生物乙醇对柴油机性能影响的实验研究

报告结果显示，石化柴油混合一定较低比例的生物乙醇，使用时并不会对发动机产生不良影响。

1 实验设备与方法

本研究在市售国标0号柴油中分别添加5%、10%、15%和20%的高纯度99.9%无水酒精及纯度95.8%的一般酒精使用于柴油发动机上，并对两种酒精的不同特性和不同添加比例进行有关发动机燃料消耗率和各废气排放的比较分析。

1.1 实验设备

本研究使用的实验设备示意图如图1所示。搅拌器对燃油箱中的不同油品给予充分搅拌，以保证混合均匀，添加酒精的柴油燃料经三通阀分别送至量油计并输往稳压油泵，再压送至单缸柴油发动机的喷油嘴，实验采用四行程单气缸水冷直喷式柴油发动机。

1.搅拌器 2.燃油箱 3.三向阀 4.流量计 5.稳压油泵 6.喷油器 7.空气过滤器 8.单缸柴油发动机 9.发动机测功器 10.排气槽 11.氮氧化物测量仪 12.碳氢化合物测量仪 13.烟气测量仪

实验用柴油为国标0号柴油，以及高纯度的99.9%无水酒精和纯度95.8%的一般酒精共三种，油品理化性质如表1所示，由表1得知，高纯度无水酒精和一般酒精的含氧量皆较国标0号柴油高，若添加在0号柴油中能使燃烧效率提升并减少黑烟的排放。此外，因高纯度无水酒精的酒精浓度比一般酒精高，故含水量较一般酒精低。为了明确实验燃料的区别，因此，在国标0号柴油中添加高纯度无水酒精的燃料称为A混合燃料，添加一般酒精的燃料称为B混合燃料，两种混合燃料所添加的酒精比例相同，分别为5%、10%、15%和20%，故分别简称为A5、A10、A15和A20，以及B5、B10、B15和B20等八种。另由于B燃料的酒精水分量较高，因此，需使用乳化剂来调配，以提高混合燃料的稳定性＼[3＼]。

1.3 实验方法

在不改变单缸直喷柴油发动机原有设计参数（喷油正时、压缩比、喷油嘴位置、喷油角度等）的情况下，将八种混合燃料分别使用于柴油发动机，发动机的转速设置在1800 r/min，负荷设定在全负荷起到40 N·m、35 N·m、30 N·m、25 N·m、20 N·m 轻负荷（T=15 N·m）下进行实验得到燃油消耗率（BSFC），颗粒物浓度，NOX浓度和HC浓度。

2 实验结果与分析

在上述实验设备下，严格按照实验方法要求，实验结果和分析如下：

2.1 燃油消耗率（BSFC）

表2所示为发动机转速在1800 r/min时，各负荷下的BSFC总平均值与不同混合比例的两种混合燃料A与B的比较。从表中可知A和B两种混合燃料的BSFC值均随添加酒精比例的增加而增加，这是由于酒精的热值较柴油低的关系，因此，混合燃料中添加酒精比例越高则热值越低，油耗也会相对的随之增加。

此外，B燃料不同混合比例的BSFC总平均值均较A燃料高，这是因为B燃料中的含水量较A燃料多，而使B燃料热值较A燃料低，故BSFC值较A燃料高。又从表中得知不同混合比例B燃料的BSFC总平均值分别较A燃料高约3.71%、4.67%、5.19%及7.15%。

2.2 颗粒物浓度

表3是发动机转速在1800 r/min时各负荷下的颗粒物浓度总平均值与不同混合比例的两种混合燃料A与B的比较。从表3可知A与B混合燃料的颗粒物浓度值均随酒精添加比例的增加而减低，其主要原因是酒精的含氧量较高，故在燃烧过程中有助燃的效果，使燃烧更加快速和完全，提升燃烧效率，从而抑制黑烟的生成。

同时可以发现B燃料的颗粒物浓度总平均值均随酒精添加比例的增加而均较A燃料低，这是因为B燃料含水量较多的关系，在燃烧过程中产生微爆现象，促使燃烧速率加快而减低颗粒物浓度值。从表中可得知，不同混合比例B燃料的颗粒物浓度平均值分别较A燃料低约24.60%、18.30%、18.40%以及22.71%。

表4是发动机转速在1800 r/min时各负荷下的NOX浓度总平均值与不同混合比例的两种混合燃料A与B的比较。如表4所示，两种混合燃料均随酒精添加比例增高NOX浓度值反之降低，此原因是酒精的含水特性使燃烧时的最高燃烧温度降低，使NOX浓度值降低。另外，不同混合比例A燃料的NOX浓度总平均值均明显高于B燃料，同样也是因为A燃料中的含水量较少且含氧较高的关系，有提升燃烧效率的功效，使气缸内的燃烧温度升高以致有较高的NOX浓度值。反之B燃料因含水量较多的关系，故在燃烧过程中气缸内的高温高压燃烧气体会将混合燃料中的液滴蒸发为水蒸气，由于蒸发而吸收燃烧时的热值而使最高燃烧温度降低，使B燃料的NOX浓度值较低。从表4中比较结果即可得知，不同混合比例A燃料的NOX浓度总平均值均分别较B燃料高约5.22%、5.52%、5.09%以及4.49%。

2.4 HC浓度

表5所示为发动机转速在1800 r/min各负荷下的HC浓度总平均值与不同混合比例的两种混合燃料A与B的比较。从表5中趋势可以发现，两种混合燃料均随酒精添加比例越高而HC浓度值随之降低，其原因是酒精含氧的关系，使燃烧更均匀且良好，致HC浓度降低。此外，不同混合比例B燃料的HC浓度总平均值均低于A燃料，这是因为B燃料含水量较高，燃烧过程中燃料着火爆发的瞬间，气缸内的高温高压让液滴产生微爆现象的同时，会裂解为氢和氧产生助燃的效果，故不同混合比例B燃料的HC浓度总平均值皆低于A燃料。又可从表5中比较得知，不同混合比例B燃料的HC浓度总平均值均分别较A燃料低约3.42%、3.65%、11.07%以及10.44%。

3 结论

经过上述实验，并对实验结果进行分析归纳，得出以下结论：

（1）A与B两种混合燃料的酒精添加比例越高时，则燃油消耗率BSFC值也随之明显上升，这是由于酒精含氧和水的关系使燃料热值降低，故添加比例越高则燃油消耗率越高。且B燃料燃油消耗率BSFC总平均值比A燃料高，亦是由于B燃料的含水量较多使燃料热值较A燃料低，使B燃料燃油消耗率BSFC总平均值按照酒精添加比例的增加依次比A燃料高约3.71%、4.67%、5.19%及7.15%。

（2）A，B两种混合燃料酒精添加比例越高，则颗粒物浓度和NOX浓度值越低，这是因为酒精中含氧和水的关系使燃料热值降低，导致燃烧时最高温度下降，从而造成NOX浓度值降低；同时氧的助燃和水的微爆现象使颗粒物的浓度亦降低。其中，B燃料中所含的水分较A燃料多，因此B燃料依酒精添加比例的增加使NOX浓度总平均值均较A燃料低约5.22%、5.52%、5.09%和4.49%，颗粒物浓度的总平均值皆比A燃料低约24.60%、18.30%、18.40%以及22.71%。

（3）A，B两种混合燃料酒精添加比例越高，则HC浓度越低。这是因为酒精含氧的关系，使燃烧更均匀且良好，导致HC浓度降低。B混合燃料由于含水量较高的关系，液滴在燃烧过程中产生的微爆现象除了使燃烧速率加快外，亦同时裂解为氢和氧而又助燃的效果，使HC浓度值降低，因此，B燃料的HC浓度总平均值随酒精添加比例的增加而较A燃料低约3.42%、3.65%、11.07%和10.44%。

参考文献：

＼[1＼] 孙瑞，陈振斌，李开绵.乙醇柴油配比优化及其用于发动机的性能试验＼[J＼].农业工程学报， 2013（9）.

＼[2＼] 焦纬洲，许承骋，刘有智，等.醇类柴油燃料研究进展＼[J＼].石油学报，2014（5）.

＼[3＼] 王利，曾契.乙醇柴油稳定性试验与乳化剂开发研究＼[J＼].价值工程，2015（4）.

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