生物柴油摻燃乙醇對發(fā)動(dòng)機影響的試驗研究

第34卷第6期廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版Vol 34 No 62009年12月Joumal of Guangxi University Nat Sci EdDec.2009文章編號:1001-7445(2009)06076405生物柴油摻燃乙醇對發(fā)動(dòng)機影響的試驗研究韋為,莫春蘭,黃錦成,葉忠慧,闕沛禎,趙令猛,許明疆(廣西大學(xué)機械工程學(xué)院,廣西南寧530004)摘要:前期的試驗研究表明,相對于傳統的礦物柴油生物柴油作為再生能源含氧量高可大幅降低煙度的排放,并能在一定程度降低CO排放。為進(jìn)一步降低排放,在生物柴油中摻燃不同比例乙醇就最大轉矩轉速和標定轉速工況下進(jìn)行了負荷特性試驗研究排放檢測采用了最新的AⅥL排氣分析儀。結果表明,與純生物柴油相比,混合燃料(乙醇摻燒率小于30%)的動(dòng)力性能良好,當量油耗率在較大負荷工況下有所改善;碳煙在整個(gè)運轉工況范圍內均有大幅度的降低而HC排放則反之;CO和NOx排放受乙醇摻燒率影響,NO,排放量在乙醇摻燒率為10%-20%時(shí)明顯減少,如繼續增大乙醇摻混比例,NO,排放增加;CO排放量在乙醇摻燒率為10%時(shí)最佳,大負荷工況下有明顯的降低關(guān)鍵詞:生物柴油;乙醇;性能;試驗研究中圖分類(lèi)號:TK422文獻標識碼:AAn evaluation of engine performance powered bybiodiesel-ethanol blendsWEI Wei, MO Chun-lan, HUANG Jing-cheng, YE Zhong-huiQUE Pei-zheng, ZHAO Ling-meng, XU Ming- jiangCollege of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)Abstract: Prior research show that comparing with traditional mineral diesel, biodiesel-ethanol blendsas a renewable energy possesses the advantage of higher oxygen content, lower smoke emission, andte co emission can be lower in a certain extent. In order to achieve further reduction on emissionan experimental research of load characteristic on diesel engine fueled with different proportion ofbiodiesel-ethanol blends on maximum torque speed and standard speed was carried out. The latestAVL analyzer was adopted to analyze emission. Results show that, comparing with biodiesel, brodiean reach the original engine power when the proportion of ethanol is below 30%and the equivalent brake specific fuel consumption rate has been obviously improved when the dieselengine work on high load condition. Results also show apparently reduction on smoke emission atwhole load condition but HC emissions are reversed. CO emissions and NO. emissions are influencedby the proportion of ethanol. NOemisslons are reduceiously when the proportion of ethanol isbetween 10%-20%. If the proportion of ethanol continues to increase, No, emissions will be high-er. CO emissions are best when the proportion of ethanol is 10%, and obviously reduces on highload condition收稿日期:20090401;修訂日期:200905-26中國煤化工基金項目:廣西科技攻關(guān)項目(桂科政06300044A);廣西大學(xué)博CNMHG通訊聯(lián)系人:莫春蘭(1975-),女,廣西貴港人,廣西大學(xué)副教授H第6期韋為等:生物柴油摻燃乙醇對發(fā)動(dòng)機影響的試驗研究Key words: biodiesel; ethanol; performance; experimental research生物柴油和乙醇都是可再生的含氧燃料和石油替代品13)。它們不僅可以在能源供應的可持續發(fā)展中發(fā)揮積極的作用,還可以減少汽車(chē)的有害氣體排放,對我國生態(tài)環(huán)境綜合治理、農業(yè)結構調整和能源安全有著(zhù)十分重大的戰略意義6。作者前期就S195直噴柴油機燃用純生物柴油進(jìn)行了試驗研究,結果表明燃用純生物柴油能大大降低煙度的排放并能在一定程度降低CO排放但油耗率和NO,排放較柴油高。為進(jìn)一步降低排放,本文進(jìn)行了直噴柴油機燃用生物柴油-乙醇混合燃料的試驗研究試驗裝置及儀器混合燃料的簡(jiǎn)稱(chēng)如表1所示,試驗使用南機動(dòng)表1混合燃料簡(jiǎn)稱(chēng)力有限公司生產(chǎn)的S195型單缸直噴柴油機,其主要Tab. 1 Shortened form of blended fuel參數見(jiàn)表2。試驗用生物柴油是以棕櫚油為原料通燃料比例(體積分數)/%簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)酯交換反應獲得,燃料乙醇符合GB18350-2001生物柴油P100標準兩種燃料的性質(zhì)比較見(jiàn)表3。試驗采用AⅥL生物柴油:燃料乙醇90:10P90E10Digas400gd排分析儀測量排氣中的No,、Co生物柴油燃料乙醇80.80E2o和HC排放,FTY-100不透光式煙度計測量煙度。生物柴油燃料乙醇試驗對柴油機未進(jìn)行任何改造和調整,在最大轉矩轉速1500r/min和標定轉速2000/min工況下進(jìn)行負荷特性試驗,研究乙醇生物柴油混合燃料和純生物燃料對柴油機經(jīng)濟性能和排放特性的影響。表2發(fā)動(dòng)機主要技術(shù)參數表3生物柴油和乙醇主要參數比較Tab. 2 Main technological parameter about engine Tab. 3 Characteristic comparison via biodiesel and ethanol型號S195燃料類(lèi)型生物柴油乙醇型式臥式單缸四沖程氧含量(質(zhì)量分數)%10.0034.73氣缸直徑碳含量(質(zhì)量分數)/%燃燒室型式直噴ω型密度(20℃)/kg·m標定功率轉速882kW/2000r·min1運動(dòng)粘度(20℃)/MPas3.421.20冷凝點(diǎn)/℃-117.3活塞排量0.815L閃點(diǎn)(閉)/℃13-14壓縮比十六烷值50供油提前角理論空燃比/kg·kg8.5噴油壓力15 MPa熱值/MJ·k2試驗結果及分析2.1不同燃料對柴油機經(jīng)濟性能的影響由于乙醇單位質(zhì)量的熱值只有生物柴油的70.84%,采用有效燃油消耗率不能反映能源利用的實(shí)際情況。為便于比較,試驗中的燃油消耗率按能量相等原則折算為與生物柴油熱值相當的當量燃油消耗率be,be隨負荷變化關(guān)系如圖1所示。在1500/min工況下,P90El0P0E30中高負荷的當量燃油消耗率be依次比Pl00低;P8OE20在試驗工況范圍內都比P100略高;P0E30整體都比P0E10低些;在2000/mn工況下,P0E30的當量燃油消耗率be與P100基本一致,P90E10在中高負荷整體要比P00高一些?？梢?jiàn)P0E30的燃油經(jīng)濟性要比P90E10、P8OE20好,在最大轉矩點(diǎn)的當量燃油消耗率約比P00低8%。中國煤化工CNMHG766廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版第34卷n=2 000 r/min550P100P00450■P90E10多450P90E10P80E20P80E209350P70E30350P70E30250Pe/kw圖1當量油耗率隨功率的變化關(guān)系Fig 1 Relationship between oil consumption rate and power在低速、低負荷運行時(shí),由于缸內工質(zhì)壓力較低,乙醇蒸發(fā)吸熱進(jìn)一步降低了工作的溫度和壓力從而對燃燒過(guò)程帶來(lái)了不利影響,使燃燒經(jīng)濟性沒(méi)有得到改善。隨著(zhù)負荷的增大,缸內工質(zhì)溫度與壓力也隨之升高,由于乙醇中含有氧,使缸內氧量增大。在相同的充氣系數條件下,可以使燃料燃燒得更充分,燃油經(jīng)濟性變好,尤其在乙醇含量增加時(shí)(見(jiàn)P0E30),在最大轉矩轉速(1500r/min)下表現明顯。隨著(zhù)轉速的增加,缸內燃燒時(shí)間縮短,此效應與混合燃料在低速工況運行優(yōu)勢相抵,致使當量燃油消耗率無(wú)明顯變化。2.2不同燃料對柴油機排放性能的影響2.2.1CO排放CO體積排放濃度隨負荷變化關(guān)系如圖2所示。在中低負荷工況下燃用P0E10混合燃料與純生物柴油的CO排放量相當,隨著(zhù)乙醇摻混比例的增加,CO排放量略有增加。在高負荷工況下,燃用混合燃料的CO排放得到明顯改善,但摻混乙醇過(guò)多或過(guò)少都不利于減少CO排放,其中以POE10為最佳當摻入乙醇,在中低負荷時(shí),由于乙醇蒸汽的冷卻作用,使燃燒過(guò)程中出現淬滅層,造成此時(shí)乙醇生物柴油乳化燃料CO排放比P100稍髙一些;在大負荷氧氣不足的情況下,乙醇自攜氧特性有利與改善燃燒CO排放顯著(zhù)下降。但在大負荷下,隨著(zhù)乙醇含量的增加,乙醇蒸汽的冷卻作用和乙醇富氧改善燃燒的作用均增加,Co排放量在大負荷時(shí)有逐步降低趨勢9。0n=l 500 r/minn=2 000 r/minP90E10P100··P90ElP80E20—￥P70E30P80E20-P70E300.2460.120.160.0891011Pe/kw圖2Co排放隨功率的變化關(guān)系Fig 2 Relationship between CO emission and power2.2.2HC排放HC體積排放濃度隨負荷變化關(guān)系如圖3所示?；旌先剂系腍C排放在整個(gè)運行工況中都比純生物柴油高但均小于40×10°。乙醇的汽化潛熱較大以及熱值較低使得缸內混唐下隆致使燃燒過(guò)程中易出現淬滅層,增加了壁面淬冷區,造成未燃HC排放明中國煤化工CNMHG第6期韋為等:生物柴油摻燃乙醇對發(fā)動(dòng)機影響的試驗研究767n=2 000 r/min4035353025P100P90E1010ePP90E10P80E20P70E30Pe/kw圖3HC排放對比Fig 3 Contrast of HC emission2.2.3NO,排放NO,體積排放濃度隨負荷變化關(guān)系如圖4所示。隨著(zhù)乙醇含量(≤20%)的增加,NO,排放依次改善,以P80E20的為最佳,在標定工況點(diǎn)處,比Pl00降低了11%。乙醇含量繼續增加時(shí),NO,排放沒(méi)有繼續改善。對于Pl00,隨著(zhù)負荷增加燃燒室內形成了高溫富氧的氛圍,從而有利于NO,的形成。這種趨勢在最大功率的85%~90%時(shí)達到頂點(diǎn),之后隨著(zhù)功率的進(jìn)一步增加,混合氣變得更濃,破壞了先前形成的高溫、富氧氛圍,使得NO,上升趨勢有所下降。乙醇的摻入改善了燃燒,增加了氧含量,有利于NO,的形成但乙醇汽化所吸收的熱量,可減少NO2的形成。當乙醇含量過(guò)大(見(jiàn)P0E30),富氧作用占優(yōu);當乙醇含量過(guò)小(見(jiàn)P90E10),吸熱作用也不明顯,均不利于減少NO,的形成。只有乙醇含量合適,才能明顯改善NO,排放,其中以P80E20為最好。2007=1500cmin1750rn=2000r/min一P1001500P90E101250P90E101250P80E20HP70E30P70E3075050025001234567891011Pe/kwPe/kw圖4NO排放對比Fig 4 Contrast of NO, emission2.2.4碳煙排放碳煙排放隨負荷變化關(guān)系圖5所示。在整個(gè)運行工況范圍內,燃用混合燃料均比燃用純生物柴油的碳煙排放有大幅度的降低。乙醇比例增加,碳煙基本呈逐級下降趨勢。在最大轉矩轉速下,P9EI080E20和P0E30的碳煙排放量分別比純生物柴油降低了17.%、8.0%和46.4%,在標定轉速下,則分別降低了31.7%297%和73.6%低負荷下,煙度排放較低,因為柴油機在此負荷區域過(guò)量空氣系數大,富氧狀態(tài)使燃料燃燒充分,碳煙排放處于很低的水平;在中高負荷時(shí)由于過(guò)量空氣系數變小,純生物柴油高粘度及缸內高溫,導致碳煙急劇增加。摻燃乙醇降低了缸內工質(zhì)最高燃燒溫度,顯中國煤化工,抑制了碳煙形成,此外乙醇的含氧特性使在燃燒過(guò)程中可形成的碳煙粒CNMHG而減少了由于燃燒不充分而產(chǎn)生的碳顆粒,大幅度地降低碳煙排放。隨著(zhù)乙群含重的唱加,低噘排履依次減少。768廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版第34卷0.80n=2 000 r/min0.70P10P100P90E10魯·P90E10P80E20P80E200.400.20P70E30P70E300.300.100.20Pe/kWPe/kw圖5碳煙排放對比Fig 5 Contrast of smoke emission3結論(1)在最大轉矩轉速和標定轉速下,燃用乙醇生物柴油混合燃料具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟性。在對原發(fā)動(dòng)機不做改動(dòng)的情況下,柴油機燃用乙醇生物柴油混合燃料和生物柴油相比,可保持原機動(dòng)力經(jīng)濟性略有改善。2)在最大轉矩轉速和標定轉速下,燃用P9El0乙醇生物柴油混合燃料的排放有所改善。碳煙在整個(gè)運轉工況范圍內均有大幅度降低而HC排放則反之;C0和NO,排放受乙醇摻燒率影響,NO,排放量在乙醇摻燒率為10%~20%時(shí)明顯減少,乙醇摻混率為30%時(shí),NO,排放增加;CO排放量在乙醇摻燒率為10%時(shí)最佳,大負荷工況下明顯降低。參考文獻:[1]呂興才,緒斌,黃建平,等.基于放熱率分析的乙醇柴油燃料燃燒特性的研究[J]內燃機工程,2007,28(2):2426[2]何超,葛蘊珊韓秀坤等.直噴式柴油機燃用生物柴油的燃燒特性[J內燃機工程2007,28(6):7-15[3] AGARWAL A K. 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