GTL/柴油混合燃料（共7篇）
GTL/柴油混合燃料 篇1
0 引言
随着能源危机的加剧和全社会环保意识的增强,世界各国纷纷加大对石化柴油代用燃料的研究力度[1]。生物柴油具有芳香烃和硫含量低、含氧、可再生、十六烷值较高等特点,是优质的石化柴油代用品[2];但生物柴油与石化柴油相比粘度和冷凝点高,影响了其在冬季的使用。乙醇作为另一种含氧可再生能源,具有粘度和沸点低的特点,可改善燃料的雾化特性从而降低柴油机排放[3]。本文通过对比的方法,研究了乙醇与大豆生物柴油(以大豆油渣为原料生产的酸化油)以不同比例混合燃烧对柴油机动力性能、经济性及碳烟排放的影响。
1 试验仪器、燃料
1.1 试验仪器
试验用发动机为R4105T型柴油机(潍坊华丰动力有限公司生产),一切技术参数均为出厂设置,供油提前角为17℃A。其它主要技术参数:
汽缸数:4
缸径/mm:105
活塞行程/mm:105
排量/L:3.6
标定油耗率/g·(k W·h)-1:≤239
额定功率/kW:55
额定转速/r·min-1:2 000
其它主要试验仪器有:天津圣威科技发展有限公司生产的SV～2LZ型滤纸式烟度计;湖南湘仪动力测试仪器有限公司生产的GW100型电涡流测功机、FC2000型发动机测控仪、FC2020型数据采集仪、FC2210Z智能油耗仪。
1.2 试验燃料
本试验所用燃料为由德州齐河齐翔化工有限公司,以大豆油渣为原料生产的生物柴油,与乙醇以不同体积比例掺混的乙醇/生物柴油混合燃料。混合燃料中乙醇所占体积比分别为5%,10%,20%,为方便分别简称为B95E5,B90E10,B80E20;纯生物柴油记为B100。生物柴油、乙醇主要理化特性如表1所示。
2 试验结果及分析
试验时,在柴油机分别燃用B100,B95E5,B90E10,B80E20时做出其外特性曲线,研究了全负荷下以不同比例掺混的乙醇/生物柴油混合燃料对柴油机动力性、经济性及碳烟排放特性的影响。柴油机燃用乙醇/生物柴油不同掺混比的外特性曲线,如图1～图3所示。
2.1 动力性比较
柴油机使用不同掺混比乙醇/生物柴油燃料时的功率对比曲线如图1所示。由图1可以看出:乙醇/生物柴油混合燃料动力性能随其中乙醇比例的不同而呈现不同的变化趋势。柴油机燃用B95E5、转速在1 700r/min以下时,与使用B100相比功率有所提高;当转速超过1 700r/min与使用B100时功率基本相等;额定转速(2 000r/min)以下时功率分别为49.9,50.1kW。出现这种现象是因为乙醇含氧量大于生物柴油,所以生物柴油与乙醇混合后可以使燃料燃烧更加充分;同时因为乙醇粘度较低,与生物柴油混合后降低了混合燃料的粘度,使得B95E5比B100雾化质量更好,有助于低速下混合气的燃烧,提高了B95E5的动力性能。与B100比,柴油机使用B90E10,B80E20时动力性能有所下降,在2 000r/min时功率分别为48.7,48.5 kW,降幅约为2.8%;但B90E10,B80E20二者相比差别微小。这是因为乙醇热值要低于生物柴油,B90E10,B80E20因为加入乙醇比例较大所以与B100相比动力性呈现下降趋势。
2.2 经济性比较
图2为柴油机使用不同掺混比的乙醇/生物柴油混合燃料时的耗油率对比曲线。与动力性相似,柴油机分别燃用B95E5,B90E10,B80E20时油耗率情况与燃用B100相比随乙醇比例不同变化规律不同。从整体来看,B90E10,B80E20全部转速范围内耗油率均高于B100并且变化较为均匀,升幅约为1.14%,1.86%。而B95E5在2 000r/min时油耗率略高于B100,其余转速范围内均低于B100。在柴油机转速为1 000r/min时B95E5油耗率为249.2g/k W·h,B100油耗率为263.9 g/kW·h,此时下降幅度最大值为5.6%;降幅随着转速升高而减小,柴油机转速为2 000r/min时,B95E5耗油率高于B100,但差别很小。B95E5最低油耗率为240.8g/kW·h,出现在1 400r/min处;B100最低油耗率为247.1g/kW·h,出现在1 700r/min处。由于乙醇热值低于生物柴油,当乙醇比例较大时将明显降低混合燃料的热值。所以,柴油机燃用B90E10,B80E20与燃用B100相比油耗率上升;而B95E5混合燃料中乙醇比例较小则燃料热值下降较小,但粘度却可以得到明显改善,即改善了燃料的流动性能以及雾化性能,促进了缸内混合气的均匀分布,从而降低了油耗率。
2.3 烟度比较
柴油机使用不同掺混比的乙醇/生物柴油时的烟度对比如图3所示。
由图3中可以看出,柴油机燃用乙醇/生物柴油混合燃料时烟度随着乙醇比例的加大而降低。烟度先是随着转速升高而逐渐降低,然后又随着转速升高而升高,最低点均出现在1 700～1 800r/min之间。这是因为在低转速范围内(转速在1 700r/min以下时),空气涡流作用较弱而造成空气与燃料混合不充分、燃料燃烧不完全。随着转速逐渐升高空气涡流逐渐加强使得混合气质量越来越好,在1 700～1 800r/min之间时混合气的质量最好,燃烧充分排烟低。随着转速的提高充气效率开始下降,混合气形成条件恶化,所以烟度曲线呈上升趋势。与燃用B100相比,柴油机燃用B95E5,B90E10,B80E20时烟度分别平均降低了22.6%,35%,55%,即混合燃料中乙醇比例越大,则该燃料燃烧时烟度就越低。其原因有两点:一是乙醇也是含氧燃料,且其氧含量大于生物柴油。因此,乙醇比例越大,过量空气系数越大,即氧气越充足,则碳烟排放量降低[4]。二是乙醇的沸点、粘度都比较低,乙醇比例越大,燃料越容易蒸发雾化,所形成的可燃混合气质量就越好、燃烧就越充分,从而降低了碳烟的排放。
3 结论
柴油机使用各种掺混比的乙醇/生物柴油混合燃料时运转状况良好,与燃用B100相比有以下特点:
1)动力性随混合燃料中乙醇比例的变化而呈现不同的变化规律。柴油机在1 700r/min时,与使用B100相比,使用B95E5时功率有所提高,当转速超过1 700r/min使时功率基本相等。与B100相比,柴油机在使用B90E10,B80E20时动力性均有所下降,其在2 000r/min时功率约为2.8%。
2)油耗率随混合燃料中乙醇比例不同出现不同的变化趋势。使用B90E10,B80E20时油耗率上升,但平均升幅较小,在整个实验的转速范围内分别约为1.14%,1.86%。而使用B95E5时下降,在1 000 r/min时下降幅度最大为5.6%。
3)碳烟排放量均呈下降趋势,且下降幅度分别随着乙醇比例的增大而增大。其中,柴油机燃用B80E20时最大下降幅度可达55%。
综合柴油机动力性、经济性、碳烟排放量3个方面来考虑,乙醇与大豆生物柴油掺混配制混合燃料时最佳比例应在B95E5左右。
参考文献
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GTL/柴油混合燃料 篇2
当今世界,能源和环境问题成为人类面临的两大课题。一方面,石油作为不可再生的化石燃料,经过近100年人类工业文明的大发展,目前正在接近开采产量巅峰。而我国在20世纪90年代已成为石油纯进口国,进口依赖度随着国内汽车保有量的不断上升而增大。另一方面,燃用石油等化石燃料所造成的环境污染问题,也愈来愈严重。当今,汽车尾气排放已经成为最主要的城市污染,一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物以及碳烟微粒,严重影响人们的健康[1]。
目前,世界各国的相关研究机构都逐渐将研究重点转移至石油的清洁替代燃料,并且不改变柴油机的各项结构,由于乙醇与生物柴油在部分性质上存在互补性,乙醇—生物柴油—柴油混合燃料应运而生[2,3]。为此,介绍了新燃料的部分理化性质,然后通过发动机台架试验对比研究了新燃料和柴油的动力性、经济性以及排放性能。
1 试验简介
1.1 试验装置
发动机台架由常州柴油机厂生产的S195单缸柴油机和凯迈机电生产的CW50型电涡流测功机组成;使用南华仪器公司生产的NHA-503废气分析仪检测发动机尾气中的气态成分;使用AVL-DISMOKE-4000不透光式烟度计检测发动机排气烟度。
1.2 试验材料
乙醇—生物柴油—柴油混合燃料(EBD)采用3种原料:石化柴油(D)、生物柴油(B)和95%的工业乙醇。其中,石化柴油为市售0#柴油;生物柴油以豆油为原料,国内某生物能源有限公司提供;选择正丁醇和异辛醇作为助溶剂。
1.3 试验内容
发动机使用参数和结构参数在试验中未做任何改动和调整。先对柴油与新燃料的运动粘度、闭口闪点、蒸发性、凝点、十六烷值等进行了测定和计算,并进行了对比和分析;再对比两种燃料的外特性以及负荷特性;最后分析两种燃料的常规污染物排放特性。
2 燃料的理化性质
乙醇—生物柴油—柴油混合燃料与柴油理化性质的比较如表1所示。
1)混合燃料的密度、运动粘度和表面张力与0#柴油接近,这是由于掺混比例较高的生物柴油对工业乙醇起到了补偿作用。
2)混合燃料的凝点与0#柴油接近,这是由于工业乙醇较好的低温流动性对生物柴油起到了补偿作用。
3)由于工业乙醇的掺混,导致混合燃料的闭口闪点较低,仅为0#柴油26.32%,同时使得混合燃料具有较大的低温蒸发性,因此该混合燃料在生产、贮存和输送过程中要有保证安全措施。
4)混合燃料的低热值和十六烷值,较0#柴油分别下降了12.95%,15.51%,会对混合燃料的动力性、经济性和排放性能产生一定影响。
3 发动机特性的比较
3.1 外特性比较
S195柴油机分别燃用0#柴油和乙醇-生物柴油-柴油混合燃料两种燃油时的外特性曲线,如图1所示。由图1可知:柴油机燃用两种燃油时的外特性曲线变化趋势基本保持一致。从定量角度观察,混合燃料的功率和转矩整体上相对柴油小幅度上升了0～2.84%,在最高转速下降低至与柴油基本持平。
混合燃料在外特性下动力性整体较柴油小幅上升,最高转速下降并与柴油基本持平的主要原因是混合燃料的密度大于0#柴油,在不改变发动机参数(如油泵齿条位置),且混合燃料的运动粘度和表面张力与柴油接近的情况下,使得每循环喷油量上升,一定程度上弥补了燃料的低热值;由于混合燃料的十六烷值降低,且工业乙醇汽化潜热大,使得滞燃期延长,产生的可燃混合气增多,预混燃烧阶段的放热率上升[6];乙醇沸点较低,利于燃料汽化,改善雾化质量,且含水的工业乙醇的掺混扩大了混合燃料在燃烧过程中的微爆效应[7]。由此可见,适当的掺混比例可以促进燃烧,提高燃烧压力,虽然燃烧滞后,但预混和扩散燃烧速度相比柴油均有提高,燃烧持续期缩短,终点与柴油接近[8]。
3.2 负荷特性比较
图2和图3是柴油机分别燃用两种燃油在最大功率转速2 000r/min和最大转矩转速1 700r/min下的负荷特性曲线。
由图3可知,负荷特性下柴油机燃用两种燃油时各性能指标变化趋势保持一致,并且乙醇—生物柴油—柴油混合燃料的油耗率和油耗量分别有所上升。在2 000r/min转速时,增幅分别为11.26%～12.14%和7.69%～34.69%。在1 700r/min转速时,增幅分别为11.86%～12.48%和5.18%～19.28%。
4 常规污染物排放特性
4.1 CO排放特性
图4所示为六工况试验循环下D和EBD的CO排放浓度对比情况。随着负荷提高,两种燃料的CO排放浓度呈先下降再增加的趋势。这是由于柴油机在低负荷工作时,乙醇的高汽化潜热和低十六烷值,使得缸内燃烧温度低,混合燃料的CO排放浓度大,较0#柴油上升了200%～433%。在中间负荷下,两种燃料的CO排放浓度下降且基本相同。进入大负荷工作状态后,过量空气系数较小,导致CO浓度再度上升。此时混合燃料中的氧恰好在一定程度上补偿了过量空气系数,提高了燃烧效率,因而进入大负荷后混合燃料的CO排放浓度虽然上升,但远小于柴油,下降了83.3%。
4.2 HC排放特性
图5所示为六工况试验循环下D和EBD的HC排放浓度对比情况。与其他污染物相比,柴油机HC的排放影响因素较多,既有油束雾化的影响,又有缸内燃烧温度和过量空气系数的影响,生成机理复杂[9]。一般在低负荷时,由于喷油量少,混合气较稀,缸内温度低,HC主要产生在稀燃火焰熄灭区。此时,乙醇较高的汽化潜热、较好的低温蒸发性和较差的着火性能都使得混合燃料的HC排放浓度更高,较柴油提高了140%～300%。随着负荷升高,混合气变浓,缸内温度升高,HC主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处[10]。此时混合燃料的含氧优势随之凸显,其HC排放浓度趋势基本随负荷的提高而减小,并低于柴油,在最高负荷时相较柴油降低了85.7%。
4.3 NOx排放特性
图6所示为六工况试验循环下D和EBD的NOx排放浓度对比情况。两种燃料NOx排放浓度随负荷变化趋势一致。由图6可知NOx的排放浓度基本上随着负荷的提高而增大,因为NOx在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多[10]。当负荷提高,循环喷油量增加,最高燃烧温度升高,导致NOx排放上升。因此,由于混合燃料含氧、小负荷下缸内燃烧温度低的特点,使得NOx排放在中低负荷下,混合燃料的NOx排放浓度低于柴油,下降了13.7%～92.9%;在最大负荷下,混合燃料的富氧作用导致NOx排放浓度高于柴油,升高了12.5%。
4.4 烟度排放特性
图7所示为六工况试验循环下D和EBD的排放烟度的对比情况,以不透光度表征其排放特性。碳烟产生于高负荷时的油束心部、尾部和后喷部氧浓度低的区域,在这些区域混合气温度高,燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟[11]。混合燃料的烟度排放中高负荷低于柴油,尤其大负荷,不透光度下降了69.6%。这是由于混合燃料的含氧作用,改善了燃料浓混合区的缺氧情况,加上乙醇较好的蒸发性,使其在中高负荷下燃烧比较充分,导致排放烟度降低。
5 结论
1)由于生物柴油的补偿作用,EBD的密度、运动粘度、凝点和表面张力与D接近;由于乙醇的补偿作用,EBD的凝点与D接近;EBD具有较大的低温蒸发性,其闭口闪点相较于D下降了73.68%,在实际生产、贮存和输送过程中需要保证安全;EBD的十六烷值和低热值相较于D分别下降了15%和25%,对燃料的动力、经济和排放性能都存在一定程度的影响。
2)台架试验发现:外特性下,S195柴油机燃用EBD的功率和转矩整体上相对D呈现很小幅度的上升。负荷特性下,EBD油耗量和油耗率都有较大幅度的上升,在2 000r/min转速时,增幅分别为11.26%～12.14%,7.69%～34.69%;在1700 r/min转速时,增幅分别为11.86%～12.48%,5.18%～19.28%。这说明, 由于工业乙醇较低的十六烷值和热值等原因,使得发动机在燃用混合燃料时,要达到与柴油相同的动力输出,需要消耗更多的燃料。
3)常规排放试验发现:EBD的含氧特性、较低的十六烷值,加之其中工业乙醇较好的低温蒸发性,使其在CO,HC和碳烟减排方面的优势主要体现在中高负荷下,而在的减排方面的优势则主要体现在中小负荷的情况下。
摘要：先对0#柴油(D)和乙醇-生物柴油-柴油混合燃料(EBD)的部分理化性质进行了试验、计算和对比;再基于柴油发动机台架,研究了柴油机燃用替代燃料后,其动力特性、经济特性和常规排放特性的变化。研究结果表明:在外特性下,柴油机燃用EBD的功率和转矩相对D有0～2.84%的小幅度上升;在负荷特性下,EBD的油耗量和油耗率相对D有较大幅度的上升,在2 000r/min转速时,增幅分别为11.26%～12.14%和7.69%～34.69%,在1 700 r/min转速时,增幅分别为11.86%～12.48%和5.18%～19.28%;在发动机六工况循环下的常规排放中,EBD在CO,HC和碳烟减排方面的优势主要体现在中高负荷下,而在NOx减排方面的优势则主要体现在中小负荷的情况下。
关键词：乙醇-生物柴油-柴油混合燃料,理化性质,柴油机,排放特性
参考文献
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GTL/柴油混合燃料 篇3
近年来,清洁代用燃料的研究已成为发动机研究的一个主要方面。乙醇以其来源广泛、具有可再生性等优点,受到了普遍关注。大量的研究表明[1,2,3],在柴油机上燃用乙醇/柴油混合燃料可降低CO和碳烟的排放;另外,如采用燃料机外混合,还可在基本不改变原机结构的情况下,实现乙醇/柴油混合燃料的清洁燃烧。
众所周知,燃油喷射雾化的浓度、粒度分布对柴油机缸内混合气的形成及其燃烧具有十分重要的影响。正因如此,许多研究者对不同燃料喷雾的粒度分布进行了研究,但对乙醇/柴油混合燃料喷雾粒度分布的研究甚少。本文采用激光粒度分析仪,对室温条件下的乙醇/柴油混合燃料喷雾的空间粒度分布特性进行了试验测量,并就不同喷油压力、喷孔直径对乙醇、柴油及乙醇/柴油混合燃料稳态自由喷雾粒度分布的影响进行了对比研究。
1 试验装置及方法
1.1 试验装置
燃油喷雾粒度测试装置如图1所示。整个试验装置包括燃油喷射系统、激光粒度测试仪(LSA)以及数据采集和处理系统三大部分。在自行设计的高压燃油供给系统中,为了保证持续、稳定的供油,在泵端和嘴端分别设置了由一根高压油管连通的两个高压油腔,每个圆柱形高压油腔的容积为Ф65mm×60mm,其中一个高压油腔与6105型高压油泵的6个出油孔相连,另一个高压油腔与喷嘴相连;高压油腔的燃油压力(即燃油喷射压力)可通过调节喷油泵试验台的转速以及油泵的油门进行灵活控制。试验中所用的激光粒度测试仪为天津大学现代光学仪器研究所研制的LSA-Ⅲ型激光粒度仪。激光粒度仪的基本工作原理是利用光的散射法来测量粒子尺寸分布。在固定的激光波长下,通过测量散射光在前向某个小角度范围内的空间角度分布来获得粒度分布。LSA-Ⅲ型激光粒度仪根据选用的傅里叶物镜焦距的不同,可测量5~2000μm范围内的粒径。本试验测量过程中,参考了其他研究者的试验结果[4,5],选用物镜焦距f=500的透镜镜头,其喷雾SMD的测量范围为9~975μm。
1.2 试验方法
为了分析乙醇和柴油掺混比例对喷雾粒度分布的影响,分别对纯乙醇、25%乙醇柴油(E25,即乙醇的质量掺混比为25%)、75%乙醇柴油(E75,即乙醇的质量掺混比为75%)及纯柴油这4种燃料的自由稳态喷雾粒径分布进行了研究,所用喷油器为单孔喷油器,喷孔直径分别为0.18mm和0.25mm;稳态喷射压力分别为6、10和14 MPa,喷射背压为大气压。激光粒度仪的测点布置如图2所示。
2 试验结果及分析
2.1 纯柴油喷雾粒度分布
图3为不同喷油压力对纯柴油喷雾粒度的影响。试验所用的喷孔直径为0.18 mm,可以看出,低喷射压力下,柴油稳态自由喷射的SMD在20~40μm的范围内变化;在一定的喷油压力下,随着距喷孔出口距离的增大,喷雾液滴的粒径逐渐减小;特别是在低喷油压力时,在距喷孔出口3~10 cm的区域内,喷雾断面的SMD急剧变小,然后变化趋于平稳。但在喷射压力为14 MPa时,这一变化趋势不太明显。由此可见,在喷油压力较低时,空气动力干扰对射流的分裂及液滴破碎起主要作用;当喷油压力进一步提高时,射流本身的湍流扰动对射流的雾化起主要作用,使得柴油在离开喷嘴时就雾化成较小直径的液滴。同时还注意到,在远离喷孔处的下游区域,喷雾液滴的粒度反而有变大的趋势。这是因为在喷雾场的下游区域内,随着液滴本身动能的耗散,空气动力干扰作用减弱,使得液滴难以再次破碎。由图3还可知,随着喷油压力的提高,喷雾滴径呈减小趋势,试验结果再一次证实了提高喷油压力是改善雾化效果的有力手段。
图4为喷油压力为6MPa时不同喷孔直径对喷雾SMD的影响。由图4可知,在低喷射压力时,喷孔直径对粒度的影响较小。
图5为不同轴向位置处的径向粒度分布情况。因为试验中采用的是单孔喷油嘴,且为垂直向下自由喷射,喷雾场具有轴对称的特点,故只选取其轴对称的一半喷雾场进行径向粒度分布的测量。由图5可以看出,在距喷孔出口较近的区域内(L=3 cm),径向粒径变化较大,SMD从轴中心线位置的41μm减小到喷雾场边缘的26μm;随着距喷孔出口距离L的增大,喷雾场粒径的分布趋于一致。由此可见,在喷雾场中,射流的一次雾化对喷雾雾化效果具有极为重要的影响。
2.2 纯乙醇喷雾粒度分布
为了便于不同燃油喷雾粒度的对比分析,在本文的其他研究部分将只取喷孔直径为0.18mm的试验结果,着重分析研究喷油压力对不同燃料喷雾轴向及径向粒度分布的影响。
图6为乙醇在不同喷射压力下的轴向粒度分布。其轴向粒径分布变化趋势与柴油的相同,但从其SMD的轴向变化中发现,在相同的喷油压力下,乙醇喷雾的SMD在各个相同的轴向位置上要比柴油的小7~10μm。与图3的结果相比较还可发现,乙醇在喷射压力为10 MPa时就可达到柴油在14MPa喷射压力下的粒径水平。由此可见,燃料的物性参数,如表面张力和黏度等对其雾化质量具有重要的影响。
图7为距喷孔出口10cm处,喷射压力分别为6MPa和10MPa时,纯乙醇喷雾场径向粒度的分布情况。从图7可以看出,在低喷射压力下,随着距中心轴线径向距离的增大,液滴粒径变小。而当喷射压力达到10MPa时,其径向粒度的分布趋于一致。由此可见,对于低表面张力和低黏度的燃料而言,在较低的喷油压力下,即可得到雾化更好、粒径更小、粒径分布更为均匀的喷雾场。
2.3 乙醇/柴油混合燃料喷雾粒度分布
试验对E25、E75两种混合比的乙醇/柴油混合燃料进行了喷雾粒度分布的研究,试验喷油嘴的喷孔直径为0.18mm,喷油压力分别为6、10和14MPa。图8为喷油压力为6MPa时,乙醇/柴油混合燃料不同混合比对喷雾轴向SMD变化的影响。由试验结果可知,随着乙醇掺混比的提高,喷雾的粒径变小;且在喷雾的上游区域就可形成粒径较小的液滴,整个喷雾场内液滴粒径分布更为均匀,从而更有利于均匀混合气的形成。
图9为不同喷油压力下E25、E75的喷雾轴向SMD分布。由图9可知,不同混合比的乙醇/柴油燃料均呈现出液滴粒径随喷油压力增大而减小的趋势。当混合比较大(如E75)时,混合燃料可在较低的喷油压力下形成滴径更小、液滴分布更均匀的喷雾场。
图10为喷射压力6MPa时,E25、E75两种混合燃料分别在距喷孔出口10 cm和16 cm处的径向滴径分布情况。从图中可以看出,乙醇混合比较大的燃料喷雾,其径向滴径的分布较为均匀;而在远离喷嘴的喷雾下游,其径向滴径分布也更为均匀。
2.4 乙醇/柴油混合燃料稳态喷雾形态
为了判断喷油压力及乙醇/柴油混合燃料成分变化对其稳态喷雾形态的影响,试验中采用高分辨率的数码相机对各种混合燃料的喷雾形态进行了摄影记录。图11为喷孔直径0.18 mm、不同喷射压力下纯柴油的稳态喷雾照片。可以看出,随着喷油压力的提高,柴油喷雾锥角随之增大,且喷雾中连续液核的长度也随之变短。图12为柴油、E25、E75和乙醇4种燃料的稳态喷雾照片(喷孔直径为0.18 mm,喷油压力为6MPa)。由图12可见,在喷油参数相同的情况下,随着混合燃料中乙醇含量的增加,喷雾中连续液核的长度随之逐渐减少直至消失,且喷雾锥角也随之逐渐增大。
3 结论
(1)各种燃料喷雾索特平均直径(SMD)沿喷雾轴线均呈逐渐减小趋势,空间分布更为均匀;纯柴油在低压、稳态自由喷射条件下,其SMD在20~40μm范围内变化;随着喷油压力的提高,SMD随之减小,且其空间分布更趋均匀。
(2)由于乙醇具有较小的表面张力和黏度,因此,在相同的喷油条件下,其喷雾的SMD比柴油小,且空间分布也较柴油喷雾更均匀。
(3)随着乙醇混合比的增加,乙醇/柴油混合燃料喷雾的SMD随之减小,空间分布的均匀性随之提高;证明了在柴油中添加乙醇,有利于改善喷雾的雾化混合过程,降低喷雾质量对高喷油压力的依赖程度。
摘要：采用激光粒度分析仪对乙醇/柴油混合燃料稳态自由喷雾粒度分布进行了试验研究,并就不同喷油压力、喷孔直径对乙醇、柴油及乙醇/柴油混合燃料稳态自由喷雾粒度分布的影响进行了对比研究。试验结果表明:各种燃料喷雾索特平均直径(SMD)的空间分布沿喷雾轴线均呈逐渐减小的趋势,其中柴油喷雾的SMD在20～40μm范围内变化,乙醇喷雾较柴油喷雾具有更小的SMD,且其空间分布较为均匀;随着乙醇含量的增加,乙醇/柴油混合燃料喷雾的SMD不断减小,其SMD大小和空间分布均匀性介于柴油喷雾和乙醇喷雾之间。
关键词：内燃机,乙醇,柴油,燃料喷雾,粒度分布,索特平均直径
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GTL/柴油混合燃料 篇4
传统能源日益枯竭, 研究并发展可再生能源无疑成为维持人类生存必由之路。在所有替代燃料中, 生物柴油的热值最高, 且具有良好的兼容性[1]。近年来, 各国研究人员对生物柴油在发动机的实际应用上进行了广泛的研究[2,3,4]。发展生物柴油对国民经济的可持续发展, 减轻环境压力, 控制由汽车尾气引起的大气污染具有重要的战略意义。为了充分了解生物柴油对柴油机性能和排放物的影响, 本研究对柴油机燃用掺入不同比例生物柴油的混合燃料动力性能, 经济性能和排放性能进行了试验研究和分析。
利用石化柴油和生物质燃油的不同配比生成含0%生物柴油的生物柴油混合燃料B0, 10%生物柴油的生物柴油混合燃料B10、含20%生物柴油的生物柴油混合燃料B20、含50%生物柴油混合燃料的生物柴油B50、含100%生物柴油的生物柴油B100, 应用B0, B10, B20, B50, B100在台架上对发动机进行台架试验, 并对发动机的CO, HC, NOX排放, 不透光烟度, 燃料消耗率, 转矩、功率变化进行了对比。
1 试验装置
1.1 实验燃料
本实验所使用的柴油为市售0#柴油, 生物柴油由华中农业大学食品科技学院生物柴油课题组提供, 以菜子油为原料制备。
1.2 发动机性能参数
本文改装用柴油机为295T型立式、水冷、四冲程柴油机, 其主要性能参数:
柴油机型:立式、四冲程、水冷
燃烧室型式:涡流式
气缸数:2
缸径/行程/mm:95/115
压缩比:19.5
标定功率/kW:17.7
标定转速/r·min-1:2 000
最大转矩/N·m:97.1
最大转速/r·min-1:1 500
供油提前角:上止点前17.5°
1.3 主要测试仪器
主要测试设备关键测试精度, 如表1所示。
1.4 试验方案
发动机未做任何改动和调整, 分别燃用5种不同的混合燃料, 5种燃料分别为基准柴油及占体积10%, 20%, 50%, 100%的生物柴油混合物, 分别记作B0, B10, B20, B50和B100。试验前配制各种燃油, 静置3天后观察没有分层现象, 说明燃油充分混合。发动机更换燃油时, 燃油管路均用试验燃油冲洗。记录数据前, 发动机在中等负荷和转速下运行约30 min, 以便置换原来的燃油。试验按国家标准GB17691-2001规定的测量方法和全负荷速度特性以及不同转速下的负荷特性进行。
2 试验结果与分析
在相同的条件下, 发动机不做任何改动, 分别燃用B0, B10, B20, B50和B100, 并在相同的每一工况下进行外特性和负荷特性试验。
2.1 发动机外特性对比
2.1.1 外特性下转矩和功率对比
图1为外特性下发动机燃用B0, B10, B20, B50和B100时功率和转矩的对比。图1表明, 在所有转速范围内, 发动机燃用不同配比的生物柴油时, 转矩随着生物柴油百分比含量的增加略有降低, 相应的功率也略有降低。其中, 发动机燃用100%生物柴油时, 转矩和功率下降最大。转矩和功率的下降主要原因是生物柴油低热值比石化柴油低热值略低, 这是导致发动机转矩和功率略为下降的主要原因。
由图1可以看出, 如果把生物柴油和石化柴油适当混合, 发动机的动力性能基本不变。由此可见, 在不改变发动机任何参数的情形下, 可以掺烧部分生物柴油。
2.1.2 外特性下燃油消耗率的对比
图2为发动机燃用B0, B10, B20, B50和B100时燃油消耗率对比。图2表明, 发动机燃用不同配比的生物柴油时, 燃油消耗率随着生物柴油百分比含量的增加而增加。燃油消耗率的增加主要是因为生物柴油低热值比石化柴油低热值低, 这是导致发动机燃用生物柴油燃油消耗率增加的直接原因。
2.2 发动机负荷特性尾气温度对比
图3为最大转矩转速时发动机燃用不同配比生物柴油的尾气温度随负荷率变化的对比曲线。从图3中可以看出, 中低负荷阶段, 发动机掺烧生物柴油尾气温度变化不大;在高负荷阶段发动机掺烧生物柴油尾气温度比纯柴油时显著降低, 但都在发动机正常温度范围内, 表明双燃料发动机热状态正常。排气温度降低的主要原因是生物柴油的十六烷值比柴油的高, 滞燃期短, 着火落后期内积存的燃料较少。此外生物柴油含氧, 使燃烧更完全, 缸内温度增加, 从而使排气温度有所增加, 温度的变化是两者综合作用的结果。
2.3 发动机负荷特性排放性能对比
图4给出了最大转矩转速时发动机燃用不同配比生物柴油的排放量随负荷率变化的对比曲线, 其中图4 (a) , (b) , (c) , (d) 分别给出了CO, NOX, HC、烟度 (PM) 各排放物对比情况。
从图4 (a) 中可以看出, 最大转矩转速时发动机燃用不同配比生物柴油的CO排放量, 在低负荷时发动机CO排放量和生物柴油配比没有关系, 在高负荷及满负荷阶段随着发动机负荷增加, CO排放量明显减少, 表明燃用生物柴油可以减少CO排放。其主要是发动机滞燃期缩短、放热率峰值下降和缸内最高温度降低 (如图3所示) 密切相关。
从图4 (b) 中可以看出, 最大转矩转速时发动机燃用不同配比生物柴油的NOX排放量随生物柴油百分比含量的增加而增加, 表明掺烧生物柴油会增加NOx排放量。生物柴油自含氧10%左右, 相对供氧的富余使得NOX排放量增加。
从图4 (c) 中可以看出, 最大转矩转速时发动机燃用不同配比生物柴油的HC排放量随生物柴油百分比含量的增加而减少, 表明燃用生物柴油HC排放量显著下降。生物柴油自含氧10%左右, 有助于缓解燃油喷雾中高浓度区域的缺氧燃烧, 使得不完全燃烧的产物HC排放量下降。
从图4 (d) 中可以看出, 中低负荷阶段, 发动机燃用不同配比生物柴油烟度排放量差异不显著, 在高负荷阶段, 发动机烟度排放量随混合燃料中生物柴油的百分比含量的增加而显著减少。其主要原因是生物柴油中含芳香烃的量比较少, 含十六烷值较高。由于芳香烃的碳氢质量比 (C/H) 远大于烷烃, 因此一般芳香烃含量高的油, 其烟度愈大, 而烷烃含量愈多的油, 其烟度愈小, 因此混合燃料的碳烟排放随混合燃料中生物柴油的百分比含量的增加而显著减少。
3 结论
1) 发动机不经过改动掺烧生物柴油对油耗及排放的影响较大, 因生物柴油燃料热值的下降使得燃油消耗率增加, 掺烧生物柴油发动动机转矩和功率略有下降。
2) 随着掺烧生物柴油比例的增加, HC排放量下降, NOx比排放量略有增加, CO、烟度在中低负荷阶段无显著变化, 在高负荷阶段CO、碳烟排放随混合燃料中生物柴油的百分比含量的增加而显著减少。
3) 生物柴油是含氧燃料, 它有利于燃油完全燃烧, 对改善发动机高负荷时排放性能有利。
参考文献
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GTL/柴油混合燃料 篇5
我国成品油消费市场柴汽比 (柴油消耗量与汽油消耗量之比) 较高, 基本在2:1以上, 远高于欧美发达国家的柴汽比水平。随着中国经济的持续快速发展, 国内对柴油的需求量日益增大, 柴油短缺也更为严重, 甚至出现“柴油荒”。柴油机燃用汽/柴油混合燃料, 能够扩大汽油的使用范围, 缓解柴油和汽油的供需矛盾。
汽油与柴油是物理化学性质截然不同的2种燃料。汽油具有沸点低、挥发性好、辛烷值高、着火困难等特点;而柴油的挥发性差, 且十六烷值高, 容易着火。将物理化学性能差别极大的汽油与柴油燃料混合起来, 可以配制成一种宽馏分的混合燃料。混合燃料中含有沸点低、易挥发的成分, 容易形成相对均匀的混合气, 从而降低碳烟排放;同时含有沸点高、易着火的成分, 能够实现多点压缩着火, 从而提高指示热效率。此外, 汽/柴油混合燃料的途径如果能成功, 将预示着未来内燃机可采用宽馏分燃料, 即原油不必分馏成汽油、煤油和柴油, 这将大幅度降低车用燃料的炼制和运输成本, 具有巨大的社会效益。
迄今已有一些研究机构对汽/柴油混合燃料进行过研究。文献[1-3]在乙醇/柴油混合燃料喷雾特性、燃烧特性和燃烧可视化方面进行了大量研究, 结果表明:燃用乙醇/柴油混合燃料能显著降低柴油机的微粒排放和烟度排放。文献[4]研究了供油提前角对柴油/甲醇混合燃料燃烧排放性能的影响, 结果表明:由于甲醇、乙醇和汽油同属高辛烷值燃料, 其研究结果与汽/柴油混合燃料的燃烧排放特性相近。文献[5, 6]对汽/柴油混合燃料低温燃烧特性进行了研究, 结果表明:汽/柴油混合燃料滞燃期长且挥发性好的特点促进了燃油和空气混合, 能够同时降低NOx和碳烟排放, 可以在相对较小的废气再循环 (exhaust gas recirculation, EGR) 率条件下实现低温燃烧。文献[7]研究了柴油机低温燃烧燃用汽/柴油混合燃料时的燃烧与排放特性, 结果表明:汽/柴油混合燃料可以使碳烟排放大幅度降低, 改善柴油机低温燃烧时发动机的排放和性能。文献[8]对汽/柴油混合燃料的部分预混压燃 (partially premixed compression ignition, PPCI) 燃烧进行了试验研究, 结果表明:汽/柴油混合燃料具有滞燃期长且含有易挥发组分的特点, 能够有效促进燃油和空气的混合。文献[9-12]将汽/柴油混合燃料命名为dieseline, 结果表明:相比纯柴油, dieseline具有滞燃期长和挥发性好的特点, 更有利于实现PPCI燃烧。
目前对汽/柴油混合燃料的研究中, 汽/柴油比例多数固定, 还缺乏不同比例汽/柴油混合燃料对柴油机影响的研究。汽/柴油比例对发动机的燃烧与排放有着重要影响, 汽/柴油比例的优化也是后续研究的基础。本文中系统地研究了不同比例汽/柴油混合燃料对柴油机燃烧与排放特性的影响, 以探究最佳汽/柴油比例。在合适的汽/柴油比例下, 更进一步研究了喷油时刻和废气再循环对燃用柴油和汽/柴油混合燃料柴油机燃烧与排放特性的影响。
1 试验设备及试验方法
试验用机为4缸柴油机改造而成的单缸机, 发动机参数见表1。针对发动机的第1缸设计了独立的进排气系统和供油系统, 而对其他3缸不供油。
发动机台架测试系统如图1所示。缸压采集及放热率分析采用AVL公司的indicom 621型燃烧分析仪。常规气态排放物CO、HC和NO测量采用HORIBA公司的MEXA-584L型排气分析仪。由于NO排放占NOx排放的大部分, NO排放也可以有效地反应出发动机NOx排放水平。碳烟排放测量采用佛山分析仪公司的FBY-1滤纸式烟度计。
试验时进气温度控制在25℃, 水温控制在80℃。EGR率的计算是通过测量进气和排气中的CO2浓度, 然后求比值得到。本研究中, EGR率通过调节排气背压阀和安装在排气管及进气管之间的EGR阀来实现, 并通过水冷式废气中冷器对EGR气体进行冷却。
试验用燃油为北京市场上购买的国-Ⅳ汽油和柴油。试验中汽/柴油混合燃料中的汽油体积分数分别为0%、20%、40%、60%和80%, 分别记为D100G0、D80G20、D60G40、D40G60和D20G80。试验中发动机转速一直控制在1 400r/min, 没有采用进气增压, 柴油喷射压力固定在80MPa。
2 汽油掺混比对柴油机燃烧排放特性的影响
研究汽油掺混比对柴油机燃烧排放特性的影响时, 2种指示平均压力 (IMEP) 分别为0.55MPa和0.75MPa, 柴油喷射时刻控制在12°CA BTDC。
2.1 汽油掺混比对燃烧特性的影响
燃用不同比例汽/柴油混合燃料时的示功图和放热率如图2所示。从图2可以看出, 总体上随着混合燃料中汽油掺混比例的增加, 缸内最高燃烧压力升高, 缸内峰值压力出现时刻推迟。只有汽油掺混比例较大 (达到80%) 时, 由于燃烧滞后较多, 燃烧偏离上止点, 导致缸内最大压力略有降低。随着混合燃料中汽油掺混比例的增加, 缸内瞬时放热率峰值升高, 燃烧放热区间变窄, 并且峰值出现时刻推迟, 逐渐偏离上止点。
汽油体积掺混比例对滞燃期和燃烧持续期的影响分别如图3和图4所示。滞燃期定义为喷油时刻与瞬时放热率曲线由负变正的转折点所对应的曲轴转角之差。燃烧持续期定义为5%与90%累计放热时刻所对应的曲轴转角之差。
从图3可以看出, 随着汽油掺混比例增加, 滞燃期呈增加趋势, 且滞燃期增加的速率逐渐变快。汽油体积掺混比增至80%时, 滞燃期最大增加了5°CA, 原因是缸内喷入了汽/柴油混合燃料, 其中汽油挥发性好, 且汽化潜热比柴油高20%, 导致着火区域温度下降。此外, 由于汽油自燃性差, 着火区域中柴油比例降低, 导致低温放热阶段变缓, 滞燃期增加。
从图4可以看出, 随着汽油掺混比例增加, 燃烧持续期呈缩短趋势, 燃烧持续期最大缩短约为5°CA, 原因是混合燃料中汽油挥发性好, 促进了燃油和空气的混合, 改善了燃烧。燃烧持续期缩短有助于提高燃烧等容度, 改善热效率。
汽油掺混比对最大压力升高率的影响如图5所示。从图5可以看出, 总体上随着汽油掺混比例增加, 最大压力升高率呈增大趋势, 高负荷时最大压力升高率的增大更为明显。这是因为随着汽油掺混比例增加, 滞燃期延长, 滞燃期内形成的可燃混合气增多, 导致初期燃烧放热率加快。IMEP为0.55MPa、汽油体积掺混比例为80%时, 最大压力升高率有所下降, 原因是此时滞燃期过长, 燃烧相位过于滞后。
2.2 汽油掺混比对排放特性的影响
汽油掺混比对烟度的影响如图6所示。从图6可以看出, 随着汽油掺混比例增加, 烟度呈降低趋势, 高负荷时烟度降低效果更为明显, 最多降低了90%以上。这是因为除汽油和柴油本身物化特性不同之外, 滞燃期较长, 且混合燃料中含有沸点低、易挥发成份, 促进了燃油和空气的混合。
汽油掺混比对NO排放的影响如图7所示。从图7可以看出, 随着汽油掺混比例的增加, NO排放呈升高趋势。NO排放变化趋势与最大压力升高率的变化趋势相似。NO排放升高的主要原因是着火滞后期逐渐变长, 初期燃烧放热速率加快, 燃烧温度升高。
2.3 不同比例汽/柴油混合燃料对热效率的影响
汽油掺混比例对指示热效率的影响如图8所示。从图8可以看出, 随着汽油掺混比例增加, 指示热效率总体上变化不大, 维持了柴油机较高的热效率水平。某些工况点, 指示热效率甚至略有提高, 最多提高了2个百分点。随着汽油比例增加, 燃烧持续期缩短, 最大压力升高率升高, 有助于改善燃烧等容度, 提高热效率。
3 喷油时刻对燃用汽/柴油混合燃料柴油机燃烧特性的影响
研究喷油时刻对燃用汽/柴油混合燃料柴油机燃烧特性的影响时, 2种指示平均压力分别为0.55MPa和0.75MPa, 汽油掺混比例分别为0%、20%、40%、60%、80%。
喷油时刻对最大压力升高率的影响如图9所示。从图9可以看出, 随着喷油时刻的提前, 燃用不同比例汽/柴油混合燃料时, 最大压力升高率均呈升高趋势, 且汽油比例越大, 相应最大压力升高率的增加速率越大。发动机高负荷时, 最大压力升高率的增加也更为明显。汽油混合比例大时, 过高的压力升高率限制了喷油时刻的进一步提前。为了控制发动机的粗暴燃烧, 有必要适当推迟燃油喷射定时, 且汽油比例不宜过高。此外, 采用进气增压、提高混合气过量空气系数和引入废气再循环也是控制粗暴燃烧的有效方法。
燃烧相位对发动机的燃烧和排放有着重要影响。CA50是表征发动机燃烧相位的重要参数, 其定义为50%累计放热时刻所对应的曲轴转角。本文中进一步研究了喷油时刻对CA50的影响, 如图10所示。从图10可以看出, 随着喷油时刻的推后, CA50均呈现出明显推后的趋势, 且汽油比例大时, CA50的推后也更为明显。CA50过于滞后将会影响燃烧等容度, 降低发动机热效率, 燃烧也容易不稳定。汽油掺混比例过大时, 过于滞后的CA50燃烧相位限制了喷油时刻的推后。
从图9和图10可以看出, 汽油比例较大时, 发动机容易出现压力升高率过高和燃烧相位滞后的现象。为进一步分析这一现象, 本文中对不同喷油时刻和汽油比例时的工作区域进行了探讨。为了兼顾发动机燃烧噪声和热效率, 定义了发动机最佳工作区域, 认为最大压力升高率不宜超过0.8MPa/°CA, CA50不宜超过12°CA ATDC。
不同喷油时刻和汽油比例时的工作区域如图11所示。相同喷油时刻下, 随着汽油比例的增加, 最大压力升高率升高, 同时CA50燃烧相位滞后。汽油掺混比例增加后, 发动机最佳工作区域的喷油时刻可变范围变窄, 很难同时兼顾燃烧噪声和热效率。汽油比例超过50%后, 最佳工作区域的可调喷油时刻仅为3°CA左右。结合图6的分析可知, 汽油掺混比例越大, 降低碳烟排放效果越明显。因此, 综合考虑燃烧噪声、热效率和排放后确认, 最佳汽油掺混比例不宜过大或者过小, 应控制在适中的范围内。在本文中工况下, 最佳汽油掺混比例应控制在50%左右。
4 EGR对燃用汽/柴油混合燃料柴油机性能和排放的影响
为进一步降低NOx排放, 本文中深入研究了EGR对燃用汽/柴油混合燃料柴油机性能和排放的影响。试验中IMEP控制在0.45MPa, 汽油体积掺混比例为60%, 调节柴油喷射时刻将燃烧放热控制在-5°CA BTDC。
EGR率对燃用柴油和汽/柴油混合燃料柴油机热效率的影响如图12所示。从图12可以看出, 随着EGR率增加, 指示热效率基本不变。燃用汽/柴油混合燃料时的热效率基本与燃用纯柴油时一致, 这与图8的结论相同。
EGR率对燃用柴油和汽/柴油混合燃料柴油机NO排放的影响如图13所示。从图13可以看出, 随着EGR率增加, NO排放大幅度降低, EGR率达到40%时, NO排放仅30×10-6。这主要是因为引入的废气对进气进行了稀释, 降低了燃烧温度。
EGR率对燃用柴油和汽/柴油混合燃料柴油机烟度的影响如图14所示。从图14可以看出, 随着EGR率增加, 燃用柴油时的烟度呈升高趋势, EGR
率超过30%后, 烟度大幅度升高。而随着EGR率增加, 燃用汽/柴油混合燃料时的烟度则几乎保持不变。这说明在废气再循环的条件下, 与纯柴油相比, 燃用汽/柴油混合燃料能够同时降低烟度和NO排放, 对实现低温燃烧具有优势。
5 结论
(1) 随着汽油比例的增加, 滞燃期增长, 燃烧持续期缩短, 有利于燃烧等容度的提高, 同时最大压力升高率也升高。
(2) 随着汽油比例的增加, 碳烟排放大幅度降低, NO排放有所升高, 同时指示热效率基本不变。
(3) 随着喷油时刻提前, 最大压力升高率均呈升高趋势, 且汽油比例越大, 最大压力升高率的增加速率越大。
(4) 随着喷油时刻推后, CA50燃烧相位均呈现出明显推后的趋势, 且汽油比例大时, CA50的推后也更为明显。
(5) 随着汽油比例的增大, 发动机喷油时刻可变范围变窄。综合考虑燃烧噪声、热效率和排放后确认, 汽油比例应控制在适中的范围内。在本文中工况下, 最佳汽油掺混比例应控制在50%左右。
(6) 在废气再循环的条件下, 与纯柴油相比, 燃用汽/柴油混合燃料能够同时降低烟度和NO排放, 在实现低温燃烧上具有优势。
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GTL/柴油混合燃料 篇6
为了解决高十六烷值燃料( F-T柴油) 的碳烟与NOX的trade-off关系,F-T柴油与含氧替代燃料的掺混燃烧是不错的选择。醇燃料是一种来源广泛的含氧燃料,国内外学者对于醇类燃料在发动机中进行了广泛的研究,包括甲醇汽油、乙醇汽油、甲醇柴油、乙醇柴油、丁醇柴油。研究表明醇类燃料能够显著降低碳烟的排放,提高发动机的热效率［8］。
但是F-T柴油与不同醇燃料的掺混燃烧对发动机性能与排放的影响鲜有研究。本文以F-T柴油为基础燃料,在不改变4100QBZL柴油机结构参数和供油提前角的情况下,通过添加相同比例的甲醇、乙醇、丁醇燃料研究不同醇类燃料对发动机性能的影响规律。
1 试验燃料及理化性质
试验所用燃料包括常规商业0#柴油,山西华顿实业有限公司提供的无水甲醇、乙醇、正丁醇和潞安集团提供的F-T柴油。其中0#柴油作为试验对比燃料,以F-T柴油为基础配制体积分数为10% 的F-T柴油/醇混合燃料,分别记为M10、E10 和N10,表1为各基础燃料的一些理化特性。
F-T柴油的高十六烷值特性使发动机燃烧柔和,振动降低,实现低温燃烧,但是也有可能造成碳烟排放的升高; 而醇类燃料能够显著降低碳烟的排放。因此,本文所配制的混合燃料就是具有高十六烷值特性的醇类混合燃料。
2 试验设备及方法
试验用发动机型号为云内动力公司的YN4100QBZL,是一台四缸、水冷、增压中冷、直喷式柴油机,主要参数见表2。
试验采用四川诚邦公司的ET2500 重力型油耗仪测量发动机油耗,使用DW160 电涡流测功机对发动机进行负荷调节。试验使用奇石乐公司的6125B缸内压力传感器以及4618A2 电荷放大器来获取缸内燃烧压力,并结合2613B角标仪测取的曲轴转角信号( 采样间隔为0. 1°) ,在德维创公司的DEWE-800-CA-SE燃烧分析仪上实现对缸内燃烧情况的分析。气态排放使用多组分测试系统AVL( system foremission sampling and measurement, SESAM )FTIR i60傅里叶变换红外光谱仪,该FTIR光谱仪可以同时对汽车尾气排放中多达25 种有害气体进行测量和分析,可以测量汽车尾气中的甲醛、乙醛、丙酮、甲苯、二氧化硫、二氧化碳等非常规气态排放物。使用AVL的Micro Soot Sensor 483 微碳烟排放测试系统实时在线检测排气中的碳烟微粒污染物。试验在发动机静态供油提前角保持不变的条件下,根据GB / T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》,分别对0#柴油、M10、E10、N10 及F-T煤制油5 种油品进行油门开度100% 的速度特性以及最大扭矩转速( 2 000 r/min,2 400 r/min) 下的负荷特性试验。在试验过程中,待发动机在测试工况运转稳定30 s后,对燃油消耗量进行3 次测试,取平均值作为试验结果; 对排放污染物进行1 min测量,舍弃前后15s、取中间30 s的测试数据,求其平均值作为试验结果; 对燃烧分析仪采集的所有工作循环,选取中间的100 个循环进行燃烧分析,以降低试验误差。
3 试验结果及分析
3. 1 燃烧特性分析
直喷式柴油机的燃烧过程可划分为滞燃期、预混燃烧期、扩散燃烧期和后燃期。柴油机理想的燃烧模式是: 首先控制预混燃烧量降低初始燃烧温度实现NOX下降,然后保持快速燃烧,缩短扩散燃烧期,以改善燃油经济性和降低碳烟排放。
以下为M10、E10、N10、F-T柴油与0#柴油5 种燃料在2 000 r/min、平均有效压力为0. 38 MPa下燃烧特性参数: 预混合燃烧期、扩散燃烧期、燃烧始点、CA50( 累计放热量达50% 时对应的曲轴转角) 、缸内压力以及燃烧放热率的变化情况。
3. 1. 1 燃烧过程分析
五种燃料的燃烧过程参数的对比见表3。
由表3 可知,混合燃料的预混合燃烧期小于0#柴油大于F-T柴油,而扩散燃烧期却恰好相反。这主要是因为F-T柴油的十六烷值高,着火提前,滞燃期内形成的预混合气较少,急燃期内燃烧的预混合气少,急燃期缩短,而醇燃料的加入使得混合燃料的汽化潜热增大,缸内温度降低,滞燃期延长,形成的预混合气相对增多,急燃期变长; 相反F-T柴油在扩散燃烧阶段燃烧的比重增加,使得缓燃期延长,醇燃料的加入使得扩散燃烧的速度加快,缓燃期稍有降低。
CA50 是50% 燃烧质量分数所对应的曲轴位置,能够反应燃烧过程的能量分布,对于发动机工作过程的经济性与排放特性都有重大影响［9］。因此,CA50 是评价燃烧能量释放过程的重要参数［10］。由表3 可知,虽然混合燃料的十六烷值很大,燃烧始点提前,但是由于前期燃烧的燃油量较少,放热量有限,使得CA50 有所增大,燃烧放热中心向后推迟。
3. 1. 2 燃烧特征分析
缸内压力随曲轴转角变化的规律是较为常用的分析曲线,即示功图。其中压力峰值及其峰值相位是两个重要参数,压力峰值越高,柴油机做功能力越强,有利于动力性的提升。通过放热率曲线的形状、放热率峰值及其相位等参数可以定性地评价燃烧质量。预混合燃烧的放热率较大,有利于提高燃料的定容燃烧比重,可有效地提高燃料的燃油经济性。但是若峰值过高,燃烧的振动噪声也会过大,从而导致柴油机的机械负荷增大。扩散燃烧对发动机的经济性以及排放性能至关重要,通常我们希望能够提高扩散燃烧的速度,以降低污染物的排放,改善燃油经济性。图1 为发动机在2 000 r/min、0. 38 MPa工况下,各燃料的缸压与燃烧放热率曲线对比。
图1混合燃料对于发动机燃烧特性的影响Fig.1 The influence of the mixed fuel on engine combustion characteristic
由图1 可知,混合燃料的缸压峰值介于0#柴油与F-T柴油之间,峰值所在相位在上止点后5°CA左右,相差不大。其中可以看到F-T柴油掺烧醇燃料可以明显改善燃烧质量,提高缸压,有利于改善发动机的动力性能,但又不至于增加发动机的机械负荷。由燃烧放热率曲线可以看出: 相对于0#柴油,混合燃料燃烧始点提前,燃烧放热率第一峰值点降低,所在相位提前,预混合燃烧放热量降低,有利于降低燃烧过程的最高温度,实现低温燃烧;第二峰值点升高,扩散燃烧所占比重增加,提高了缓燃期的温度,利于碳烟颗粒的氧化降解,但燃料的含氧特性提高了扩散燃烧速度,使得峰值所在相位提前。
3. 2 动力经济性能分析
3. 2. 1 动力性分析
发动机的动力性能指标主要有有效转矩、有效功率和活塞平均运动速度。图2 为混合燃料在不同转速100% 油门开度下测试得到的发动机最大功率。影响发动机动力性能的决定因素是燃料体积热值大小。图中可以看到,相比于0#柴油,F-T柴油的动力性降低,降低幅度在8% 左右,这主要是由F-T柴油的体积热值较低导致的。F-T柴油掺烧醇燃料之后,因为醇类的体积热值更低,混合燃料的体积热值进一步降低,动力性能降低,平均降低幅度在10% 左右; 但是可以看到E10 燃料表现出更好的动力性,由此前对燃烧特性的分析可知,燃料中添加少量乙醇后,燃烧等容度的提高作用强于燃料体积热值的降低效果,表现出在油门全开工况下,做功能力更强,动力性提升。动力性能的降低对汽车日常使用影响不大,主要在汽车加速爬坡时起作用,因此可以通过适当增加喷油量,以保证动力性。
图2混合燃料对发动机动力性能的影响Fig.2 The influence of the mixed fuel on engine power characteristic
3. 2. 2 经济性分析
柴油机的经济性指标主要由燃油消耗率( be)表征。
图3 为发动机在外特性与2 400 r/min下的燃油消耗率对比曲线。
总体来说,混合燃料对于柴油机经济性能影响较小。由图可知,相对于0#柴油,F-T柴油的燃油消耗率有所降低; 混合燃料随着醇燃料碳原子数的增加,油耗率降低,其中M10 燃料的油耗率最大,这是因为燃油消耗率由其质量热值决定,F-T柴油的质量热值高于0#柴油,油耗率降低; 而醇燃料的质量热值比较低,随着醇中碳原子的增加,混合燃料的质量热值增加,燃油消耗率降低。
图3混合燃料对于发动机经济性能的影响Fig.3 The influence of the mixed fuel on engine power characteristic
3. 3 排放特性分析
3. 3. 1 NOX排放
图4 为外特性下混合燃料的NOX排放随发动机转速的变化曲线。
图 4 混合燃料的 NOX排放Fig. 4 NOXemissions of mixed fuelsunder external characteristic
随着转速的增加,NOX排放先降后升,出现NOX排放的最低转速点; 混合燃料的NOX排放与原机相比明显降低,在2 000 r/min下,达到最大降幅23. 19% 、19. 77% 、18. 67% 。根据燃烧过程中氮原子的氧化机理,氧分子在高温下首先裂解,开始与氮分子反应生成NO和氮原子。氮原子进一步与氧结合产生氮氧化合物。因此,局部的高温,氧原子的浓度和高温持续时间是NOX生成的化学反应动力学主要因素［11］。随着转速的增加,缸内燃烧温度增加,高温持续时间缩短。在折点之前,随转速升高,高温持续时间的缩短起主要作用,出现了NOX排放的降低; 折点之后,随转速升高,高温环境促使NOX排放升高。影响混合燃料NOX排放的因素如下: 1F-T柴油的高十六烷值特性使得燃烧始点提前,预混合燃烧放热率降低,最高燃烧温度降低; 2 醇燃料的高汽化潜热和较低的热值降低了进气充量的温度,降低燃烧最高温度; 3 含氧燃料加快了反应速度,减少了高温持续时间。由燃烧放热率分析可知,混合燃料的预混合燃烧放热率峰值明显降低,缸内最高燃烧温度降低,低温燃烧是混合燃料NOX排放降低的主要因素。
3. 3. 2 碳烟排放
碳烟生成主要是柴油机燃烧时,燃料与空气混合不均匀,造成局部过浓,在高温缺氧条件下生成的。根据Kitamura等人的研究,碳烟生成在局部当量比大于2 和温度在1 600 ~ 2 500 K之间［12］。虽然柴油机缸内总体上是富氧燃烧,但是混合气成分不均,局部缺氧还是会导致碳烟的生成,而含氧燃料能够很好的解决燃烧过程中局部缺氧这一问题。由图5 可以看到,混合燃料的碳烟排放明显低于原机模式,高转速下表现更加明显。高十六烷值燃料与醇燃料的混合燃烧不仅能够降低燃烧最高温度,而且可以改善扩散燃烧的缺氧状况来促进燃烧,从而降低碳烟排放。相对于原机水平,混合燃料M10、E10 与N10 的碳烟平均降低幅度分别为80. 40% 、67. 20% 、71. 47% 。
图5外特性下混合燃料的碳烟排放Fig.5 Soot emissions of mixed fuels under external characteristic
4 总结
通过分析F-T柴油与醇燃料的混合燃烧过程,可以看到其具有如下特点:
( 1) 可以优化燃烧过程,降低预混合燃烧放热量,实现低温燃烧,可以实现NOX排放的降低,增加扩散燃烧放热量,有利于碳烟的氧化;
( 2) 动力性能有一定程度的降低,经济性能基本不变;
( 3) 醇类燃料可以改善柴油机性能,其中甲醇对于发动机排放性能的优化效果最好。
摘要：在F-T柴油中添加10%体积比的甲醇、乙醇与丁醇燃料,研究不同的醇燃料对于发动机性能的影响。研究结果表明:相对于0#柴油,混合燃料燃烧始点提前,燃烧放热中心向后推迟,燃烧放热率第一峰值点降低,所在相位提前,预混合燃烧放热量降低,有利于降低燃烧过程的最高温度,实现低温燃烧;第二峰值点升高,扩散燃烧所占比重增加。相比于原机水平,混合燃料动力性能有10%左右的降低,燃油经济性能变化不大。在外特性2 000 r/min下,混合燃料M10、E10与N10的NOX排放分别降低23.19%、19.77%、18.67%。外特性下,碳烟排放分别平均降低80.40%、67.20%、71.47%。因此,煤基醇燃料能够实现NOX与碳烟排放的同时降低,并且相同体积的甲醇燃料对于柴油机排放的优化效果更加明显。
GTL/柴油混合燃料 篇7
与石化柴油相比,生物柴油具有优良的环保特性、较好的低温起动性能、良好的润滑性及可再生性,是理想的柴油补充燃料之一[1]。近10年来,生物柴油产业发展迅速,成为了全球性的新兴产业。生物柴油的原料,美国以大豆为主,德国和其他欧盟国家以油菜籽为主,东南亚各国以棕榈油为主,日本主要采用餐饮废油。我国植物资源丰富,产油植物有400余种,主要有花生、油菜、花椒等草本产油植物以及油茶、油桐、油棕等木本产油植物。另外,中国每年产出大量餐饮废油脂,这些都可以作为生物柴油的原料[2]。但是,目前我国在生物柴油原料的生产、利用方面还存在很多问题,提供的原料尚不足以支撑生物柴油规模化生产。因此筛选、评价出优良的能源植物物种,并对其进行合理的开发和利用,是推动我国生物柴油产业发展所必须首先解决的关键环节和重要课题[1]。
生物柴油在发动机上的应用已进行了大量的研究,包括对不同原料制备生物柴油的生命周期能耗和排放的评价,及对柴油机燃用生物柴油时性能和排放特性的研究等[3,4,5,6]。本文基于花椒籽、棉籽、棕榈和餐饮废油脂4种不同原料制生物柴油,在一台电控泵喷嘴TDI 1.9L柴油机上的应用结果,研究不同的生物柴油原料对发动机性能的影响。所选的生物柴油原料分别属于草本植物、木本植物以及餐饮废油脂。
1 试验装置与方法
试验样机为一台电控TDI柴油机,主要参数如表1所示。主要试验设备为PUMA全自动台架(功率的误差小于0.4%)、AVL-PEUS多组分气体测试仪(CO、HC、NOx测量的相对误差分别为0.52%、0.51%、0.38%)、AVL烟度测试仪(相对误差为0.85%)等。试验用油为花椒籽、棉籽、棕榈和餐饮废油脂制生物柴油与0#车用柴油按1∶9的体积比掺混的混合燃料及纯0#车用柴油。为简明起见,以上4种混合燃料分别记为:P10、C10、PA10和W10。各种燃料的理化指标见表2。试验目的是在不改变发动机相关参数的情况下测试TDI柴油机燃用混合燃料时的动力性、经济性和排放特性。试验工况包括发动机外特性、最大转矩转速(1 900 r/min)负荷特性和标定转速(4 000r/min)负荷特性。为进一步减小测量误差,本试验共进行了2次,所得数据为2次试验的均值。
2 试验结果与分析
2.1 动力性
图1为外特性时5种不同燃料的功率比较。从图1可以看出:混合燃料的功率变化总体趋势与纯柴油相同,除PA10外,其余混合燃料功率相对纯柴油均有小幅下降,P10、C10、W10的平均降幅均在2%左右,原因主要是混合燃料的低热值较低所致。而PA10的功率和纯柴油基本一致,出现这种情况可能的原因是PA10的十六烷值高,从而滞燃期短,使其后燃减少,功率基本不变。
2.2 经济性
图2为5种不同燃料的燃油消耗率变化比较。如图2a所示,外特性时混合燃料和纯柴油的燃油消耗率曲线基本重合。说明全负荷时柴油机燃用这4种混合燃料在经济性方面差别不大。如图2b所示,负荷特性时,混合燃料和纯柴油的燃油消耗率变化曲线基本重合,但是在1 900 r/min的中小负荷时与0#柴油有明显的差异,在1 900 r/min、25%负荷率时,P10、C10、PA10和W10燃油消耗率平均增幅在2%~3%之间,主要原因在于低转速低负荷时,缸内温度较低,而生物柴油的黏度较高,导致雾化不良,燃烧不完全。此外,负荷特性时4种混合燃料的燃油消耗率曲线十分接近,进一步说明了这4种不同混合燃料在经济性方面差别不大。
2.3 排放
2.3.1 碳烟排放
图3为5种不同燃料的碳烟排放结果。如图3a所示,外特性时混合燃料碳烟排放比纯柴油低,这是因为生物柴油含氧且十六烷值高。P10、C10、PA10和W10的碳烟排放平均降幅分别达18%、15%、6%、10%,其中P10和C10的降幅最大,原因在于这两种油的黏度较小,雾化较好。如图3b所示,负荷特性下混合燃料的碳烟排放比纯柴油低,4 000r/min时,P10、C10、PA10和W10碳烟排放平均降幅分别为6%、7%、11%、8%,其中PA10的降幅最大,原因在于PA10十六烷值最高,着火性能更好,而且氧含量也较高,可以改善燃烧过程。1900r/min时,P10、C10、PA10和W10的碳烟排放平均降幅分别为23%、17%、14%、20%,其中P10的降幅最大,原因如上文所述。
2.3.2 CO排放
图4为5种不同燃料的CO排放变化比较。如图4a所示,外特性时混合燃料的CO排放普遍比纯柴油低,这是因为生物柴油的十六烷值高,易着火,燃料有更多的时间氧化,同时生物柴油含氧也改善了缸内的燃烧。P10、C10、PA10和W10 CO排放平均降幅分别为8%、11%、8%、4%,其中W10的降幅最小,原因在于W10的运动黏度最大而十六烷值最小,黏度高导致混合气混合不均匀,较低的十六烷值使其着火性能降低,此外W10的氧含量也较低,这些都不利于燃料完全燃烧。如图4b所示,负荷特性时混合燃料的CO排放普遍比纯柴油排放低,在中高负荷时这种差异更明显,原因在于中高负荷时,缸内空燃比低,而生物柴油含氧在燃烧过程中能起助燃作用。4 000 r/min时,P10、C10、PA10和W10相对纯柴油CO排放平均降幅分别为10%、16%、13%、8%,而在1 900 r/min时,它们的平均降幅分别为14%、10%、14%、8%,还是W10的降幅最小,原因如上所述。
2.3.3 HC排放
图5为5种不同燃料的HC排放比较。如图5a所示,外特性下混合燃料和纯柴油的HC排放都很低,均在8×10-6之下,这是因为柴油机使用涡轮增压器和氧化催化器的缘故。但是P10、C10、PA10和W10的HC排放仍普遍低于纯柴油,它们的平均降幅分别为28%、18%、12%、22%,原因在于生物柴油的十六烷值高、芳香烃含量低且含氧。在这4种混合燃料中,P10的降幅最大,这是因为P10的黏度最低,较低的黏度有利于燃料的雾化,使燃烧更完全。从图5b可以看出,负荷特性下,不同原料制生物柴油的HC排放明显低于纯柴油。在4000 r/min的负荷特性下,P10、C10、PA10和W10的HC排放平均降幅分别为26%、6%、27%、24%,在1 900r/min负荷特性下,P10、C10、PA10和W10的HC排放平均降幅分别为37%、21%、38%、22%,其中PA10的降幅最大,而C10和W10的降幅较小,这是因为PA10有最高的十六烷值和含氧量,所以燃烧更完全,而C10和W10的十六烷值和含氧量都较低,导致降幅较小。
2.3.4 NOx排放
图6为5种不同燃料的NOx排放变化比较。如图6a所示,除个别工况点外,混合燃料的NOx排放均高于纯柴油。主要原因有:(1)生物柴油燃烧时产生的碳黑较少,从而使火焰的辐射损耗热量降低,绝热温度升高,增加了燃烧过程中NOx的生成[7];(2)生物柴油含氧使局部缺氧情况得到改善,有利于NOx的生成。P10、C10、PA10和W10相对纯柴油的NOx排放平均增幅分别为10%、4%、9%、6%,P10和PA10的增加幅度最为突出,原因是它们的含氧量较大。此外,从上文的分析也可以看出,P10产生的碳黑最少,这也有利于NOx的生成。从图6b可以看出,在4000r/min的中小负荷时,生物柴油和纯柴油的NOx排放相近,随着负荷的升高,生物柴油相比纯柴油NOx排放有较明显的增加,但整个过程平均增幅很小,P10、C10、PA10和W10的平均增幅分别只有1%、3%、5%、2%。在1 900 r/min的负荷特性下,P10、C10、PA10和W10 4种燃料的NOx排放与纯柴油相比相差不大,平均增幅分别为6%、7%、5%、2%。
3 结论
(1)生物柴油的原料具有多样性,但不同原料制生物柴油与纯柴油在较低的比例(10%)下掺混所得的混合燃料在使用性能上没有太大的区别。各种混合燃料均可以在发动机结构与参数未做任何调整的情况下使用。
(2)在动力性方面,混合燃料除PA10之外都比纯柴油稍有下降,PA10与纯柴油基本一致。4种混合燃料的油耗与纯柴油差别很小。
(3)生物柴油混合燃料的烟度、CO、HC排放普遍都比纯柴油低,NOx排放比纯柴油略高,但增幅不大。
(4)各种混合燃料针对不同原料种类的排放表现各异,具体取决于燃料本身的理化指标及发动机的工况,但综合来看,在P10、C10、PA10和W10 4种燃料中,PA10和P10的性能相对较为优异。初步说明了草本和木本产油植物都具有巨大的应用前景。
参考文献
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