單缸柴油機燃用油酸甲酯乙醇混合燃料的性能

路與汽運Highways & Automotive applications總第164期單缸柴油杋燃用油酸甲酯乙醇混合燃料的性能劉紅梅,趙旭毅,李江,楊璐(長(cháng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,陜西西安710064)摘要:為了研究油酸甲酯乙醇混合燃料在柴油機上的應用,在一臺單缸直噴柴油機上進(jìn)行100%油酸甲酯(YSME)和5%無(wú)水乙醇十95%油酸甲酯(E5)燃燒特性、經(jīng)濟性與排放特性對比試驗,分析了柴油機燃用兩種燃料時(shí)的燃燒壓力、放熱率、經(jīng)濟性和排放特性。結果表明,與YSME相比,發(fā)動(dòng)機轉速n為1500r/min、負荷P。為0.531MPa時(shí),E5最大然燒壓力和最大燃燒放熱率均有所增加;在小負荷時(shí),E5有效燃油消耗率和有效能量消耗率増加,在中等負荷時(shí)接近,在大負荷時(shí)略有減少;NO,與HC排放增加;碳煙與CO排放明顯降低。關(guān)鍵詞:汽車(chē);直噴式柴油機;生物柴油;燃燒壓力;放熱率;有效燃油消耗率;有效能耗率;排放特性中圖分類(lèi)號:U473.1文獻標志碼:A文章編號:1671-2668(2014)05-0018-04隨著(zhù)石油資源的日益枯竭,人們意識到應擴展于以?xún)r(jià)格為主的多方面原因,純生物柴油應用較少,對可再生能源的探索。生物柴油是指以種植或野生大多是以一定的比例和礦物柴油混合形成生物柴油油料作物提煉的植物油脂及各類(lèi)動(dòng)物油脂、廢棄餐與礦物柴油的混合燃料飲油等為原料油,通過(guò)酯交換工藝制成的甲酯或乙目前國內外專(zhuān)家學(xué)者對各種原料生物柴油的燃酯燃料。由于生物柴油與普通礦物柴油的理化特性燒特性和排放特性進(jìn)行了深人研究。生物柴油是由比較接近,大量試驗證明,可供內燃機使用。目前由各種脂肪酸甲酯組成的,一般生物柴油都含有棕櫚幸來(lái)幸衤幸衤幸詟幸衤幸素幸衤臺幸幸幸幸來(lái)淼來(lái)衤幸幸衤幸幸幸詟幸幸幸幸幸幸幸來(lái)幸來(lái)素來(lái)來(lái)幸幸*素幸素幸幸幸辛幸來(lái)幸素幸幸幸幸幸幸幸素業(yè)研究,2010(5)6結語(yǔ)2]陳虹.上汽自主品牌產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的架構策略[J].汽車(chē)工A-SUV是基于架構思想,在現有轎車(chē)平臺基程,2010,32(6)礎上延伸和擴展,進(jìn)行正向設計的結果,由此完成的3]李瑞源.美式冒險主義:SUV[J.汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2005某小型SU車(chē)型已成功上市,以此為基礎申報的設計項目在中國(無(wú)錫)國際工業(yè)設計博覽會(huì )上獲得4]唐波,趙曉紅越野型SUV與城市型SUv的博弈]最佳創(chuàng )意獎汽車(chē)與配件,2012(18)A-SUⅴ是兩廂轎車(chē)平臺的擴展和延伸,設計]徐維新,林鶴雄,郭平爾.現代汽車(chē)新技術(shù):設計·能過(guò)程中相對于兩廂轎車(chē)作了大量更改,相關(guān)的性能源·環(huán)境[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,19996]GB/T19234-2003,乘用車(chē)尺寸代碼[S]設計、分析校核必須同步進(jìn)行,以確保設計質(zhì)量、降低設計風(fēng)險;零部件設計中也需根據總體設計方案7]黃金陵.汽車(chē)車(chē)身設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,進(jìn)行細化完善,確?？傮w設計方案的最終實(shí)現8]余志生.汽車(chē)理論[M].第5版.北京:機械工業(yè)出版鑒于兩廂轎車(chē)與SUⅤ之間在車(chē)型上存在的較社,2009大差異,采用在兩廂轎車(chē)(H30值通常較小)基礎上[9]劉惟信汽車(chē)設計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.直接通過(guò)加大輪胎增大離地間隙實(shí)現SUV設計的10]中國創(chuàng )新設計獎評委會(huì )2012創(chuàng )新盛典中國創(chuàng )新設技術(shù)路線(xiàn)顯然是不合適的,這樣設計出來(lái)的車(chē)只能Ht中國煤化工P;wd-exp是一種跨界車(chē)CNMHG=20120604000參考文獻[1]王常友.SUV市場(chǎng):高速增長(cháng)格局多樣[J.汽車(chē)收稿日期:2014-05-052014年第5期劉紅梅,等:單缸柴油機燃用油酸甲酯♂醇混合燃料的性能樹(shù)甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯等,其中分別為100%油酸甲酯(YSME)、5%無(wú)水乙醇十油酸甲酯是各種原料生物柴油的主要組分之一。該95%油酸甲酯(E5,為體積百分比)。文在油酸甲酯中摻入乙醇形成混合燃料,對比兩種燃料的燃燒特性、經(jīng)濟性與排放特性,為豐富柴油機2試驗結果與性能研究替代燃料提供一定的思路。2.1燃燒特性試驗發(fā)動(dòng)機與測試儀器燃燒特性試驗在單缸柴油機上進(jìn)行。在發(fā)動(dòng)機轉速n為1500r/min、負荷P為0.531MPa條燃燒特性試驗所用發(fā)動(dòng)機及相關(guān)測試儀器見(jiàn)表件下,YSME和E5的燃燒壓力對比和放熱率對比1和表2,兩種燃料的主要特性見(jiàn)表3。試驗用燃料分別見(jiàn)圖1和圖2。表1試驗用發(fā)動(dòng)機的主要參數參數名稱(chēng)參數值8發(fā)動(dòng)機型號zH1105W單缸直噴柴油機三6缸徑/mm活塞行程/出職2YSME壓縮比排量/L0.99620-100標定功率/kW11.03曲軸轉角/℃CA噴油提前角上止點(diǎn)前22°最大扭矩對應轉速/(r·minl500圖1n為1500r/min、Pm為0.531MPa條件下兩種燃料燃燒壓力對比表2試驗用測試儀器測試儀器名稱(chēng)燃燒分析儀CB566YSME電荷放大器0.10壓力傳感器Kistler0.05光電傳感器0.00曲軸轉角發(fā)生器發(fā)動(dòng)機排氣分析儀奧地利 AVL Digas4000部分流不透光煙度計奧地利 AVI Dismoke40000曲軸轉角/℃CA表3燃料的主要特性2n為1500r/min、Pm為0.531MPa條件下乙醇兩種燃料燃燒放熱率對比指標油酸甲酯分子式Clg H36 OH OH從圖1、圖2可看出:E5(95%油酸甲酯+5%乙分子量醇)的壓力、壓力升高率和放熱率的變化趨勢與油酸熔點(diǎn)/℃117.3甲酯(YSME)一致。與YSME相比,E5峰值燃燒沸點(diǎn)/℃218.5壓力和峰值瞬時(shí)燃燒放熱率增加,分別增加3.91%質(zhì)量低熱值/(MJ·kg1)和29.32%。這是因為乙醇含氧量高,導致混合燃27.2料氧含量增加講而加快了怏燒速度,改善了局部缺密度/(g·cm-3)0.789氧條件中國煤化工一方面,乙醇汽化水分/%吸熱導CNMH然燒準備期內形成氧含量/%34.8的可燃混合氣數量增加。兩方面的因素共同導致酸值/( meKon·g-1)E5的相應指標全部增加。公路與汽運2014年9月2.2經(jīng)濟性對比圖3、圖4分別為n為1500r/min時(shí),不同負l000荷下燃用E5和YSME的有效燃油消耗率對比和有效能量消耗率對比600EH YSME5n為1500r/min時(shí)的負荷特性NO4排放對比2000.00.10.20.3040.50.6缸內燃燒溫度増加的趨勢。兩方面的因素共同導致P./MPaNO排放在富氧條件下增多圖3n為1500r/min時(shí)不同負荷下兩種燃料比油耗對比2.3.2碳煙排放圖6為轉速n為1500r/min時(shí)的負荷特性碳煙排放對比T YSME口E5HYSME0.00.10.30.40.50.6P/MPa0.1圖4n為500r/min時(shí)不同負荷下兩種燃料比能耗對比0.00.10.20.30.40.50.60.7從圖3、圖4可看出:小負荷時(shí),與燃用YSMEP/MPa時(shí)相比,燃用E5時(shí)的有效燃油消耗率明顯增加,這圖6n為1500r/min時(shí)的負荷特性碳煙排放對比是由于一方面小負荷時(shí)氣缸內的熱力狀態(tài)差,乙醇從圖6可以看出:與燃用YSME時(shí)相比,燃用著(zhù)火性差的特點(diǎn)相對強化;另一方面乙醇熱值低,需E5時(shí)的碳煙排放在整個(gè)負荷范圍內明顯降低。小要噴入更多的燃油以保證發(fā)出相同的功率。在中等負荷工況時(shí),兩種燃料的碳煙排放基本相同,其絕對負荷時(shí),兩者的比油耗和比能耗接近,E5仍略高于值都很低;在中、高負荷工況時(shí),E5的碳煙排放大幅YSME這是因為缸內熱力狀態(tài)加強,乙醇著(zhù)火性差度降低。這主要是因為E5含氧量高,燃料中的氧的特點(diǎn)相對弱化,而乙醇含氧量高,促進(jìn)燃燒完全的原子在燃料燃燒過(guò)程中起到助燃作用。特別是在大作用相對強化。在高負荷時(shí),E5的比油耗和比能耗負荷工況時(shí),過(guò)量空氣系數較小,較濃的混合氣在燃均略低于YSME此時(shí)乙醇對燃燒的促進(jìn)作用起到燒過(guò)程中可以部分自給氧,克服了柴油燃燒過(guò)程中主導作用,放熱集中,熱功轉換效率高的優(yōu)勢相對強因缺氧而形成的大量碳煙排放化;乙醇熱值低的作用相對弱化2.3.3HC排放2.3排放特性圖7為轉速n為1500r/min時(shí)的負荷特性2.3.1NO排放HC排放對比圖5為轉速n為1500r/min時(shí)的負荷特性從圖7可以看出:在中、小負荷下,與YSME相NO2排放對比比,E具為中、小負荷時(shí),混從圖5可以看出:相比于YSME,E5混合燃料合氣稀中國煤化工燒條件差;同時(shí)乙NO,排放明顯增加。這是因為乙醇含氧量為醇的十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。進(jìn)入大負荷工況后,HC排放降燒特性可知,E5混合燃料燃燒放熱更加集中,有使低,這是因為大負荷下,柴油機噴油量增加,缸內溫2014年第5期劉紅梅,等:單缸柴油機燃用油酸甲酯♂醇混合燃料的性能21度與壓力明顯增加,混合氣局部熄火的情況得以改J].長(cháng)安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,26(5)善,燃燒相對充分,HC排放降低。2]陳昊,祁東輝,邊耀璋.柴油機燃用生物柴油一乙醇水微乳化燃料性能研究[.內燃機工程,2010,31(1)3]樓狄明,石健,趙杰,等.共軌柴油機燃用不同配比生物YSME柴油的性能與排放特性[].內燃機工程,2009,30(6)4]王永紅,劉泉山,周旭光,生物柴油排放性能的研究J].潤滑油與燃料,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圖7n為1500r/min時(shí)的負荷特性HC排放對比[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圖8為轉速n為1500r/min時(shí)的負荷特性CO排放對比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圖8n為1500r/min時(shí)的負荷特性CO排放對比尾氣中,有害氣體CO是一種不完全燃燒的產(chǎn)ence of the Total environment, 2009, 407(2)物,其生成主要受混合氣濃度的影響。從圖8可以[10] R A Candela, MCDSilva, J R Carvalho Filho,eta.看出:與YSME相比,E5的CO排放在整個(gè)負荷范Influence of soybean biodiesel content on basic pro圍內降低,其原因主要是乙醇含氧可以促進(jìn)燃燒,從erties of biodiesel-diesel blends[J]. Fuel. 2009, 88(4)而使參與燃燒的燃料燃燒更加完全1]陸克久,葛強林,徐寅生.電控高壓共軌柴油機燃用生物柴油的試驗研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機,2010(2)3結論12]仇世侃.生物柴油與柴油排放對比研究[].北京汽油酸甲酯作為生物柴油的主要組分,是柴油機車(chē),2008(3)潛在的替代燃料。與YSME相比,轉速n為150013]耿莉敏,邊耀璋,張春化,等.直噴式柴油機燃用生物柴油的試驗研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2007,28r/min、負荷P。為0.531MPa時(shí),E5的峰值燃燒壓力和峰值燃燒放熱率有所增加;E5可有效降低CO和碳煙排放,但NO排放和HC排放略有增14]陳吳,張春化,邊耀璋,等,直噴式柴油機燃用生物柴油的性能與排放[].長(cháng)安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版加。通過(guò)在油酸甲酯中添加乙醇可使燃料燃燒更加2007,27(5)完全,尤其在中、高負荷時(shí),其降煙和降CO排放的15效果明顯,但油耗和能耗在一定程度上有所增加中國煤化工機燃用生物柴油與柴CNMHG機與摩托車(chē),2008,參考文獻1]司利增,邊耀璋,蔡永江.柴油機燃用生物柴油的特性收稿日期:2014-05-15