柴油醇發(fā)動機性能的試驗研究*

王崇明，杜 潛

（1.鄭州市第九人民醫(yī)院，河南鄭州 450053;2.河南機電高等專科學(xué)校 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和汽車保有量的增加，石油短缺問題日益突出，迫使人們積極拓展新能源和代用燃料，乙醇作為一種可再生資源已得到世界各國的普遍關(guān)注［1，2］。本文采用乙醇柴油直接混合技術(shù)方案，在對現(xiàn)有柴油機結(jié)構(gòu)不做任何變動的條件下，研究了柴油乙醇混合燃料對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性以及排放性能的影響。

1 乙醇、柴油的主要物化特性

乙醇、柴油的主要物化特性如表1所示。

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乙醇燃料的低熱值約為柴油的低熱值的63%，因而混合燃料的低熱值將隨乙醇摻混比例增加而下降，這對柴油醇作為發(fā)動機的燃料是一個不利的因素，所以摻混比例不能過高。

2 柴油醇燃料的配制

乙醇燃料顯極性，具有較強的親水性，能無限溶于水，而柴油屬于石油系燃料，具有較強的憎水性，當(dāng)柴油和乙醇混合時，表現(xiàn)出較差的相溶性［3］，溫度下降及含水量的增加，就很容易分層，不易形成穩(wěn)定的乳化液;因而解決柴油與乙醇的相溶性問題是柴油摻混乙醇的一個關(guān)鍵技術(shù)。

研究表明，柴油醇中乙醇體積百分比小于8%時，在不接觸空氣的情況下可以長時間穩(wěn)定儲存，不會出現(xiàn)分層、乳化現(xiàn)象。但是在接觸空氣后很快就出現(xiàn)分層、乳化現(xiàn)象，這是由于乙醇的吸水性很強，接觸空氣后含水量增加，乙醇就會分離出來。這就給混合燃料的配置、運輸以及使用過程提出了很高的防水防潮要求。柴油醇中乙醇體積百分比大于8%時，則需添加助溶劑來解決相溶性問題。把無水乙醇、柴油和助溶劑在密閉容器中用震蕩方法混合可形成均勻、穩(wěn)定的燃料。

本文對柴油機燃用E0和E10TG(E0代表0#純柴油，E10TG代表乙醇、0#柴油和助溶劑體積比為10%:89%:1%的混合燃料)兩種燃料，來研究柴油醇發(fā)動機的性能。經(jīng)測定，E10TG的密度為0.8340 g/cm3，低熱值 40.439 MJ/Kg。

3 試驗分析

3.1 動力性分析

試驗中，該柴油醇發(fā)動機燃用E10TG燃料，在標定轉(zhuǎn)速下能達到105%的標定功率，標定功率下運行平穩(wěn)、工作柔和。同時，該柴油醇發(fā)動機能夠達到技術(shù)條件要求的最大扭矩。試驗結(jié)果表明，燃用E10TG燃料的柴油醇發(fā)動機的動力性能夠滿足使用要求。

3.2 經(jīng)濟性分析

圖1和圖2分別是發(fā)動機燃用E0和E10TG兩種燃料在標定轉(zhuǎn)速下負荷特性的燃料消耗率和有效熱效率的測試結(jié)果。

試驗結(jié)果表明，使用柴油醇燃料會導(dǎo)致發(fā)動機燃料消耗率上升。其主要原因在于柴油醇的低熱值比柴油低，所以如果兩種發(fā)動機的有效效率相同，要達到相同的功率，柴油醇料發(fā)動機的燃料消耗率自然要比柴油機高才可以。所以用有效效率來分析發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性相對更科學(xué)，而燃用兩種燃料，發(fā)動機的有效效率非常接近，這說明從能量觀點來看，柴油醇發(fā)動機的經(jīng)濟性能是比較好的。

在小負荷工況，發(fā)動機燃用柴油醇要比純柴油的比油耗高得多，這是因為小負荷工況時，發(fā)動機氣缸內(nèi)的溫度比較低，而乙醇的自燃點高，混合燃料燃燒期間稀薄的混合氣在著火過程中出現(xiàn)局部火焰窒息;另外乙醇的氣化潛熱比較大，揮發(fā)過程中要吸收大量的熱，氣缸壁的溫度比較低，氣缸壁對火焰產(chǎn)生淬熄作用［4］，這些因素造成大量可燃混合氣燃燒不完全，導(dǎo)致發(fā)動機燃用柴油醇油耗高得多。大負荷工況，柴油醇發(fā)動機同柴油機相比油耗盡管還高，但差別趨勢下降了，這是因為大負荷時燃料中添加乙醇后能夠提高發(fā)動機熱效率的原因是乙醇中含有較多的氧，氧元素在燃料燃燒過程中起了助燃作用，特別是在噴霧核心以及周圍的高濃度燃料區(qū)域，燃料本身含的氧使空燃比提高，燃燒過程中的氧更加充足，另外乙醇的存在使混合燃料的霧化水平提高，燃料與空氣更好地混合，這些都使燃料可以比較充分地燃燒，降低了燃料消耗率。

3.3 排放性能分析

圖3、圖4和圖5分別是發(fā)動機燃用E0和E10TG兩種燃料在標定轉(zhuǎn)速負荷下NOX、CO和HC排放的對比數(shù)據(jù)。

從圖3可以得到:柴油醇發(fā)動機的NOX排放在小、中負荷比柴油機低，在大負荷時高。高溫、富氧和氧與氮在高溫下停留的時間是內(nèi)燃機燃燒過程中NOX生成的三大要素。分析認為，乙醇的汽化潛熱大，霧化揮發(fā)、汽化等過程會吸收大量的熱，造成混合氣局部溫度降低。發(fā)動機在低負荷時，缸內(nèi)平均溫度本身又很低，這種效應(yīng)的影響尤其明顯，會顯著抑制NOx的生成。發(fā)動機在中、小負荷時，滯燃期延長，燃燒滯后，達到燃燒最高溫度時，氣缸容積較大，氣體的濃度減少，同樣不利于NOx的生成。但發(fā)動機在大負荷時，混合燃料的含氧量隨著乙醇比例的增大而增大，會使噴注心部氧濃度易于達到NOx生成的適當(dāng)條件，會有較多的NOx排放。

如圖3、圖4所示:在各種工況下，柴油醇發(fā)動機的CO排放和HC排放都比柴油機高，而在中、小負荷時，柴油醇發(fā)動機的CO排放和HC排放要比柴油機高得多。這是因為乙醇汽化時吸收大量的熱會導(dǎo)致燃燒的局部冷卻，CO的氧化反應(yīng)減慢，火焰的淬熄造成HC反應(yīng)鏈中斷的可能性增多，再者乙醇的沸點低、辛烷值高，在壓縮階段乙醇氣體迅速揮發(fā)進入氣缸的縫隙區(qū)域，而這些區(qū)域溫度比較低，加之高辛烷值的乙醇自燃溫度會比較高，因此不能完全氧化，最終導(dǎo)致產(chǎn)生大量的CO和HC氣體。

4 結(jié)語

根據(jù)以上試驗及分析，得到以下主要結(jié)論:

1)采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，柴油機可以燃用柴油醇燃料并取得良好的動力性能。

2)乙醇的低熱值是影響柴油醇發(fā)動機油耗的重要因素。低熱值低使柴油醇發(fā)動機的燃料消耗率高于柴油機，但其有效效率和柴油機不相上下。

3)柴油醇發(fā)動機的排放性能并不理想，需要進行進一步的研究。

［1］何邦全，王建昕，郝吉明.著火改進劑對乙醇－柴油燃料排放特性的影響［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2003，21(6)，419－422.

［2］李會芬，余紅東，黃錦成.以醇類為助溶劑的乙醇柴油混合燃料的試驗研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，35(2)，282 －285.

［3］呂興才，楊劍光，張武高，等.乙醇－柴油混合燃料的理化特性研究［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2004，22(4)，289 －295.

［4］肖明偉，陳振斌，何金戈，等.燃燒乙醇－柴油時發(fā)動機的性能與排放特性研究［J］.小型內(nèi)燃機與摩托車，2010，39(6):72 －75.