基于熱重分析法的生物柴油-柴油發(fā)動(dòng)機顆粒排放研究

2011年9月農業(yè)機械學(xué)報第42卷第9期基于熱重分析法的生物柴油柴油發(fā)動(dòng)機顆粒排放研究馬志豪張小玉王鑫徐斌吳健(河南科技大學(xué)車(chē)輛與動(dòng)力工程學(xué)院,洛陽(yáng)471003)【摘要】在直噴式柴油機上進(jìn)行了不同供油提前角以及生物柴油與柴油以不同比例混合的發(fā)動(dòng)機顆粒排放測試,利用熱重分析儀分析了顆粒排放中揮發(fā)性有機成分隨溫度的變化。結果表明,與生物柴油摻混比例相比,在所測試工況,供油提前角的變化對顆粒排放中揮發(fā)性有機成分生成量的影響較小,揮發(fā)性有機成分生成量隨混合燃料中生物柴油摻混比例的增加而增大;蒸發(fā)溫度在150~180℃范圍內的揮發(fā)性有機成分最多,并且隨生物柴油比例的增大,揮發(fā)性有機成分更集中在該溫度范圍關(guān)鍵詞:生物柴油發(fā)動(dòng)機顆粒排放熱重分析中圖分類(lèi)號:TK4文獻標識碼:A文章編號:1000-1298(2011)09002604Particulate Emissions of Engine Fuelled with Biodiesel-dieselBlends Using Thermo-gravimetric AnalysisCollege of Vehicle and Motive Power Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)AbstractParticulate emissions of engine fuelled different proportions of biodiesel-diesel blends were collectedunder different fuel supplying advanced angles and different operating conditions. The change of volatileorganic fractions in particulate emissions was analyzed using thermo-gravimetric analytical instrumentwhen temperature increased. The results showed that under the tested conditions, compared to theproportions of biodiesel-diesel blends, the change of fuel supplying advanced angle had little influence onthe amount of volatile organic fraction in the particulate emissions. The volatile organic fraction in theparticulate emissions increased with the increase of the proportions of biodiesel in the blends; volatileorganic fractions peaked at the evaporation temperature of 150 -180C, and with the percentage ofbiodiesel increased, the volatile organic fractions were more concentrated in the temperature range withthe increase of percentage of biodieselKey words Biodiesel, Engine, Particulate emissions, Thermo-gravimetric analysis引言顆粒是柴油機的主要有害排放物。雖然發(fā)動(dòng)機燃用生物柴油的顆粒排放有一定的減少,但是,其平在傳統柴油中加入一定量的生物柴油可以降低均顆粒直徑比柴油小6,對人類(lèi)健康的危害更發(fā)動(dòng)機的顆粒、CO和HC等有害物排放-21。因大3,所以,對顆粒排放的研究也越來(lái)越深入。柴此,目前歐洲在傳統柴油中摻入5%體積的生物柴油機顆粒一般由不溶于有機溶液的不可溶性(不揮油,到2020年至少在化石燃料中摻入10%體積的發(fā)性)成分(主要是元素碳和硫化物)和溶于有機溶生物柴油3。液的可溶性(揮發(fā)性)有機成分(主要是多環(huán)芳香收稿日期:2010-10-09修回日期:2010-11-06中國煤化工中國博士后科學(xué)基金資助項目(20090460860)、河南科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金資助CNMHG新杰出人才計劃資助項目(104200510006)作者簡(jiǎn)介:馬志豪,教授,博士,主要從事內燃機清潔燃燒研究,E-mail:mazhibao@mail.haust.edu.cn第9期志豪等:基于熱重分析法的生物柴油-柴油發(fā)動(dòng)機顆粒排放研究2烴)組成。通常,顆粒中可溶性有機成分可通過(guò)化物柴油。因此黃連木籽生物柴油的主要成分為上述學(xué)萃取(索氏萃取)確定,但這種方法存在一些缺3種脂肪酸的甲酯。點(diǎn),因為它首先把采集的顆粒溶于化學(xué)溶劑(二氯表2SDT2960型差熱熱重聯(lián)合測定儀主要參數甲烷和苯-乙醇混合物),再進(jìn)行濃縮,并且達到較Tab 2 Main specifications of SDT2960高的濃度后在氣相或液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀上進(jìn)行分參數數值析,需要較長(cháng)的時(shí)間。分辨率/μg與化學(xué)萃取相比,熱重分析法更加安全,更加快加熱速率/℃·min捷,更加容易對顆粒進(jìn)行分析。這種分析技術(shù)以顆樣品加載量/mg粒的熱穩定性、動(dòng)力學(xué)參數以及當樣品被加熱時(shí)監溫度/℃室溫-1500測質(zhì)量的變化來(lái)確定揮發(fā)性有機成分所占的比例測量通常在空氣或惰性氣體中進(jìn)行,記錄質(zhì)量隨溫試驗用油為市場(chǎng)購買(mǎi)的0號柴油和黃連木籽生度升高的變化關(guān)系91。物柴油按一定體積分數混合得到的柴油-生物柴油至今,由黃連木籽為原料制取的生物柴油用于混合燃料,生物柴油的摻混比例分別為0、10%和發(fā)動(dòng)機時(shí)的顆粒排放研究尚未見(jiàn)報道。本文對由酯20%,分別記做B0、B10和B20。測得的不同燃料理交換反應制取的黃連木籽生物柴油進(jìn)行發(fā)動(dòng)機的試化性質(zhì)和計算所得燃料中氧的質(zhì)量分數,如表3所驗研究1試驗裝置和試驗方法表3試驗用油理化特性比較Tab 3 Comparison of physical and chemica1.1試驗裝置properties of the test fuels試驗用發(fā)動(dòng)機為YTR3105型三缸自然吸氣、直參數B10噴式柴油機,主要技術(shù)參數見(jiàn)表1生物柴油體積分數/%0表1YTR3105型柴油機的技術(shù)參數十六烷值53.65Tab 1 Technical parameters of YTR3105 diesel engine低熱值/MJ·kg-145.39參數數值密度(25℃)/kg846結構形式三缸、水冷、四沖程氧質(zhì)量分數/%2.41缸徑x行程/ mm x mm連桿長(cháng)度/mm192試驗中,調整靜態(tài)供油提前角為17° CA BTDC排量/L3,117和13.5° CA BTDC。選取在2400r/min、164N·m燃燒室形狀(工況1)和1500r/min、192N·m(工況2)兩個(gè)工壓縮比況,分別對B0、B10及B20三種燃料進(jìn)行測試。測供油提前角/°CA試時(shí),保持發(fā)動(dòng)機在給定工況運轉,用 Whatman GF/最大扭矩(轉速)/Nm(r/min)192(1500)C型玻璃超細纖維濾紙收集顆粒。在進(jìn)行熱重測試額定功率(轉速)/kW(r/min)40.5(2400)前,將樣品和空白濾紙放入干燥器中干燥10h,以消除水分帶來(lái)的測量誤差。由于發(fā)動(dòng)機的排氣溫度發(fā)動(dòng)機工況由南通啟測機電有限公司生產(chǎn)的般在550℃左右,所以在熱重分析儀中進(jìn)行測試時(shí),YP0型水力測功機和凱邁(洛陽(yáng))機電公司生產(chǎn)將最高加熱溫度控制在550℃以?xún)?以避免在測試的cUM3A型綜合測控裝置調節; HORIBA公司的中樣品在惰性氣體環(huán)境中高溫裂解。升溫速率對測MDLT-1302TMA型分流式顆粒采樣系統用以采集試結果的影響不大1,所以本次試驗按10℃/min發(fā)動(dòng)機排氣中的顆粒。美國 TA Instruments公司生的升溫速率加熱。在坩堝周?chē)淙氲獨?防止樣品產(chǎn)的SDT2960型差熱熱重聯(lián)合測定儀用于顆粒的在高溫下氧化,充入氮氣的速率保持150mL/min熱重分析,主要性能參數見(jiàn)表2。為消除濾紙產(chǎn)生的誤差,先將空白濾紙在熱重分析1.2試驗方法儀中加熱到黃連木籽油中所含的脂肪酸主要包括棕櫚酸、化。然后中國煤化工量隨溫度的變CNMHG述條件分別進(jìn)油酸、亞油酸,含量分別為45.45%、28.91%和行測試,記錄m星血度文化。樣品中顆粒21.37%0。本試驗以黃連木籽油和甲醇為原料,的凈重損失應該為某一溫度時(shí)樣品質(zhì)量減去相應溫在氫氧化鈉的催化作用下,通過(guò)酯交換反應制取生度時(shí)空白濾紙的質(zhì)量。農業(yè)機械學(xué)報2011年2結果與分析一B0B10-▲-B202.1質(zhì)量變化率圖1~3為不同供油提前角θ和發(fā)動(dòng)機工況時(shí)的質(zhì)量變化率。由圖可見(jiàn),整條曲線(xiàn)的變化趨勢基本相同,即50~500℃之間呈前緩、中急、后緩的趨50400450500550勢。在150℃以前變化較為緩慢,3種燃料的質(zhì)量變化率差別不大;在150~350℃之間,失重加快;圖26=13.5°CA時(shí),發(fā)動(dòng)機在工況1時(shí)的質(zhì)量變化率350℃以上,質(zhì)量逐漸趨于穩定。與供油提前角相Fig. 2 0=13. 5CA, weight loss at operating condition 1比,不同的生物柴油摻混比例對質(zhì)量變化率的影響一B0一·一B10一▲-B20更大,表現出B0質(zhì)量變化率最少,B10次之,B20最多。這與文獻[1和[12]的結果一致。以供油提前角為17° CA BTDC,發(fā)動(dòng)機為工況1為例,溫度升高到500℃時(shí),樣品的質(zhì)量已基本穩定,說(shuō)明在該溫度時(shí)殘留在濾紙上的樣品成分絕大部分為元素碳。此時(shí),B0質(zhì)量變化率為11.53%,B10質(zhì)量變化率為21.31%,B20質(zhì)量變化率為25.81%;相似的結果體6=17°CA時(shí),發(fā)動(dòng)機在工況2時(shí)的質(zhì)量變化率現在其他兩種情況。對于以上3種情況,在測量范圍內,B0的質(zhì)量變化率在901%-16.26%,平均為B1012.64%,幅差為7.25%,B10在19.20%23.08%,平均為21.14%,幅差為3.88%,B20在24.91%~26.79%,平均為25.85%,幅差為0.081.88%,這說(shuō)明:①隨著(zhù)混合燃料中生物柴油摻混比例的增加顆粒中揮發(fā)性有機成分所占的比例增加,但是,在接近500℃時(shí),燃用B10和B20燃料時(shí)230003040顆粒的質(zhì)量變化率已經(jīng)非常接近。由此能否推斷出圖48=17°CA時(shí),發(fā)動(dòng)機在工況1時(shí)的質(zhì)量變化速率生物柴油的摻混比例增加到某一比例時(shí),顆粒中揮Fig40=17°CA, weight loss rates at operating condition I發(fā)性有機成分就不會(huì )再隨之變化的結論,這需要在以后的試驗中進(jìn)行驗證。②隨著(zhù)混合燃料中生物016柴油摻混比例的增加,工況和供油提前角對顆粒中0.1揮發(fā)性有機成分所占比例的影響逐漸減小。-B10一4-B20圖56=13.5°CA時(shí)發(fā)動(dòng)機在工況1時(shí)的質(zhì)量變化速率Fig 5 6=13. 5]CA, weight loss rates at operating condition 1的質(zhì)量變化速率。由圖可見(jiàn),在所有情況下,質(zhì)量變圖16=17°CA時(shí),發(fā)動(dòng)機在工況1時(shí)的質(zhì)量變化率化速率在150-180℃之間存在最大值,說(shuō)明3種燃Fig. 1 8=17 CA, weight loss at operating condition 1料燃燒產(chǎn)生的顆粒中揮發(fā)性有機成分中蒸發(fā)溫度在由圖1~3還可發(fā)現,當供油提前角為17°CA該溫度范圍的成分最多;在工況1,B0最大值出現BTDC時(shí),對相同燃料,工況2產(chǎn)生的揮發(fā)性有機成在150℃日20出現在180℃,分比工況1少,這是由低速時(shí)預混合燃燒所占比例說(shuō)明隨著(zhù)中國煤化m,燃燒生成的顆較多,缸內燃燒溫度更高所致。粒中揮發(fā)在男+口人成分的蒸發(fā)溫度2.2質(zhì)量變化速率稍有升高,說(shuō)明分子量有所增大;B20產(chǎn)生的顆粒的圖4~6為不同供油提前角6和發(fā)動(dòng)機工況時(shí)最大質(zhì)量變化速率最高,其次是B10,最低的是B0,第9期馬志豪等:基于熱重分析法的生物柴油-柴油發(fā)動(dòng)機顆粒排放研究顆粒中揮發(fā)性有機成分有一定影響。3結論0.10B0---B10…B2(1)在所測試工況,供油提前角對顆粒排放中揮發(fā)性有機成分有一定影響,但不如燃料的影響大(2)在所測試工況,揮發(fā)性有機成分隨混合燃50100150200250300350400450500料中生物柴油摻混比例的增加而增加,元素碳所占的比例隨之減少。圖60=17°CA時(shí),發(fā)動(dòng)機在工況2時(shí)的質(zhì)量變化速率Fig 66=17CA, weight loss rates at operating condition 23)在所測試工況,峰值失重率在150~180℃之間很窄的溫度范圍內,說(shuō)明3種燃料燃燒產(chǎn)生的說(shuō)明在該值對應的溫度的揮發(fā)性有機成分的量隨著(zhù)顆粒中揮發(fā)性有機成分中蒸發(fā)溫度在該溫度范圍的生物柴油摻混比例的增加而增加。與工況1相比,成分最多。工況2的峰值質(zhì)量變化速率稍有后移,說(shuō)明工況對參考文獻1 Chuepeng S, Tsolakis A, Theinnoi K, et al. A study of quantitative impact on emissions of high proportion RME-basedbiodiesel blends [C]. SAE Paper 20070072,20072 Hu Li, Amanda Lea-Langton, Gordon E Andrews, et al. Comparison of exhaust emissions and particulate size distribution fordiesel, biodiesel and cooking oil from a heavy duty DI diesel engine [C]. SAE Paper 2008-01-0076,20083 Directive 2009/28/EC. Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on thepromotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and2003/30/EC [J]. Official Journal of the European Union, 2009:L140/16-L140/624 Hwanam Kim, Byungchul Choi. The effect of biodiesel and bioethanol blended diesel fuel on nanoparticles and exhausemissions from CRDI diesel engine [J]. Renewable Energy, 2010, 35(1):157-1635王曉燕,李芳,葛蘊珊,等·甲醇柴油與生物柴油微粒排放粒徑分布特性[J].農業(yè)機械學(xué)報,2009,40(8):7-12Wang Xiaoyan, Li Fang, Ge Yunshan, et al. Particle size distribution of particulate matter emission from the diesel engineburning methanol-diesel fuel and biodiesel [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 200940(8): 7- 12.( in Chinese)6張旭升,王海濱,趙暉,等·共軌柴油機燃用生物柴油限制與非限制排放特性[J.農業(yè)機械學(xué)報,200,40(8):1-6Zhang Xusheng, Wang Haibin, Zhao Hui, et al. Characteristics of regulated and unregulated emissions of biodiesel blends ina common rail diesel engine [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(8): 1-6.(inChinese7 Adam Neer, Umit 0 Koylu. Effect of operating conditions on the size, morphology, and concentration of submicrometerparticulates emitted from a diesel engine [J]. Combustion and Flame, 2006, 146(1-2):142-1548高俊華,方茂東,張仲榮,等.柴油機排氣微粒中多環(huán)芳香烴的色譜質(zhì)譜分析[J].內燃機學(xué)報,2009,27(5):423429Gao Junhua, Fang Maodong, Zhang Zhongrong, et al. Analysis of PAHs in particulate matter of a diesel engine by gashromatography-mass spectrometry [J]. Transactions of CSICE, 2009, 27(5):423-429.(in Chinese)9 Lapuerta M, Ballesteros R, Rodriguez-FernGndez J. Thermogravimetric analysis of diesel particulate matter [J].MeasurementScience and Technology, 2007, 18(3): 650-65810侯新村·生物柴油木本能源植物中國黃連木的調查與研究[D].北京:中國林業(yè)科學(xué)研究院,2006Hou Xincun. Investigation and research on woody energy plant Pistacia chinensis Bunge for biodiesel [D]. Beijing: ChineseAcademy of Forestry Sciences, 2006.(in Chinese)11 Chuepeng S, Xu H M, Tsolakis A, et al. Particulate emissions from a common rail fuel injection diesel engine with RMEbased biodiesel blended fuelling using thermo-gravimetric Analysis [C].S中國煤化工0812 Aaron Williams, Robert L McCormick, Robert Hayes R, et al. EffectCNMHG Particulate filterperformance [C]. SAE Paper 2006-01-3280, 2006