柴油机燃用不同替代燃料的燃烧与排放特性分析

侯军兴，刘建伟，文振华，冯宪章，蒋志强，乔信起

(1.郑州航空工业管理学院 机电工程学院，郑州　450015； 2.上海交通大学 动力机械及工程教育部重点实验室，上海　200240)



柴油机燃用不同替代燃料的燃烧与排放特性分析

侯军兴1，刘建伟1，文振华1，冯宪章1，蒋志强1，乔信起2

(1.郑州航空工业管理学院 机电工程学院，郑州450015； 2.上海交通大学 动力机械及工程教育部重点实验室，上海200240)

摘要：在一台增压发动机上分别进行了燃用生物柴油和二甲醚的燃烧和排放试验研究。研究结果表明：增压发动机在高负荷下燃用生物柴油和二甲醚时，预混合燃烧不明显，出现扩散燃烧单峰的燃烧规律，生物柴油燃烧的单峰规律更明显。与生物柴油相比，二甲醚的缸内压力峰值、压力升高率幅值和放热率峰值均降低；NOx排放大幅下降，HC排放和CO排放升高，碳烟排放和燃油消耗率降低。

关键词：生物柴油；二甲醚；燃烧；排放

0引言

在能源和环保双重压力下，开发技术成熟、低排放的柴油机替代燃料，是节约石油资源、降低汽车尾气污染的主要途径之一。生物柴油是近年来国际上广泛关注的一种绿色油品，由于其含氧、不含硫、理化特性与柴油相当，应用到柴油机上不需要做大的调整，因此国内外开展了一些试验研究[1-3]。二甲醚由于资源丰富、具有卓越的燃烧和排放特性而成为柴油机理想的替代燃料，国内外对二甲醚的喷雾和发动机性能进行了大量的研究[4-5]。由于两种替代燃料的理化特性不同，在喷射、雾化、燃烧和排放形成方面不同，因此需要深入研究柴油机燃用生物柴油和二甲醚的燃烧和排放特性。汉阳大学的HJ Kim分析了生物柴油和二甲醚的喷雾特性，结果表明：环境压力显著影响燃料的喷雾特性，在相同的环境条件和喷射条件下，生物柴油的雾化性能逊于二甲醚的雾化性能[6]；但未比较研究其燃烧过程和排放。为此，本文在一台增压柴油机上分别进行了燃用生物柴油和二甲醚的试验，分析了两种不同替代燃料的燃烧和排放特性。

1试验装置和方法

试验在1台六缸、增压中冷直喷发动机上进行。燃用生物柴油(废食用油类)时，采用原机喷嘴6×0.24mm，燃用二甲醚时采用二甲醚喷嘴6×0.40mm，并用低压泵给燃料系统加压，保证二甲醚在燃料系统中为液态，消除燃料系统的气阻。试验测试了最大扭矩转速1 400r/min时、不同负荷下的有效燃油消耗率、缸内压力、NOx排放、HC排放、CO排放和碳烟排放。试验中，缸内压力采用压电式压力传感器、电荷放大器和高速数据采集仪测量，采样频率为20kHz，并由缸内压力计算燃烧放热规律。有效燃油消耗率采用电子天平来测量，为了方便比较，将生物柴油和二甲醚的有效燃油消耗率都转化为等热值的柴油当量有效燃油消耗率(简称燃油消耗率)。

2试验结果与分析

2.1柴油机燃用生物柴油和二甲醚燃烧特性对比

图1为1 400r/min、1.52MPa BMEP时柴油机燃用生物柴油和二甲醚的缸内压力、放热率和压力升高率对比。由图1(a)可知：生物柴油的缸内压力峰值为12.5MPa，二甲醚的缸内压力峰值为10.1MPa。与生物柴油相比，二甲醚的缸内压力峰值显著降低。这是因为二甲醚的十六烷值比生物柴油高、滞燃期短，滞燃期内发动机缸内积聚的燃料少，着火后一起燃烧，导致缸内压力峰值降低。

由图1(b)放热率曲线知：1 400r/min、1.52MPa BMEP时，出现扩散燃烧单峰的燃烧规律，生物柴油的单峰燃烧规律更明显。由于增压发动机进气温度和进气压力较高，滞燃期较短，且其工况为高负荷工况，缸内温度较高，滞燃期更短，预混合燃烧少。与生物柴油相比，二甲醚的放热率峰值较低，相位延后。生物柴油的放热率(相位)为241.9J/℃A (上止点后11.5℃A)，二甲醚的放热率(相位)为186.9J/℃A (上止点后19℃A)。

由于二甲醚弹性模量小，可压缩性比生物柴油大，因此其压力上升、下降均较缓慢，相同的供油提前角下喷油延迟比生物柴油大。虽然二甲醚的十六烷值高，比生物柴油更易着火，但喷油延迟的影响更大。

图1　柴油机燃用生物柴油和二甲醚燃烧性能对比

图1(c)为柴油机燃用生物柴油和二甲醚的压力升高率对比。由压力升高率曲线可知：生物柴油的压力升高率幅值显著大于二甲醚的幅值。这是由于二甲醚的滞燃期短，参与预混合燃烧的燃料较少，因此压力升高率幅值降低。燃用二甲醚时的压力升高率幅值小，说明二甲醚发动机工作较柔和。

2.2柴油机燃用二甲醚和生物柴油油耗率对比

图2为柴油机燃用生物柴油和二甲醚的有效燃油消耗率(BSFC)对比，BSFC是以等热值的柴油当量比油耗来比较的。由图2可知：同一工况下，生物柴油的燃油消耗率高于二甲醚的燃油消耗率。这是因为生物柴油的粘度高，雾化比二甲醚差，与空气混合、扩散的速度不如二甲醚快。燃用二甲醚时，采用针对二甲醚物性设计的大孔径喷嘴0.40mm；燃用生物柴油时，采用的是小孔径喷嘴0.24mm，并且其喷嘴启喷压力高，但生物柴油的雾化仍然不如二甲醚。

图2　柴油机燃用生物柴油和二甲醚有效燃油消耗率的对比

2.3柴油机燃用二甲醚和生物柴油排放特性对比

图3为最大扭矩转速时柴油机燃用生物柴油和二甲醚排放特性对比。由图3(a)可知：与燃用生物柴油相比，同一工况下，燃用二甲醚的NOx排放均大幅降低。例如，1 400r/min、1.52MPa BMEP时，燃用生物柴油和二甲醚的NOx排放分别为1 266×10-6和413×10-6，燃用二甲醚的NOx排放下降了67%。由于二甲醚的雾化性比生物柴油好，燃料在燃烧室内分布均匀，改善了缸内温度分布的不均匀性；其汽化潜热比生物柴油大，汽化过程要吸收大量的热，这些原因使燃用二甲醚时的缸内燃烧温度降低。另外，由高温NO产生机理可知：降低燃烧温度能够降低高温NO的生成量。由图3(b)、(c)可知：燃用二甲醚时的HC排放和CO排放均高于生物柴油。由图3(d)可知：同一负荷下，燃用二甲醚的碳烟排放均低于生物柴油。这是由于二甲醚和生物柴油均为含氧燃料，但二甲醚中含氧量高达34.8%，其雾化比生物柴油好，可以进一步促使燃料充分氧化燃烧，因此碳烟排放更低。

图3　柴油机燃用二甲醚和生物柴油排放的对比

3结论

1)增压发动机在最大扭矩转速、高负荷下燃用生物柴油和二甲醚时，预混合燃烧不明显，出现扩散燃烧单峰的燃烧规律，生物柴油燃烧的单峰规律更为明显。

2)二甲醚的滞燃期比生物柴油短，喷油延迟大，燃用二甲醚时的缸内压力峰值和放热率峰值降低。生物柴油的压力升高率幅值大于二甲醚的幅值，发动机燃用二甲醚时工作较柔和。

3)与燃用生物柴油相比，燃用二甲醚的NOx排放显著降低，HC排放和CO排放升高，碳烟排放和燃油消耗率降低。

参考文献：

[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]楼狄明, 石健, 赵杰,等.共轨柴油机燃用不同配比生物柴油的性能与排放特性[J].内燃机工程, 2009, 30(6): 21-25.

[3]何旭, 郑亮, 赵陆明,等.生物柴油喷雾、着火和燃烧特性试验研究[J].内燃机工程, 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

文章编号：1003-188X(2016)02-0249-03

中图分类号：S218.5；TK427

文献标识码：A

作者简介：侯军兴(1977-)，男，河南安阳人，讲师，博士，(E-mail)houjunxing@126.com。

基金项目：河南省科技厅科技攻关项目(132102210287)；河南省教育厅科学技术重点研究项目(14B470018)；航空科学基金资助项目(2013ZB55003)

收稿日期：2015-02-03