生物柴油-乙醇混合燃料的燃燒特性

2009年2月農機化研究第2期生物柴油-乙醇混合燃料的燃燒特性黃錦成,何光清,李獻菁,張全長(cháng),余紅東(廣西大學(xué)機械工程學(xué)院,南寧530004)摘要:研究了柴油機燃用生物柴油-乙醇混合燃料時(shí)的燃燒特性,結果表明:乙醇摻燒比小于30%時(shí),各種不同比例的混合燃料的缸內壓力曲線(xiàn)趨勢相同;隨著(zhù)混合燃料中乙醇摻混比的增加,滯燃期延長(cháng),最大壓力升高率增加,缸內最髙燃燒壓力增大,平均壓力升高率曲線(xiàn)及峰值點(diǎn)依次滯后,放熱率峰值增大且峰值點(diǎn)滯后,燃燒持續期縮短;最高平均壓力升高率不大于0.6MPa/°CA,柴油機運轉平穩。關(guān)鍵詞:生物柴油;乙醇;燃燒特性;柴油機中圖分類(lèi)號:TK421,2文獻標識碼:A文章編號:1003-188X(2009)02-0200-050引言試驗在一臺YC4112ZLQ柴油機上進(jìn)行,柴油機燃燒過(guò)程釆用柴油機工作過(guò)程測量分析系統測量。氣生物柴油作為重要的可再生代用燃料,在柴油機缸壓力傳感器產(chǎn)生的電荷信號經(jīng)電荷放大器放大后,結構不需改動(dòng)的情況下即可使用,而且能降低有害排進(jìn)行AD轉換,由計算機采集處理。該測量分析系統放但黏度較大2。乙醇作為又一種可再生代用燃數據采樣間隔角為曲軸轉角0.5°。YC412ZQ柴油料,在柴油機上燃用乙醇柴油混合燃料后,對經(jīng)濟性機主要技術(shù)參數如下影響不大,也可以有效降低柴油機的有害排放。但型號:YC4112ZLQ是,乙醇和柴油混合容易分層,需要考慮添加助溶劑。型式:立式、直列、水冷、四沖程、直噴乙醇是低黏度燃料,可以和生物柴油互溶形成生缸徑x行程/mm:ll2x132物柴油一乙醇混合燃料,不需要任何添加劑,并且可排量/L:5.202以對燃料的黏度進(jìn)行調整,有利于改善混合氣的形成壓縮比:17.5:1與燃燒3。本文以生物柴油和乙醇為混合燃料,在標定功率/轉速(kW/r·min1):132/2300柴油機上對不同比例生物柴油一乙醇的燃燒特性進(jìn)最大扭矩/轉速(Nm/rmn1):660/1300~1500行了研究。全負荷最低燃油耗/g·(kW·h):≤2101試驗裝置和試驗方法外形尺寸(長(cháng)×寬x高)/mm951×710×9851.2試驗燃料1.1試驗裝置生物柴油和乙醇的理化性質(zhì)如表1所示表1燃料主要理化性質(zhì)燃料氧含量碳含量氫含量硫含量相對密度動(dòng)粘度(20℃)冷凝點(diǎn)閃點(diǎn)自燃十六當量蒸發(fā)熱低熱值類(lèi)型w%/w%mw%/mg、/gaL110p-6P溫度值空燃比小·k-1/M·kgmP2P/s0.84007825040~5014.442.5生物柴油M00-B300.003(w%)0.861乙醇34.852.2130.7891.5117.51289.0分析其理化性質(zhì)可知,與常規柴油相比,生物柴收稿日期:2008-04-24油的V山中國煤化工以及十六烷值高具基金項目:廣西科技攻關(guān)項目(0630004-4A)有良CNMHG乙醇作為燃料具有作者簡(jiǎn)介:黃錦成(151-),男、廣西融安人,教授,碩士,(E-ma)含氧34.8%、理論空燃比較低、揮發(fā)性好、粘度低、汽hunch@126.com?；瘽摕岽笠约笆橹档偷忍攸c(diǎn)。2009年2月農機化研究第2期本試驗涉及到4種燃料,各種燃料及其簡(jiǎn)稱(chēng)如表2所示。B100表2混合燃料簡(jiǎn)稱(chēng)比例(V)燃料簡(jiǎn)稱(chēng)生物柴油生物柴油:燃料乙醇B90E10生物柴油:燃料乙醇60-50-40-30-20-100102030105060生物柴油:燃料乙醇70:30B70E30曲柄角/℃A1.3試驗方案(b) IMEP=3. 76MPa在柴油機最大轉矩轉速1400r/min條件下,測量各種混合燃料在轉矩分別為50,100,150和200N·m時(shí)(平均指示壓力分別為3.03,3.76,4.78,6.16MPa)的缸內壓力。柴油機燃燒過(guò)程經(jīng)過(guò)測量分析系統測量和處理后,形成示功圖,利用零維燃燒分析模型計B90E10算放熱規律和缸內溫度。B1002混合燃料的燃燒特性分析32102.1各種混合燃料的缸內壓力氣缸中的壓力是反映燃燒情況的重要參數,對發(fā)60-50-40-30-20-100102030405060動(dòng)機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性有重大影響。圖1(a)~圖1曲柄角/℃A(d)為1400r/min轉速下不同混合比例的燃料在不同(c)IMEP=4. 78MPa轉矩下缸內壓力隨曲軸轉角的變化情況。從圖1可知:在小負荷時(shí),隨著(zhù)混合燃料中乙醇摻混比的增加,B80E20最高燃燒壓力依次增加,B100則介于B90E10和B80E20之間;中大負荷時(shí),B70E30和B8OE20的缸壓逐步趨于一致,B90E10和B100也基本相近,且后兩B90E10者最高壓力略低于B80E20?？偟囊幝墒?隨著(zhù)乙醇比例的增加,最高缸內壓力上升。B3028B90E150-40-30-20-100102030405060曲柄角/℃A圖1各負荷下各種混合燃料缸內壓力在小負荷時(shí),缸內溫度較低,高粘度使得生物柴油的霧化效果不好,加入少量的乙醇并不能改善混合氣的霧化質(zhì)量,反而會(huì )因高汽化潛熱而使溫度進(jìn)一步降低中國煤化工比B100小。而隨著(zhù)乙醇-60-50-40-30-20-100102030405060CNMH揮發(fā)性逐漸發(fā)揮作曲柄角/℃A用4以熱死m口叫比例增大,最高燃燒壓力增加。大負荷時(shí),缸內溫度較高,生物柴油的霧化得(a) IMEP =3. 02MPa到改善,加入乙醇促進(jìn)了混合燃料的形成,缸內最高2012009年2月農機化研究第2期壓力差異縮小。從圖1還可以看出,各種燃料的缸內0.6壓力曲線(xiàn)比較平滑,沒(méi)有發(fā)生敲缸現象。38E2822缸內平均壓力升高率通過(guò)計算所得的柴油機燃用各種燃料的平均壓力0.3升高率曲線(xiàn)如圖2(a)~圖2(d)所示。由圖2可以看出:在轉速和負荷相同的情況下,柴油機燃用各種燃料缸內壓力升高率隨曲軸轉角變化規律大致相同,并與缸內壓力曲線(xiàn)趨勢一致;在相同轉矩下,隨著(zhù)混合燃料中乙醇比例的增加,平均壓力升高率增加,峰值依次滯后。-20-15-10-505101520曲柄角/℃A(d)IMEP=6. 16MPa圖2各負荷下各種混合燃料平均壓力升高率B100燃用混合燃料后,乙醇的高汽化潛熱使進(jìn)氣溫度降低,滯燃期延長(cháng),滯燃期內形成的可燃混合氣量增多,使平均壓力升高率曲線(xiàn)的峰值隨乙醇比例的增大而增加;但是在乙醇比例不超過(guò)30%的情況下,最高平均壓力升高率也不大于0.6MPa/°CA,因此保持了柴油機良好的運轉平穩性。-20-15-10-5,0510152023瞬時(shí)放熱率曲柄角/℃A放熱率曲線(xiàn)如圖3(a)~圖3(d)所示。由放熱率(a) IMEP =3. 02MP曲線(xiàn)可以看出:隨著(zhù)混合燃料中乙醇比例的增大,燃燒始點(diǎn)滯后,柴油機的滯燃期而延長(cháng),放熱率曲線(xiàn)整體后移,瞬時(shí)燃燒放熱率峰值依次增大。這說(shuō)明,預0.3B100混燃燒的混合氣量隨乙醇比例的增加而增大。其原2因是:乙醇的十六烷值低,自燃溫度高,汽化潛熱大,全使混合燃料的燃燒始點(diǎn)延遲,滯燃期內噴入缸內的油9量多,從而在速燃期內燃燒的燃油量增多,放熱量增加,放熱峰值增大。B100在試驗的整個(gè)負荷范圍內,滯燃期都是最短,這與生物柴油的高十六烷值有關(guān),0-15-10-505101520其放熱率峰值在中小負荷時(shí)介于W90E10和W80E20曲柄角/℃A之間,大負荷處最低,與前面的缸內壓力曲線(xiàn)一致。(b)IMEP=3. 76MPa?8E28B90E1038:820中國煤化工CNMHG5 10 15 2020-15-10505101520曲柄角/℃A(a) IMEP=3.02MPa(c)IMEP=4. 78MPa2009年2月農機化研究第2期含量的增加而縮短。這是由于乙醇與生物柴油相比含氧量高,霧化性能好,混合燃料有利于混合氣的形0E30成和燃燒,因此其燃燒速度比純生物柴油快,燃燒持續期縮短。純生物柴油在大負荷時(shí)放熱率曲線(xiàn)呈典型的雙峰形曲線(xiàn),前一個(gè)峰對應預混燃燒放熱,后一個(gè)峰對應擴散放熱。加入乙醇后的組合燃燒放熱率曲線(xiàn)呈單峰形狀,并且隨乙醇比例的增大燃燒起點(diǎn)推遲,放熱率曲線(xiàn)的峰值增加,燃燒持續期縮短。這說(shuō)明,乙醇的加入一方面使得著(zhù)火滯后,另一方面一旦燃燒,其曲柄角/℃A燃燒速度很快。(b) IMEP=3. 76MPe3結論00001)乙醇摻燒比小于30%時(shí),各種混合燃料的缸內壓力曲線(xiàn)變化趨勢相同。隨著(zhù)混合燃料中乙醇比例的增加,燃燒中預混燃燒所占的比例增大,缸內最高燃燒壓力依次增加2)在相同轉矩下,隨著(zhù)混合燃料中乙醇比例的增加,平均壓力升高率增加,峰值依次滯后。在乙醇比例不超過(guò)30%的情況下,最高平均壓力升高率也不大于0.6MPa/"CA,柴油機運轉平穩。20-15-10-505101520曲柄角/℃A3)在相同轉矩下,隨著(zhù)混合燃料中乙醇比例的增(c)IMEP =4. 78MP:加,柴油機的滯燃期延長(cháng),放熱率曲線(xiàn)整體后移,瞬時(shí)燃燒放熱率峰值依次增大,燃燒持續期縮短。參考文獻:0000000B80E20[1] Aaron Williams, Robert L McCormick, R Robert Hayes, etal. Effect of biodiesel blends on diesel particulate filter per-formance[ J]. SAE paper, 2006(1):3280[2] Radu Rosca, Edward Rakosi, Gheorghe. Fuel and injectioncharacteristics for a biodiesel bype fuel from waste cookingoil[ J]. SAE paper, 2005(1): 3674[3 Toshio Shudo, Atsushi Fujibe, Motoharu Kazahaya, et al10The cold flow performance and the combustion characteristics20-15-10-505101520with ethanol blended biodiesel fuel[ J]. SAE paper, 2005曲柄角/℃A(1):3707.(d)IMEP=6.16MPa[4]刑元,堯命發(fā),張福根,等.乙醇與柴油混合燃料燃燒特圖3各負荷下各種混合燃料的放熱率性與排放特性的試驗研究[J].內燃機學(xué)報,2007,25從圖3還可以看出,燃燒持續期總體趨勢隨乙醇(1):24-29Combustion Characteristics of a Diesel Engine Fueled withBio- diesel- ethan中國煤化工Huang Jincheng, He Guangqing, Li XianjingCNMHGngdongCollege of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, ChinaAbstract: This paper is mainly concemed about the combustion characteristics of the diesel engine fueled with bio-diesel2009年2月農機化研究第ethanol blends. The results show that with the increase of ethanol proportion, the maximum in-cylinder pressure isigher, the average rising rate of pressure is increased and its appearance is delayed when the proportion of ethanol is be-low 30%. With the increase of ethanol proportion, the period of ignition delay becomes longer, the maximum of heat re-lease rate is increased and its appearance is also delayed, the combustion duration becomes shorter. As for the in-cylinder pressure, the maximum value is increased, while it gets sharper reduction after the appearance of the maximum value.Key words: bio-diesel; ethanol; combustion characteristics; diesel engine(上接第199頁(yè))綜上所述,噴油器控制腔燃油進(jìn)出孔孔徑對噴油參考文獻:特性影響最大。因此,在設計過(guò)程中必須考慮到具體供油系統對Z孔和A孔孔徑進(jìn)行最佳組合,以適應噴[1〕繆雪龍王先勇俞建達等.超多噴孔新型噴油嘴性能油特性的要求研究[J.現代車(chē)用動(dòng)力,2007,8(3):13-18[2]錢(qián)人一.日本電裝公司的ECD-U2柴油機共軌噴油系4結論統(二)[].汽車(chē)與配件,2003(19):29-301)運用仿真軟件,建立高壓共軌噴油器模型。[3]綦化樂(lè ),陳廷明,鄧軍,高壓共軌電控噴油器結構參數的仿真研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2005,27(5):38-42過(guò)試驗結果與模擬值的比較,表明模型能夠較真實(shí)地[4]李紹安,程剛,錢(qián)圓圓共軌噴油器高速電磁閥的開(kāi)發(fā)反映出共軌噴油器的噴油特性。[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機,2003,10(5):33-352)對噴油器進(jìn)行多參數的模型仿真,結果表明:[5]虞金霞,胡先富.柴油機燃油噴射系統的仿真計算及分噴油器控制腔燃油進(jìn)出孔孔徑對噴油特性影響最大;析[].上海海運學(xué)院學(xué)報,2001,22(5):l1-14其次為控制腔容積,電磁閥線(xiàn)圈匝數和銜鐵彈簧剛度[6] Andrea Baluchi, Antonio bicchi, Emanuele mazzi. Hybrid也有不同程度的影響,而且各參數之間存在著(zhù)一定的modeling and control of the common rail Injection system關(guān)聯(lián)。因此,在噴油器設計過(guò)程中需要全面考慮,并[C]/Springer Berlin/Heidelberg: Hybrid Systems: Com-結合計算與試驗,以期達到最優(yōu)組合。putation and Control, 2006: 79-92Abstract ID:1003-188X(2009)02-019-EASimulation of Common Rail Fuel InjectorLi Jiehui, Li Zhonghai, Zhao Zhe, Song WenfuSchool of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)Abstract: This paper illustrates the structure and principle of a general common rail injector with it is the core of commonrail fuel system, Common rail fuel system is a useful way to improve the performance and to reduce the emission of dieselengine. And a modularized simulation is created. Then the main structural parameters effects on the fuel injeczed. This offers the valid basis for common rail injector design and researchKey words: common rail diesel engine; fuel injector; simulation; modeling中國煤化工CNMHG