添加乙醇對脂肪酸甲酯-柴油混合燃料的燃燒及排放特性的影響

2016年4月甘肅農業(yè)大學(xué)學(xué)報第51卷第2期127~133JOURNAL OF GANSU AGRICULTURAL UNIVERSITY雙月刊添加乙醇對脂肪酸甲酯柴油混合燃料的燃燒及排放特性的影響王冀白,邊耀璋',張哲林2,陳昊2(1.長(cháng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,交通新能源開(kāi)發(fā)、應用與汽車(chē)節能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗室陜西西安710064;2.博格華納汽車(chē)零部件有限公司,浙江寧波315000摘要:【目的】研究添加乙醇對脂肪酸甲酯柴油混合燃料性能的影響.【方法】在一臺單缸柴油機上對BD2O(脂肪酸甲酯20%)、BD2E5(脂肪酸甲脂20%,乙醇5%)、BD20E0(脂肪酸甲脂20%,乙醇10%)3種燃料的燃燒和排放特性進(jìn)行對比試驗研究?！窘Y果】與BD20相比,BD20E5,BD20E10的滯燃期要長(cháng)對于BD20燃料而言低溫放熱發(fā)生的時(shí)間早,反應劇烈,聚集了大量熱量從而越過(guò)了負溫度系數區,迅速開(kāi)啟了高溫放熱;BD20E5和BD2oE02種燃料的高溫放熱發(fā)生時(shí)間較晚;峰值壓力和峰值放熱率增加,但對應的曲軸轉角相同負荷特性下,BD20E10和BD0E5的OO排放在1500r時(shí)隨著(zhù)乙醇比例的增加分別降低49.3%和332%;碳煙分別降低47.1%和29.4%;NOx排放幾乎相同,且總體均處于較低值;BD20E0和BD20E5的HC排放在1500r時(shí)相比BD20有所增加,并且隨著(zhù)轉速的提高排放值呈現波動(dòng)變化?！窘Y論】添加乙醇可以改善脂肪酸甲脂柴油混合燃料的燃燒和排放特性關(guān)鍵詞:脂肪酸甲酯;乙醇瞬時(shí)放熱率;燃燒壓力;排放特性中圖分類(lèi)號:TK46+4文獻標志碼:A文章編號:1003-4315(2016)020127-07Combustion and emissions properties of fatty acidmethylester diesel adding ethanolWANG Ji-bai, BiAn Yao-zhang, ZHANG Zhe-lin, CHEN Hao.2(1. College of Automobile, Chang an University, Xi an 710064, China; 2. Shanxi Province Key laboratory ofNew Energy Development, Utilization and Vehicle Energy Conservation, Xi'an 710064, China;3. Borg Warner Automotive Components Co Ltd, Ningbo 315000, China)Abstract: Objective] This study is to investigate the influence of alcohol on the emission and combustion properties of fatty acid methyl ester diesel fuel blends. [Method] Using a single cylinder diesel, a com-parison test on emission and combustion properties of the three fuels including BD20(20% volume fractionof acid methyl ester), BD20E5(volume fraction of ethanol is 5%)and BE20E10(volume fraction of ethanolwas 10%)were studied. [Results] The ignition delay period of BD20E5 and BD20E10 was longer than thatof BD20 The occurrence of low temperature exotherm of BD20 occurred earlier with drastic action, accu-mulated a lot of heat which exceeded the negative temperature coefficient(ntc)region and started heat release immediately. The heat release of BD20E5 and BD20E10 occurred later and the peak pressure and peakheat release rate increased but the corresponding crank angle was the same. The CO emission of BD20E10and BD20E5 reduce by 49. 3% and 33. 2%, respectively with the increase of alcohol proportion when the第一作者:王冀白(1987-),男,博土研究生,研究方向為替代燃料及排放控制. E-mail: eaglH中國煤化工CNMHG基金項目:陜西省自然科學(xué)基礎研究計劃資助項目(2014JQ7268)收稿日期:2015-06-16;修回日期:2015-09-17128甘肅農業(yè)大學(xué)學(xué)報2016年turbine speed was 1 500 r, the soot decreased by 47. 1% and 29.4%, respectively, NOx emission was almostthe same while the general average level was low Compared with BD20, the HC emission of BD20E10 andBD20E5 increased when the turbine spec1 500 r and flued with the[Conclusion] Alcohol used as an additive will improve the combustion and emission properties of the blended fuelKey words: fatty acid methylester; alcohol; instantaneous heat release rate; combustion pressure; emis-Sion propertiesASTM標準中,生物柴油定義為用于壓燃式發(fā)表1不同溫度和比例下的脂肪酸甲酯和柴油動(dòng)機的、來(lái)自可再生的酯類(lèi),如植物油和動(dòng)物脂肪的的混合物溶解乙醇的最大體積長(cháng)鏈脂肪酸單酯.生物柴油的閃點(diǎn)高,揮發(fā)性較Tab 1 Maximum volume of dissolved ethanol in diesel小,在運輸與儲存中的安全性較柴油好2.生物柴油and fatty acid methylester mixture with different具環(huán)境友好、可再生、原料來(lái)源廣泛、貯存和使用temperature and proportion較安全沒(méi)有毒性等優(yōu)點(diǎn)許多研究表明,生物柴試樣編號10℃時(shí)溶解0℃時(shí)溶解的乙醇/mL的乙醇/mL油57和醇類(lèi)燃料適合作為柴油機的替代燃料.燃BDO0.451.50用生物柴油可以降低柴油機的PM和未燃碳氫化合BD20.502.90BD5物的排放,但是NO3的排放會(huì )略有上升.張志強BD8等對乙醇和柴油的混合燃料進(jìn)行了模擬,結果表BIO15.0023.00明乙醇可以改善燃油的霧化效果王建昕等0研究BDI5完全互溶BD20完全互溶完全互溶結果表明,乙醇作為柴油的添加劑可以降低排氣煙數,從表1看出,對于同一種編號的樣品,隨著(zhù)溫度度,但是NO排放明顯增加由于生物柴油運動(dòng)黏度的提高,混合物能夠溶解的乙醇最大體積增加,說(shuō)明大,其與柴油的混合燃料的流動(dòng)性差1,可能會(huì )影響溫度對提高乙醇在混合物中的溶解度有影響.隨著(zhù)內燃機的熱效率另外,柴油乙醇摻燒混合燃料由于混合物中脂肪酸甲酯體積分數的增加,脂肪酸甲酯自身化學(xué)結構在混合時(shí)會(huì )出現分層現象酯類(lèi)是柴油的助溶作用明顯增加綜合分析表1本試驗選擇與醇類(lèi)燃料助溶劑的主要成分.夏舜午等在乙209%的脂肪酸甲酯與80%的柴油混合燃料BDD作醇和柴油中加入正丁醇助溶劑,研究了溶解度的變?yōu)榛A燃料.保持脂肪酸甲酯的體積分數不變,用乙化,結果表明雖然正丁醇有助溶作用,但是對水含量醇來(lái)分別代替5%、0%的柴油,來(lái)調配成BD20E、十分敏感因此本試驗擬在脂肪酸甲酯柴油的混合BD2oE10作為內燃機臺架試驗的燃料燃料中加入乙醇,在解決燃料溶解度的基礎上,研究1.2試驗裝置與組成乙醇對柴油機的燃燒及其污染物排放特性.試驗儀器裝置的連接示意圖見(jiàn)圖1.水力測功1材料與方法機通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機相連,試驗用單缸柴油機的型號是ZH1105W,其主要技術(shù)參數:氣缸直徑為1.1試驗燃料油箱}油耗計試驗中采用乙醇、脂肪酸甲酯和柴油的混合物作為燃料根據互溶性試驗最終確定各種燃料的摻五氣分析僅口發(fā)動(dòng)機「山測力機上傳穩器燒量燃料的摻燒量c的定義為:c=摻燒量/(摻燒[煙度計上[壓力傳感器計算機量+主燃料量)表1中BD代表純油m2代表2%的畫(huà)時(shí)叫中國煤化工[要CNMHG酸甲酯和柴油的混合物,字母BD后面的數字代表圖1試驗裝置示意圖脂肪酸甲酯與柴油混合物中脂肪酸甲酯的體積分Fig. 1 Instruments scheme第2期王冀白等:添加乙醇對脂肪酸甲酯柴油發(fā)動(dòng)機燃燒及排放特性的影響129105mm,活塞行程115mm,壓縮比為16.5,標定功種燃料的燃燒始點(diǎn)向遠離上止點(diǎn)的位置上幾乎相率為11.03kW.五氣分析儀與內燃機的排氣管道連同,并且均滯后于BD20.原因一方面是因為脂肪酸接排放測試裝置包括 AVL DIGAS4000五氣分析甲酯的十六烷值為56,而乙醇的十六烷值僅為8,說(shuō)儀和 AVL DISMOKE400部分分流不透光煙度明摻燒乙醇的混合燃料的著(zhù)火性較差;另一方面,乙計,選擇消光系數K(m)表示煙度值測控裝置包醇的汽化潛熱值為854kJ/kg,高于脂肪酸甲酯的括電荷放大器、壓電式壓力傳感器、光電傳感器與曲200kJ/kg燃料噴入氣缸后吸熱,導致燃燒延遲軸轉角發(fā)生器負荷工況控制采用測功機油門(mén)執行分析表2可知,相比BD20,BD20E5和BD20器手動(dòng)調節完成E10兩種燃料的峰值壓力在小負荷時(shí)有所降低,但2結果與分析在中高負荷時(shí)有所增加乙醇對峰值壓力的影響呈現出低負荷抑制,高負荷促進(jìn)的作用.且當轉速增加2.1缸內燃燒壓力至1800r/min時(shí),BD2010燃料的缸內壓力峰值圖2表明:相比BD20,BD20E5和BD20E10兩明顯大于BD20E5的峰值.在小負荷時(shí),缸內的絕BD20BD20ES---BD20E5BD20E10BD20E10002020曲軸轉角(°)曲軸轉角A(°)(a)n=l 500 r.min P =0.086MPab)n=l 800r. min P =0.086MPa6BD20三當豢BD20BD20E5BD20E10BD20E10曲軸轉角/°)曲軸轉角(°)(e)n=l 500r.min P=0.354MPa(d)n=1 800. min" P. =0. 354MPaBD20--BD20E5一-BD20E5BD20E10D20E10-10曲軸轉角/(°)曲軸轉角/(°)(e)n=l 500r.min P =0.531MPa圖2不同工況下3種燃料的燃燒壓H中國煤化工MnCNMHGFig 2 Combustion curves of fuels under different loads甘肅農業(yè)大學(xué)學(xué)報2016年表2不同工況峰值燃燒壓力及其對應角度Tab 2 Peak combustion pressure with corresponding anglesBD20BD20E5BD20E10轉速/平均有效(r·min-l)壓力(MPa)峰值壓力/對應角度/峰值壓對應角峰值壓對應角a(°)CA力/M度/(°)CA力/MP0.0865.5106.8318005.415.136.680.5317.43對溫度較低以及缸內熱力狀態(tài)差,乙醇的作用得不醇促進(jìn)燃燒的作用得以體現.隨著(zhù)乙醇的增加,混合到體現;隨著(zhù)乙醇添加比例增加,燃燒始點(diǎn)延遲,使燃料的表面張力下降,更容易霧化,所以在中高負荷得著(zhù)火延遲期內形成的可燃混合氣數量增加,從而時(shí),BD20E10的峰值燃燒放熱率比BD20E5高.提高了峰值壓力.BD20、BD20E5和BD20E10的放熱率曲線(xiàn)均表與BD20相比,同一轉速下,BD205與BD20現出“雙峰”現象.最高峰值放熱速率遠高于次峰值E10的峰值壓力對應曲軸轉角完全一致這種現象放熱速率,出現這個(gè)規律的原因是因為乙醇對燃燒是由于BD20E5和BD20E10的氧含量較高加快了的促進(jìn)作用,有效地減少了后燃量燃燒速度,雖然燃燒始點(diǎn)有延遲,但峰值壓力卻同時(shí)λ.3排放特性出現.圖4為在不同轉速下CO排放量隨負荷的變2.2瞬時(shí)燃燒放熱率化隨著(zhù)負荷的加大,缸內溫度增加,CO逐步被氧圖3是不同工況下BD20與BD2E5、BD20E10化,排放降低當負荷繼續增大,缸內溫度持續增加,兩種燃料的瞬時(shí)放熱率對比曲線(xiàn).與BD20相比,當進(jìn)入燃燒室內的燃料增加,但是氧氣含量相對較少,Pm(平均有效壓力)分別為0.531、0.354Mpa時(shí),有一部分未完全燃燒,在高溫條件下未完全燃燒的同一工況下BD20E5與BD≌0Elo的峰值瞬時(shí)燃燒碳與二氧化碳生成新的CO,導致其排放數值增加放熱率增加,且隨著(zhù)乙醇比例的提高而增加.乙醇加加入了乙醇的脂肪酸甲酯和柴油的混合燃料的排放快了燃燒速度,導致峰值燃燒放熱率增加.但是當數值,隨著(zhù)乙醇體積分數的增加,其排放數值呈現出Pm(平均有效壓力)較低時(shí),峰值燃燒放熱率反而隨減小的趨勢.著(zhù)乙醇比例的增加而降低.在小負荷時(shí),一方面氣缸圖5是在不同轉速下HC排放量隨負荷的變內的熱力狀況較差,另一方面乙醇本身的低熱值為化.隨著(zhù)乙醇含量的增加,HC排放值比未加入乙醇27.2mJ/kg,要低于脂肪酸甲酯的38.412mJ/kg,燃料的排放值增加.這是因為乙醇的十六烷值較低單位時(shí)間內的放熱量減少,導致峰值放熱率降低.著(zhù)火性較差,導致滯燃期變長(cháng),這是未燃HC增加的BD20E5與BD20E10兩種燃料的滯燃期要長(cháng)主要原因.當內燃機的負荷增加時(shí),缸內壓力逐步升于BD20.對于BD20而言,燃料低溫放熱發(fā)生時(shí)間高,一部分未燃混合氣被壓入縫隙內,這部分混合氣較早,反應劇烈,累計的熱量使系統迅速越過(guò)了負溫未能參加燃燒,當排氣門(mén)打開(kāi),隨著(zhù)廢氣排入大氣中度系數區,開(kāi)始了高溫放熱;而隨著(zhù)乙醇比例的增導致HC排放增加.同時(shí)隨著(zhù)負荷的增加,氣缸壁面加,低溫放熱時(shí)間延長(cháng)溫度與燃燒室內溫度差增加,導致未燃HC含量在中高負荷時(shí),雖然放熱開(kāi)始有一定延遲,但是增加隨著(zhù)乙醇比例的增加,峰值放熱速率提高,BD20E10NOx是H中國煤化工Ox的生成主的峰值瞬時(shí)放熱速率最大,原因同上在中高負荷要受氧氣濃度CNMH物在高溫中的時(shí),由于缸內熱力狀態(tài)較好,乙醇又是含氧燃料,乙停留時(shí)間的影響圖6為發(fā)動(dòng)機轉速為1500r/min第2期王冀白等:添加乙醇對脂肪酸甲酯柴油發(fā)動(dòng)杋燃燒及排放特性的影響1310.10- BD20BD20一-BD20E5BD20E5BD20E 10BD20E100.02曲軸轉角/°)曲軸轉角/°(a)n=l 500r.min P=0.086 MPa(b)n=1 800r. min P =0.086 MPa0.20.15BD20E50.15BD2OEBD20E10BD20E102道0.000.05曲軸轉角/°曲軸轉角(°)c) n=l 500r.min P =0.354 MPa(d)n=l 800 r min P=0, 354 MP0.200.20二-B20.150.15BD20E5BD20E10BD20E102冊道0.000.05-0.0520曲軸轉角(°曲軸轉角°)(e)n=l 500r. min P =0.531 MPa(f n=l 800r. min P=0.531 MPa圖3不同工況下瞬時(shí)放熱速率對比Fig 3 Comparison of instantaneous released heat rate under different loadBD2007一BD200.09BD20E5006女道+-BD20E10005b BD20E10006005蘭0.03003002002004平均有效壓力/MP平均有效壓力/MP(a)n=l 500 /minV凵中國煤化工圖4負荷特性CO排放對比CNMHGFig. 4 Exhaust comparison of Co of engine load132甘肅農業(yè)大學(xué)學(xué)報2016年和1800r/min負荷特性下,發(fā)動(dòng)機燃用3種不同燃程中會(huì )吸收熱量,導致缸內溫度降低,但是缸內溫度料時(shí)的NOx隨負荷變化關(guān)系由圖6可以看出,在仍是導致NO排放增高的主要原因發(fā)動(dòng)機一定的負荷范圍內,3種燃料的NOk排放隨從圖7中可以看出在轉速恒定時(shí),當負荷較高著(zhù)發(fā)動(dòng)機負荷的增加而升高.原因是負荷增加時(shí),氣時(shí),3種燃料碳煙的排放值隨著(zhù)乙醇比例的增加而缸內燃燒溫度和壓力增大,NOx的排放增加.由于乙降低.這是因為乙醇的十六烷值比柴油和脂肪酸甲醇的汽化潛熱值較高在混合氣進(jìn)入氣缸后汽化過(guò)酯都低,使得混合燃料的平均十六烷值降低;另一方3000BD20BD20-BD20E5BD20E10BD20E101500爾殺000.3060.10.2平均有效壓力/MPa平均有效壓力/MPa(a)n=l 500 d/min(b)n=l 800 r/ min圖5負荷特性HC排放對比Fig 5 Exhaust comparison of HC of engine load1200口BD20s1000H BD20E500最爾碎址9平均有效壓力/MPa平均有效壓力MPa(a) n=l 500 r/min(b)n=l 800 r/min圖6負荷特性NOx排放對比Fig 6 Exhaust comparison of NOx of engine load08000.700BD20◆BD200.700I-BD20E5I-BD20E50500+-BD20E10A BD20E100300.10000000000平均有效壓力MPa平均有效壓力MPa(a)n=l 500 r/min中國煤化工圖7負荷特性煙度排放對比CNMHGFig 7 Exhaust comparison of soot of engine load第2期王冀白等:添加乙醇對脂肪酸甲酯柴油發(fā)動(dòng)機燃燒及排放特性的影響面,乙醇是含氧燃料,在高溫燃燒的時(shí)候不利于碳煙J]. Applied Energy,2010(87):18151835的生成但是在較小負荷時(shí),乙醇較高的汽化潛熱值[3] Okun o, Levent Y, Alp T E Effects of soybean會(huì )抵消其阻礙碳煙生成的作用,只有當缸內溫度升biodiesel on a di diesel engine performnce, emission高后,阻礙碳煙生成的效果才吏明顯and combustion characteristics[J]. Fuel, 2014(115)875-8833結論[4] Sehmus A, Magin L. Properties and emission indications of biodiesel fuels obtained from waste oils fron)隨著(zhù)溫度的提高,混合物能夠溶解的乙醇the Turkish industry[]. Fuel, 2014(128): 288-295的最大體積增加,說(shuō)明溫度對提高乙醇在混合物中[5]AnH, Yang W M, Chou s K, et al. Combustion and e-的溶解度有影響隨著(zhù)混合物中脂肪酸甲酯體積分mission characteristics of diesel engine fueled by數的增加,脂肪酸甲酯的助溶作用明顯增加.biodiesel at partial load conditions J]. Applied Energy2)在脂肪酸甲酯與柴油的混合燃料中加入乙2012(99):363-371醇,可以改善燃燒情況.在小負荷時(shí),隨著(zhù)乙醇比例[6]Qi D H Chen H, Geng L M, Bian Y Z Performanceand combustion characteristics of biodiesel -diesel-的增加,乙醇對燃燒的促進(jìn)作用不明顯,燃燒延遲明methanol blend fueled engine[J]. Applied Energy, 2010顯;但是在中高負荷時(shí),雖然燃燒延遲期依然存在(87):1679-1686但是乙醇的高含氧量加快了燃燒速度,使得缸內燃[7]TseH, Leung W, Cheung C s. Investigation on the燒狀態(tài)得到明顯改善,缸內峰值燃燒放熱速率提高,combustion characteristics and particulate emissions缸內燃燒壓力也隨之增加,因此在中高負荷時(shí)乙醇from a diesel engine fueled with dieseil-biodiesel-etha對燃燒的促進(jìn)效果更佳明顯.nol blends[J]. Energy, 2015(83):343-3503)乙醇的加入對CO氧化有明顯的作用使8]吳晗,張春化,佟娟娟,等外部BGR甲醇HCI發(fā)動(dòng)用乙醇混合燃料可以降低碳煙的排放.又由于乙醇機燃燒特性試驗[].甘肅農業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,48(2)的十六烷值較低、著(zhù)火性較差,隨著(zhù)乙醇比例的增加114-118滯燃期會(huì )增加,當乙醇的比例超過(guò)5%之后,盡管碳91張志強:,趙福全,于冠車(chē),等乙醇柴油燃料配置和對煙排放降低,但是未燃的HC排放會(huì )增加.柴油機性能的影響模擬[].同濟大學(xué)學(xué)報,2012(40)1254-12604)乙醇可以作為摻混燃料在柴油機上使用,[10]王建昕,閆小光,程勇等.乙醇/柴油混合燃料的燃燒且不需要改變柴油機的結構.研究結果對于脂肪酸與排放特性[J.內燃機學(xué)報,2002(20):225229甲酯的應用與推廣具有重要的意義摻燒乙醇對脂[1]陳昊,耿莉敏,祁東輝,等單缸直噴式柴油機燃用生肪酸甲酯的燃燒壓力呈現出低負荷時(shí)的抑制與高負物柴油性能研究[J].西北農林科技大學(xué)學(xué)報,2008荷時(shí)的促進(jìn)作用,同時(shí)乙醇可以延長(cháng)低溫放熱反應(36):219-224的時(shí)間.今后應深入開(kāi)展混合燃料化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)[12]賴(lài)小瓊,李進(jìn),曹陽(yáng),等酯類(lèi)助溶劑對甲醇汽油穩定的研究,完善乙醇作為添加劑的基礎研究性的影響研究[].天然氣化工(C1化學(xué)與化工),2014參考文獻[13]夏舜午,孫平.乙醇正丁醇柴油混合燃料的互溶性[1]蔣德明,黃佐華.內燃機替代燃料燃燒學(xué)[M].西安:西試驗研究[.車(chē)用發(fā)動(dòng)機,2014(212):43-45安交通大學(xué)出版社,2007(責任編輯李辛)[2] Mustafa B, Havva B. Progress in biodiesel processing中國煤化工CNMHG