添加乙醚和乙醇对发动机燃用生物柴油-柴油混合燃料排放性能的影响

宋俊良，袁杰

(四川交通职业技术学院汽车工程系，四川成都 611130)

添加乙醚和乙醇对发动机燃用生物柴油-柴油混合燃料排放性能的影响

宋俊良，袁杰

(四川交通职业技术学院汽车工程系，四川成都 611130)

研究目的是评估使用乙醚和乙醇作为生物柴油-柴油混合燃料的添加剂时，对直喷式柴油发动机排放特性的影响。测试燃料分别为B30(体积分数为30%的生物柴油和70%的柴油)，BE-1(体积分数为5%的乙醚，25%的生物柴油和70%的柴油)和BE-2(体积分数为5%的乙醇，25%的生物柴油和70%的柴油)。结果表明：与B30相比，BE-1的燃油消耗率略低；在发动机大负荷时， BE-1和BE-2排放的烟度急剧减少；BE-2的氮氧化物(NOx)排放量略高，BE-1和BE-2的碳氢化合物(HC)排放量略高，但一氧化碳(CO)排放量稍低。

生物柴油-柴油混合燃料；乙醇；乙醚；排放特性

0 引言

生物燃料(如醇类、生物柴油)已被提议作为内燃机的代用燃料[1-3]。特别是，生物柴油作为柴油的替代品，已得到了广泛的关注，因为它是可生物降解的、无毒的，同时燃烧时能够显著地降低污染物排放量和二氧化碳(CO2)排放。许多研究表明：在柴油发动机上燃用生物柴油可以降低碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和颗粒物(PM)的排放量，但氮氧化物(NOx)的排放量会增加[4]。生物柴油的含氧量高是NOx形成的一个重要因素，高的含氧量会使燃烧温度升高，从而使得 NOx排放增加[5]。另一方面，与柴油相比，生物柴油有一些不足之处，如较高的黏度和倾点值、挥发性低。在寒冷的天气，生物柴油的低温流动性差阻碍了生物柴油-柴油混合燃料的使用[6]，但乙醚和乙醇可有望改善其低温流动性能。以前的研究表明：燃料中高的氧含量能明显降低PM的排放量，并且比其他因素都重要，如化学结构或挥发性。在生物柴油和柴油混合物中添加乙醚和乙醇，可以增加氧含量，从而降低PM排放量。

在这项实验中，作者研究了在生物柴油-柴油混合燃料中添加乙醇或乙醚时，柴油机的排放特性，研究和讨论了燃油消耗率、常规排放物(包括烟尘、NOx、CO和THC)。

1 设备和实验

1.1 实验燃料

测试采用的商业柴油从当地获得。生物柴油是以大豆为原料采用碱性催化的酯交换反应的方法生产制备的。乙醇是一种分析级的无水乙醇(纯度99.7%)。该乙醚是分析级的无水乙醚(纯度为99.5%)。表1给出混合原料的主要特性。可以看出：乙醇中的潜热值是840 kJ/kg，远高于其他燃料；生物柴油的黏度明显高于其他燃料。乙醇和乙醚中的氧含量分别为34.8%和21.6%，都高于生物柴油的氧含量。在这项研究中，准备了这3种燃料：体积分数为30%的生物柴油与柴油混合作为基底油(记为B30)，体积分数分别为5%的乙醚和25%的生物柴油与柴油混合(以BE-1表示)，体积分数分别为5%的乙醇和25%的生物柴油与柴油混合(以BE-2表示)。表2显示了测试燃料的组成和主要特性。由此可以看出：B30的密度是最高的，BE-2的潜热值是最高的；与B30相比，BE-1的低热值降低0.14%，BE-2的则降低1.28%。

表1 混合原料的主要特性

表2 测试燃料的组成及主要特性

1.2 实验设备与步骤

表3 测试发动机的技术参数

试验所用发动机为单缸，自然吸气，四冲程，直喷式柴油发动机。所使用的发动机的基本数据在表3中给出。

使用一种高精度流量计每30 s测量一次燃料流量。使用AVL Digas4000测量气体排放。使用一个部分流式烟度计测量烟度(AVL Dismoke4000)。图1为试验装置布置示意图。表4给出了测量设备的主要规格和分辨率。为了确保测量值的精度，在每次测量之前对气体分析仪进行校准，在每次测量前可以调整烟度计的零点。

在不同的发动机负荷下，对3种测试燃料进行试验。发动机在加入新燃料运转之前，要求发动机运行足够长的时间以消耗前一次试验剩余的燃料。在燃料测试时，需要计算重要的发动机性能参数，如制动燃油消耗率和平均有效压力。

测试设备项目测量范围分辨率操作温度/℃尾气排放分析仪HC排放量/(10-6)0～200001CO排放量/%0～100.01NOx排放量/(10-6)0～40001CO2排放量/%0～200.15～35Max40不透光烟度计烟度K/m-10～99.990.01不透明度0～1000.15～45奇石乐6051B1压力/MPa0～251×10-4-50～350气缸压力传感器Max400燃料流量计流量/mL0～1000.015～45

2 结果与讨论

图2表示发动机转速为1 800 r/min时，测试燃料的比油耗随平均有效压力的变化关系。通过各种燃料的体积流率值和燃料密度计算燃料的质量流率。由于在相同的发动机负载和速度下进行比较，则3组试验的发动机功率是相同的，比油耗的值实际上与燃料的质量流率成正比。观察发现B30的比油耗略高于BE-1的比油耗，和BE-2的几乎相同。主要的原因可能是由于乙醚和乙醇的高挥发性，从而加快了空气与燃料的混合速度，改善了燃烧过程，并增加了燃烧效率。

图3表示在发动机转速为1 800 r/min时，测试燃料的烟度排放随平均有效压力的变化关系。烟雾的形成是由于燃料的不完全燃烧。显而易见，BE-1和BE-2烟雾排放量都减少。这可能归功于乙醚和乙醇氧元素促使燃烧更充分，即使在局部浓混合区。此外，乙醚比乙醇更易挥发，这一特性看来对碳烟排放量的降低有一个显著的影响，尤其是在发动机高负荷时。因此，BE-1在发动机高负荷时碳烟排放量最低。

图4表示在发动机转速为1 800 r/min时，测试燃料的NOx排放量随平均有效压力的变化关系。在一个直喷、自然吸气的四冲程柴油发动机中，NOx的排放量对氧含量、绝热火焰温度和喷雾特性是敏感的。 BE-1氮氧化物排放量相比B30显示出非常轻微的变化，但在发动机高负荷时，BE-2的NOx排放量增加得更明显。通常情况下，完全燃烧将获得更高的燃烧温度，这将导致NOx排放增加。BE-2的NOx明显增加可能是由于乙醇中的氧含量高，这应该是BE-2的NOx排放增加的主导因素。

图5表示在发动机转速为1 800 r/min时，测试燃料的HC排放量随平均有效压力的变化关系。在任何情况下，对柴油机而言，HC排放量是相对小的。如已知的，在发动机气缸里，未燃HC的形成源于各种来源。可以观察到BE-1和BE-2的HC排放略高于B30。因为外加乙醚和乙醇，燃料蒸发和“溜”进气缸更加容易(在低流速时，在膨胀行程后)。

图6表示在发动机转速为1 800 r/min时，测试燃料的CO排放量随平均有效压力的变化关系。直喷式柴油发动机的CO排放量主要取决于燃料的物理和化学性质。整体测试结果表明：BE-1和BE-2的CO排放量相比B30略有减少。这是可以理解的，因为BE-1和BE-2具有较高的氧含量，使燃烧能够更充分。

3 总结

采用实验方法研究乙醚和乙醇添加剂对生物柴油-柴油混合燃料发动机的排放特性的影响。生物柴油-乙醚-柴油混合(BE-1)和生物柴油-乙醇-柴油混合(BE-2)表现出更好的稳定性，并且可以在柴油发动机中直接使用而无须任何修改。BE-1的比油耗略低，BE-2的比油耗与B30几乎是类似的。 BE-1和BE-2比B30具有较高的氧含量，显示出消除烟雾排放方面优越的能力，尤其是在发动机高负荷时。乙醚比乙醇具有较高的挥发性，所以BE-1排放的烟雾减少得更多。 BE-1的NOx排放量与B30相似，但观察到BE-2的NOx排放量增加。BE-1和BE-2的CO排放量略有降低，但与B30相比，它们两个的HC排放量略高。 BE-1和BE-2的燃烧特性与B30几乎是相同的。

此外，在生物柴油-柴油混合燃料中添加氧含量较高和挥发性好的燃料，如乙醚和乙醇，是一个有前途的技术，该技术可以有效地在柴油发动机中使用生物柴油-柴油混合燃料而无需对发动机进行任何修改。

【1】边耀璋.汽车新能源技术[M]．北京：人民交通出版社，2003.

【2】巩利平.生物柴油的优点与研究现状[J]．太原大学学报，2007(4):132-134.

【3】徐桂转，张百良.生物柴油的研究与进展[J]．华中农业大学学报，2005,24(6):644-650.

【4】贺泓,石晓燕.生物乙醇柴油的特性及其在柴油发动机上的应用[J].石油化工,2008,37(3):209-215.

【5】张福根.生物质含氧燃料对柴油机性能、燃烧过程和排放特性影响的试验研究[D].南宁：广西大学，2005.

【6】唐胜兰.生物柴油的制备及其能值分析[D].石河子：石河子大学，2008.

Effect of Diethyl Ether and Ethanol Additives on the Emission Characteristics of Biodiesel-diesel Blended Fuel Engine

SONG Junliang, YUAN Jie

(Department of Automotive Engineering, Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu Sichuan 611130,China)

An experimental investigation was conducted to evaluate the effects of using diethyl ether and ethanol as additives into biodiesel-diesel blends on the performance, emissions characteristics of a direct injection diesel engine. The test fuels were denoted as B30 (30% biodiesel and 70% diesel in volume), BE-1 (5% diethyl ether, 25% biodiesel and 70% diesel in volume) and BE-2 (5% ethanol, 25% biodiesel and 70% diesel in volume) respectively. The results indicate that: compared with B30, there is slightly lower brake specific fuel consumption (BSFC) for BE-1; drastic reduction in smoke is observed with BE-1 and BE-2 at higher engine loads; nitrogen oxide (NOx) emissions are found slightly higher for BE-2; hydrocarbon(HC) emissions are slightly higher for BE-1 and BE-2, but carbon monoxide (CO) are slightly lower.

Biodiesel-diesel blend fuel; Ethanol; Diethyl ether; Emission characteristics

2015-07-08

宋俊良， 男，硕士，研究方向为汽车新能源。E-mail：840692101@qq.com。