使用异丁醇柴油混合燃料的柴油发动机的性能和排放特性

1、使用异丁醇柴油混合燃料的柴油发动机的性能和排放 特性摘要：本次研究的目的在于探究在柴油机中用异丁醇柴油混合燃料代替柴油的适用性，并用实验探究其对发送机性能和排放的影响，即对有效功率、有效燃油消耗率、有效热效率及CO,NOx和HC排放的影响。为此，我们准备了4种分别含5%、10%、15%及20%异丁醇的混合燃料作为基准，并在一个自然吸气四冲程直喷式柴油机上作测试。测试时发动机为满载，转速在1200到2800r/min，以200r/min作为间隔。将用混合燃料后得到的结果与用柴油时作了比较，测试结果表明，有效功率在异丁醇含量在10%内时略有减少，而在15%到20%是显著减少。有效燃油消耗率随着混合

2、物中异丁醇含量增加成比例增加。虽然比柴油的最高有效热效率相对较低，当用含10%异丁醇的混合燃料时，在发动机处于高转速时的最高有效热效率有小幅度的提升。结果还表明，与柴油相比，用混合燃料时CO和NOx的排放减少，而HC排放显著增加。1介绍由于化石燃料的日益减少，传统化石燃料的价格增加以及处于环境考虑热对排放的限制，人们对可替代能源和可再生能源的兴趣日益增加。目前，许多国家都在寻找用可再生能源来替代传统燃料的方法。在这些燃料中，醇类燃料无论是与传统燃料混合或作为一种添加剂成分，都受到越来越多的关注。由于他们的高辛烷值和氧含量，SI发动机中用醇类燃料比有汽油能有更好的燃烧性能。然而，醇类燃料的一个重

3、要问题就是在CI发动机中使用时其与空气混合困难，其十六烷值低，汽化潜热高，点火延迟长。为了克服这些问题并在CI发动机中使用醇类燃料，不同地方法如酒精熏蒸、复式喷射、醇与柴油混合机和酒精柴油燃料的乳化都可以使用。 研究表明，使用酒精柴油混合燃料的柴油发动机点火延迟期延长，这多时间取决去酒精混合的类型且随着混合物中酒精的含量的增加而增加。然而，使用混合燃料有效的改善了尾气的排放。Ajav等人，在匀速柴油机下测试了不同比例的混合燃料。他们发现 ，混合了20%酒精的燃料比只用柴油的燃料增加了9%的燃油消耗，而CO、NOx的排放很低。Abu-Quadis等人，用实验比较了乙醇熏蒸和与柴油混合时的柴油发动

4、机的性能与排放。他们发现熏蒸和混合在发动机的性能及排放上有可比较的影响。在另一方面，有效功率、CO和NOx排放有所增加，当时在用乙醇混合燃料低烟尘浓度降低。He等人，测试了用溶剂添加剂的混合燃料，添加剂是为避免分离并提高辛烷值，从而提高点火性能。他们得出结论，在大多数的发动机工况下，随着燃料混合物中酒精含量的增加，烟尘含量、NOx、CO2的排放降低，而CO、乙醛和未然乙醇含量有增加的趋势。 与传统的化石燃料相比醇类有不同的物理化学性质。此外，发动机和燃料系统中的一些修改很有必要以在CI发动机中使用酒精燃料。然而研究表明酒精含量在20%内是通常不需作较大的改变。正如上述文献中所示，这里对乙醇和甲

5、醇的在CI发动机作燃料方面作了大量的研究。然而，对异丁醇还没在排放角度和温度方面做集中地研究。这归因于一些异丁醇一些特性如高成本、产量限制等。在另一方面，在一些调查中，利用他的高辛烷值，异丁醇被用于在SI发动机中的与汽油混合。此外，他还被用作燃料添加剂以提供稳定的乙醇与柴油的混合燃料。虽然还没有广泛的实验调查，异丁醇一些特性使得他适合作为CI发动机的代替燃料。一个重要的异丁醇属性是它能从石油或石油资源出厂。由于他能从农作物中生产，它被分作可再生生物燃料。此外，众所周知，如果酒精包含一些水，当酒精和柴油混合时，分离问题将是一个重要问题。与乙醇和甲醇相比，异丁醇亲水性相对较低，这使得他更容易与汽油

6、和柴油混合。此外，混合异丁醇的柴油能保持长期稳定而不发生分离。如表一所示，异丁醇的气化潜热和比重与柴油的非常接近，尽管净热值异丁醇高于乙醇和甲醇。它比柴油机净热值低23%。高净热值对发送机的性能和燃油消耗是一种有效的优势。和乙醇和甲醇相比，异丁醇空燃比较高，更接近于柴油发动机。像其他醇类燃料一样，异丁醇是含氧燃料，氧含量为21.5%，这能更显著促进燃烧过程。点火延迟更高的主要原因之一是异丁醇有更高的气化潜热，然而，异丁醇的显著优势是其蒸发热非常接近柴油机。异丁醇直接代替柴油的主要障碍是其十六烷值低使得自然性能弱。但是，由于异丁醇的十六烷值非常接近乙醇和甲醇，早其的研究显示利用20%的异丁醇混合

7、燃料是可行的方案。本研究的目的是调查不同的异丁醇柴油混合物对柴油机的性能和排放特性的影响。对此，准备了四种含量的混合物并在柴油机上做了测试，含量分别是5%、10%、15%及20%.测试结果与柴油燃料的测试结果作了比较。2 实验步骤和实验过程 测试在单杠直喷的柴油机上作了测试，如图1所示。主要规范在表2中给出。为确定发动机转矩，测试机的与电力测功机相连，电力测功机由一个电阻加载。应变载荷传感器被用来确定测力计上的负荷。发动机的转速有在测工器上的速度传感器测量。发动机燃油消耗率用最小量程为0.1的磅秤和最小时间为0.1秒的电子钟共同完成。发动机装有流量计和压力计以测量进气量的质量流量。空气缓冲罐被

8、用于消除发动机产生的脉冲，这样可以保持有一个稳定的空气流动。HC和CO用MCU易光达1600废气排放分析仪测ppm和百分数，NOx用MCU气体分析仪测ppm。空气入口、发动机冷却水进口、换热器出口、废气出口和废气换热器出口的温度都用K型热电偶测量。在实验过程中的进气空气湿度保持在40±5%。四种混合燃料按体积制备并与纯柴油共同进行实验。混合物分别是含95%的柴油和5%异丁醇、含90%柴油和10%异丁醇、含85%柴油和15%异丁醇及含80%柴油和20%异丁醇。在每个实验前，混合物用电动搅拌器搅拌均匀，据观察，异丁醇更容易地使混合柴油燃料和共混物长时间保持其均匀性。在实验中采用的作为基础

9、的燃料是从当地的石油公司买到的是2号柴油。异丁醇与柴油的物理和化学性质在表1中列出。所有的测试都是在稳态条件下进行。试验首先对柴油燃料进行以获得的发动机的基础数据。每个试验重复三次，结果取平均值。所有测试都在满负荷下进行测试，发动机的转速在1200和2800rpm间以200rpm的间隔改变。每个燃料试验后，发动机运行至少30min以消耗之前的试验中所剩下的燃油。所有测试均在171bar的喷射压力下进行。试验获得的性能参数和排放参数的比值在图表中进行了比较。3 结果与讨论3.1 功率用异丁醇柴油燃料后发动机制动功率想叫柴油燃料的百分比变化如图2所示。如表1所示，异丁醇比柴油燃料降低了大约23%的

10、净热值。主要是由于异丁醇柴油混合燃料较低的的能量含量，制动功率低于纯柴油是制动功率。降低的其他原因是异丁醇柴油混合燃料的低密度和粘度的以及低十六烷值，其十六烷值在15以下。较低的燃油粘度导致高的燃料泄漏，从而产生较低的制动功率。在另一方面，当供给燃料十六烷减小时，柴油发动机的点火延迟时间增加。因此平均有效压力和发动机制动功率变低。ISB5和ISB10与柴油燃料相比，制动力在低速时下降，在高速略有增加。这可以归因于在高速是缸内温度高，相应点火延迟减少。相对于ISB20相当大的降低，ISB15轻微降低发动机制动功率。isb10 isb20制动功率分别平均降低1.47%到6.04%。以往的研究也报道

11、当采用酒精柴油混合燃料时由于燃料低能量含量，发动机时功率下降。3.2 有效制动燃油消耗（BSFC） 在纯柴油燃料作为参考时异丁醇柴油机混合燃料燃油油耗率的变化如图3所示。BSFC定义为制动功率的质量油耗比。由于共混物中异丁醇导致的能量的减少，随着异丁醇含量增加，相对于纯柴油，通常有油耗增加的趋势。在测试油耗最小值时通过较低的燃油消耗率及高制动功率以获得柴油燃料。当发动机充满高异丁醇含量的共混物燃料时BSFC有显着增加，这是由于较高的燃料消耗率和降低制动功率。ISB20、ISB5相比于纯柴油平均的油耗分别增加2.06%至8.55%。3.3 制动热效率（BTE）异丁醇柴油燃料与纯柴油燃料相比的BT

12、E的变化如图4所示。，与纯柴油燃料相比，使用ISB5和ISB10时BTE有非常轻微的降低。在共混物测试操作中，混合物含量至10%时，发动机有相对高的BTE值，这可以归因于共混物的氧含量促进燃烧造成。此外，共混物达10%时能量含量和十六烷值不会有明显降低。此外，使用isb5特别是isb10时，发动机在高速时BET略有提高。这可能归因于在异丁醇共混物达10%时，发动机高转速时，低十六烷值得到补偿。高温提高燃料汽化及与空气混合过程，从而缩短点火延迟。用IBS15和IBS20可以观察到BTE明显的下降，这使得制动功率明显减少及燃料消耗率明显增加。3.4 排气温度用异丁醇柴油混合燃料与用纯柴油燃料在发动

13、机排气温度的差异如图5所示。混和燃料的排气温度通常低于柴油燃料。这可能是由于混合燃料含氧和其辛烷值低使得其能量含量较低。由于含氧和能量含量低，含氧燃料通常会导致较低的燃烧温度。在IBS20时可以观察到其最高的排气温度最低，这是由于在所有测试燃料中具有的最低能量含量。类似的结果在各种含氧燃料发动机试验中得出。3.5 CO排放异丁醇柴油发动机相对于纯柴油燃料的CO排放量的变化如图6所示。在使用中的混合燃料中，与纯柴油相比CO的排放量在发动机转速较低时通常会略有增加，在中、高速时顺利下降。CO排放量减少的其中一个原因可能是混合物含有较低C/H比的异丁醇，如表1所示。此外，如前所述，ISB10在所有燃

14、料中有最高发动机功率和BTE值，而异丁醇含量超过10%时会导致发动机功率和BET值的减少。这可以归因于一个事实，含异丁醇超10%时减少的十六烷值相对的减缓了燃烧过程。因此，IBS10、IBS5相对异丁醇含量较高的混合燃料减少了CO排放量。此外，混合物中氧含量提高了燃料和空气的混合过程，尤其是在气缸的燃料丰富的地区提供更多的氧及丁醇与柴油的混合，由于较低的化学计量的空燃比，使得二氧化碳排放量降低。用混合燃料比用柴油燃料平均二氧化碳排放减少3.2%和11.3%之间。3.6 NOx排放 异丁醇柴油发动机与用纯柴油燃料的NOx排放的变化如图7所示。可以看出，利用混合燃料相比采用柴油燃料，NOx排放有下

15、降趋势。NOx排放的减少量异丁醇在混合燃料中的含量通常是成比例。柴油机的NOx排放取决于对各种原因如燃料特性和发动机的工作条件。众所周知，NOx排放是由于缸内高燃烧温度和高的氧浓度造成。醇由于其热值和氧含量低通常燃烧温度较低。如图5所示，异丁醇柴油混合燃料的使用使得排气温度略有下降的趋势。燃烧温度的降低和点火延迟加长以及低热值构成的组合效应使得使用异丁醇混合燃料时氮氧化物排放量减少。相较与柴油燃料，混合燃料NOx排放平均下降在4.9%和13.9%之间。3.7 HC排放异丁醇燃料发动机与纯柴油燃料的HC排放的变化如图8所示。所有的混合燃料相比与纯柴油燃料的HC排放通常都有一个显着增加的趋势。相比

16、柴油燃料，混合燃料平均HC的排放量的增加量在12.9%到32.9%之间。异丁醇低十六烷值是高HC排放的主要原因。低十六烷值恶化混合燃料的自燃特性和促进了靠近气缸混合区壁面淬熄效应。因此，随异丁醇含量的增加HC排放增加，并在达IBS20时到最大值。此外，HC排放的增加另一个原因在可以归因于异丁醇柴油混合燃料较低的密度和粘度，这使燃料液滴的形成尺寸较小，这些液滴在靠近汽缸壁的部分由于淬熄效应会形成更多的未燃烧的燃料。4结论 这里对异丁醇柴油混合燃料和基准柴油燃料发动机性能和废气排放作了调查比较。准备了分别含有5%、10%、155、20%异丁醇混合燃料，并在直接喷射式柴油机作了测试。结合实验结果，可

17、以得出以下结论。 异丁醇与柴油燃料容易实现均匀混和。此外，所有混合燃料都没有观察到相分离。 所有的异丁醇柴油混合燃料的制动功率下降，主要是由于异丁醇的低能量含量。ISB15 、ISB20混合燃料比ISB10、ISB5混合燃料制动功率降低更多。 相比于柴油，所有的混合燃料油耗增加，大致与混合燃料中能量含量成反比。ISB5和ISB10增加适度，而ISB20中增加量最高。所有的混合燃料中BET减少量在异丁醇含量成正比。在混合燃料中，TBS10有最高的BTE。 异丁醇柴油燃料使用使得CO和 NOx的排放量降低而HC的排放量增加。异丁醇含量对排放废气的构成有很大的影响。 试验结果表明，异丁醇可与柴油混合

18、作没有作修改的CI发动机的燃料。虽然混合燃料最多可含有高达20%的异丁醇，但10%异丁醇含量被认为是有最佳的混合燃料性能和排放的含量。参考书目1 Demirbas A. Energy balance, energy sources, energy policy,future developmentsand energy investments in Turkey.Energy Conversion and Management 2001;42:123958.2 Karabektas M, Ergen G, Hosoz M. The effects of preheated cottonseed

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