发动机燃用生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的性能试验

2018-05-02 09:56耿莉敏李士杰李慧梅陈阳程清波
车用发动机 2018年2期
关键词:缸内热效率乙醇

耿莉敏,李士杰,李慧梅,陈阳,程清波

(1.长安大学陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室,陕西 西安 710064;2.中国人民解放军陆军军事交通学院投送装备保障系,天津 300161;3.长城汽车股份有限公司,河北 保定 071000)

为了应对能源危机和日益严峻的环境问题,寻找清洁高效的代用燃料成为国内外学者研究的热点。生物柴油是发展时间最长、制备工艺最成熟的生物质燃料,各国学者都针对生物柴油开展了大量试验研究[1-4],已有研究发现燃用生物柴油可以有效降低炭烟、CO和HC的排放,但会使NOx排放略有增加[5-10]。由于生物柴油的密度和黏度较大、氧化安定性差,使用中高比例生物柴油-柴油混合燃料时,存在雾化质量较差、易氧化等缺点[11-14],因此开展中高比例生物柴油-柴油混合燃料的应用研究具有重要意义。乙醇具有黏度低、蒸发性好、汽化潜热大、性质稳定等特点,研究发现在柴油中添加醇类燃料能够改善柴油的雾化质量,并且降低柴油机的颗粒物排放[15-16]。

为了改善中高比例生物柴油-柴油混合燃料的雾化质量,从而降低柴油机污染物排放,在1台4缸增压中冷柴油上,将发动机的转速分别稳定在1 400 r/min和2 000 r/min,由小到大逐渐增大发动机的负荷,测定了BD50,BD50E10和BD50E20(BD代表生物柴油,其后的数字代表生物柴油在混合燃料中所占的体积百分比;E代表乙醇,其后的数字代表乙醇在混合燃料中所占的体积百分比)的经济性、动力性和排放特性,并将其与纯柴油(BD0)进行对比。

1 试验条件及方法

1.1 试验燃料

本研究使用以大豆油为原料制成的生物柴油,经气相色谱分析其脂肪酸甲酯含量为88.24%,根据化学分子式计算其含氧量为11.2%。将生物柴油与0号柴油按体积比1∶1掺混配成中等比例的生物柴油-柴油混合燃料BD50,然后在BD50中分别掺混10%和20%(体积比)的无水乙醇,配制成生物柴油-柴油-乙醇混合燃料BD50E10和BD50E20。采用国标方法测定了试验用燃料的理化性质(见表1)。由表1中数据可知,生物柴油-柴油混合燃料BD50的密度和运动黏度比柴油大,热值比柴油低,在BD50中添加乙醇,能够有效降低燃料的密度和运动黏度,但同时也会使混合燃料的热值进一步降低。

表1 燃料的理化性质

1.2 试验发动机及设备

试验用发动机为直列4缸、增压中冷柴油机,发动机的主要技术参数见表2。

表2 柴油机主要参数

发动机台架试验系统见图1。试验采用CW200电涡流测功机调节发动机的转速和扭矩,采用ES100K电子天平测量燃油消耗量,排放测试采用AVL4000五气分析仪和AVL Dismoke4000不透光烟度计。

图1 发动机台架测试系统示意

1.3 试验方法

将发动机的转速分别稳定在1 400 r/min和2 000 r/min,由小到大逐渐增大发动机的负荷,负荷率调节范围在25%~100%之间,在上述两个不同转速下测定了发动机燃用BD0,BD50,BD50E10和BD50E20的负荷特性曲线,对比分析乙醇掺混比对发动机经济性、动力性和排放特性的影响。

2 试验结果与分析

2.1 经济性与动力性

燃油消耗率、有效热效率是评价发动机经济性的重要指标,图2示出了1 400 r/min和2 000 r/min不同负荷条件下,发动机燃用BD0,BD50,BD50E10和BD50E20的有效燃油消耗率。由图2可知,当发动机转速为1 400 r/min时,小负荷和中等负荷时4种燃料的有效燃油消耗率随负荷的增大而逐渐下降,当负荷率超过85%之后,有效燃油消耗率略有上升。这是因为中小负荷时,增大负荷能够提高缸内温度,促进燃料的蒸发和雾化,提高燃烧质量,因此有效燃油消耗率逐渐减小;而在大负荷时,喷油量增加导致过量空气系数过小,燃烧恶化,因此有效燃油消耗率上升。不同负荷下,燃用BD50的有效燃油消耗率比BD0更大,而且随着BD50中乙醇掺混比的增大,有效燃油消耗率进一步增大。这主要是因为BD50的热值比柴油低,添加乙醇后导致燃料热值进一步降低。2 000 r/min时,4种燃料的有效燃油消耗率变化规律与1 400 r/min时基本相同,但是不同负荷下的有效燃油消耗率比1 400 r/min时明显升高。这是由于转速升高后,每循环喷油量增加引起的。

图2 燃用不同燃料的有效燃油消耗率对比

图3示出了1 400 r/min和2 000 r/min不同负荷条件下,发动机燃用不同燃料时的有效热效率。由图3可知,当负荷率在25%~60%之间时,随着负荷的增大,有效热效率迅速提高;当负荷率在60%~85%之间时,随着负荷率的增大,有效热效率变化不大;而当负荷率超过85%以后,有效热效率开始下降。这是由于随着发动机负荷的增大,混合气由稀变浓,更接近理论空燃比,而且负荷增大后,缸内温度和压力升高,热力状态改善,燃料燃烧更加充分,因此有效热效率升高;而当负荷率超过85%时,由于喷油量增大,导致过量空气系数减小,局部混合气过浓导致燃烧恶化,有效热效率开始下降。由不同燃料之间的热效率对比可知,当负荷率小于等于40%时,添加乙醇会导致有效热效率降低;而当负荷率超过80%以后,添加乙醇能够提高发动机的有效热效率。这是由于小负荷时,缸内温度较低,乙醇的汽化潜热大,会使得缸内温度进一步降低,导致燃烧质量变差,有效热效率降低。而大负荷时,缸内燃烧温度较高,乙醇汽化潜热的影响被弱化,而乙醇的高含氧量能够缓解大负荷时的缺氧燃烧,使燃料燃烧更加充分,因此大负荷时BD50E10和BD50E20的有效热效率提高。

图3 不同燃料的有效热效率对比

生物柴油和乙醇的热值均比柴油低,燃料热值降低不仅会引起燃油消耗增加,还会导致发动机的动力性下降。图4示出1 400 r/min和2 000 r/min转速下,发动机燃用BD0,BD50,BD50E10和BD50E20时所发出的最大功率。从图中可以看出,与BD0相比,1 400 r/min和2 000 r/min时燃用BD50的最大功率分别下降了5.18%和5.40%,而燃用BD50E20的最大功率分别下降了18.72%和11.08%,说明乙醇的热值较低导致其掺混比越大,发动机动力性下降程度越大。

图4 发动机燃用不同燃料时的最大功率

2.2 NOx排放

图5示出1 400 r/min和2 000 r/min时,发动机燃用不同燃料时的NOx排放特性。从图中可以看出,在1 400 r/min时,NOx的比排放量随负荷的增加逐渐减小,而在2 000 r/min时NOx的比排放量随负荷的变化无明显规律。柴油机热力NOx排放主要受燃烧温度、混合气中的氧含量和高温滞留时间的影响,小负荷时氧浓度较高、燃烧温度较低、高温燃烧带内的滞留时间较短;大负荷时氧浓度相对较低、燃烧温度较高、高温下的滞留时间相对较长,这些影响因素的综合作用导致不同负荷下NOx排放呈现上述变化趋势。不同负荷下,燃用BD50的NOx排放高于燃用BD0。这是由于生物柴油为含氧燃料,其含氧量为11.2%,燃烧过程中自供氧导致氧浓度升高;此外,生物柴油的十六烷值比柴油高,会引起燃烧相位提前,缸内燃烧温度升高,因此燃用BD50的NOx排放比柴油高。通过对比发现,随着混合燃料中乙醇掺混比的增大,NOx排放逐渐降低。4种燃料中,燃用BD50E20的NOx排放最低,1 400 r/min和2 000 r/min不同负荷下与燃用柴油相比平均降低了11.3%,与燃用BD50相比平均降低了15.8%。常温常压下乙醇的汽化潜热为904 kJ/kg,柴油的汽化潜热为270 kJ/kg,生物柴油的汽化潜热比柴油更低,乙醇的高汽化潜热有利于降低缸内燃烧温度,而且乙醇的热值低,掺烧乙醇使混合燃料放热量减小,进一步降低了缸内温度;在生物柴油混合燃料中掺混乙醇还能够改善燃料雾化质量,提高含氧量,从而加快燃烧速度,缩短高温滞留时间,因此燃用BD50E10和BD50E20的NOx排放降低。

图5 NOx排放特性

2.3 炭烟排放

图6示出了发动机转速1 400 r/min和2 000 r/min时炭烟排放特性曲线。由图6可知,不同转速下,燃用不同燃料时炭烟排放均随负荷增大而增大,尤其是满负荷工况下的炭烟排放,比中小负荷时的炭烟排放高出几倍。这是因为随着负荷的增大,缸内温度逐渐升高,过量空气系数减小,燃烧室内局部高温缺氧加剧,尤其是满负荷工况下,缸内燃烧急剧恶化,导致炭烟排放迅速增加。BD50的炭烟排放比BD0更低,这主要是因为生物柴油为含氧燃料,燃料燃烧过程中自供氧,能够缓解高温条件下的缺氧燃烧,从而使炭烟排放下降。随着乙醇掺混比的增大,生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的炭烟排放明显下降,4种燃料中燃用BD50E20的炭烟排放最低,1 400 r/min和2 000 r/min不同负荷下与柴油相比平均降低了68.4%,与BD50相比平均降低了56.6%。这主要是因为乙醇的含氧量较高,对柴油机扩散燃烧阶段炭烟微粒的成核过程有明显的抑制作用;同时,乙醇中的含氧羟基会大大降低芳香烃先导物不饱和碳氢碎片的生成,从而减少PAH(多环芳香族碳氢化合物)等高分子有机物的生成,抑制炭烟颗粒物形成[17-19];乙醇高温下裂解形成大量自由基,对燃烧后期生成的炭烟具有氧化作用,有利于进一步降低炭烟排放。另外,乙醇的十六烷值很低,与BD50相比,添加乙醇导致BD50E10和BD50E20的滞燃期延长,预混燃烧阶段的放热率增加,也有利于减少炭烟的生成。掺混乙醇还能够降低混合燃料的密度、运动黏度和表面张力,促进喷雾的微粒化,减弱局部混合气过浓现象,从而降低炭烟排放。

图6 炭烟排放特性

2.4 CO排放

柴油机中CO的排放主要是来源于烃类燃料的不完全燃烧。图7示出1 400 r/min和2 000 r/min时,发动机燃用不同燃料时的CO排放特性。从图中可以看出,高转速下CO排放比低转速下低得多,这是由于高转速时进气量增加,进气涡流强度增强,有利于形成均匀的混合气,减少局部不完全燃烧产生的CO排放。燃用BD50的CO排放略高于BD0。这是由于生物柴油的密度和黏度较大,雾化质量较差,导致不完全燃烧倾向增大,因此燃用BD50的CO排放量高于BD0。与BD50相比,随着乙醇掺混比的增大,CO排放逐渐减少。这主要是因为混合燃料中添加乙醇能够提高燃料的氧含量,同时改善燃料的雾化质量,缓解局部混合气过浓问题,有利于提高缸内燃烧质量;高含氧量还能够抑制燃烧产物CO2的还原反应,从而进一步降低了CO排放。

图7 CO排放特性

2.5 HC排放

混合气过浓或过稀导致的不完全燃烧和缸内失火、燃烧室缝隙内的未燃喷油以及缸内壁面淬冷效应等都是导致柴油机HC排放物生成的重要因素。图8示出了发动机转速1 400 r/min和2 000 r/min下燃用4种不同燃料的HC排放特性曲线。由图可知,燃用4种燃料的HC排放随负荷升高大多呈现降低趋势,这主要是因为负荷增加,缸内温度升高,燃料雾化改善,燃烧界限变宽,壁面淬冷效应减弱,因此HC排放下降。1 400 r/min中小负荷时,燃用BD50的HC排放高于BD0,这是由于中小负荷时缸内温度和压力较低,生物柴油运动黏度较高,使BD50的雾化质量变差,导致未燃HC排放升高;1 400 r/min大负荷条件下,燃用BD50的HC排放低于BD0,这是因为大负荷时缸内温度和压力升高,燃料运动黏度较高对雾化质量的影响减弱,而生物柴油的高十六烷值能够缩短滞燃期,提高燃烧的稳定性,同时,其高含氧量有助于改善大负荷时局部混合气过浓导致的缺氧燃烧,因此大负荷下燃用BD50的HC排放低于BD0。与BD50相比,掺混乙醇后HC排放逐渐升高,尤其是小负荷时HC排放增加幅度更大。这主要是因为乙醇的汽化潜热较大,掺混乙醇会降低缸内温度,使得壁面淬冷效应增加,HC排放升高,小负荷时缸内温度较低,乙醇汽化潜热的影响更大,因此小负荷时HC排放增加更明显。

图8 HC排放特性

3 结论

a) 不同转速和负荷条件下,燃用BD50的有效燃油消耗率比柴油高,满负荷时发动机的最大输出功率下降;与柴油相比,燃用BD50E10和BD50E20使有效燃油消耗率进一步升高,当负荷率小于等于40%时,添加乙醇会导致有效热效率下降,而当负荷率大于80%时,混合燃料中添加乙醇能够提高发动机的有效热效率;

b) 不同转速和负荷条件下,与柴油相比,燃用BD50的NOx排放平均升高了5.44%,炭烟排放平均下降了27.67%;在BD50中添加乙醇后,随着乙醇掺混比的增大,HC排放略有升高,尤其是小负荷工况下,乙醇的高汽化潜热导致HC排放增幅较大,而NOx,CO和炭烟排放明显下降,其中燃用BD50E20的降幅最大,与柴油相比,燃用BD50E20的NOx,CO和炭烟排放分别下降了11.28%,36.15%和68.40%。

参考文献:

[1] 张智亮,计建炳.生物柴油原料资源开发及深加工技术研究进展[J].化工进展,2014,33(11):2909-2915.

[2] 王常文,崔方方,宋宇.生物柴油的研究现状及发展前景[J].中国油脂,2014,39(5):44-48.

[3] Tamilselvan P,Nallusamy N,Rajkumar S.A comprehensive review on performance,combustion and emission characteristics of biodiesel fuelled diesel engines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2017,79:1134-1159.

[4] Wang Y,Liu H,Lee C F F.Particulate matter emission characteristics of diesel engines with biodiesel or biodiesel blending: A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,64:569-581.

[5] Sadiktsis I,Koegler J H,Benham T,et al.Particulate associated polycyclic aromatic hydrocarbon exhaust emissions from a portable power generator fueled with three different fuels:A comparison between petroleum diesel and two biodiesels[J].Fuel,2014,115:573-580.

[6] 袁银南,江清阳,孙平,等.柴油机燃用生物柴油的排放特性研究[J].内燃机学报,2003,21(6):423-427.

[7] Lapuerta M,Armas O,Rodriguez-Fernandez J.Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions[J].Progress in energy and combustion science,2008,34(2):198-223.

[8] 马志豪,王鑫,张小玉,等.柴油机燃用黄连木籽生物柴油的燃烧及排放特性[J].内燃机学报,2010,28(5):420-426.

[9] Xue J,Grift T E,Hansen A C.Effect of biodiesel on engine performances and emissions[J].Renewable and sustainable energy reviews,2011,15(2):1098-1116.

[10] 楼狄明,谭丕强.柴油机使用生物柴油的研究现状和展望[J].汽车安全与节能学报,2016,7(2):123-134.

[11] Wang X,Huang Z,Kuti O A,et al.Experimental and analytical study on biodiesel and diesel spray characteristics under ultra-high injection pressure[J].International journal of heat and fluid flow,2010,31(4):659-666.

[12] 张旭升,李理光,邓俊,等.生物柴油喷雾特性的试验研究[J].内燃机学报,2007,25(2):172-176.

[13] 耿莉敏.生物柴油/柴油混合燃料的理化性能分析与喷雾特性改善[D].西安:长安大学,2009.

[14] 徐辉辉.生物柴油氧化安定性研究[D].郑州:郑州大学,2010.

[15] 杨康康,李昕昕,李俊鸽,等.醇类-生物柴油混合燃料喷雾特性的试验[J].内燃机学报,2016,34(3):260-267.

[16] 陈虎,帅石金,王建昕.乙醇、柴油及其混合燃料的喷雾特性[J].燃烧科学与技术,2005,11(5):81-85.

[17] 瞿磊,王忠,胡慧慧,等.正丁醇对柴油机颗粒组分与形貌特征的影响[J].环境科学研究,2015,28(10):1518-1523.

[18] Tian Lu,Cheng C S,Zhen Huang.Effects of engine operating conditions on the size and nanostructure of diesel engine particles[J].Journal of Aerosol Science,2012,47(3):27-38.

[19] Tamilselvan P,Nallusamy N,Rajkumar S.A comprehensive review on performance,combustion and emission characteristics of biodiesel fuelled diesel engines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2017,79:1134-1159.

猜你喜欢
缸内热效率乙醇
乙醇的学习指导
乙醇和乙酸常见考点例忻
新催化剂推进直接乙醇燃料电池发展
直到被这个部件烫了一下才找到了故障点
我国研制出热效率突破50%的柴油发动机
进气道喷水对汽油机燃烧特性影响的三维数值模拟
乙醇蒸气放空管设置室内引发爆炸
EGR对高压共轨柴油机晚喷燃烧特性的影响
喷射时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响
国产发动机将更“绿”