柴油机燃用甲醇_生物柴油混合燃料的性能与排放研究

1、收稿日期:2010 09 13; 修回日期:2011 01 12基金项目:国家自然科学基金项目(50776042 ; 江苏省高校重点项目(10KJ A47009作者简介:侯令川(1986 , 男, 硕士, 主要研究方向为内燃机代用燃料和工作过程; houlingchu an126. com 。柴油机燃用甲醇 生物柴油混合燃料的性能与排放研究侯令川, 王 忠, 安玉光, 侯乐福, 陈 林(江苏大学汽车与交通工程学院, 江苏镇江 212013摘要:在186FA 柴油机上, 进行了燃用柴油、生物柴油和甲醇 生物柴油混合燃料的性能试验, 分析了生物柴油掺烧甲醇对柴油机性能的影响规律。试验结果表明:与燃

2、用生物柴油相比, 生物柴油掺烧5%和10%(质量比 的甲醇时, 柴油机的标定功率分别降低7. 4%和17. 8%, 标定工况时能量消耗率增加5. 7%和15. 0%, CO 排放升高40. 0%和80. 0%, HC 排放升高66. 7%和155. 6%, NO x 排放降低15. 0%和33. 3%, 排气烟度降低3. 8%和23. 1%。关键词:柴油机; 甲醇; 生物柴油; 排放中图分类号:T K421. 5 文献标志码:B 文章编号:1001 2222(2011 01 0030 04生物柴油的十六烷值、闪点、含氧量较高, 芳香烃、硫含量较低, 燃用生物柴油可以有效降低CO, H C 和炭

3、烟排放, 但会引起NO x 排放少量增加1 2。生物柴油的缺点主要是密度大、黏度高, 在相同燃油供给系统条件下, 形成的油雾索特平均直径较大3。甲醇中含有50%的氧, 汽化潜热约为柴油的3. 6倍, 因此具有同时降低柴油机炭烟和NO x 排放的潜力4 5。甲醇的十六烷值过低, 难以在柴油机上直接燃用, 国内外一般采用进气管喷射甲醇、缸内喷射柴油的组合燃烧和掺混燃烧的方式在柴油机上燃用甲醇 柴油燃料。生物柴油掺烧醇类燃料, 可以利用醇类燃料密度小、黏度低的特点, 改善混合燃料的喷雾特性, 提高燃料的含氧量和汽化潜热, 抑制炭烟和NO x 的生成。Su H an Park 等人6利用相位多普勒粒子

4、分析仪研究了乙醇 生物柴油混合燃料的喷雾特性, 结果表明, 生物柴油掺混乙醇能够减小喷雾油滴的索特平均直径。H seyin Aydin 等人7在186F 柴油机上进行了燃用柴油、B20(生物柴油 柴油混合燃料 和BE20(生物柴油 乙醇混合燃料 的排放对比试验, 结果表明, 与燃用柴油相比, 燃用BE20时NO x 排放略有升高, CO 2, CO 和SO 2排放明显降低。Lei Zhu, Cheung C S 等人5在Isuzu 4H F1柴油机上研究了生物柴油掺烧甲醇和乙醇的排放特性, 结果表明, 生物柴油掺烧甲醇、乙醇可以同时降低NO x 和PM 排放, 并且同比例下掺烧甲醇的效果更为明

5、显。目前, 国内外对生物柴油掺烧醇类燃料的研究主要集中在掺烧乙醇上, 对生物柴油掺烧甲醇的研究还相对较少。本研究在不调整柴油机结构参数的条件下, 以186FA 柴油机为试验机, 研究了不同甲醇掺混比例的甲醇 生物柴油混合燃料对柴油机动力性, 经济性, CO 排放, H C 排放, NO x 排放以及烟度的影响。1 燃料特性表1示出了甲醇、生物柴油及混合燃料的理化特性。柴油为市售0号柴油; 甲醇为精制工业甲醇, 纯度为99. 9%; 生物柴油原料为地沟油; BM5, BM10为甲醇 生物柴油混合燃料, 甲醇质量分数分别为5%和10%。由表1可见, 甲醇与柴油、生物柴油的运动黏度、十六烷值和低热值

6、相差较大。随着甲醇掺混比例的提高, 混合燃料的运动黏度和十六烷值逐渐接近于柴油, 含氧量由11%增至14. 9%, 体积低热值下降约5. 6%。2 试验设备及方案试验用机为186FA 柴油机, 主要技术参数见表2。主要测试设备及仪器有CWF25D 电涡流测功器、EST 内燃机测试系统、M CS 960燃油耗仪、FQD 102A 数字式排气烟度计以及G5020五组分气体分析仪。第1期(总第192期 2011年2月车 用 发 动 机V EH ICL E EN GIN E N o. 1(Serial N o. 192F eb. 2011表1 混合燃料的理化特性4. 84. 4汽化潜热/kJ ! k

7、g -12503001101十六烷值4535451. 248. 4质量低热值/M J ! kg -142. 519. 736. 435. 5634. 72体积低热值/k J ! mL -134. 8915. 6832. 0331. 1330. 23含氧量/%501112. 9514. 9表2 柴油机主要技术参数型式直列单缸, 4行程, 强制风冷, 自然吸气缸径/mm 86行程/mm 72压缩比191排量/L 0. 418标定功率/kW 6. 3标定功率转速/r ! min -13600供油提前角(BT DC /(#17燃烧室形状型试验时柴油机的结构参数不作调整, 试验燃料选定为柴油, 生物柴油

8、, BM5和BM10。试验时固定调速手柄位置, 更换不同燃料, 测量柴油机的动力性参数; 按照负荷特性的试验方法, 测量了标定转速3600r/min 时柴油机燃用不同燃料的油耗和排放。3 试验结果与分析3. 1 动力性、经济性对比表3示出了调速手柄位置相同时, 柴油机燃用不同燃料的输出功率数据。可以看出, 与燃用柴油相比, 燃用甲醇 生物柴油混合燃料BM 5和BM 10时, 柴油机的功率明显降低。这主要是因为调速手柄位置固定、转速相同时, 循环喷油量保持不变, 掺入甲醇后, 混合燃料的热值降低, 输出功率降低。通过调整喷油泵, 增加循环供油量, 燃用甲醇 生物柴油混合燃料所造成的功率损失可以得

9、到部分补偿。 图1示出3600 r/min 时柴油机燃用不同燃料能量消耗率随负荷变化的曲线。由图可见, 与燃用柴油相比, 燃用生物柴油的能量消耗率略有降低。随着混合燃料中甲醇掺混比例的提高, 能量消耗率逐渐增加。这是因为甲醇的汽化潜热较高, 降低了缸内燃烧温度, 加之其低温着火性较差, 不利于燃料完全 燃, 表3 调速手柄位置相同时柴油机输出的功率转速/r ! min -1功率/k W 柴油BM 5BM 1024005. 104. 243. 813. 6330000. 570. 400. 201. 421. 271. 070. 822. 852. 802. 592. 354. 284. 083

10、. 863. 435. 705. 555. 234. 7636006. 306. 185. 725. 08图1 3600r /min 时能量消耗率随负荷的变化3. 2 排放特性分析3. 2. 1 CO 排放图2示出了柴油机燃用不同燃料时CO 排放随负荷的变化。由图可见, 与燃用生物柴油相比, 燃用BM5和BM10时, CO 排放体积分数均明显升高, 升幅与甲醇的掺混比例成正比。燃用BM 5和BM10时, CO 排放体积分数的最大升幅出现在P e =1. 57kW 时。随着负荷增大, CO 排放的升幅降低。柴油机燃用甲醇 生物柴油混合燃料时, CO 排放升高, 主要是因为甲醇的汽化潜热较高, 降

11、低了缸内燃烧温度, 由于CO 的氧化主要经历以下反应, 即CO +OHCO 2+H , 其氧化速率与反应温! 31! 2011年2月 侯令川, 等:柴油机燃用甲醇 生物柴油混合燃料的性能与排放研究度成正比, K CO =6. 761010! e T /1102, 使得CO 的氧化反应受到一定程度的抑制, 从而导致CO 排放体积分数升高。低负荷时, 喷油量较小, 过量空气系数较大, 甲醇的富氧优势难以发挥。此时, 甲醇汽化潜热较高导致缸内燃烧温度降低是CO 排放升高的主要原因; 高负荷时, 喷油量增加, 过量空气系数减小, 燃烧温度升高, 甲醇中的氧缓解了油气混合过浓区域燃烧缺氧的状况, 在一定

12、程度上抑制了CO 的生成, 所以标定工况时燃用BM5和BM10的CO 排放 体积分数升幅比低负荷时的有所减小。图2 3600r/min 时CO 排放随负荷的变化3. 2. 2 H C 排放图3示出了柴油机燃用不同燃料时H C 排放随负荷的变化。由图可见, 燃用BM 5和BM 10时, H C 排放的变化趋势与CO 排放类似, 两者均随甲醇掺混比例的提高而明显升高, H C 排放的最大升幅也出现在P e =1. 57kW 时, 且随着负荷增大升幅 降低。图3 3600r/m in 时H C 排放随负荷的变化原因是甲醇沸点较低、汽化潜热大, 易从喷雾油束中蒸发出来, 在油束外围与空气混合形成温度较

13、低、空燃比较大的燃油混合气, 其中的燃料难以完全燃烧, 从而产生较多的H C 排放8。随着负荷的升高, 循环喷油量增大, 油束外围混合气的过稀区域逐渐缩小, 加之缸内燃烧温度升高, 有利于燃料完全燃烧, 所以标定工况时燃用BM 5和BM 10, H C 排放体积分数的升幅要小于其他工况。3. 2. 3 NO x 排放图4示出柴油机燃用不同燃料时, NO x 排放随负荷的变化。由图可见, 燃用BM 5和BM10时, NO x 排放体积分数明显下降, 均低于燃用生物柴油和柴油时, 随着混合燃料中甲醇掺混比例的提高, NO x 排放体积分数的降幅增大。图4 3600r/min 时NO x 排放随负荷

14、的变化根据Zeldovich 机理, N O x 主要产生于热力NO x 反应过程, 其主要基元反应如下9 10:O +N 2NO +N ,(1 N +O 2NO +O ,(2 N +OHNO + H 。(3反应(1 描述了高温环境下火焰中的O 原子攻击N %N 键的过程, 由于其正向反应N 2分解所需的活化能E 1=314kJ/m ol, 而逆向反应E -1=010, 所以此反应必须在高温下才能进行, 且反应速度较慢, 整个链式反应的速度也取决于此反应。生物柴油掺烧甲醇后, 因甲醇较高的汽化潜热降低了燃油混合气的温度, 进而降低了缸内燃烧温度, 反应(1 的正向反应受到抑制, 整个链式反应的

15、速度放慢, 使得NO x 的生成量减少, 排放体积分数降低。3. 2. 4 炭烟排放图5示出柴油机燃用不同燃料时, 烟度随负荷的变化。由图可见, 与燃用柴油相比, 燃用生物柴油、BM 5和BM 10时, 柴油机的排气烟度依次降低。燃用BM 10时, 中低负荷的排气烟度均不超过0. 1BSU, 与燃用生物柴油时相比, 降幅接近于1. 0BSU 。炭烟的形成过程见图6。燃料分子首先裂解产生C 2H 2和C 3H 3等小分子自由基, 后经加成和环化反应形成单环芳香烃(MAH s , 生成的MAH s 再通过脱氢加乙炔等反应形成多环芳香烃(PAH s , PAH s 基团在高温缺氧条件下经过成核、碰撞

16、和凝结过程最终形成炭烟11。生物柴油掺混甲醇后, 排! 32! 车 用 发 动 机 2011年第1期 图5 3600r/min 时烟度随负荷的变化气烟度之所以显著降低, 一方面是因为甲醇沸点和黏度较低, 改善了燃油的喷射雾化性能, 提高了油气混合的均匀性, 另一方面是因为甲醇在高温燃烧阶段分解生成大量的OH 自由基, 与其他自由基H , O 等相比, OH 与最易形成炭核的前躯体C 2H 2 反应图6 炭烟的形成过程的活化能最低, 反应最为迅速4, 从而降低了缸内C 2H 2的浓度, 抑制了M AH s, PAH s 和炭烟的生成。4 结论a 生物柴油掺混甲醇后, 调速手柄位置和转速相同时,

17、柴油机输出的功率降低, 负荷相同时, 能量消耗率增加; 与燃用生物柴油相比, 柴油机标定转速3600r/min 时燃用BM5和BM10燃料的功率降低了7. 4%和17. 8%, 能量消耗率分别升高了5. 7%和15. 0%;b 随着混合燃料中甲醇掺混比例的提高, 柴油机的CO 和H C 排放升高, 与燃用生物柴油相比, 标定工况时燃用BM5和BM 10燃料CO 的排放体积分数分别升高了40. 0%和80. 0%, H C 的排放体积分数分别升高了66. 7%和155. 6%;c 生物柴油掺混甲醇可同时降低柴油机的NO x 排放和排气烟度, 标定工况时燃用BM 5和BM10燃料, NO x 的排

18、放体积分数分别比燃用生物柴油时降低了15. 0%和33. 3%, 排气烟度分别降低了3. 8%和23. 1%。参考文献:1 Ekrem Buyukkay a. Effects of Bio diesel on a DI DieselEng ine Per for mance, Emission and Combustion Char acterist ics J.Fuel, 2010, 89(10 :3099 3105.2 高继东, 宋崇林, 张铁臣, 等. 直喷式轿车柴油机燃用生物柴油的排放特性J.燃烧科学与技术, 2008, 14(3 :246 252.3 张旭升, 李理光, 邓 俊, 等

19、. 生物柴油喷雾特性的试验研究J.内燃机学报, 2007, 25(2 :172 176.4 杜德兴, 元广杰. 混燃甲醇和乙醇改善柴油机炭烟排放J. 环境科学学报, 2001, 21(6 :759 762.5 Lei Zhu, Cheung C S, Zhang W G, et al. EmissionsCharacteristics of a Diesel Eng ine Operating on Biodiesel Blended with Ethanol and M ethanol J.Science of T heTotal Env ironment, 2010, 408(4 :914

20、 921.6 Su H an P ark, H y un K yu Suh, Chang Sik L ee. N ozzleFlow and Atomization Characteristics of Ethanol Blended Biodiesel FuelJ.Renewable Energy, 2010, 35(1 :144 150. 7 H seyin A ydin, Cumali Ilkilic. Effect o f Ethanol Blending wit h Biodiesel on Eng ine o n Eng ine Per formance and Exhaust E

21、missio ns in a CI Eng ine J .A pplied T her mal Engineer ing, 2010, 30(10 :1199 1204. 8 宫艳峰, 胡铁刚, 李跟宝, 等. 甲醇柴油混合燃料对柴油机性能的影响J.农业机械学报, 2007, 38(1 :49 52. 9 Cenk Say in. Eng ine P erfor mance and Ex haust Gas Emissio ns of M ethano l and Et hanol diesel Blends J .F uel, 2010, 89(11 :3410 3415.10 毛功平. 生

22、物柴油N O x 生成机理的理论分析和试验研究D. 镇江:江苏大学, 2009:63 69.11 王 忠, 黄慧龙, 许广举, 等. 柴油机单环芳香烃类污染物的试验研究J. 内燃机学报, 2010, 28(1 :42 46.Performance and Emission of Diesel Engine Fueledwith Methanol biodiesel Blended FuelH OU Ling chuan, WANG Zhong, AN Yu guang, H OU Le fu, CH EN Lin(School of A utomobile and T r affic Eng ineering , Jiangsu U