单缸柴油机燃用油酸甲酯乙醇混合燃料的性能

路与汽运Highways & Automotive applications总第164期单缸柴油杋燃用油酸甲酯乙醇混合燃料的性能刘红梅,赵旭毅,李江,杨璐(长安大学汽车学院,陕西西安710064)摘要:为了研究油酸甲酯乙醇混合燃料在柴油机上的应用,在一台单缸直喷柴油机上进行100%油酸甲酯(YSME)和5%无水乙醇十95%油酸甲酯(E5)燃烧特性、经济性与排放特性对比试验,分析了柴油机燃用两种燃料时的燃烧压力、放热率、经济性和排放特性。结果表明,与YSME相比,发动机转速n为1500r/min、负荷P。为0.531MPa时,E5最大然烧压力和最大燃烧放热率均有所增加;在小负荷时,E5有效燃油消耗率和有效能量消耗率増加,在中等负荷时接近,在大负荷时略有减少;NO,与HC排放增加;碳烟与CO排放明显降低。关键词:汽车;直喷式柴油机;生物柴油;燃烧压力;放热率;有效燃油消耗率;有效能耗率;排放特性中图分类号:U473.1文献标志码:A文章编号:1671-2668(2014)05-0018-04随着石油资源的日益枯竭,人们意识到应扩展于以价格为主的多方面原因,纯生物柴油应用较少,对可再生能源的探索。生物柴油是指以种植或野生大多是以一定的比例和矿物柴油混合形成生物柴油油料作物提炼的植物油脂及各类动物油脂、废弃餐与矿物柴油的混合燃料饮油等为原料油,通过酯交换工艺制成的甲酯或乙目前国内外专家学者对各种原料生物柴油的燃酯燃料。由于生物柴油与普通矿物柴油的理化特性烧特性和排放特性进行了深人研究。生物柴油是由比较接近,大量试验证明,可供内燃机使用。目前由各种脂肪酸甲酯组成的,一般生物柴油都含有棕榈幸来幸衤幸衤幸詟幸衤幸素幸衤臺幸幸幸幸来淼来衤幸幸衤幸幸幸詟幸幸幸幸幸幸幸来幸来素来来幸幸*素幸素幸幸幸辛幸来幸素幸幸幸幸幸幸幸素业研究,2010(5)6结语2]陈虹.上汽自主品牌产品开发的架构策略[J].汽车工A-SUV是基于架构思想,在现有轿车平台基程,2010,32(6)础上延伸和扩展,进行正向设计的结果,由此完成的3]李瑞源.美式冒险主义:SUV[J.汽车实用技术,2005某小型SU车型已成功上市,以此为基础申报的设计项目在中国(无锡)国际工业设计博览会上获得4]唐波,赵晓红越野型SUV与城市型SUv的博弈]最佳创意奖汽车与配件,2012(18)A-SUⅴ是两厢轿车平台的扩展和延伸,设计]徐维新,林鹤雄,郭平尔.现代汽车新技术:设计·能过程中相对于两厢轿车作了大量更改,相关的性能源·环境[M].上海:上海科学技术出版社,19996]GB/T19234-2003,乘用车尺寸代码[S]设计、分析校核必须同步进行,以确保设计质量、降低设计风险;零部件设计中也需根据总体设计方案7]黄金陵.汽车车身设计[M].北京:机械工业出版社,进行细化完善,确保总体设计方案的最终实现8]余志生.汽车理论[M].第5版.北京:机械工业出版鉴于两厢轿车与SUⅤ之间在车型上存在的较社,2009大差异,采用在两厢轿车(H30值通常较小)基础上[9]刘惟信汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.直接通过加大轮胎增大离地间隙实现SUV设计的10]中国创新设计奖评委会2012创新盛典中国创新设技术路线显然是不合适的,这样设计出来的车只能Ht中国煤化工P;wd-exp是一种跨界车CNMHG=20120604000参考文献[1]王常友.SUV市场:高速增长格局多样[J.汽车收稿日期:2014-05-052014年第5期刘红梅,等:单缸柴油机燃用油酸甲酯♂醇混合燃料的性能树甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯、亚麻酸甲酯等,其中分别为100%油酸甲酯(YSME)、5%无水乙醇十油酸甲酯是各种原料生物柴油的主要组分之一。该95%油酸甲酯(E5,为体积百分比)。文在油酸甲酯中掺入乙醇形成混合燃料,对比两种燃料的燃烧特性、经济性与排放特性,为丰富柴油机2试验结果与性能研究替代燃料提供一定的思路。2.1燃烧特性试验发动机与测试仪器燃烧特性试验在单缸柴油机上进行。在发动机转速n为1500r/min、负荷P为0.531MPa条燃烧特性试验所用发动机及相关测试仪器见表件下,YSME和E5的燃烧压力对比和放热率对比1和表2,两种燃料的主要特性见表3。试验用燃料分别见图1和图2。表1试验用发动机的主要参数参数名称参数值8发动机型号zH1105W单缸直喷柴油机三6缸径/mm活塞行程/出职2YSME压缩比排量/L0.99620-100标定功率/kW11.03曲轴转角/℃CA喷油提前角上止点前22°最大扭矩对应转速/(r·minl500图1n为1500r/min、Pm为0.531MPa条件下两种燃料燃烧压力对比表2试验用测试仪器测试仪器名称燃烧分析仪CB566YSME电荷放大器0.10压力传感器Kistler0.05光电传感器0.00曲轴转角发生器发动机排气分析仪奥地利 AVL Digas4000部分流不透光烟度计奥地利 AVI Dismoke40000曲轴转角/℃CA表3燃料的主要特性2n为1500r/min、Pm为0.531MPa条件下乙醇两种燃料燃烧放热率对比指标油酸甲酯分子式Clg H36 OH OH从图1、图2可看出:E5(95%油酸甲酯+5%乙分子量醇)的压力、压力升高率和放热率的变化趋势与油酸熔点/℃117.3甲酯(YSME)一致。与YSME相比,E5峰值燃烧沸点/℃218.5压力和峰值瞬时燃烧放热率增加,分别增加3.91%质量低热值/(MJ·kg1)和29.32%。这是因为乙醇含氧量高,导致混合燃27.2料氧含量增加讲而加快了怏烧速度,改善了局部缺密度/(g·cm-3)0.789氧条件中国煤化工一方面,乙醇汽化水分/%吸热导CNMH然烧准备期内形成氧含量/%34.8的可燃混合气数量增加。两方面的因素共同导致酸值/( meKon·g-1)E5的相应指标全部增加。公路与汽运2014年9月2.2经济性对比图3、图4分别为n为1500r/min时,不同负l000荷下燃用E5和YSME的有效燃油消耗率对比和有效能量消耗率对比600EH YSME5n为1500r/min时的负荷特性NO4排放对比2000.00.10.20.3040.50.6缸内燃烧温度増加的趋势。两方面的因素共同导致P./MPaNO排放在富氧条件下增多图3n为1500r/min时不同负荷下两种燃料比油耗对比2.3.2碳烟排放图6为转速n为1500r/min时的负荷特性碳烟排放对比T YSME口E5HYSME0.00.10.30.40.50.6P/MPa0.1图4n为500r/min时不同负荷下两种燃料比能耗对比0.00.10.20.30.40.50.60.7从图3、图4可看出:小负荷时,与燃用YSMEP/MPa时相比,燃用E5时的有效燃油消耗率明显增加,这图6n为1500r/min时的负荷特性碳烟排放对比是由于一方面小负荷时气缸内的热力状态差,乙醇从图6可以看出:与燃用YSME时相比,燃用着火性差的特点相对强化;另一方面乙醇热值低,需E5时的碳烟排放在整个负荷范围内明显降低。小要喷入更多的燃油以保证发出相同的功率。在中等负荷工况时,两种燃料的碳烟排放基本相同,其绝对负荷时,两者的比油耗和比能耗接近,E5仍略高于值都很低;在中、高负荷工况时,E5的碳烟排放大幅YSME这是因为缸内热力状态加强,乙醇着火性差度降低。这主要是因为E5含氧量高,燃料中的氧的特点相对弱化,而乙醇含氧量高,促进燃烧完全的原子在燃料燃烧过程中起到助燃作用。特别是在大作用相对强化。在高负荷时,E5的比油耗和比能耗负荷工况时,过量空气系数较小,较浓的混合气在燃均略低于YSME此时乙醇对燃烧的促进作用起到烧过程中可以部分自给氧,克服了柴油燃烧过程中主导作用,放热集中,热功转换效率高的优势相对强因缺氧而形成的大量碳烟排放化;乙醇热值低的作用相对弱化2.3.3HC排放2.3排放特性图7为转速n为1500r/min时的负荷特性2.3.1NO排放HC排放对比图5为转速n为1500r/min时的负荷特性从图7可以看出:在中、小负荷下,与YSME相NO2排放对比比,E具为中、小负荷时,混从图5可以看出:相比于YSME,E5混合燃料合气稀中国煤化工烧条件差;同时乙NO,排放明显增加。这是因为乙醇含氧量为醇的十CNMH而增加了局部熄火34.78%,提高了混合燃料的氧含量;另一方面,由燃造成的HC排放。进入大负荷工况后,HC排放降烧特性可知,E5混合燃料燃烧放热更加集中,有使低,这是因为大负荷下,柴油机喷油量增加,缸内温2014年第5期刘红梅,等:单缸柴油机燃用油酸甲酯♂醇混合燃料的性能21度与压力明显增加,混合气局部熄火的情况得以改J].长安大学学报:自然科学版,2006,26(5)善,燃烧相对充分,HC排放降低。2]陈昊,祁东辉,边耀璋.柴油机燃用生物柴油一乙醇水微乳化燃料性能研究[.内燃机工程,2010,31(1)3]楼狄明,石健,赵杰,等.共轨柴油机燃用不同配比生物YSME柴油的性能与排放特性[].内燃机工程,2009,30(6)4]王永红,刘泉山,周旭光,生物柴油排放性能的研究J].润滑油与燃料,2009(5/6)L5 Gaurav Dwivedi, Siddharth Jain, M P Sharma. Impactanalysis of biodiesel on engine performance: a review0.00.10.20.3040.50.60.7LJ. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011图7n为1500r/min时的负荷特性HC排放对比[6] Jinlin Xue, Tony E Grift, Alan C Hansen. Effect ofbiodiesel on engine perf2.3.4CO排放Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15图8为转速n为1500r/min时的负荷特性CO排放对比L7 D H Qi. H Chen, D Matthews, et al. Combustion andmission characteristics of ethanol-biodiesel-water mi-一口E5cro-emulsions used in a direct injection compressionYSMEnition engine[J].Fuel, 2010, 89(5)[8 Kang-Shin Chen, Yuan-Chung Lin, Kuo-Hsiang Hsu0.10et al. Improving biodiesel yields from waste cooking oiby using sodium methoxide and a microwave heating0.00system[J. Energy, 2012, 38(1)0.00.10.20.3040.50.60.7[9] Yage Di, C S Cheung, Zuohua Huang Experimental inP /MPavestigation on regulated and unregulated emissions of a图8n为1500r/min时的负荷特性CO排放对比尾气中,有害气体CO是一种不完全燃烧的产ence of the Total environment, 2009, 407(2)物,其生成主要受混合气浓度的影响。从图8可以[10] R A Candela, MCDSilva, J R Carvalho Filho,eta.看出:与YSME相比,E5的CO排放在整个负荷范Influence of soybean biodiesel content on basic pro围内降低,其原因主要是乙醇含氧可以促进燃烧,从erties of biodiesel-diesel blends[J]. Fuel. 2009, 88(4)而使参与燃烧的燃料燃烧更加完全1]陆克久,葛强林,徐寅生.电控高压共轨柴油机燃用生物柴油的试验研究[J].车用发动机,2010(2)3结论12]仇世侃.生物柴油与柴油排放对比研究[].北京汽油酸甲酯作为生物柴油的主要组分,是柴油机车,2008(3)潜在的替代燃料。与YSME相比,转速n为150013]耿莉敏,边耀璋,张春化,等.直喷式柴油机燃用生物柴油的试验研究[J].郑州大学学报:工学版,2007,28r/min、负荷P。为0.531MPa时,E5的峰值燃烧压力和峰值燃烧放热率有所增加;E5可有效降低CO和碳烟排放,但NO排放和HC排放略有增14]陈吴,张春化,边耀璋,等,直喷式柴油机燃用生物柴油的性能与排放[].长安大学学报:自然科学版加。通过在油酸甲酯中添加乙醇可使燃料燃烧更加2007,27(5)完全,尤其在中、高负荷时,其降烟和降CO排放的15效果明显,但油耗和能耗在一定程度上有所增加中国煤化工机燃用生物柴油与柴CNMHG机与摩托车,2008,参考文献1]司利增,边耀璋,蔡永江.柴油机燃用生物柴油的特性收稿日期:2014-05-15