生物柴油-乙醇混合燃料的燃烧特性

2009年2月农机化研究第2期生物柴油-乙醇混合燃料的燃烧特性黄锦成,何光清,李献菁,张全长,余红东(广西大学机械工程学院,南宁530004)摘要:研究了柴油机燃用生物柴油-乙醇混合燃料时的燃烧特性,结果表明:乙醇掺烧比小于30%时,各种不同比例的混合燃料的缸内压力曲线趋势相同;随着混合燃料中乙醇掺混比的增加,滞燃期延长,最大压力升高率增加,缸内最髙燃烧压力增大,平均压力升高率曲线及峰值点依次滞后,放热率峰值增大且峰值点滞后,燃烧持续期缩短;最高平均压力升高率不大于0.6MPa/°CA,柴油机运转平稳。关键词:生物柴油;乙醇;燃烧特性;柴油机中图分类号:TK421,2文献标识码:A文章编号:1003-188X(2009)02-0200-050引言试验在一台YC4112ZLQ柴油机上进行,柴油机燃烧过程釆用柴油机工作过程测量分析系统测量。气生物柴油作为重要的可再生代用燃料,在柴油机缸压力传感器产生的电荷信号经电荷放大器放大后,结构不需改动的情况下即可使用,而且能降低有害排进行AD转换,由计算机采集处理。该测量分析系统放但黏度较大2。乙醇作为又一种可再生代用燃数据采样间隔角为曲轴转角0.5°。YC412ZQ柴油料,在柴油机上燃用乙醇柴油混合燃料后,对经济性机主要技术参数如下影响不大,也可以有效降低柴油机的有害排放。但型号:YC4112ZLQ是,乙醇和柴油混合容易分层,需要考虑添加助溶剂。型式:立式、直列、水冷、四冲程、直喷乙醇是低黏度燃料,可以和生物柴油互溶形成生缸径x行程/mm:ll2x132物柴油一乙醇混合燃料,不需要任何添加剂,并且可排量/L:5.202以对燃料的黏度进行调整,有利于改善混合气的形成压缩比:17.5:1与燃烧3。本文以生物柴油和乙醇为混合燃料,在标定功率/转速(kW/r·min1):132/2300柴油机上对不同比例生物柴油一乙醇的燃烧特性进最大扭矩/转速(Nm/rmn1):660/1300~1500行了研究。全负荷最低燃油耗/g·(kW·h):≤2101试验装置和试验方法外形尺寸(长×宽x高)/mm951×710×9851.2试验燃料1.1试验装置生物柴油和乙醇的理化性质如表1所示表1燃料主要理化性质燃料氧含量碳含量氢含量硫含量相对密度动粘度(20℃)冷凝点闪点自燃十六当量蒸发热低热值类型w%/w%mw%/mg、/gaL110p-6P温度值空燃比小·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分析其理化性质可知,与常规柴油相比,生物柴收稿日期:2008-04-24油的V山中国煤化工以及十六烷值高具基金项目:广西科技攻关项目(0630004-4A)有良CNMHG乙醇作为燃料具有作者简介:黄锦成(151-),男、广西融安人,教授,硕士,(E-ma)含氧34.8%、理论空燃比较低、挥发性好、粘度低、汽hunch@126.com。化潜热大以及十六烷值低等特点。2009年2月农机化研究第2期本试验涉及到4种燃料,各种燃料及其简称如表2所示。B100表2混合燃料简称比例(V)燃料简称生物柴油生物柴油: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试验方案(b) IMEP=3. 76MPa在柴油机最大转矩转速1400r/min条件下,测量各种混合燃料在转矩分别为50,100,150和200N·m时(平均指示压力分别为3.03,3.76,4.78,6.16MPa)的缸内压力。柴油机燃烧过程经过测量分析系统测量和处理后,形成示功图,利用零维燃烧分析模型计B90E10算放热规律和缸内温度。B1002混合燃料的燃烧特性分析32102.1各种混合燃料的缸内压力气缸中的压力是反映燃烧情况的重要参数,对发60-50-40-30-20-100102030405060动机的动力性和经济性有重大影响。图1(a)~图1曲柄角/℃A(d)为1400r/min转速下不同混合比例的燃料在不同(c)IMEP=4. 78MPa转矩下缸内压力随曲轴转角的变化情况。从图1可知:在小负荷时,随着混合燃料中乙醇掺混比的增加,B80E20最高燃烧压力依次增加,B100则介于B90E10和B80E20之间;中大负荷时,B70E30和B8OE20的缸压逐步趋于一致,B90E10和B100也基本相近,且后两B90E10者最高压力略低于B80E20。总的规律是:随着乙醇比例的增加,最高缸内压力上升。B3028B90E150-40-30-20-100102030405060曲柄角/℃A图1各负荷下各种混合燃料缸内压力在小负荷时,缸内温度较低,高粘度使得生物柴油的雾化效果不好,加入少量的乙醇并不能改善混合气的雾化质量,反而会因高汽化潜热而使温度进一步降低中国煤化工比B100小。而随着乙醇-60-50-40-30-20-100102030405060CNMH挥发性逐渐发挥作曲柄角/℃A用4以热死m口叫比例增大,最高燃烧压力增加。大负荷时,缸内温度较高,生物柴油的雾化得(a) IMEP =3. 02MPa到改善,加入乙醇促进了混合燃料的形成,缸内最高2012009年2月农机化研究第2期压力差异缩小。从图1还可以看出,各种燃料的缸内0.6压力曲线比较平滑,没有发生敲缸现象。38E2822缸内平均压力升高率通过计算所得的柴油机燃用各种燃料的平均压力0.3升高率曲线如图2(a)~图2(d)所示。由图2可以看出:在转速和负荷相同的情况下,柴油机燃用各种燃料缸内压力升高率随曲轴转角变化规律大致相同,并与缸内压力曲线趋势一致;在相同转矩下,随着混合燃料中乙醇比例的增加,平均压力升高率增加,峰值依次滞后。-20-15-10-505101520曲柄角/℃A(d)IMEP=6. 16MPa图2各负荷下各种混合燃料平均压力升高率B100燃用混合燃料后,乙醇的高汽化潜热使进气温度降低,滞燃期延长,滞燃期内形成的可燃混合气量增多,使平均压力升高率曲线的峰值随乙醇比例的增大而增加;但是在乙醇比例不超过30%的情况下,最高平均压力升高率也不大于0.6MPa/°CA,因此保持了柴油机良好的运转平稳性。-20-15-10-5,0510152023瞬时放热率曲柄角/℃A放热率曲线如图3(a)~图3(d)所示。由放热率(a) IMEP =3. 02MP曲线可以看出:随着混合燃料中乙醇比例的增大,燃烧始点滞后,柴油机的滞燃期而延长,放热率曲线整体后移,瞬时燃烧放热率峰值依次增大。这说明,预0.3B100混燃烧的混合气量随乙醇比例的增加而增大。其原2因是:乙醇的十六烷值低,自燃温度高,汽化潜热大,全使混合燃料的燃烧始点延迟,滞燃期内喷入缸内的油9量多,从而在速燃期内燃烧的燃油量增多,放热量增加,放热峰值增大。B100在试验的整个负荷范围内,滞燃期都是最短,这与生物柴油的高十六烷值有关,0-15-10-505101520其放热率峰值在中小负荷时介于W90E10和W80E20曲柄角/℃A之间,大负荷处最低,与前面的缸内压力曲线一致。(b)IMEP=3. 76MPa?8E28B90E1038:820中国煤化工CNMHG5 10 15 2020-15-10505101520曲柄角/℃A(a) IMEP=3.02MPa(c)IMEP=4. 78MPa2009年2月农机化研究第2期含量的增加而缩短。这是由于乙醇与生物柴油相比含氧量高,雾化性能好,混合燃料有利于混合气的形0E30成和燃烧,因此其燃烧速度比纯生物柴油快,燃烧持续期缩短。纯生物柴油在大负荷时放热率曲线呈典型的双峰形曲线,前一个峰对应预混燃烧放热,后一个峰对应扩散放热。加入乙醇后的组合燃烧放热率曲线呈单峰形状,并且随乙醇比例的增大燃烧起点推迟,放热率曲线的峰值增加,燃烧持续期缩短。这说明,乙醇的加入一方面使得着火滞后,另一方面一旦燃烧,其曲柄角/℃A燃烧速度很快。(b) IMEP=3. 76MPe3结论00001)乙醇摻烧比小于30%时,各种混合燃料的缸内压力曲线变化趋势相同。随着混合燃料中乙醇比例的增加,燃烧中预混燃烧所占的比例增大,缸内最高燃烧压力依次增加2)在相同转矩下,随着混合燃料中乙醇比例的增加,平均压力升高率增加,峰值依次滞后。在乙醇比例不超过30%的情况下,最高平均压力升高率也不大于0.6MPa/"CA,柴油机运转平稳。20-15-10-505101520曲柄角/℃A3)在相同转矩下,随着混合燃料中乙醇比例的增(c)IMEP =4. 78MP:加,柴油机的滞燃期延长,放热率曲线整体后移,瞬时燃烧放热率峰值依次增大,燃烧持续期缩短。参考文献: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,尧命发,张福根,等.乙醇与柴油混合燃料燃烧特图3各负荷下各种混合燃料的放热率性与排放特性的试验研究[J].内燃机学报,2007,25从图3还可以看出,燃烧持续期总体趋势随乙醇(1):24-29Combustion Characteristics of a Diesel Engine Fueled withBio- diesel- ethan中国煤化工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月农机化研究第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页)综上所述,喷油器控制腔燃油进出孔孔径对喷油参考文献:特性影响最大。因此,在设计过程中必须考虑到具体供油系统对Z孔和A孔孔径进行最佳组合,以适应喷[1〕缪雪龙王先勇俞建达等.超多喷孔新型喷油嘴性能油特性的要求研究[J.现代车用动力,2007,8(3):13-18[2]钱人一.日本电装公司的ECD-U2柴油机共轨喷油系4结论统(二)[].汽车与配件,2003(19):29-301)运用仿真软件,建立高压共轨喷油器模型。[3]綦化乐,陈廷明,邓军,高压共轨电控喷油器结构参数的仿真研究[J].舰船科学技术,2005,27(5):38-42过试验结果与模拟值的比较,表明模型能够较真实地[4]李绍安,程刚,钱圆圆共轨喷油器高速电磁阀的开发反映出共轨喷油器的喷油特性。[J].车用发动机,2003,10(5):33-352)对喷油器进行多参数的模型仿真,结果表明:[5]虞金霞,胡先富.柴油机燃油喷射系统的仿真计算及分喷油器控制腔燃油进出孔孔径对喷油特性影响最大;析[].上海海运学院学报,2001,22(5):l1-14其次为控制腔容积,电磁阀线圈匝数和衔铁弹簧刚度[6] Andrea Baluchi, Antonio bicchi, Emanuele mazzi. Hybrid也有不同程度的影响,而且各参数之间存在着一定的modeling and control of the common rail Injection system关联。因此,在喷油器设计过程中需要全面考虑,并[C]/Springer Berlin/Heidelberg: Hybrid Systems: Com-结合计算与试验,以期达到最优组合。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中国煤化工CNMHG