生物柴油熱重分析及柴油機試驗研究

第42卷第2期小型內燃機與摩托車(chē)VoL 42 No. 22013年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2013生物柴油熱重分析及柴油機試驗研究肖淑梅·2孫平梅德清張銳(1-江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院江蘇鎮江2120132-揚州職業(yè)大學(xué)汽車(chē)與電氣系)摘要:利用熱重分析儀在氮氣及氧氣氣氛下,對生物柴油和0#柴油進(jìn)行熱分析,考查了樣品的揮發(fā)熱解及氧化特性,并計算熱分析特性參數。對兩種燃料進(jìn)行了柴油機臺架對比試驗,并對燃燒特性數椐進(jìn)行分析。結果表明:生物柴油有良好的替代性;生物柴油的燃燒性能更加優(yōu)越,使用在柴油機上時(shí),較為提前的著(zhù)火延遲期可以使柴油機工作柔和,不粗暴。熱重法對燃料蒸發(fā)性能的硏究對發(fā)動(dòng)機缸內霧化蒸發(fā)和燃燒過(guò)程有著(zhù)指導意義。關(guān)鍵詞:生物柴油熱重分析臺架試驗柴油機中圖分類(lèi)號:S216.4;F325.22文獻標識碼:A文章編號:1671-0630(2013)02-007-05The Study on Thermo-Gravimetric analysis andDiesel Engine Test of BiodieselXiao Shumei, Sun Ping, Mei Deqing,Zhang RuiI-School of Automobile Engineering, Jiangsu University( Zhenjiang, Jiangsu, 212013, China)2-Department of Automobile and Electrical Engineering, Yangzhou Polytechnic CollegeAbstract: The thermo-gravimetric analyses of biodiesel and 0# diesel were carried out in N, and O2 atmos-phere. The volatility, pyrolysis and combustion characteristics were determined, and the parameters of thethermo-gravimetric analysis were calculated. The two kinds of fuel were tested on engine test bench and the re-sults were analyzed. The results indicated that the biodiesel shows good substitutable significance; its combus-tion is better: Earlier ignition delay makes diesel engine work softly, not crudely. The thermo-gravimetric analysis methods on fuel evaporation performance have the guiding significance for spray mixing and burningprocess in a diesel engine.Keywords: Biodiesel, Thermo-gravimetric analyses, Bench test, Diesel engine引言用已經(jīng)得到了較大的發(fā)展。生物柴油所含的雙鍵數目在石油資源日益耗竭和油價(jià)不斷攀升的今天,積少,分子中含氧量較高,含碳支鏈數目少或沒(méi)有使得極尋求可再生的清潔替代能源,具有非常重大的意義。生物柴油有較好的燃燒特性。生物柴油技術(shù)是近十年來(lái)新能源研制和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。目前對生物柴油能提高柴油機熱效率,減少尾氣作為一種優(yōu)質(zhì)的代用燃料,生物柴油在柴油機上的應中煙塵顆粒N中國煤化工點(diǎn)已經(jīng)達成共CNMHG*甚金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50976051);揚州職業(yè)大學(xué)科研基金項目(1la07)。作者簡(jiǎn)介:肖淑梅(1975-),女博士研究生,主要研究方向為發(fā)動(dòng)機代用燃料及排放控制。小型內燃機與摩托車(chē)第42卷識,但因其組成的復雜性,生物柴油的物理化學(xué)特性及其對發(fā)動(dòng)機排放性能的影響機理尚未完全清楚,研究方向限于發(fā)動(dòng)機缸內燃燒與排放測試。生物柴油在發(fā)動(dòng)機各沖程階段的詳細機理,尤其是早期的蒸發(fā)和熱解性能,尚少涉及。柴油機內燃料油膜很薄,鋪展在壁面上,受熱近似均勻,升溫迅速,實(shí)際情況非常接近熱重分析儀的狀態(tài)和環(huán)境,所以,本研究采用熱重分析法并結合AVL臺架試驗系統,比對一般市售石化柴油,深入分析生物柴油的蒸發(fā)、熱解和其在柴油機內燃燒圖2 TGA/DSC1型熱重分析儀爐體的性能本質(zhì)特征。1熱重試驗設備與方法量過(guò)程中的熱流變化規律。試驗中天平室必須處于恒試驗采用了瑞士 METTLER公司的 TGA/DSCI型溫狀態(tài)以保證信號的重復性,必須使用外接恒溫浴槽。采用熱重分析法對柴油機用燃油進(jìn)行分析時(shí),燃熱重分析儀。圖1是其結構示意圖。儀器包含天平油樣品質(zhì)量?jì)H為數毫克至數十毫克,在坩堝內以非常室加熱爐(見(jiàn)圖2)和儀器室三大裝置,與終端智能顯薄的油膜形式存在。在柴油機冷起動(dòng)工況,直噴柴油示屏相連。系統內一臺高精度的梅特勒-托利多天機活塞頂表面的最大油膜厚度會(huì )大于200μm。試平,用來(lái)測量樣品重量變化信號;熱傳感器直接安裝在驗前,可以根據鉗渦底面尺寸和燃油樣品質(zhì)量及密度測量單元中,能同時(shí)提供差式掃描量熱信號(DSC),測等參數,計算出油膜厚度,從而精確模擬一般冷啟動(dòng)工測量線(xiàn)路單元況下,燃油的蒸發(fā)和熱解狀態(tài)。試驗過(guò)程中的升溫速檢測器率能夠精確控制在0.1℃/min至300℃/min之間,多顯示系統項研究結果表明,100℃/min的加熱速率與冷起動(dòng)過(guò)程中活塞溫度的升高速率相近似3,所以,試驗中將測溫系統電熱爐采用100℃/min的加熱速率。程序控制單元本試驗采用的生物柴油原料為地溝油,經(jīng)酯交換反應處理后轉化為脂肪酸甲酯,由恒順達生物柴油有氣氛控制單元限公司提供,其結構為R-COOR。石化柴油為中石圖1熱重分析儀結構示意圖化市售0號柴油。兩者的理化性質(zhì)參數見(jiàn)表1。表1柴油、生物柴油理化性質(zhì)密度(20℃)/運動(dòng)粘度(40℃)汽化熱含氧量/低熱值項目沸點(diǎn)/℃閃點(diǎn)/℃十六烷值(kg·L-1)(kJ·kg)(%)(M·kg2)柴油0.82-0.86180-37065~88生物柴油0.8964.972624101412.12熱重試驗結果與分析(dM/dT其中揮發(fā)指數:V圖3和圖4分別為試驗所得到的柴油和生物柴油T·W2燃燒指數:V在不同氣氛下的TG(失重)、DTG(失重率)曲線(xiàn),表2(dM/dr)中國煤化工T·W,的DTG曲線(xiàn)峰CNMHG為試驗和計算所得柴油與生物柴油的熱重特性參數。值對應的最大失重速率,速率為正,單位為mg/s;W第2期肖淑梅等:生物柴油熱重分析及柴油機試驗研究為DTG曲線(xiàn)峰值寬度的一半,K;T為樣品起始失重比較由圖3可知,生物柴油在245℃時(shí)才開(kāi)始失溫度,K;Te為樣品起始燃燒溫度,K。重,遠高于柴油的110℃,參看表1得知,生物柴油的密度、運動(dòng)粘度、沸點(diǎn)和汽化熱均大于柴油,即生物柴10油中高碳碳鏈數目多于柴油,分子質(zhì)量大,受熱后在低0.02-0.04溫區難以較快蒸發(fā);運動(dòng)粘度是流體內部阻礙其相對-0.08運動(dòng)的一種特性,是衡量燃料流動(dòng)性能及霧化性能的柴油TG重要指標,在熱重分析儀中,燃料以油膜態(tài)制備,生物B1OOTG柴油DTG-02E柴油較大的運動(dòng)粘度顯然阻礙了大分子長(cháng)鏈酯類(lèi)物質(zhì)--BEOODTG0.16-0.的汽化性能,導致蒸發(fā)慣性降低;要形成良好的霧化,117163208254300346392必須吸收更多的汽化熱量,使得生物柴油在發(fā)動(dòng)機起溫度/℃圖3柴油、生物柴油在N2氣氛下的TG、DG曲線(xiàn)動(dòng)階段早期,綜合性能不如石化柴油,柴油機使用生物柴油,需要采用種種措施提高起動(dòng)溫度,改善低溫起動(dòng)性能。部分文獻也證明了,與降低油膜厚度相比,提高10升溫速率對縮短油膜蒸發(fā)時(shí)間的作用更加明顯。02比較圖3,可知生物柴油的最大失重速率接近為石化柴油的兩倍,失重半峰寬極窄,揮發(fā)指數為柴油的柴油TGBoOT三倍左右,說(shuō)明生物柴油一旦開(kāi)始蒸發(fā)失重,即在較短---B1OODTG時(shí)間內揮發(fā)完畢,圖4的O2氣氛下,生物柴油陡峭的-0.82571117163208254300346392失重線(xiàn),也同時(shí)證明了這一點(diǎn)。分析原因,本試驗所用溫度/℃生物柴油來(lái)源于地溝油,經(jīng)酯交換反應處理后,形成圖4柴油、生物柴油在O2氣氛下的TG、DTG曲線(xiàn)種由多種脂肪酸甲酯( fatty acid methylester)構成的復表2柴油與生物柴油的熱重特性參數比較雜混合物S,其成分可由氣質(zhì)聯(lián)用儀分析色譜柱得燃料到。見(jiàn)下表3。柴油生物柴油特性參數不難發(fā)現其中占主要成分的是油酸甲酯(C1s1)、亞油酸甲酯(C1a)、棕櫚酸甲酯(C16a)以及硬脂酸起始失重溫度℃110245甲酯(C180),它們占據了整個(gè)成分的86.41%,這四終了失重溫度℃263者的摩爾質(zhì)量分別為296.49g/mol、294.48g/mol揮發(fā)最大失重速率270.45g/mol、298.5lg/mol,根據結晶理論,摩爾質(zhì)參數(dM(d)=)/(mg·s")/0.0g特性量影響分子間作用力,對同系物而言,摩爾質(zhì)量越大,分子間作用力越大。即相同摩爾質(zhì)量的同系物失重半峰寬(Wn)/K其分子間作用力接近相同。上述四種脂肪酸甲酯的揮發(fā)指數(V)287×106744×106摩爾質(zhì)量非常接近,因此在熱重分析儀環(huán)境下,當溫起始失重溫度/℃240度達到某個(gè)值時(shí)(受不同氣氛、不同加熱速率的影起始氧化溫度/℃響,此溫度值是不同的),本試驗的生物柴油的主要氧化成分將幾乎同時(shí)發(fā)生克服分子間作用力,發(fā)生汽化特性最大失重速率參數(dM/dr)=)/(mg·s-)0.03失重,故而表現為失重速率的迅速增大和失重帶寬的大幅度減V凵中國煤化工摩爾質(zhì)量分布失重半峰寬(Wa)/K19較廣,所以CNMHG時(shí)說(shuō)明,對于由燃燒指數(V)108×012×0單一來(lái)源制成的生物柴油,如菜籽油生物柴油、玉米10小型內燃機與摩托車(chē)第42卷油生物柴油、大豆油生物柴油、棕櫚油生物柴油、花281℃,這表示本試驗的生物柴油,在極短的時(shí)間內,完生油生物柴油等,應該同樣具有較大的失重速率和成揮發(fā)與氧化,這兩個(gè)過(guò)程交疊存在。生物柴油重質(zhì)狹窄的失重帶寬,而來(lái)源混合夾雜的生物柴油,則與成分多,反應較復雜,熱分解階段物理和化學(xué)反應是合石化柴油一樣,不具備此性能。這種性能對于生物在一起的。短暫的失重時(shí)段也體現了生物柴油比石化柴油的很高的失重起始溫度而言,其實(shí)是個(gè)補償,能柴油更加優(yōu)良的燃燒特性,從表2燃燒指數的比較也形成良好的混合氣。能得到這一結論。3發(fā)動(dòng)機臺架試驗表3本試驗用生物柴油成分試驗用發(fā)動(dòng)機為YZ402QF直噴式柴油機。其主組分名稱(chēng)%要技術(shù)參數如表4所示。試驗時(shí)沿用原機的供油系羊脂酸甲酯(Co0)0.15統,為保持原機的動(dòng)力性,適當增加了循環(huán)供油量。試月桂酸甲酯(C20)0.28驗用儀器設備見(jiàn)表5。豆蔻酸甲酯(C140)1.72表4柴油機主要參數十五烷酸甲酯(C15。o)0.1型號YZA102QF棕櫚酸甲酯(C50)型式直噴式、四沖程十七烷酸甲酯(C10)氣缸數硬脂酸甲酯(Co)8.70氣缸直徑/mm102花生酸甲酯(C20)0.49活塞行程/mm118棕櫚油酸甲酯(Cs)3.14壓縮比17.5:1油酸甲酯(C1s)36.80總排量/L3.857二十碳烯酸甲酯(Ca,)0.70額定功率/kW70.6芥酸甲酯(C21)0.31最大扭矩/(N·m)245亞油酸甲酯(C12)21.18表5發(fā)動(dòng)機臺架試驗設備二十碳二烯酸甲酯(C202)0.16設備名稱(chēng)型號亞麻酸甲酯(C1s3)氣缸壓力采集系統DEWE-2010 DAQ山崳酸甲酯(C20)0.40測功機AVLAlpha 335觀(guān)察圖4的DCT圖線(xiàn),可以看出石化柴油在氧氣煙度計AVL 435氣氛下可分為兩個(gè)失重階段,1)初始階段的失重為主油耗儀AVL 73要成分的揮發(fā)過(guò)程,此階段對應溫度段為95~227℃尾氣分析系統Honba meXA-7200D最大失重速率出現在210℃,整個(gè)過(guò)程失重76%,2)第二階段發(fā)生氧化燃燒,在245℃達到最大失重速率,此研究采用對比試驗的方法深人研究石化柴油和生階段溫度段為227~264℃,整個(gè)過(guò)程失重24%。兩個(gè)物柴油的缸內燃燒和排放特性。本文僅對兩者的燃燒階段間隙失重速率有輕微下降,這是因為在發(fā)生氧化特性做比較。中國煤化工燃燒的預備期,需要大量吸熱造成的。4試驗結從1 CNMHG然而生物柴油只有一個(gè)明顯的失重區,為266圖5為n=2000/min、p=0.782MPa時(shí)生物柴油第2期肖淑梅等:生物柴油熱重分析及柴油機試驗研究與0#柴油燃燒特性的比較。由缸內壓力圖可知,柴油非常容易燃燒,在柴油機著(zhù)火延遲期,剛噴出少量生物與生物柴油的缸壓曲線(xiàn)接近相同;但瞬間壓力升高率柴油時(shí),即發(fā)生燃燒,所以著(zhù)火提前,且最大壓升率低,圖表明:生物柴油比柴油的著(zhù)火延遲期早約2°CA,且對應的柴油機表現工作柔和不粗暴。對應的最大壓力升高率低。這個(gè)現象可以用熱重試驗放熱率曲線(xiàn)表明:生物柴油比石化柴油的初期放解釋:在高溫區,生物柴油很高的失重速率和狹窄的失熱量少,瞬時(shí)放熱率低。這是因為生物柴油組分的重重帶寬顯示出其燃燒性能優(yōu)越于普通石化柴油,因此質(zhì)成分多,造成裂解汽化熱大,見(jiàn)表1。所以在升溫的過(guò)程中需吸收更多的熱量,因而造成這一現象。1005結論80柴油1)熱重試驗表明,低溫階段,生物柴油的霧化和蒸發(fā)性能不如石化柴油。但在高溫區,生物柴油能在較短時(shí)段內揮發(fā)完畢。2)柴油機缸內壓力和放熱規律表明,生物柴油對40-20020406080100120140q/°CA于普通石化柴油有良好的替代性。在相同的轉速及負荷下,生物柴油的著(zhù)火延遲期比石化柴油短;初始階段生物柴油的放熱率較低;生物柴油開(kāi)始放熱時(shí)刻較早。129生物3)熱重法研究燃料的蒸發(fā)性能,其結果與臺架試驗一致。參考文獻I Stanton WD, Rutland JC. 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