乙醇—柴油混合燃料的燃烧与排放特性

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第2 0卷(0 2 第 3 20) 期 

内 燃





报 

V01 0( .2 200 No   2)  3

Tr ns c i   f CS C E  a a tonso   I

立章 编号 :0 00 0 ( 02 0 —9 50  1 0 —9 9 2 0 ) 302 —5

2 0 5  0 01

乙醇 一 油 混合 燃 料 的燃 烧 与 排 放 特 性  柴
王建 昕 ,闰小 光 ,程  勇 ,蒋 恒 飞 
( 华 大 学 汽 车 安 全与 节 能 国家 重 点 实 验 室 , 京 1 0 8 ) 清 北 0 04 

摘 要  究 了 柴油 机 燃 用 不 同掺 混 比的 乙醇 一 油混 合燃 料 对 排 气 烟 度  及 NO 气 体 排 放 成 分 的影 响 . 研 柴 ,   分析 了尾 气 排放 中 甲 醛 、 醛 以 及 未 燃 乙 醇 的 含 量 ,研 究 结 果 表 明 , ^ 一 定 比例 的 乙醇 可 改 善 缸 内 燃  乙 加

烧过 程 , 幅度降低排气烟度 , 高燃 油经济性 随着 乙醇掺 混比的提 高. 大 提 尾气 中 NO  含量 、 乙醛和未燃 
乙 醇 的 含量 有 明显 增 加 。  

关键 词 : 用 燃 料 : 氧 燃 料 :燃 烧 特性  排 放 特 胜  代 含

中图分类号 : TK4 4 6 

文献标识码 A  

引 言 
大 量 的试 验结 果 证 明 , 氧 燃料 在 排放 特 性 上 比  含 传 统 的 内燃 机燃 料 有 很 多优 势 , 对含 氧 燃料 的研 究 在  解 决 内燃 机 的广泛 应 用与 石 油 资源 日益枯 竭 、 境污  环
染 日益 严 重 的 矛 盾 上 有 深 远 的 意 义 。 乙醇 是 一 种 可 取 

点 、 化热 、 点 、 火 温 度 、 化 能 、 烷 值 、 六 烷  气 闪 着 活 辛 十 值 、 气压、 蒸 比热容 、 液态 气态 粘度 、 液体 表 面张力 以及  液态 气态 的热导 率等一 系列 物理 一化学 特性 。   表 l列 出了醇类 燃 料与柴油 、 油的物 化特性 。 汽 可  以看 出 , 由于醇类 燃料 的“ 自携氧 ” 特点 , 烧 时理论 上  燃 所 需空 气 只有汽油 或柴 油 的一 半左 右 。这 对 于改 善扩  散燃 烧 时 由于油气 混合 不均 匀而生 成碳 烟和微 粒 应该  具 有积 极 的作 用 。 当然 , 甲醇或 乙醇掺人 柴油 中的比率  ( 为 混合 比 , 称 以体 积计 ) 越高 , 在混 合燃料 含 氧量提 高  的 同时 , 燃料热 值会 成 比例下 降 , 如图 l所示 
表 1 几种 燃 料 的主 要 物 化 特 性 比较   
Tab   C o pa i o   f p  1 m rs n o   hysca a d  e ial i l n ch m c   c r t r si sofs e a  L l  ha ace itc    ev r lfJ s e

自于植 物 和农作 物 下 脚料 的可 再生 燃料 , 是 一 种典  也
型 的 含 氧 燃 料 。。 ”  一

乙醇 在汽油 机 上 的应 用研 究开 展 得 比较 多 , 在柴  油 机上 的应用很 少 , 并且研 究工 作主要 着 眼于燃 料“ 替  代” 性上 , 同时对 于 由于乙醇燃 料 的掺人引 起 的新排 放  幅 染物 的研 究也很 不够  本研 究主要 着眼 于利用 乙醇  的含氧 特性 改善柴油 机燃 烧和 排气烟 度这 一 目标 。对  乙醇 柴油 混合 燃料 的动 力性 、 经济性 及 排放 特性 进行  了试验 与 分析 , 用色 谱 分析 仪 对排 气 中醛 类 和 未燃  利 醇 类 的含 量进 行 了测 量 , 并测 录 了燃 用 混合 燃 料 时 的  示 功 图。 结果表 明 , 加人 一定 比例 的乙醇可 以大 幅度 降  低 排气 烟度 , 必须 注 意 由此带来 的 N 排 放 上升 和  但 O  乙醛及 未燃 乙醇等新 的有害排 放问题 。  

分 子 式  分 子 量  古氧量/  
匿 厦 (0 2  C 】  
/   ?m一0 k  

CH OH  C CH2 H  a H】 O 3  2 4  6

C5l  一2 —  —

C 02  l  l

o 79     2

o 89 3  7    

o 72 o 8 o 5 ~ o 8   . ~  7   . 3 .6

拂点/   c 摄点/   C 闪点 ( )   闭 /C
枯 蜃 (0 2  c1   / mPa?s   气 化 热  / l?k   k  一 低 热 僵  / MJ?k  

6 .  4i 一 9 .  78 1 ~ l  l 2



7 .  84 一 17 3 ].  l~ l  5 4
l2  _O

1o 3 0 8 ~ 7  一l 3 ~   6~ 8  5 8
02 . 8~ 0 59 3 ~ 8 0      0 .  0 3 ~ 0 4   5 0 3  . l  3  0 2 ~ . 0

1 醇 类燃 料 的物 化 特 性   
醇 类 是 烃 基 ( R) 羟 基 ( 一 与 一oH) 成 的 化 合 物 , 组  

61 l 

1 08 .8  2  7 8 6 7 

4 3


9~ 4 4 2 5 4  8 4  4 . ~ 2  

这 就从本 质上 决定 了醇类 可 以替代传统 的石油 系燃料  包 括汽油 、 油成为 内燃 机 的燃 料 。 羟基 的存 在又决  柴 而 定 了它有 很多 不同 于石油 系燃 料的特性 。内燃 机在压  缩 过程 后 期 开始 着火 , 在 随后 很 短 的时 间 内完 成燃  并 烧 过程 。 燃料 的着火 燃烧 特性取 决 于燃 料 的挥发 性 、 沸 

着火温度/   c
火 焰 愕 播 遵 厦  / ?s m   理 论 空 燃 比 
/   ?k   k  一

44 3 
0 2  .5 3

3O 48   ~ 5  5
0. 8~ 0 5   3 .8

20 30 7 ~ 5 

着 出 界 限 / (o]6 O 3 .    v】 .~ 65  
6 5  4   8 4  .5

13 76 . ~ . 
1. 4 7~ l  0 l . ~ 1 .   5   43 46

十 六艟 值 C   N 辛艟值 R 0N 

3 5 ~  
16 l5 0 ~ 1 

8  
】0 l 

5 2  ~ 5
8 ~ g  0 8

4 ~ 6  5   5 2  0

? 收 辅 日期 :0 l1 —5 ● 订 日期 :0 11— 6  2 0 一01 I 2 0— 22 。

基 童项 目 ; 国家 自然 科 学 基 盒重 点 项 目 (0 30 0 。 5 1 6 4 )  作 者 筒 介 : 建 听 ( 9 3 )男 , 授 - 士 , 要 研 究 方 向 为 内撼 机 燃 烧 与 捧放 控 制 的 研 究  王 15 一 , 教 博 主

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内 

燃 

机 

学 

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第 2 卷 第 3期  0

示功 图测 录采用 Ki lr 司 的 6 1 A 压力 传 感  se 公 t 67 器, 配用 Ki lr0 1电荷 放大器 。利 用 自行开 发 的高  s eS 1 t 速 数据 采集 系统测 取缸 内压力 。  

3 排 放特 性 及 新 的有 害 排放 物 
在发 动 机不 做任 何 调 整 的条 件下 , 分别 进行 了 标  定 转速 22 0 / i  0  r n和最 大转 矩转 速 l5 0rri ra  4  / n的负  a 荷 特性 试 验 , 考察 了纯 柴油 ( 0号 柴 油 ) 及 乙醇 掺 混  以 比 分别 为 1  、 0 、 0 ( 别 记 为 E O E 0 E 0  0 2  3  分 I、 2、3 ) 时的  0一烟 度 、 甲醛 、 乙醛 、 燃 乙醇 的排放 特 性 , 未 以 
图 1 燃 料 舍 瓤量 和 热 值 随 乙 醇捧 混 比 的 变 化 
Fi g.1 Th   e a i   e r l tons i   e we   y n  on e   nd h a   al e h p b t en ox ge c t nt a   e t v u  

及燃 料经济 性 。 次试 验着重 关 注排放 效果 , 油 是现  本 燃 场 掺 混 。 混 l %以 及 2  乙醇 时 未 加 助溶 剂 . 混  掺 0 0 掺
3  乙 醇 时 加 入 5 的 汽 油 助 溶 。 O    
3 1 烟 度 及 NO .  排 放 

2 试 验 方 法及 试 验 装 置 
试 验 用发 动 机 为一 非增 压 直 喷式 2 5型 柴油 机 ? 9   压 缩 比 为 1 . 定 功 率 / 速 为 2  W /  0      标 7 转 0k 2 2 0r?
mi  , 大 转 矩 / 速 为 9  ? l, 0r? i  。 n 最 转 9N m/ 5   r n   4 a

图 2给 出 了不 同乙 醇掺 混 比时 的排 气 烟度 对 比。   随 乙醇掺混 比的提高 , 排气烟 度 明显下 降 . 中高 负荷  在
时 尤 其 显 著 。 标 定 工 况 点 2  w /  0  mi  时 . 在 0k 2 0 2 r? n   纯 柴 油 的 排 气 烟 度 为 2 7 S , E1 、 0 E3 燃 料  .  U 而 B OE2 、 o

排 气 气 体 成 分 的分 析 采 用 AV  公 司 的 GE   I M— uO型 发 动机 排气 分 析仪 ; 醛类 和 未燃 醇 类 的分 析  对 采 用 S 一0 P 5 2型气 相 色谱 仪 . 固定 相 成 分 为二 乙烯 苯 ,   检测器 为 F I 方式 ; I ) 排气 烟度 的测量 采用 F — BY l型渡 
许 式 烟 度 计 

分 别 为 2 3B U、    S 0 6B U, 别 降 低 了 .   S L 0 B U、 .   S 分   l  、 0 、O ;   6  8  在最 大转矩 时 . 3 5 E 0燃料 可 降低烟 度 
6 % 以 上  0

圉 2 不 同 乙醇 掺 混 比对 排气 烟 度 的 改蔷 效 果 
Fi 2 Th   el i g.   e r atons p  et e   m o e a d e h hi b we n s k   n   t ano  ont  n di s lf e  lc enti   e e  u l

同样 条 件 下 , O  放 特性 的变 化 如 图 3所 示 。 N 排   随 乙醇 掺 混 比 的 提 高 , O N  排 放 明显上 升 , 在最 大 负  荷的 8   ~ 9  时上 升幅度 最 大 , 以认 为这 主要 是  0 0 可 由于氧 化气 氛提高 造成 的 。 当负荷继 续提 高时 , 由于混  台 气 浓 度 提 高 , 化气 氛被 减 弱 , O 的上 升 幅度 减  氧 N
小。  

的前 提下降 低排 气烟度 。  
3 2 燃 料 经 济 性 变 化  .

图 4给 出 了 不 同 乙 醇 掺 混 比 时 的 燃 油 消 耗 率 
(   ) 化 , 乙 醇 混 台 比的 提 高 ,  c 上 升 趋 势  B 变 随 B 呈 但 

由于 乙醇 与 柴油 的热值 相 差 较大 , 接 采 用 昱 考 察  直 一 燃 料 经济 性 是 不台 适 的 。为此 , 引入 能量 消耗率 Bs   E c
( rk  p cf   n ryC n u t n 进 行 对 比 , 图  B a eS e icE eg   o s mp i ) i o 如

由此 说 明 , 醇一 乙 柴油 混台燃 料 在 大幅度 降低排 气 
烟 度 的 同 时 , 按 照 Trd —f 规 律 出 现 NO 排 放 特  会 a eof  

j所示 。显 然 , 使用 乙醇混 合燃料 时 , 不 同工况 下 的  在 能 量 消 耗 率 B  均 有 不 同 程度 的改 善 。E 0燃 料 的  s c 2 B  改 善 效果 最 大 , 。 改善 效果 可 达 1   左 右  这说 明 0  

性 的恶 化 。应同时 采用 推迟喷 油提前 角或 优化 喷油规 
律 等措 施降 低 NO ,   在抑 制 NO 排 放不超 过原 机水 平   

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ZO O Z年  月  

王建昕 等  乙醇 柴油混合燃科的燃烧与排放特性 

?2 7? 2  

B 改 善效 果 并不 是 随掺 混 比变化 单 调增 或 减 ,   而是 
存 在 一个 最佳 值 , 这个最 佳 值 会 随具 体发 动机 燃烧 系 
2  

统 的不 同而 变化 。  

2  

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图 3 不 同 乙醇 掺 混 比对 N  排 放 的 影 响  O
Fi 3 Th   ea i ns i   et e   O a   t no  ontnti  e e f l g.   e r lto h p b we n N nd e ha lc e  n dis l ue 

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栅 。    

图 4 不 同 乙醇 掺 混 比时 的 燃 油 消 耗 率 变 化 
Fi .   The r a i ns i   t e   a   pe fc Fu lCo u pton an   g4   elto h p b we n Br ke S cii  e  ns m i   d powe   e r

凰 5 不 同 乙 醇掺 混 比 时 的 能量 消耗 率变 化 
F g 5 T e r l t n h p b t e n Br k   p c fc En r y Co s mp o   n   o r i .   h   e a i s i   e we   a eS e i   e g   n u t n a d p we   o i i

3 3 醛 类 和 未 燃 酵 类 排 放  .

图 7给 出 了不 同 负荷 时 乙 醛 、 甲醛 和 乙醇 随 乙醇  掺 混 比的变 化 。 由图可知 , 甲醛排 放浓度 在纯 柴 油和 乙   醇 混 合燃 料 时基 本相 同, 且不 随 乙醇掺 混 比的 不 同  并
而 变 化 。 因 此 可 以 认 为 , 本 试 验 条 件 下 , 醇 的 添 加  在 乙

采用 气相 色谱仪 分析 了排气 中醛类 和未 燃 乙醇成  分 , 6给 出了分析 结果 的一例  中横 坐标 表示 被测  图 图 气体 在 色谱柱 中的滞 留 时间 , 坐标 表示 F D输 出 电  纵 I 压, 与某一 气体成 分 的浓度 对应 。 由图 中可 以清晰地 辨  别 出 乙醛 、 甲醛 和 乙醇 这三 种 本研 究 所关 心 的新 的有  害 排放 成分 。  

对 甲醛 的生 成无影 响 。   由图 7还可看 出 , 柴油 燃烧 时 , 纯 无论 是 在高 负荷  还 是 低 负 荷 , 醛排 放 浓 度 大 约均 为 2 xl  左 右 ; 乙 0 0  

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2 8? 2  

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燃 

机 

学 

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第2 0卷第 3 期 

随 乙醇掺 混量 的增 加 , 排气 中 乙醛 浓度 上升 。 但值得 注 

意 的是 , 尽管 在 小 负荷 时每 循 环喷 人 气缸 的 乙醇质 量 
成倍 地小 于在 大 负 荷时 的 喷 入量 , 排气 中的 乙醛 浓  但 度却 是 小负荷 时高 于大 负荷 , 这可 能 是燃 烧 温 度不 同  而造 成 的。   另外 , 纯柴油 燃烧 时排气 中未检测 到 乙醇 , 而随 乙  醇掺 混 比的提高 , 排气 中 的未 燃 乙醇成 倍地增 长 。 乙  同 醛排 放特 性 相 似 . 负荷 时 的未 燃 乙醇浓 度 高 于 大负  小 荷 . 使用 E1 如 0燃 料 时 , 负 荷 时 末燃 乙 醇浓 度是 大  小 负荷 的 2 , 3 倍 E 0燃料 时是 3 5 。 .倍  
圈 6 排 气 成 分 色 谱 分 析 结 果 
Fi .6 The o h r e iso   y ch omat g a   als s g     t e   m s ins b   r o r m an y i 
4   oo 30 5  30 O 

r I 4  m n r   0 /i -5 r

臣召 柴油 

3   k 2 W 

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EO I  
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墨 。     裔 20 0  
嶷 I0    5
10 0  5  0 0  

蛰 

蛙 

-  
甲醛  乙醛  乙醇 

田 7 甲醛 、 醛 和 未燃 乙醇 的 排放 特性    乙
Fi 7 Em is o   h ace itc   or adeh de— de ydea   BE  g.   s i n c ar t r si soff m l y al h   nd U

4 燃 烧 特 性 的对 比 
图 8显 示 了不 同乙醇掺 混 比时的示 功 图。 由图可  见 , 低负 荷 时 , 在 随掺 混 比的增 加 , 内 的峰 值 压力 略  缸 有 降低 ; 而在大 负 荷 时 , 随掺 混 比增加 , 值 压 力却 明  峰
显 增加 。  

( 论 负 荷 大 小 ,  较 柴 油 延 迟 1 C ,  0 迟  无 E1 0 。 A E3 延

3 C , 烧 结 束 时 间 未拖 后 , 至提 前 ( 负荷 时 , 。 A) 燃 甚 小  
E1 0落 后 不 到 r  A, 0提 前 约 1 C 大 负 荷 时 . C E3 。 A;  

E O和 E3 I 0都 提 前 2 5 C , 此燃 烧 持 续 期 减 少  . 。 A) 因 ( 负荷 时 , 0燃 烧 持 续期 基 本不 变 , 0 烧 持续  小 E1 E3 燃 期 缩短近 4 C 大 负荷 时 , 0缩 短 3 j C E 0缩  。 A; E1 . 。 A, 3 短 . 。 A) 即等容 度 提 高 , 明乙醇 的加 入 会有 效  5C , 说 地 改 善缸 内的燃 烧 , 也 解释 了除前 述 的氧 化氛 围提  这 高之 外 的另一个 使 NO 上 升和 B 改 善 的原 因。    c  

利 用 统一 式计 算 模 型 , 不 同 乙醇 掺混 比时的示  对

功 图进 行 了放 热计 算 。计算结 果显 示在 图 9中 。  
图 9表 明 , 随着 掺 混 比增 加 , 火延迟 期有 所增 长  着

辞 掺 混 比 时 的 气 缸 压 力 
F g 8 Co a i o   f c l d rp e s r  r c s u d r d f e e te h n l o t n   i.  mp rs n o   y i e   r s u e t a k   n e   if r n   t a o  n e t n c

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20 0 2年 5月  

王建 昕等 : 乙醇一 柴油混台燃料的燃烧与排放特性 

?2 9? 2  

,I斟  避苫 罄  _' x一

曲轴转巾  ,   ℃A
( Ⅱ)15 0r m  3 2 k     4 / E . W n. < 15 0 r m  1 .4k   b)   4  / E 5   W n.

圈 9 不 同 乙辞 掺 i 昆比时 的 放 热 规 律 
Fi 9 Com p r s     e tr la e r tos u g.   a ion of h a   e e s   a i   nde   f e e   t ano  o e   r dif r nte h lc ntnt

5 结

莲 *  《 捌 

论 

降低 ; 大 负荷 时 , 在 随着 掺 混 比增 加 , 内峰 值压 力 增  缸 加 。随着 掺混 比增 加 , 着火 延迟期 有所 增长 ; 烧结 束  燃 时问 未 拖后 , 至提前 , 烧持 续 期 减少 , 甚 燃 即等容 度 提  高 , 效地 改善 了缸 内的燃 烧 。 有   参考 文献 :  
[ ] Lk sB P r r a c n  sino ta o adE — 1 io  . ef m neadEmi o  f hn l n  t o s E    
h n iDis lBln si  tc —ne t n a dPr —h m— a o— ee  e d  n Dee tI jci  n   ec a   - o

( ) 在对 发 动机不做 任何 改动 的条件 下 , 1 柴油 中   加 入一 定 比例的 乙醇 , 大 幅度降低 排气 烟度 。 可 乙醇 混  台 比例 为 3  时 , 0 标定 工 况 点的 烟度 可 降低 8   , O 燃 
料 经 济 性 有 一 定 程 度 的 改 善 , o  T a eof规 律   N 按 r d— f

变化 , 因此在 使 用 乙醇一 柴油 混 合燃 料 时 , 同时 采用  应 降低 NO  的技术 措施 。   ( ) 在 本试验条 件 下 , 2 排气 中甲醛排放 并 未 因柴  油 中加入 乙醇而恶 化 , 乙醛 和未 燃 乙醇 的 排放 随 乙醇  掺混 比的增 加而 大 幅度 上升 , 且 小 负荷 时 的排 放 数  并 倍 于 大负荷 时的排 放 。   ( ) 小 负荷 时 , 着掺 混 比增 加 , 内峰 值 压 力  3 随 缸

hrD ee E gnsC . A   ae 2 0 9 18 . e  i l n ieC ] S E P p r 1 3 ,9 2 s  8   [] Mia t  OgwaH.mpo e e t f i e C r— 2 y mooN, a   I rv m n    e l o   o D s  n
b s l n a d Emis o s wi   d t n o   ro s Ox   ut  n   o s i n   t Ad i o   fVa iu   y h i

gn td e ae Agns o isl u t C] S  P pr e t  Dee  t  F e s[ AE ae 
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I v s i ton o   m b s i   nd Em is o s Cha a t r s i s o   h n lDi s lBl n   n e tga i   n Co u ton a   sin  r c e itc   f Et a o — e e  e d Fue  l

W ANG  in x n,YAN Xi o g a g,C Ja — i   a —u n HENG  n Yo g,J ANG  n - e I He g f i   ( tt  yL b r t r  f t mo i   a ey a d E e g   o s r a o , s g u   i ri . e i g 10 8 , hn ) S . aeKe   a o ao yo   o bl S ft  n   n ry C n ev t n T i h aUnv s y B i n   0 0 4 C ia  Au e i n e t j

Ab t a t Ths i v s ia i n i  d   n t e c mb s i n o   t a o — is l l n   u l n de e  n i e a d i   — s r c : i n e tg to   ma e o   h   o u t   fe h n l e e  e d f e    is l gn   n  t i   s o d b i e sn f e c   l PM  n   / n eol u   a d NO e s i n . ec n e t a i n   f o ma d h d ad h d   n   n u n d e h n l n t e miso s Th   o c n r t s o   r l e y e. i e y e a u b r e   t a o    h   o f d i e h u tg s a e a a y e . e r s l   h w  h tt e b e d o     r p r p o o t n o   t a o   o de e  u l a   x a s  a   r   n l z d Th   e u t s o t a   h   ln   fa p o e   r p ri   fe h n l   i s l e  n s o t f c

ge t   e u e s k , mp o e e gn   e fr n e a d te ma f c n y NO , le y e a d u b r e   r al rd c   mo e i r v  n ie p r ma c  n   h r l f i c . y o  e i e   ad h d  n   n u n d
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