柴油油耗率對比

圖2為柴油機燃用生物柴油和二甲醚的有效燃油消耗率(BSFC)對比，BSFC是以等熱值的柴油當量比油耗來比較的。由圖2可知：同一工況下，生物柴油的燃油消耗率高于二甲醚的燃油消耗率。這是因為生物柴油的粘度高，霧化比二甲醚差，與空氣混合、擴散的速度不如二甲醚快。燃用二甲醚時，采用針對二甲醚物性設計的大孔徑噴嘴0.40mm；燃用生物柴油時，采用的是小孔徑噴嘴0.24mm，并且其噴嘴啟噴壓力高，但生物柴油的霧化仍然不如二甲醚。

圖2　柴油機燃用生物柴油和二甲醚有效燃油消耗率的對比

2.3柴油機燃用二甲醚和生物柴油排放特性對比

圖3為最大扭矩轉速時柴油機燃用生物柴油和二甲醚排放特性對比。由圖3(a)可知：與燃用生物柴油相比，同一工況下，燃用二甲醚的NOx排放均大幅降低。例如，1 400r/min、1.52MPa BMEP時，燃用生物柴油和二甲醚的NOx排放分別為1 266×10-6和413×10-6，燃用二甲醚的NOx排放下降了67%。由于二甲醚的霧化性比生物柴油好，燃料在燃燒室內分布均勻，改善了缸內溫度分布的不均勻性；其汽化潛熱比生物柴油大，汽化過程要吸收大量的熱，這些原因使燃用二甲醚時的缸內燃燒溫度降低。另外，由高溫NO產生機理可知：降低燃燒溫度能夠降低高溫NO的生成量。由圖3(b)、(c)可知：燃用二甲醚時的HC排放和CO排放均高于生物柴油。由圖3(d)可知：同一負荷下，燃用二甲醚的碳煙排放均低于生物柴油。這是由于二甲醚和生物柴油均為含氧燃料，但二甲醚中含氧量高達34.8%，其霧化比生物柴油好，可以進一步促使燃料充分氧化燃燒，因此碳煙排放更低。

圖3　柴油機燃用二甲醚和生物柴油排放的對比

3結論

1)增壓發動機在最大扭矩轉速、高負荷下燃用生物柴油和二甲醚時，預混合燃燒不明顯，出現擴散燃燒單峰的燃燒規律，生物柴油燃燒的單峰規律更為明顯。

2)二甲醚的滯燃期比生物柴油短，噴油延遲大，燃用二甲醚時的缸內壓力峰值和放熱率峰值降低。生物柴油的壓力升高率幅值大于二甲醚的幅值，發動機燃用二甲醚時工作較柔和。

3)與燃用生物柴油相比，燃用二甲醚的NOx排放顯著降低，HC排放和CO排放升高，碳煙排放和燃油消耗率降低。

參考文獻：

[1]Jinlin Xue, Tony E. Grift, Alan C. Hansena. Effect of Biodiesel on Engine Performances and Emissions [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011 (15):1098-1116.

[2]樓狄明, 石健, 趙杰,等.共軌柴油機燃用不同配比生物柴油的性能與排放特性[J].內燃機工程, 2009, 30(6): 21-25.

[3]何旭, 鄭亮, 趙陸明,等.生物柴油噴霧、著火和燃燒特性試驗研究[J].內燃機工程, 2009, 33(5):41-45.

[4]Hyung Jun Kim, Hyun Kyu Suh, Chang Sik Lee. Numerical and Experimental Study on the Comparison between Diesel and Dimethyl Ether (DME) Spray Behaviors According to Combustion Chamber Shape [J]. Energy & Fuels, 2008(22): 2851-2860.

[5]Hou J,Wen Z,Jiang Z,et al.Study on combustion and emissions of a turbocharged compression ignition engine fueled with dimethyl ether and biodiesel blends[J].Journal of the Energy Institute, 2014, 87(2): 102-113.

[6]HJ Kim, SH Park, CS Lee. A study on the Macroscopic Spray Behavior and Atomization Characteristics of Biodiesel and Dimethyl Ether Sprays under Increased Ambient Pressure [J].Fuel Processing Technology,2010(91): 354-363.

Abstract ID:1003-188X(2016)02-0249-EA

Analysis of Combustion and Emissions in a Diesel Engine Fueled with Different Alternative Fuels

Hou Junxing1, Liu Jianwei1, Wen Zhenhua1, Feng Xianzhang1, Jiang Zhiqiang1, Qiao Xinqi2

(1.School of Mechatronics Engineering, Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015,China; 2.Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of M. O. E, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：An experimental investigation of combustion and emissions characteristics was conducted on a turbocharged CI engine fueled with biodiesel and dimethyl ether (DME). The results show that the combustion for biodiesel and DME at high load presents the diffusion combustion mode, without the obvious premixed combustion, especially biodiesel. Compared to biodiesel, peak in-cylinder pressure, peak heat release rate and amplitude of pressure rise rate for DME decrease. NOspanemissions of DME significantly decrease,HC emissions and CO emissions increase, smoke emissions and BSFC decrease.

Key words：biodiesel; DME; combustion; emissions

文章編號：1003-188X(2016)02-0249-03

中圖分類號：S218.5；TK427

文獻標識碼：A

作者簡介：侯軍興(1977-)，男，河南安陽人，講師，博士，(E-mail)houjunxing@126.com。

基金項目：河南省科技廳科技攻關項目(132102210287)；河南省教育廳科學技術重點研究項目(14B470018)；航空科學基金資助項目(2013ZB55003)

收稿日期：2015-02-03