作者：郑晓敏
废气再循环是用以降低柴油机NOx排放的主要措施，在乙醇一生物柴油发动机上采用EGR时，需要考虑乙醇和生物柴油的携氧性、着火性能与喷雾性能的不稳定以及采用EGR后进气过程的循环波动、缸内温度降低等因素对整个燃烧过程的影响。
柴油发电机转速稳定，且负荷变动范围与频率较车用柴油机低，生物柴油和乙醇掺混燃料更易在其上得到实际应用。本文研究了在采用EGR的情况下燃用生物柴油与乙醇混合燃料的性能，为生物柴油及乙醇在柴油发电机上的应用提供了依据。
1试验设备与方法
1.1试验设备
柴油机型式为单缸、立式、自然吸气、四冲程、风冷、直喷发动机，主要技术参数见表1。
试验中以DG7500SE型柴油发电机为基础，为其增设副油箱，加装输油泵和供油测试系统，并改装供油管路及废气再循环管路。采用LWY-III型微机多功能油耗仪测试油耗，NHA-506型废气分析仪测试排放，MQY-200型不透光烟度计测试光吸收系数，NLG40 -11CR型多功能电暖炉和HU902-W型电热油汀作为用电负载。
1.2混合燃料
无水乙醇为重庆川东化工生产，生物柴油为云南盈鼎生物能源股份有限公司生产，两者的理化指标见表2。
采用90-3型双向定时恒温磁力搅拌器配制混合燃料，SYD-265C型运动黏度测定仪测试黏度，DH-300L型电子式液体比重计测试密度：配制的5种混合燃料的密度及黏度见表3。
1.3试验方法
原油箱供给柴油，发动机由柴油启动，无负荷运行30 min热机后，切换到混合燃料，混合燃料由副油箱供给，无负荷运行5 min，3.0 kW运行5 min，无负荷运行10 min后进行零功率预测试，预测试两组后开始正式测试。
先进行未采用EGR的测试，而后采用EGR,分别进行EGR率为16%和28%的试验。测试负荷分别为0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5 kW，单次试验调节负荷先逐渐增大再逐渐降低，共20个工况。
负荷量通过用电设备调节，待转速、发电电压与电流稳定后进行测试，绘图所用的功率数值为发电机电动势与总电流的乘积，每工况油耗测试历时3 min，每次调整EGR率后，需无负载稳定运行15 min。
测试完成后，需切换为柴油，不采用废气再循环，无负荷运行5 min，3.0 kW运行10 min，无负荷运行15 min后方可停机。
采用28%的EGR率燃用E30870时，低负荷烟度很大，发动机工作不稳，故而取消了该组测试。
2试验结果分析
2.1燃油经济性
图1为未采用EGR时，各混合燃料的油耗随负荷的变化情况。
从图1中可以看出，各混台燃科的油耗都随负荷升高而增加，且随乙醇掺混比例的增加油耗也随之增加。这是因为乙醇的体积热值( 21.15 MJ/L)低于生物柴油的体积热值(32.81 MJ/L)，随乙醇掺混比例的增加，混合燃料的体积热值减小，为了获得相应的输出功，将消耗更多的燃料二由于油耗上升，每循环供油量将随之增大，喷油持续期会相应延长，喷油结束角滞后，喷油后期活塞已下行较远，这部分油料燃烧的指示热效率将降低。燃用体积热值较低的燃油时，应提高喷油压力、增大供油提前角或采用循环供油量更大的喷油泵等方法加以改善燃烧性能。
由混合燃料的体积分数计算出单位时间消耗燃料的当量热值，用当量热值消耗量可比较出在某负荷下哪种混合燃料具有较高的有效热效率。
式中：Q为单位时间消耗燃料的当量热值，MJ/h；qe为乙醇的低热值，取26.8 MJ/kg;qb为生物柴油的低热值，取37.5 MJ/kg; me为乙醇单位时间内的油耗，kg/h；mb为生物柴油单位时间内的油耗，kg/H；v为混合燃料单位时间内的油耗，L/h；p为混合燃料的密度，kg/L；ie为混合燃料中乙醇的体积分数，%；ib为混合燃料中生物柴油体积分数，%；Pe
为乙醇密度，取0.789 kg/L; Pb为生物柴油密度，取0.875 kg/L。
图2所示为未采用EGR时，各混合燃料的当量热值随功率的变化情况。虽然乙醇的热值低，但其燃烧速度快且携氧量大，能在速燃期内放出大量的热，这对提升指示热效率有利，从图2中可以看出，燃用E10890时消耗的当量热值最小，说明乙醇掺混比为1 07c左右时能获得较高的热效率。
根据发电机的使用特点，按表4设定发电机在各负荷下使用的概率，根据各负荷下的测试值取其数学期望来比较采用EGR后各混合燃料的性能指标。
图3为采用EGR后燃用各混合燃料油耗的数学期望。从图3可以看出，乙醇混合比较小时，采用EGR后油耗变化较为明显；乙醇混合比为15%和20%时．油耗随EGR率的变化较小；乙醇混合比为20%及以上时，采用EGR后油耗降低。采用EGR后，指示热效率主要受两方面的影响：①废气造成缸内温度的下降使得燃料着火不易，滞燃期不稳定，燃烧始点推迟，速燃期落后于上止点较远，指示功下降；②废气中含有的HC和CO已处于预混状态，分散在缸内各个区域，达到着火条件便可迅速燃烧，因而加大了着火区域与初始放热量，使燃烧在更广的范围内较迅速地进行，这对提高热效率有利。在这两方面的共同作用下，各混合燃料有各自较优的EGR率以获得较低的油耗。
2.2 NOx排放
图4所示为未采用EGR时NOx的排放量随负荷的变化情况。
从图4可以看出，NOx排放量随负荷增大而增大，除燃用E30870时NOx排放量明显较低外，其它混合燃料的NOx排放量相差较小。这主要受两方面的制约：①乙醇的汽化潜热大，其含量越多，吸收的热量也越大，会延长滞燃期，也能够抑制缸内的高温；②乙醇的燃烧速度快，携氧量高，放热迅速，使得缸内温度能迅速上升，能形成局部高温富氧氛围。乙醇混合比达到30%后，较大的汽化潜热使得着火始点滞后明显，燃烧状况不佳，速燃期时活塞已下行较远，缸内体积较大，缸内燃烧温度不高。
图5所示为采用EGR后燃用各混合燃料时NOx排放量的数学期望。从图5中可以看出，采用EGR后,NOx排放量明显降低，且降低量随EGR率增大而增大。EGR能够增加进气中高比热的H20与C02的含量，降低缸内燃烧温度、稀释氧气浓度，这都有利于抑制N0x生成。
2.3 HC与CO排放
图6,7分别为未采用EGR时的HC和CO排放量随负荷的变化情况。
从图6，7中可以看出：乙醇混合比较大时，小负荷工况的HC排放量明显增大：CO排放量在小负荷时较大，且随负荷升高而降低，在约2/3负荷时最低，而后随负荷增大急剧升高。
值得注意的是HC和CO的排放量均随乙醇混合量的增大而增大。这主要是因为混合燃料的乙醇含量增加后，油耗增加，缸内温度下降。油耗增加延长了喷油持续期，后期喷人的燃油蒸发、雾化、燃烧不及时：缸内温度降低，导致氧化反应进行不完全，也不充分，壁面和活塞缝隙对火焰的淬熄作用加强，使得HC和CO的排放量升高。
图8.9分别为采用EGR后燃用各混合燃料时HC和CO排放量的教学期望。
从图8中可以看出，采用EGR对乙醇含量较小的混合燃料的HC排放有较大影响；混合比为15%和20%时，HC排放随EGR率的变化不大。从图9可以看出，各混合比燃料均表现出随EGR率增大，CO排放量增大。采用EGR后，除缸内温度降低外，以下因素也会影响HC和CO的形成；①引入的废气加强了进气扰动，有利于燃油的雾化蒸发；②废气虽经冷却，但仍高于环境温度，会将部分热量带入气缸，在EGR率较高时冷却更不充分，带人的热量有利于燃油的雾化蒸发，较早的达到着火条件；③废气中含较多已预混的HC和CO,一旦着火能在多处形成放热源，加快火焰传播：④随引入废气量的加大，氧浓度随之下降，氧稀薄区加大，燃料发生氧化反应的难度加大，更难以充分燃烧。
对E30B70采用16%的EGR率时，HC和CO排放量明显较高，这是由于E30B70体积油耗大、喷油持续期过长、乙醇汽化吸热量大．加之EGR导致氧浓度下降、缸内温度较低．使得着火较迟，燃料错过了合适的燃烧时机，燃烧状况不佳所致。
2.4光吸收系数
光吸收系数是表征物质对光的吸收能力的参数，本文以燃用各混合燃料所排放尾气的光吸收系数来衡量碳烟的排放。
式中：K为光吸收系数，m-1；LA为标准光通道有效长度，LA=0.43 m；
为测量区充满干净空气时到达光接收器上的光通量，1m; 
为测量区充满排烟时到达光接收器上的光通量，1m。
图10为未采用EGR时各混合燃料的光吸收系数的变化情况。
从图10中可以看出，光吸收系数先随负荷升高而升高，在1/3负荷时达到极大值，之后逐渐降低，在2/3负荷左右达到极小值，而后随负荷升高而升高。乙醇混合比在20%以内时，E5B95在高负荷处、E20B80在低负荷处光吸收系数较高。E30B70在中低负荷时光吸收系数显著高于其他燃料。这是因为乙醇混合比大，较大的汽化潜热降低了缸内温度，着火始点推迟，使得燃烧状况恶化所致，排气表现为较浓的白色混合淡蓝色的烟雾。E10B90在小负荷、E5B95在中负荷、E15B85在高负荷、E30B70在最大负荷时的光吸收系数较低。可见在不同的负荷范围内存在某一混合比的燃料有较优的碳烟排放。
因为生物柴油喷雾油滴的平均粒径大，小负荷时，喷油量低，燃油喷雾锥角小，外侧的油滴破碎蒸发雾化后较易着火燃烧，而此时位于油束中心的油滴来不及蒸发雾化，较易被外围的高温火焰烧结为碳烟。在高负荷时，喷油量大，速燃期内仍有燃油在喷人气缸，喷油后期的缸内温度高且油束周围的氧浓度低，因而碳烟排放升高。乙醇的喷雾粒径小，容易汽化形成混合气，但会降低周围气体温度且不易着火，延长了混合燃料的滞燃期，待生物柴油蒸发雾化着火后会迅速引燃乙醇，在较大的范围内燃烧，此时还未雾化的生物柴油油雾容易被周围的火焰烧结成为碳烟。在高负荷区域，乙醇含氧且不结焦的特点凸显，因而乙醇含量较高的燃料碳烟较低。
图1 1为采用EGR后燃用各混合燃料的光吸收系数的数学期望。从图11中可以看出，E10B90的光吸收系数数学期望最低，从降低碳炯排放的角度来看，各混合燃料有各自较优的EGR率。
3结论
通过在单缸柴油发电机上燃用5种掺混比的乙醇-生物柴油燃料，并采用了16%和28%两种EGR率，对比分析了乙醇-生物柴油混合燃料的经济性、NOx，HC，CO的排放特性和光吸收系数，及EGR对以上性能参数的影响，为生物柴油及乙醇在柴油发电机上的应用提供依据。
①随乙醇掺混比例增加，油耗增加；乙醇混合比为1 0%左右时能获得较高的热效率；乙醇混合 比为20%及以上时，采用EGR后，油耗降低；乙 醇混合比达到30%时，燃烧状况不佳，虽NOx排 放量较低，但HC，CO和碳烟排放较高，该配比不 适宜采用。
②乙醇混合比为20%以下时，各混合燃料的 NOx排放量相差较小；采用EGR后，NOx排放量 明显降低，且降低量随EGR率增大而增大。
③HC和C0的排放量均随乙醇混合比的增大而增大；随EGR率增大，CO排放量增大；不同混合比燃料有各自较优的EGR率，以获得较低的油耗和HC排放。
④光吸收系数在1/3负荷左右有极大值，在2/3负荷左右有最小值；在不同的负荷范围内存在某一混合比的燃料有较优的碳烟排放。
4摘要：
通过在单缸柴油发电机上燃用5种混合比的乙醇-生物柴油燃料，并采用了16%和28%两种废气再循环率，对比分析了乙醇-生物柴油混合燃料的经济性，NOx,HC，CO的排放
特性和光吸收系数，及EGR对以上性能参数的影响，结果发现：燃用E30B70时，燃烧状况不佳，NOx排放量较低，但HC,CO排放和尾气的光吸收系数较高；随乙醇比例增加，体积油耗增加；在10%的乙醇混合比附近能获得较高的热效率；20%的乙醇混合比，采用EGR可以降低油耗；乙醇混合比为20%以下时，混合燃料的NOx放量相差较小；采用EGR后，NOx排放量明显降低，且降低量随EGR率增大而增大；各混合比燃料的HC和CO的排放量均随乙醇混合比的增大而增大；随EGR率增大，CO排放量增大。光吸收系数在1/3负荷左右时有极大值，在2/3负荷左右时有最小值；在不同的负荷范围内存在某一混合比的燃料有较优的炯度排放，不同混合比燃料有各自较优的EGR率以获得较低的油耗和HC排放。
