新型燃料柴油机性能和排放研究*

张海波　黄孝慈

（上海工程技术大学汽车工程学院上海201620）

新型燃料柴油机性能和排放研究*

张海波黄孝慈

（上海工程技术大学汽车工程学院上海201620）

新型燃料是一种部分替代或是全部替代柴油的潜在燃料。把甲醇、乙醇和二甲醚作为添加剂直接注入柴油机进行试验，以评估研究新型燃料对柴油机性能和排放的影响。通过新型燃料柴油机性能试验，得到不同新型燃料对柴油机功率、扭矩、制动热效率、制动比油耗、排气温度的影响。通过新型燃料柴油机排放试验，得到不同新型燃料对柴油机排气中一氧化碳、二氧化碳、HC、NOx和烟雾排放的影响。试验结果表明：新型燃料二甲醚柴油机的废气排放与柴油机相比相对减少，尤其是NOx减少了50%，新型燃料二甲醚柴油机的性能优于甲醇、乙醇柴油机，排放低于甲醇、乙醇柴油机。

新型燃料性能排放

引言

近年来，由于世界范围内资源和环境问题日趋严重，新型燃料的研究及应用得到进一步重视。针对我国能源资源特点，发展新型清洁含氧代用燃料，对改善柴油机的性能、降低对石油资源的依赖性和保证能源安全都具有重大意义。本文研究了以甲醇、乙醇为代表的醇类含氧燃料以及以二甲醚（DME）为代表的醚类含氧燃料对柴油机性能、排放以及缸内燃烧特性的影响。具体工作表现在：1）研究了甲醇为20%的甲醇柴油混合燃料对柴油机动力性、经济性、排放性等的影响。研究表明：甲醇柴油混合燃料能有效降低柴油机的碳烟排放，并改善发动机的热效率，发动机的动力性能不会受到明显影响，是一种良好的柴油含氧替代燃料，具有良好的推广应用前景。2）研究了乙醇为20%的乙醇柴油混合燃料对柴油机动力性、经济性、排放性等的影响。研究表明：乙醇柴油混合燃料能有效降低柴油机的碳烟排放和NOx排放，并改善发动机的燃烧性能，是一种优良的柴油含氧替代燃料。3）研究了二甲醚对柴油机燃烧和排放性能的影响。研究表明：二甲醚能有效降低柴油机的排放，在改变燃料系统的条件下应用二甲醚具有广阔的前景。

本研究关于含氧燃料发动机的结果为：1）在柴油中添加含氧添加剂能有效改善柴油机的性能和排放，降低碳烟排放效果尤其明显。研究表明，柴油机的碳烟排放随着含氧量的增加呈单调下降趋势。2）各种含氧燃料添加剂对降低柴油机的尾气排放都具有一定的效果，其中NOx排放在含氧添加剂比例较低时基本不变或略有增加，当含氧添加剂的比例增大到一定程度时，由于缸内燃烧温度下降，发动机的NOx排放有降低的趋势。新型燃料柴油机的性能和柴油机类似，几乎有相同的制动热效率，表现出更低的燃油消耗率和更少的烟雾排放［1］。

1　实验过程及设备

有文献对直喷式柴油机的燃烧和性能与新型燃料柴油机的燃烧和性能进行对比分析，他们得出的结论是：使用20%的新型燃料与柴油混合不会产生负面影响［2］。由于低热值和高粘度，新型燃料混合比例限制在20%。在这项研究中，用甲醇、乙醇和二甲醚作为添加剂，观察直喷式柴油机的燃烧、性能和排放［3］。发现更高比例的甲醇、乙醇和二甲醚会影响燃烧室的冷却效果，所以仅限于新型燃料混合比例为20%［4］。因此我们尝试使用混合比例为20%的新型燃料，使发动机燃料和添加剂混合所形成的燃料获得的结果非常接近传统的柴油燃料。本研究的主要目的是研究新型燃料的燃烧特性［5］，通过新型燃料柴油机性能试验和排放试验，得到新型燃料柴油机的性能和排放与传统柴油机性能和排放的对比结果。

燃料和添加剂的属性如表1所示。

使用的发动机是单缸、自然吸气、四冲程、水冷、压缩比为16.5：1的直喷式柴油机，最大功率为3.7 kW/1 500（r·min-1）。发动机转速直接从转速传感器测得。实验的主要传感器有压力传感器、温度传感器、曲轴转角传感器、机油压力传感器、冷却水温度传感器、空气流量传感器和排气温度传感器等［6］。所有传感器测得的数据输出到计算机使用软件界面。

表10　号柴油、甲醇、乙醇和二甲醚属性

发动机排气中CO，HC，NOx，二氧化碳的测定，使用AVL-444 Di气体分析仪。废气排放测量从排气门升程在200 mm时进行。烟度的测定，使用AVL-437 c烟度计后减少膨胀室的压力和温度［7］。发动机在空载起动调整后，达到额定转速和稳态条件，将燃油消耗率、发动机转速、排气温度和功率的测量结果输出并显示在监视器上，对新型混合燃料的性能和排放特性进行试验研究，并与传统柴油的性能和排放特性进行对比分析。

2　结果和讨论

图1　四种燃料不同负荷下制动热效率的变化

2.1气缸内压力和曲轴转角

通过对柴油机气缸内气体压力随柴油机曲轴转角的变化进行分析，可以很明显地看出，柴油机气缸内气体压力峰值较高。对于新型混合燃料，最重要的燃烧现象是点火延迟。由于新型混合燃料粘度略低和热值较低，其点火延迟比柴油降低［8］，因此燃烧混合燃料比柴油早些时候开始。分别给予甲醇柴油混合、乙醇柴油混合和二甲醚柴油混合满负荷，气缸内气体压力峰值几乎获得相同的曲轴转角位置，上止点后6到9°。由于时间越长，点火延迟，气缸压力峰值降低［9］。

2.2发动机性能

所有四种燃料不同负荷下制动热效率的变化如图1所示。从图1中可以看出，四种燃料制动热效率随着发动机负荷的增加而增加。在全负荷工况下，四种燃料制动热效率分别为25.5%，23.6%，24.1%和24.3%。在全负荷运行条件下，二甲醚柴油混合燃料的制动热效率比柴油高出5%，数值是25.5%，比乙醇柴油高7.38%，比甲醇柴油高4.63%。从实验观测数据得出：二甲醚柴油混合燃料的制动热效率比甲醇柴油、乙醇柴油仅小幅增加。

四种燃料不同负荷下制动比油耗的变化如图2所示。混合燃料与柴油相比，制动比油耗（BSFC）有所减少。对所有燃料来说，随着发动机负荷的增加，制动比油耗显著减少。这是由于随着负荷的增大，机械效率迅速增加，热损失相对减小，指示效率有所增加，因此，制动比油耗迅速下降。二甲醚柴油混合燃料的制动比油耗略低，乙醇柴油和甲醇柴油的制动比油耗几乎是相同的。

图2　四种燃料不同负荷下制动比油耗的变化

排气温度受到点火延迟变化的影响，更高的点火延迟导致燃烧延迟和较高的排气温度［5］。混合燃料的的点火延迟与柴油机相比要少。点火延迟减少可能会导致预混燃烧的减少，从而增加了二次燃烧。如图3所示，混合燃料的排气温度比柴油的排气温度要高。

图3　四种燃料不同负荷下排气温度的变化

2.3污染物的排放

2.3.1一氧化碳

随发动机加载不同，混合燃料的一氧化碳（CO）排放变化如图4所示。一氧化碳的最小值和最大值分别是0.01%和0.31%。从图4可以看出，CO最初是减少，一直到80%负荷；此后一直到全负荷CO急剧上升。对于更高的发动机负载可能没有足够时间完全燃烧，因而有更多的CO排放。二甲醚柴油混合燃料CO排放在发动机全负荷时，要比乙醇柴油混合燃料CO排放低19%。

图4　四种燃料不同负荷下一氧化碳（CO）的变化

2.3.2碳氢化合物

不同负荷下混合燃料的碳氢化合物（HC）排放变化如图5所示。一般来说，混合燃料的HC排放增大，主要是因为长时间的点火延迟，导致预混燃烧阶段更高的燃料积累。与柴油燃料的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显示更少的HC排放，全负荷时比甲醇柴油混合燃料降低约35%。这种HC排放的降低是由于混合燃料的氧含量有助于完全燃烧。

图5　四种燃料不同负荷下碳氢化合物（HC）的变化

2.3.3氮氧化物

混合燃料发动机不同负荷下的氮氧化物（NOx）排放如图6所示。从图6中可以观察到：在小负荷时，缸内温度相对较低，混合燃料中含氧成分的存在对NOx排放影响不大，NOx排放显示出特别小的减少。在中、高负荷时，与柴油燃料相比，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烧温度增加，混合燃料中含氧优势发挥作用，加之，甲醇的加入使滞燃期延长，使更多的氮原子被氧化，导致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与甲醇柴油混合燃料相比，NOx排放减少，乙醇柴油混合燃料NOx排放平均减少约57%，二甲醚柴油混合燃料NOx排放平均减少约69%。详细的火焰分析可以得出现象背后的原因，这种现象是由于燃烧温度、反应时间和氧含量之类的因素复杂的相互作用所造成的。

图6　四种燃料不同负荷下氮氧化物（NOx）的变化

2.3.4烟度

压燃式发动机的碳烟排放是通过测量排气烟度来进行评价的。测量的排气烟度实际上是颗粒物含量。烟尘的形成主要发生在高温高压下的富油区域，尤其是在燃油喷雾的核心区域，是由于高温分解引起的。如果燃料部分含氧，就可以减少局部过浓区域和限制主要烟雾的形成。燃料在排气中的烟度测试结果如图7所示。从图7中可以看出，甲醇柴油混合燃料比纯柴油燃料产生较少的烟度，在中等负荷，二甲醚柴油混合发动机烟度更少。二甲醚柴油混合发动机在最小负荷时有最小的烟度，最大负荷时有最大的烟度。全负荷时柴油机烟度是77%，二甲醚柴油混合发动机烟度是93%。这可能是由于在混合燃料中氧分子的存在，形成了比柴油机更完全的燃烧；同时，当发动机负荷增加，消耗更多的燃料，而更多的燃料以扩散模式燃烧掉。

图7　四种燃料不同负荷下烟度的变化

3　结论

在柴油机中使用混合燃料可满足能源发展的需要，甲醇柴油混合、乙醇柴油混合及二甲醚柴油混合都可以作为柴油机的燃料。在柴油发动机中，使用混合燃料，发动机不需做任何修改。混合燃料比其它种类的纯燃料的有害污染物排放低是一个重要的优势。

甲醇柴油混合燃料特性如十六烷值、热值、硫含量、闪点等都比柴油更好。

二甲醚和乙醇作为添加剂可降低混合物的密度和粘度。二甲醚柴油混合的制动比油耗略低，乙醇柴油混合的制动比油耗与甲醇柴油混合几乎相同。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，所以碳烟排放减少，特别是在发动机高负荷时更明显。因此，采用较高的氧含量和高挥发性的燃料，如二甲醚和乙醇，可以说是一个很有前途的技术。

二甲醚比乙醇有更高的挥发性，所以二甲醚的烟度更低。二甲醚柴油混合与乙醇柴油混合相比，烟度减少28%，HC、CO和NOx排放都降低。

新型燃料二甲醚柴油机的废气排放与柴油机相比相对减少，尤其是NOx减少了50%，新型燃料二甲醚柴油机的性能优于甲醇、乙醇柴油机，排放低于甲醇、乙醇柴油机。因此二甲醚柴油混合可以有效地应用于柴油机中。

1王铁，冯丹华，王娜，等.柴油机应用非标柴油-二甲醚混合燃料的性能研究［J］.车用发动机，2011（5）：63-67

2张俊军，乔信起，管斌，等.柴油机燃用二甲醚复合燃烧试验［J］.农业机械学报，2008，39（6）：13-16，45

3刘晓辉.甲醇/柴油混合燃料对柴油机性能影响的试验研究［J］.山东交通学院学报，2008，16（2）：18-21

4杨敬，胡真，杨庆佛，等.二甲醚-柴油混合燃料性质的实验研究［J］.机械工程与自动化，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，闫小光，等.乙醇-柴油在线混合燃料的燃烧排放特性［J］.清华大学学报：自然科学版，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

上海高校知识创新工程（085工程）建设项目（JZ0901）资助；上海市高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助项目（06XPYQ20）。

张海波（1975-），男，讲师，硕士，主要研究方向为发动机性能与设计。

2016-03-06）