生物柴油掺燃乙醇对发动机影响的试验研究

第34卷第6期广西大学学报:自然科学版Vol 34 No 62009年12月Joumal of Guangxi University Nat Sci EdDec.2009文章编号:1001-7445(2009)06076405生物柴油掺燃乙醇对发动机影响的试验研究韦为,莫春兰,黄锦成,叶忠慧,阙沛祯,赵令猛,许明疆(广西大学机械工程学院,广西南宁530004)摘要:前期的试验研究表明,相对于传统的矿物柴油生物柴油作为再生能源含氧量高可大幅降低烟度的排放,并能在一定程度降低CO排放。为进一步降低排放,在生物柴油中掺燃不同比例乙醇就最大转矩转速和标定转速工况下进行了负荷特性试验研究排放检测采用了最新的AⅥL排气分析仪。结果表明,与纯生物柴油相比,混合燃料(乙醇掺烧率小于30%)的动力性能良好,当量油耗率在较大负荷工况下有所改善;碳烟在整个运转工况范围内均有大幅度的降低而HC排放则反之;CO和NOx排放受乙醇掺烧率影响,NO,排放量在乙醇掺烧率为10%-20%时明显减少,如继续增大乙醇掺混比例,NO,排放增加;CO排放量在乙醇摻烧率为10%时最佳,大负荷工况下有明显的降低关键词:生物柴油;乙醇;性能;试验研究中图分类号:TK422文献标识码: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;修订日期:200905-26中国煤化工基金项目:广西科技攻关项目(桂科政06300044A);广西大学博CNMHG通讯联系人:莫春兰(1975-),女,广西贵港人,广西大学副教授H第6期韦为等:生物柴油掺燃乙醇对发动机影响的试验研究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)。它们不仅可以在能源供应的可持续发展中发挥积极的作用,还可以减少汽车的有害气体排放,对我国生态环境综合治理、农业结构调整和能源安全有着十分重大的战略意义6。作者前期就S195直喷柴油机燃用纯生物柴油进行了试验研究,结果表明燃用纯生物柴油能大大降低烟度的排放并能在一定程度降低CO排放但油耗率和NO,排放较柴油高。为进一步降低排放,本文进行了直喷柴油机燃用生物柴油-乙醇混合燃料的试验研究试验装置及仪器混合燃料的简称如表1所示,试验使用南机动表1混合燃料简称力有限公司生产的S195型单缸直喷柴油机,其主要Tab. 1 Shortened form of blended fuel参数见表2。试验用生物柴油是以棕榈油为原料通燃料比例(体积分数)/%简称过酯交换反应获得,燃料乙醇符合GB18350-2001生物柴油P100标准两种燃料的性质比较见表3。试验采用AⅥL生物柴油:燃料乙醇90:10P90E10Digas400gd排分析仪测量排气中的No,、Co生物柴油燃料乙醇80.80E2o和HC排放,FTY-100不透光式烟度计测量烟度。生物柴油燃料乙醇试验对柴油机未进行任何改造和调整,在最大转矩转速1500r/min和标定转速2000/min工况下进行负荷特性试验,研究乙醇生物柴油混合燃料和纯生物燃料对柴油机经济性能和排放特性的影响。表2发动机主要技术参数表3生物柴油和乙醇主要参数比较Tab. 2 Main technological parameter about engine Tab. 3 Characteristic comparison via biodiesel and ethanol型号S195燃料类型生物柴油乙醇型式卧式单缸四冲程氧含量(质量分数)%10.0034.73气缸直径碳含量(质量分数)/%燃烧室型式直喷ω型密度(20℃)/kg·m标定功率转速882kW/2000r·min1运动粘度(20℃)/MPas3.421.20冷凝点/℃-117.3活塞排量0.815L闪点(闭)/℃13-14压缩比十六烷值50供油提前角理论空燃比/kg·kg8.5喷油压力15 MPa热值/MJ·k2试验结果及分析2.1不同燃料对柴油机经济性能的影响由于乙醇单位质量的热值只有生物柴油的70.84%,采用有效燃油消耗率不能反映能源利用的实际情况。为便于比较,试验中的燃油消耗率按能量相等原则折算为与生物柴油热值相当的当量燃油消耗率be,be随负荷变化关系如图1所示。在1500/min工况下,P90El0P0E30中高负荷的当量燃油消耗率be依次比Pl00低;P8OE20在试验工况范围内都比P100略高;P0E30整体都比P0E10低些;在2000/mn工况下,P0E30的当量燃油消耗率be与P100基本一致,P90E10在中高负荷整体要比P00高一些。可见P0E30的燃油经济性要比P90E10、P8OE20好,在最大转矩点的当量燃油消耗率约比P00低8%。中国煤化工CNMHG766广西大学学报:自然科学版第34卷n=2 000 r/min550P100P00450■P90E10多450P90E10P80E20P80E209350P70E30350P70E30250Pe/kw图1当量油耗率随功率的变化关系Fig 1 Relationship between oil consumption rate and power在低速、低负荷运行时,由于缸内工质压力较低,乙醇蒸发吸热进一步降低了工作的温度和压力从而对燃烧过程带来了不利影响,使燃烧经济性没有得到改善。随着负荷的增大,缸内工质温度与压力也随之升高,由于乙醇中含有氧,使缸内氧量增大。在相同的充气系数条件下,可以使燃料燃烧得更充分,燃油经济性变好,尤其在乙醇含量增加时(见P0E30),在最大转矩转速(1500r/min)下表现明显。随着转速的增加,缸内燃烧时间缩短,此效应与混合燃料在低速工况运行优势相抵,致使当量燃油消耗率无明显变化。2.2不同燃料对柴油机排放性能的影响2.2.1CO排放CO体积排放浓度随负荷变化关系如图2所示。在中低负荷工况下燃用P0E10混合燃料与纯生物柴油的CO排放量相当,随着乙醇掺混比例的增加,CO排放量略有增加。在高负荷工况下,燃用混合燃料的CO排放得到明显改善,但掺混乙醇过多或过少都不利于减少CO排放,其中以POE10为最佳当掺入乙醇,在中低负荷时,由于乙醇蒸汽的冷却作用,使燃烧过程中出现淬灭层,造成此时乙醇生物柴油乳化燃料CO排放比P100稍髙一些;在大负荷氧气不足的情况下,乙醇自携氧特性有利与改善燃烧CO排放显著下降。但在大负荷下,随着乙醇含量的增加,乙醇蒸汽的冷却作用和乙醇富氧改善燃烧的作用均增加,Co排放量在大负荷时有逐步降低趋势9。0n=l 500 r/minn=2 000 r/minP90E10P100··P90ElP80E20—￥P70E30P80E20-P70E300.2460.120.160.0891011Pe/kw图2Co排放随功率的变化关系Fig 2 Relationship between CO emission and power2.2.2HC排放HC体积排放浓度随负荷变化关系如图3所示。混合燃料的HC排放在整个运行工况中都比纯生物柴油高但均小于40×10°。乙醇的汽化潜热较大以及热值较低使得缸内混唐下隆致使燃烧过程中易出现淬灭层,增加了壁面淬冷区,造成未燃HC排放明中国煤化工CNMHG第6期韦为等:生物柴油掺燃乙醇对发动机影响的试验研究767n=2 000 r/min4035353025P100P90E1010ePP90E10P80E20P70E30Pe/kw图3HC排放对比Fig 3 Contrast of HC emission2.2.3NO,排放NO,体积排放浓度随负荷变化关系如图4所示。随着乙醇含量(≤20%)的增加,NO,排放依次改善,以P80E20的为最佳,在标定工况点处,比Pl00降低了11%。乙醇含量继续增加时,NO,排放没有继续改善。对于Pl00,随着负荷增加燃烧室内形成了高温富氧的氛围,从而有利于NO,的形成。这种趋势在最大功率的85%~90%时达到顶点,之后随着功率的进一步增加,混合气变得更浓,破坏了先前形成的高温、富氧氛围,使得NO,上升趋势有所下降。乙醇的掺入改善了燃烧,增加了氧含量,有利于NO,的形成但乙醇汽化所吸收的热量,可减少NO2的形成。当乙醇含量过大(见P0E30),富氧作用占优;当乙醇含量过小(见P90E10),吸热作用也不明显,均不利于减少NO,的形成。只有乙醇含量合适,才能明显改善NO,排放,其中以P80E20为最好。2007=1500cmin1750rn=2000r/min一P1001500P90E101250P90E101250P80E20HP70E30P70E3075050025001234567891011Pe/kwPe/kw图4NO排放对比Fig 4 Contrast of NO, emission2.2.4碳烟排放碳烟排放随负荷变化关系图5所示。在整个运行工况范围内,燃用混合燃料均比燃用纯生物柴油的碳烟排放有大幅度的降低。乙醇比例增加,碳烟基本呈逐级下降趋势。在最大转矩转速下,P9EI080E20和P0E30的碳烟排放量分别比纯生物柴油降低了17.%、8.0%和46.4%,在标定转速下,则分别降低了31.7%297%和73.6%低负荷下,烟度排放较低,因为柴油机在此负荷区域过量空气系数大,富氧状态使燃料燃烧充分,碳烟排放处于很低的水平;在中高负荷时由于过量空气系数变小,纯生物柴油高粘度及缸内高温,导致碳烟急剧增加。摻燃乙醇降低了缸内工质最高燃烧温度,显中国煤化工,抑制了碳烟形成,此外乙醇的含氧特性使在燃烧过程中可形成的碳烟粒CNMHG而减少了由于燃烧不充分而产生的碳颗粒,大幅度地降低碳烟排放。随着乙群含重的唱加,低噘排履依次减少。768广西大学学报:自然科学版第34卷0.80n=2 000 r/min0.70P10P100P90E10鲁·P90E10P80E20P80E200.400.20P70E30P70E300.300.100.20Pe/kWPe/kw图5碳烟排放对比Fig 5 Contrast of smoke emission3结论(1)在最大转矩转速和标定转速下,燃用乙醇生物柴油混合燃料具有良好的动力性和经济性。在对原发动机不做改动的情况下,柴油机燃用乙醇生物柴油混合燃料和生物柴油相比,可保持原机动力经济性略有改善。2)在最大转矩转速和标定转速下,燃用P9El0乙醇生物柴油混合燃料的排放有所改善。碳烟在整个运转工况范围内均有大幅度降低而HC排放则反之;C0和NO,排放受乙醇掺烧率影响,NO,排放量在乙醇掺烧率为10%~20%时明显减少,乙醇掺混率为30%时,NO,排放增加;CO排放量在乙醇掺烧率为10%时最佳,大负荷工况下明显降低。参考文献:[1]吕兴才,绪斌,黄建平,等.基于放热率分析的乙醇柴油燃料燃烧特性的研究[J]内燃机工程,2007,28(2):2426[2]何超,葛蕴珊韩秀坤等.直喷式柴油机燃用生物柴油的燃烧特性[J内燃机工程2007,28(6):7-15[3] AGARWAL A K. 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