柴油机燃用黄连木籽生物柴油的燃烧及排放特性研究.docx
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柴油机燃用黄连木籽生物柴油的燃烧及排放特性研究
柴油机燃用黄连木籽生物柴油的燃烧及排放特性研究
王鑫,马志豪,张小玉,潘永方,徐斌,吴健
摘要:
在一台YTR3105直喷式柴油机上进行了黄连木籽生物柴油-柴油混合燃料试验,分析了不同负荷下的经济性、燃烧和排放特性。
结果表明:
发动机燃用掺混生物柴油的混合燃料时,在中小负荷下,其燃油消耗率比柴油高,大负荷时燃油消耗率基本相当。
生物柴油的滞燃期比柴油短,压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值低于柴油,且预混燃烧峰值所在曲轴转角较柴油有所提前。
混合燃料的燃烧持续期比柴油延长,最高平均燃烧温度与柴油差别不大。
与柴油相比,生物柴油的CO、HC、碳烟排放均有不同程度的降低;B10、B20的NOx排放比柴油低,而B30的NOx排放与柴油相当。
关键词:
柴油机;黄连木籽生物柴油;燃烧;排放
StudyonCombustionCharacteristicsandEmissionsofaDIDieselEngineFueledwithPistaciaChinensisBungeSeedBiodiesel
WANGXin,MAZhi-hao,ZHANGXiao-yu,PANYong-fang,XUBin,WUJian
(CollegeofVehicleandMotivePowerEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang,471003)
Abstract:
ThispaperdealswiththecombustioncharacteristicsandemissionsofaYTR3105directinjectiondieselenginefueledwithPistaciachinensisBungeseedbiodiesel-dieselblends.Thestudyshowsthatthebrakespecificfuelconsumptionoftheblendsisincreasedatmediumandlightloadwhencomparedwithdiesel,andatheavyloaditissimilarforboththetwotypesoffuels.Withtheuseoftheblendsagainstthedieselfuel,theignitiondelayisshortened,maximumrateofpressureriseandcombustionheatreleaseratearedecreased,thecorrespondingcrankpositionofmaximumpremixedcombustionpeakisadvanced,thecombustiondurationisprolonged.Maximumcylindermeantemperatureswithdifferentfuelshavelittledifference.TheblendshavelowerCO,HCandsmokeemissionthanthoseofdiesel.TheNOxemissionisreducedwiththeuseofB10andB20butincreasedwiththeuseofB30.
Keywords:
dieselengine;PistaciachinensisBungeseedbiodiesel;combustion;emission
由于石油资源的日益匮乏和价格居高不下,国内外都在大力开发石油的替代能源。
以可再生能源替代化石能源,是实现能源可持续发展的必然途径。
生物柴油是一种可供柴油机使用的清洁可再生燃料,它的主要成分是脂肪酸酯,是以油料作物、动物油脂及餐饮废油等为原料通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的燃料。
目前,国内外开展了大量关于燃用生物柴油发动机的性能研究。
陆小明[1]等研究了柴油机燃用废食用油制生物柴油的燃烧和排放特性。
结果表明,生物柴油的喷油时刻提前,滞燃期较短,预混燃烧比例较小。
生物柴油的烟度、HC和CO排放下降,但NOx排放增加。
Mustafa[2]在涡轮增压直喷式柴油机上进行了燃用大豆油制生物柴油的性能试验。
研究发现,1号柴油与生物柴油混合燃料的NOx排放降低,而2号柴油与生物柴油混合后,NOx排放增加。
PM、HC和CO排放均下降。
Tsolakisa[3]等研究了柴油机燃用油菜籽油制生物柴油的燃烧和排放特性。
柴油机燃用生物柴油、B20和B50,滞燃期缩短,预混燃烧阶段放热率增加;微粒、HC和CO排放降低,而NOx排放增加,燃油消耗量增大;通过EGR降低NOx排放较石化柴油有效。
本文在一台YTR3105柴油机上完成了不同掺混比黄连木籽生物柴油-柴油混合燃料的试验,试验过程中对原柴油机未做任何调整。
通过对比分析柴油机燃用柴油和不同掺混比的黄连木籽生物柴油-柴油混合燃料的经济性、燃烧和排放特性的变化趋势,为生物柴油-柴油混合燃料在柴油发动机的优化应用提供理论基础。
1试验设备与试验方法
1.1试验设备
试验用发动机为YTR3105三缸自然吸气柴油机,主要技术参数见表1。
表1YTR3105柴油机的技术参数
型式
三缸、水冷、四冲程
缸径×行程(mm)
105×120
连杆长度(mm)
192
排量(L)
3.117
燃烧室形状
ω型
压缩比
17:
1
供油提前角
17°CA
最大扭矩/转速
192N·m/1500r/min
额定功率/转速
40.5kW/2400r/min
发动机工况由洛阳南峰CUM3A型综合测控装置调节;油耗仪为十堰晨鹏FCMM-2型燃油消耗测量仪;上止点和角标信号由Kistler公司的2613B角标仪确定;缸内压力由Kistler公司的6125B石英压电传感器测量;HORIBA公司的MEXA-7100D排气分析仪用以测量发动机排气中的不同气体含量;排气烟度由FQD-102烟度计测量;河南科技大学研制的针阀升程仪用于测量针阀升程。
1.2试验条件
黄连木油脂中所含的脂肪酸主要包括棕榈酸、油酸、亚油酸,含量分别为45.45%、28.91%和21.37%[5],因此黄连木籽生物柴油的主要成分为上述三种脂肪酸的甲酯。
试验用油选择0号柴油和黄连木籽生物柴油按一定体积百分比混合得到的柴油-生物柴油混合燃料,生物柴油的掺混比例分别为0%、10%、20%和30%,分别记做B0、B10、B20和B30。
测得不同燃料的理化性质,并计算燃料中氧的质量分数,示于表2。
表2试验用油理化特性比较
B0
B10
B20
B30
生物柴油体积分数/%
0
10
20
30
十六烷值
53.65
55.37
56.96
58.67
低热值/MJ·kg-1
45.39
44.60
43.79
43.01
密度(25℃)/×103·kg·m-3
0.846
0.848
0.851
0.853
氧质量分数/%
—
1.16
2.41
3.60
试验过程中保持静态供油提前角为17°CABTDC。
选取在最大扭矩转速l500r/min和标定转速2400r/min下,负荷分别为25%、50%、75%、90%和100%负荷工况,分别对B0、B10、B20及B30等四种燃料进行性能和燃烧及排放特性试验。
2试验结果及分析
2.1燃料经济性
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图1有效燃油消耗率对比
燃油消耗率是反映发动机经济性的重要指标,四种燃料的燃油消耗率曲线如图1所示。
由图可以看出,第一,燃用生物柴油后,柴油机的燃油消耗率有所上升,且随着生物柴油掺烧比例的增加,其升幅增大。
这是因为混合燃料的热值随生物柴油掺混比的增加而下降,为了得到相同功率的输出,每循环喷入缸内的燃料量增加,从而使混合燃料有效燃油消耗率增加。
第二,在两种转速下,混合燃料在中小负荷时的燃油消耗率比柴油高,随着负荷的增大,在大负荷时两者的燃油消耗率基本相当。
这是因为,生物柴油的加入使混合燃料粘度、密度和表面张力增大,影响了燃料的雾化,降低了燃料与空气混合的质量,使燃烧效率有一定的降低;但同时也增加了燃料中的含氧量,氧的增加提高了燃烧效率[5]。
在中小负荷时,缸内的过量空气系数较大,燃料的含氧量影响不大,燃料的粘度、密度和表面张力为主要影响因素,缸内温度较低,燃料雾化较差,从而使发动机燃用混合燃料时的油耗率比燃用柴油时的高。
而在高负荷时,燃料的喷入量增多,缸内过量空气系数减小,燃料中的含氧量作用增大,使得燃烧效率提高,降低了一部分因生物柴油的热值低而增大的油耗,所以燃料粘度、密度、表面张力和含氧量的共同影响,使混合燃料的油耗率与柴油的相当。
2.2燃烧特性
2.2.1滞燃期
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图2滞燃期对比
图2为在两种转速下,燃用不同生物柴油掺混比例的混合燃料时,滞燃期随负荷变化的规律。
可以看出,第一,随着负荷的增大,生物柴油和柴油的滞燃期逐渐减小。
这是因为负荷的增大,缸内温度较高,同时喷油量增加,在滞燃期内形成可燃混合气的数量增多,易于发生着火,使得滞燃期缩短;第二,在相同工况下掺混生物柴油的混合燃料的滞燃期比柴油短。
原因有三:
一、生物柴油的十六烷值高,芳烃含量低,可燃混合气着火前的物理和化学准备时间短,使得其滞燃期减小[6];二、生物柴油的音速高于柴油,即可压缩性小,会使喷油提前[7],从而增大滞燃期;三、生物柴油的粘度、密度和表面张力比柴油大,不利于燃油的雾化和蒸发,但是,这三个物性参数的增大又会提高喷油压力[8][9],又有利于燃料的雾化和蒸发。
这些因素综合作用的结果是混合燃料的滞燃期较短。
由此可见,十六烷值对滞燃期的影响比较大。
2.2.2最大放热率
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图3最大放热率对比
图3给出了四种燃料在1500r/min和2400r/min时混合燃料的最大放热率随负荷变化的关系。
由图可见,第一,两个转速下的最大放热率均随负荷的增加而增加。
这是因为随着负荷的增大,喷油量增多,形成的预混合气较多,因而最大放热率也随之增大。
第二,在整条负荷特性曲线上,生物柴油的最大放热率比柴油低。
这是因为,如图2所示,生物柴油的滞燃期比柴油短,滞燃期内形成的可燃混合气减少,预混燃烧量占总燃烧量的比例减小,从而降低了最大放热率。
(a)n=1500r/min,pe=0.774MPa(b)n=2400r/min,pe=0.661MPa
图4不同燃料的燃烧放热率对比
图4为发动机燃用四种燃料在两个工况下的放热率曲线。
它代表了四种燃料在不同工况下放热率的变化规律。
由图可知,随着燃料中生物柴油比例的增加,预混燃烧放热峰值逐渐降低,而扩散燃烧放热峰值略有增加。
这是因为,生物柴油十六烷值高,滞燃期短,参与预混燃烧的燃油量较少,预混燃烧放热峰值较低;而混合燃料的喷油量略大于柴油,故参与扩散燃烧的燃油量较多,并且生物柴油含氧,氧的增加对燃烧有助燃的作用,因此其扩散燃烧阶段的放热率峰值升高。
由图还可看出,混合燃料的预混燃烧峰值所在曲轴转角较之柴油有所提前,这是由于其滞燃期缩短,燃烧始点提前。
2.2.3最大爆发压力及压力升高率
发动机燃用不同燃料时的最大爆发压力及压力升高率随负荷的变化规律示于图5和图6。
可以看出,最大压力及压力升高率均随着负荷的增大而增加。
同一工况下,混合燃料的最大爆发压力略低于柴油,压力升高率峰值较之柴油降低很多。
产生这种情况的原因是,生物柴油的预混燃烧量比柴油少,预混燃烧放热率低。
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图5最大爆发压力对比
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图6最大压力升高率对比
2.2.4燃烧持续时间
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图7燃烧持续时间对比
图7为两种转速下不同燃料的燃烧持续期随负荷变化的规律。
可以看出,燃烧持续期随负荷的增加而延长,同时,随着生物柴油掺混比的增大,混合燃料的燃烧持续期逐渐增大,而且在低负荷时延长较多。
这是由于,生物柴油的循环供油量略大于柴油,而其预混燃烧量少,扩散燃烧期的燃料增加,这会使整个燃烧持续期延长。
同时,生物柴油的粘度、密度和表面张力较大,不利于燃油的雾化和蒸发,从而降低了扩散燃烧的速率。
但生物柴油中的氧会促进燃料的快速燃烧。
综合以上因素,小负荷时,过量空气系数大,燃烧温度较低,生物柴油的粘度、密度和表面张力成为其影响燃烧过程的主要因素,此时可燃混合气的形成不良,燃烧持续期比柴油增加较多;中大负荷时,燃烧温度高,生物柴油雾化较好,且其中所含的氧能加快燃烧速率,使得其燃烧持续期与柴油接近。
2.2.4最高平均燃烧温度
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图8最高平均燃烧温度对比
图8给出了混合燃料的缸内最高平均燃烧温度随负荷变化的关系。
由图可见,最高平均燃烧温度随负荷的增大而增高。
相同工况下,四种燃料的最高平均燃烧温度差别不大,其中B10、B20的稍低于柴油,B30与柴油相当。
笔者计算了柴油和黄连木籽生物柴油在初始温度为873K、过量空气系数为1.2时的绝热火焰温度,柴油、黄连木籽生物柴油分别为2591~2614K、2619.4K[11]。
生物柴油的预混燃烧放热率低,使得其最高燃烧温度较低。
但生物柴油的绝热火焰温度高于柴油,因此B30的绝热火焰温度基本与柴油接近。
2.3排放分析
2.3.1HC排放
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图9HC排放对比
图9给出了两转速下不同配比的生物柴油混合燃料的HC排放随负荷变化规律。
可以看出,第一,生物柴油和柴油的HC排放随负荷变化的趋势相同:
在小负荷时,由于循环喷油量少,燃烧室内温度和压力低,超稀混合气量增加,局部熄火造成HC排放增加;随着负荷的增大,喷油压力增加,燃料喷射和雾化得到一定的改善,混合气局部过浓或过稀的情况得到改善,有利于燃料的完全燃烧,HC排放明显下降;在大负荷下,循环喷油量增大,混合气局部过浓,导致不完全燃烧生成的HC增多;第二,发动机燃用生物柴油的HC排放比燃用柴油时低,并且呈现随混合燃料中生物柴油比例的增大HC排放降低的趋势,特别是在大负荷时,降低幅度较大。
这是因为,生物柴油的十六烷值高,滞燃期短,壁面淬熄的碳氢较少。
一般来说,芳香烃含量越少,其滞燃期愈短,则HC排放愈低[11]。
生物柴油的主要成分脂肪酸甲酯的碳链是直链,而且基本不含芳香烃,使得生物柴油更利于完全燃烧,HC排放显著减少。
另外,生物柴油含氧,减少了缸内混合气的过浓区域,提高了发动机的燃烧效率,降低了柴油燃烧过程中因缺氧而形成的HC排放。
2.3.2CO排放
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图10CO排放对比
图10给出了在两种转速下不同负荷时,不同配比的生物柴油混合燃料的CO的变化规律。
可以看出,第一,生物柴油和柴油的CO排放趋势相同,即在中小负荷下,CO的排放较低,随负荷的进一步增大,CO排放急剧增大。
在中小负荷下,循环喷油量少,过量空气系数较大,所以CO排放较低;在大负荷下,随负荷的增大,循环喷油量增大,局部缺氧情况加剧,燃烧不完全导致CO排放增加;第二,与燃用柴油相比,中小负荷时,生物柴油的CO排放与柴油相当,大负荷时,生物柴油的CO排放低于柴油。
CO生成主要与氧浓度和缸内燃烧温度有关[12]。
在中大负荷,由于喷油量大,缸内燃烧温度很高,此时氧浓度是影响CO生成的主要因素。
生物柴油自身含氧,在燃烧过程中较之柴油有更多的氧参与反应,燃烧更加完全,因而CO排放比柴油降低。
而在小负荷时,过量空气系数较大,而且此时缸内燃烧温度较低,缸内燃烧温度成为影响CO生成的主要因素。
由图10可见,在小负荷时,缸内燃烧温度低,燃油雾化和蒸发不良,含氧燃料对CO排放的改善作用不明显。
2.3.3NOx排放
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图11NOx排放对比
图11为在两种转速下,燃用不同生物柴油掺混比例的混合燃料时,NOx排放随负荷变化的规律。
第一,不同比例混合燃料的NOx排放在低负荷时数值较低,这是由于低负荷时,缸内温度较低。
随着负荷的上升,NOx排放逐渐增大,其原因是,随负荷增大,循环供油量增加,最高燃烧温度升高,NOx生成量增加。
进一步增大负荷,NOx排放变化较小,这是因为大负荷时,局部混合气过浓,抑制了NOx的生成。
第二,发动机燃用混合燃料时,B10、B20的NOx排放比燃用柴油时低,而B30的NOx排放量与柴油相当。
这与生物柴油的理化特性密切相关:
a)生物柴油的十六烷值高,芳烃含量低,使得滞燃期短,燃烧放热率降低,致使缸内温度有所降低,从而降低了NOx的生成;b)生物柴油含有一定量的氧,使得燃烧过程中参与化学反应的氧量大于柴油,导致了NOx生成量的增加;c)生物柴油的主要成分为脂肪酸甲酯,其中油酸甲酯和亚油酸甲酯分子中含有双键,双键会使脂肪酸甲酯分子产生扭转,燃烧过程中产生活性很强的自由基,其能够促进NOx的生成[14]。
生物柴油掺混比例较小时(10%~20%),混合燃料的燃烧放热率降低、燃烧温度降低,使得B10、B20的NOx排放比柴油低。
进一步增加生物柴油的掺混比例,混合燃料的含氧量和双键含量增加,导致NOx排放量与柴油相当甚至更高。
另外,由图还可看出,在整条负荷特性上,2400r/min转速时的NOx排放要远低于1500r/min转速时的NOx排放。
为了兼顾高低速时的动力经济性,将静态供油提前角调整为170CABTDC,这是一个折衷角度。
众所周知,推迟喷油可以大幅降低缸内燃烧温度,从而降低NOx排放。
对NOx排放而言,这一折衷角度对低转速时较大,而对高转速时较小,所以出现上述结果。
2.3.4排气烟度
(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min
图12排气烟度对比
图12为发动机排气烟度随负荷变化的规律。
可以看出:
第一,生物柴油和柴油的碳烟排放均随负荷的增大而增大。
这是因为转速不变时,柴油机每循环的进气量基本相同,负荷的调节是靠改变循环喷油量来实现的,循环喷油量随负荷增加而增加,这导致过量空气系数随负荷增加而减小,因局部高温缺氧而产生的碳烟急剧增大;第二,碳烟排放随生物柴油掺混比例的增大而降低。
这是因为生物柴油是含氧燃料,含氧燃料通过几个主要的机理减少了碳烟前体的产生[15]。
首先,由于含氧燃料加入后使高温裂解和分解产物自然转换成碳烟的量减少;其次,含氧燃料加入后产生的高自由基浓度促进了碳氧化成CO和CO2,限制了形成碳烟前体所需的碳;另外,高自由基浓度(主要是OH)限制了芳香烃的生长和碳烟的形成;最后,燃料中芳香烃的存在会增加碳烟的排放,柴油中含有较多的芳香烃,而生物柴油的碳链主要是直链结构,因此生物柴油的加入,减少了混合燃料中芳香烃的含量,从而降低了碳烟排放。
3结论
(1)混合燃料在中小负荷时的燃油消耗率比柴油高,且随着生物柴油掺烧比例的增加,其升幅增大。
大负荷时两者的燃油消耗率基本相当。
(2)掺混生物柴油的混合燃料的滞燃期比柴油短,瞬时燃烧放热率峰值比柴油低,预混燃烧峰值所在曲轴转角较之柴油有所提前。
混合燃料的最大缸压略低于柴油,压力升高率峰值低于柴油很多。
随着生物柴油掺混比的增大,混合燃料的燃烧持续期逐渐增大。
四种燃料的最高平均燃烧温度差别不大。
(3)发动机燃用生物柴油的HC、碳烟排放比燃用柴油时低,并且呈现随生物柴油掺混比例的增大而降低的趋势,在大负荷时,HC排放降低幅度较大。
生物柴油的CO排放在中小负荷时与柴油相当,大负荷时,生物柴油的CO排放略低于柴油。
混合燃料的NOx排放在低负荷时较低,随着负荷的上升,NOx排放逐渐增大,进一步增大负荷,NOx排放变化不大。
B10、B20的NOx排放比柴油低,而B30的NOx排放与柴油相当。
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