柴油醇发动机性能的试验研究*

王崇明，杜 潜

（1.郑州市第九人民医院，河南郑州 450053;2.河南机电高等专科学校 汽车工程系，河南 新乡 453000）

随着世界经济的发展和汽车保有量的增加，石油短缺问题日益突出，迫使人们积极拓展新能源和代用燃料，乙醇作为一种可再生资源已得到世界各国的普遍关注［1，2］。本文采用乙醇柴油直接混合技术方案，在对现有柴油机结构不做任何变动的条件下，研究了柴油乙醇混合燃料对发动机动力性、经济性以及排放性能的影响。

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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乙醇燃料的低热值约为柴油的低热值的63%，因而混合燃料的低热值将随乙醇掺混比例增加而下降，这对柴油醇作为发动机的燃料是一个不利的因素，所以掺混比例不能过高。

2 柴油醇燃料的配制

乙醇燃料显极性，具有较强的亲水性，能无限溶于水，而柴油属于石油系燃料，具有较强的憎水性，当柴油和乙醇混合时，表现出较差的相溶性［3］，温度下降及含水量的增加，就很容易分层，不易形成稳定的乳化液;因而解决柴油与乙醇的相溶性问题是柴油掺混乙醇的一个关键技术。

研究表明，柴油醇中乙醇体积百分比小于8%时，在不接触空气的情况下可以长时间稳定储存，不会出现分层、乳化现象。但是在接触空气后很快就出现分层、乳化现象，这是由于乙醇的吸水性很强，接触空气后含水量增加，乙醇就会分离出来。这就给混合燃料的配置、运输以及使用过程提出了很高的防水防潮要求。柴油醇中乙醇体积百分比大于8%时，则需添加助溶剂来解决相溶性问题。把无水乙醇、柴油和助溶剂在密闭容器中用震荡方法混合可形成均匀、稳定的燃料。

本文对柴油机燃用E0和E10TG(E0代表0#纯柴油，E10TG代表乙醇、0#柴油和助溶剂体积比为10%:89%:1%的混合燃料)两种燃料，来研究柴油醇发动机的性能。经测定，E10TG的密度为0.8340 g/cm3，低热值 40.439 MJ/Kg。

3 试验分析

3.1 动力性分析

试验中，该柴油醇发动机燃用E10TG燃料，在标定转速下能达到105%的标定功率，标定功率下运行平稳、工作柔和。同时，该柴油醇发动机能够达到技术条件要求的最大扭矩。试验结果表明，燃用E10TG燃料的柴油醇发动机的动力性能够满足使用要求。

3.2 经济性分析

图1和图2分别是发动机燃用E0和E10TG两种燃料在标定转速下负荷特性的燃料消耗率和有效热效率的测试结果。

试验结果表明，使用柴油醇燃料会导致发动机燃料消耗率上升。其主要原因在于柴油醇的低热值比柴油低，所以如果两种发动机的有效效率相同，要达到相同的功率，柴油醇料发动机的燃料消耗率自然要比柴油机高才可以。所以用有效效率来分析发动机的燃料经济性相对更科学，而燃用两种燃料，发动机的有效效率非常接近，这说明从能量观点来看，柴油醇发动机的经济性能是比较好的。

在小负荷工况，发动机燃用柴油醇要比纯柴油的比油耗高得多，这是因为小负荷工况时，发动机气缸内的温度比较低，而乙醇的自燃点高，混合燃料燃烧期间稀薄的混合气在着火过程中出现局部火焰窒息;另外乙醇的气化潜热比较大，挥发过程中要吸收大量的热，气缸壁的温度比较低，气缸壁对火焰产生淬熄作用［4］，这些因素造成大量可燃混合气燃烧不完全，导致发动机燃用柴油醇油耗高得多。大负荷工况，柴油醇发动机同柴油机相比油耗尽管还高，但差别趋势下降了，这是因为大负荷时燃料中添加乙醇后能够提高发动机热效率的原因是乙醇中含有较多的氧，氧元素在燃料燃烧过程中起了助燃作用，特别是在喷雾核心以及周围的高浓度燃料区域，燃料本身含的氧使空燃比提高，燃烧过程中的氧更加充足，另外乙醇的存在使混合燃料的雾化水平提高，燃料与空气更好地混合，这些都使燃料可以比较充分地燃烧，降低了燃料消耗率。

3.3 排放性能分析

图3、图4和图5分别是发动机燃用E0和E10TG两种燃料在标定转速负荷下NOX、CO和HC排放的对比数据。

从图3可以得到:柴油醇发动机的NOX排放在小、中负荷比柴油机低，在大负荷时高。高温、富氧和氧与氮在高温下停留的时间是内燃机燃烧过程中NOX生成的三大要素。分析认为，乙醇的汽化潜热大，雾化挥发、汽化等过程会吸收大量的热，造成混合气局部温度降低。发动机在低负荷时，缸内平均温度本身又很低，这种效应的影响尤其明显，会显著抑制NOx的生成。发动机在中、小负荷时，滞燃期延长，燃烧滞后，达到燃烧最高温度时，气缸容积较大，气体的浓度减少，同样不利于NOx的生成。但发动机在大负荷时，混合燃料的含氧量随着乙醇比例的增大而增大，会使喷注心部氧浓度易于达到NOx生成的适当条件，会有较多的NOx排放。

如图3、图4所示:在各种工况下，柴油醇发动机的CO排放和HC排放都比柴油机高，而在中、小负荷时，柴油醇发动机的CO排放和HC排放要比柴油机高得多。这是因为乙醇汽化时吸收大量的热会导致燃烧的局部冷却，CO的氧化反应减慢，火焰的淬熄造成HC反应链中断的可能性增多，再者乙醇的沸点低、辛烷值高，在压缩阶段乙醇气体迅速挥发进入气缸的缝隙区域，而这些区域温度比较低，加之高辛烷值的乙醇自燃温度会比较高，因此不能完全氧化，最终导致产生大量的CO和HC气体。

4 结语

根据以上试验及分析，得到以下主要结论:

1)采用适当的技术手段，柴油机可以燃用柴油醇燃料并取得良好的动力性能。

2)乙醇的低热值是影响柴油醇发动机油耗的重要因素。低热值低使柴油醇发动机的燃料消耗率高于柴油机，但其有效效率和柴油机不相上下。

3)柴油醇发动机的排放性能并不理想，需要进行进一步的研究。

［1］何邦全，王建昕，郝吉明.着火改进剂对乙醇－柴油燃料排放特性的影响［J］.内燃机学报，2003，21(6)，419－422.

［2］李会芬，余红东，黄锦成.以醇类为助溶剂的乙醇柴油混合燃料的试验研究［J］.广西大学学报(自然科学版)，2010，35(2)，282 －285.

［3］吕兴才，杨剑光，张武高，等.乙醇－柴油混合燃料的理化特性研究［J］.内燃机学报，2004，22(4)，289 －295.

［4］肖明伟，陈振斌，何金戈，等.燃烧乙醇－柴油时发动机的性能与排放特性研究［J］.小型内燃机与摩托车，2010，39(6):72 －75.