添加乙醇对脂肪酸甲酯-柴油混合燃料的燃烧及排放特性的影响

2016年4月甘肃农业大学学报第51卷第2期127~133JOURNAL OF GANSU AGRICULTURAL UNIVERSITY双月刊添加乙醇对脂肪酸甲酯柴油混合燃料的燃烧及排放特性的影响王冀白,边耀璋',张哲林2,陈昊2(1.长安大学汽车学院,交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室陕西西安710064;2.博格华纳汽车零部件有限公司,浙江宁波315000摘要:【目的】研究添加乙醇对脂肪酸甲酯柴油混合燃料性能的影响.【方法】在一台单缸柴油机上对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种燃料的燃烧和排放特性进行对比试验研究。【结果】与BD20相比,BD20E5,BD20E10的滞燃期要长对于BD20燃料而言低温放热发生的时间早,反应剧烈,聚集了大量热量从而越过了负温度系数区,迅速开启了高温放热;BD20E5和BD2oE02种燃料的高温放热发生时间较晚;峰值压力和峰值放热率增加,但对应的曲轴转角相同负荷特性下,BD20E10和BD0E5的OO排放在1500r时随着乙醇比例的增加分别降低49.3%和332%;碳烟分别降低47.1%和29.4%;NOx排放几乎相同,且总体均处于较低值;BD20E0和BD20E5的HC排放在1500r时相比BD20有所增加,并且随着转速的提高排放值呈现波动变化。【结论】添加乙醇可以改善脂肪酸甲脂柴油混合燃料的燃烧和排放特性关键词:脂肪酸甲酯;乙醇瞬时放热率;燃烧压力;排放特性中图分类号:TK46+4文献标志码:A文章编号: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,研究方向为替代燃料及排放控制. E-mail: eaglH中国煤化工CNMHG基金项目:陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2014JQ7268)收稿日期:2015-06-16;修回日期:2015-09-17128甘肃农业大学学报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标准中,生物柴油定义为用于压燃式发表1不同温度和比例下的脂肪酸甲酯和柴油动机的、来自可再生的酯类,如植物油和动物脂肪的的混合物溶解乙醇的最大体积长链脂肪酸单酯.生物柴油的闪点高,挥发性较Tab 1 Maximum volume of dissolved ethanol in diesel小,在运输与储存中的安全性较柴油好2.生物柴油and fatty acid methylester mixture with different具环境友好、可再生、原料来源广泛、贮存和使用temperature and proportion较安全没有毒性等优点许多研究表明,生物柴试样编号10℃时溶解0℃时溶解的乙醇/mL的乙醇/mL油57和醇类燃料适合作为柴油机的替代燃料.燃BDO0.451.50用生物柴油可以降低柴油机的PM和未燃碳氢化合BD20.502.90BD5物的排放,但是NO3的排放会略有上升.张志强BD8等对乙醇和柴油的混合燃料进行了模拟,结果表BIO15.0023.00明乙醇可以改善燃油的雾化效果王建昕等0研究BDI5完全互溶BD20完全互溶完全互溶结果表明,乙醇作为柴油的添加剂可以降低排气烟数,从表1看出,对于同一种编号的样品,随着温度度,但是NO排放明显增加由于生物柴油运动黏度的提高,混合物能够溶解的乙醇最大体积增加,说明大,其与柴油的混合燃料的流动性差1,可能会影响温度对提高乙醇在混合物中的溶解度有影响.随着内燃机的热效率另外,柴油乙醇掺烧混合燃料由于混合物中脂肪酸甲酯体积分数的增加,脂肪酸甲酯自身化学结构在混合时会出现分层现象酯类是柴油的助溶作用明显增加综合分析表1本试验选择与醇类燃料助溶剂的主要成分.夏舜午等在乙209%的脂肪酸甲酯与80%的柴油混合燃料BDD作醇和柴油中加入正丁醇助溶剂,研究了溶解度的变为基础燃料.保持脂肪酸甲酯的体积分数不变,用乙化,结果表明虽然正丁醇有助溶作用,但是对水含量醇来分别代替5%、0%的柴油,来调配成BD20E、十分敏感因此本试验拟在脂肪酸甲酯柴油的混合BD2oE10作为内燃机台架试验的燃料燃料中加入乙醇,在解决燃料溶解度的基础上,研究1.2试验装置与组成乙醇对柴油机的燃烧及其污染物排放特性.试验仪器装置的连接示意图见图1.水力测功1材料与方法机通过联轴器与发动机相连,试验用单缸柴油机的型号是ZH1105W,其主要技术参数:气缸直径为1.1试验燃料油箱}油耗计试验中采用乙醇、脂肪酸甲酯和柴油的混合物作为燃料根据互溶性试验最终确定各种燃料的掺五气分析仅口发动机「山测力机上传稳器烧量燃料的掺烧量c的定义为:c=掺烧量/(掺烧[烟度计上[压力传感器计算机量+主燃料量)表1中BD代表纯油m2代表2%的画时叫中国煤化工[要CNMHG酸甲酯和柴油的混合物,字母BD后面的数字代表图1试验装置示意图脂肪酸甲酯与柴油混合物中脂肪酸甲酯的体积分Fig. 1 Instruments scheme第2期王冀白等:添加乙醇对脂肪酸甲酯柴油发动机燃烧及排放特性的影响129105mm,活塞行程115mm,压缩比为16.5,标定功种燃料的燃烧始点向远离上止点的位置上几乎相率为11.03kW.五气分析仪与内燃机的排气管道连同,并且均滞后于BD20.原因一方面是因为脂肪酸接排放测试装置包括 AVL DIGAS4000五气分析甲酯的十六烷值为56,而乙醇的十六烷值仅为8,说仪和 AVL DISMOKE400部分分流不透光烟度明掺烧乙醇的混合燃料的着火性较差;另一方面,乙计,选择消光系数K(m)表示烟度值测控装置包醇的汽化潜热值为854kJ/kg,高于脂肪酸甲酯的括电荷放大器、压电式压力传感器、光电传感器与曲200kJ/kg燃料喷入气缸后吸热,导致燃烧延迟轴转角发生器负荷工况控制采用测功机油门执行分析表2可知,相比BD20,BD20E5和BD20器手动调节完成E10两种燃料的峰值压力在小负荷时有所降低,但2结果与分析在中高负荷时有所增加乙醇对峰值压力的影响呈现出低负荷抑制,高负荷促进的作用.且当转速增加2.1缸内燃烧压力至1800r/min时,BD2010燃料的缸内压力峰值图2表明:相比BD20,BD20E5和BD20E10两明显大于BD20E5的峰值.在小负荷时,缸内的绝BD20BD20ES---BD20E5BD20E10BD20E10002020曲轴转角(°)曲轴转角A(°)(a)n=l 500 r.min P =0.086MPab)n=l 800r. min P =0.086MPa6BD20三当豢BD20BD20E5BD20E10BD20E10曲轴转角/°)曲轴转角(°)(e)n=l 500r.min P=0.354MPa(d)n=1 800. min" P. =0. 354MPaBD20--BD20E5一-BD20E5BD20E10D20E10-10曲轴转角/(°)曲轴转角/(°)(e)n=l 500r.min P =0.531MPa图2不同工况下3种燃料的燃烧压H中国煤化工MnCNMHGFig 2 Combustion curves of fuels under different loads甘肃农业大学学报2016年表2不同工况峰值燃烧压力及其对应角度Tab 2 Peak combustion pressure with corresponding anglesBD20BD20E5BD20E10转速/平均有效(r·min-l)压力(MPa)峰值压力/对应角度/峰值压对应角峰值压对应角a(°)CA力/M度/(°)CA力/MP0.0865.5106.8318005.415.136.680.5317.43对温度较低以及缸内热力状态差,乙醇的作用得不醇促进燃烧的作用得以体现.随着乙醇的增加,混合到体现;随着乙醇添加比例增加,燃烧始点延迟,使燃料的表面张力下降,更容易雾化,所以在中高负荷得着火延迟期内形成的可燃混合气数量增加,从而时,BD20E10的峰值燃烧放热率比BD20E5高.提高了峰值压力.BD20、BD20E5和BD20E10的放热率曲线均表与BD20相比,同一转速下,BD205与BD20现出“双峰”现象.最高峰值放热速率远高于次峰值E10的峰值压力对应曲轴转角完全一致这种现象放热速率,出现这个规律的原因是因为乙醇对燃烧是由于BD20E5和BD20E10的氧含量较高加快了的促进作用,有效地减少了后燃量燃烧速度,虽然燃烧始点有延迟,但峰值压力却同时λ.3排放特性出现.图4为在不同转速下CO排放量随负荷的变2.2瞬时燃烧放热率化随着负荷的加大,缸内温度增加,CO逐步被氧图3是不同工况下BD20与BD2E5、BD20E10化,排放降低当负荷继续增大,缸内温度持续增加,两种燃料的瞬时放热率对比曲线.与BD20相比,当进入燃烧室内的燃料增加,但是氧气含量相对较少,Pm(平均有效压力)分别为0.531、0.354Mpa时,有一部分未完全燃烧,在高温条件下未完全燃烧的同一工况下BD20E5与BD≌0Elo的峰值瞬时燃烧碳与二氧化碳生成新的CO,导致其排放数值增加放热率增加,且随着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烧速度,导致峰值燃烧放热率增加.但是当数值,随着乙醇体积分数的增加,其排放数值呈现出Pm(平均有效压力)较低时,峰值燃烧放热率反而随减小的趋势.着乙醇比例的增加而降低.在小负荷时,一方面气缸图5是在不同转速下HC排放量随负荷的变内的热力状况较差,另一方面乙醇本身的低热值为化.随着乙醇含量的增加,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.这是因为乙醇的十六烷值较低单位时间内的放热量减少,导致峰值放热率降低.着火性较差,导致滞燃期变长,这是未燃HC增加的BD20E5与BD20E10两种燃料的滞燃期要长主要原因.当内燃机的负荷增加时,缸内压力逐步升于BD20.对于BD20而言,燃料低温放热发生时间高,一部分未燃混合气被压入缝隙内,这部分混合气较早,反应剧烈,累计的热量使系统迅速越过了负温未能参加燃烧,当排气门打开,随着废气排入大气中度系数区,开始了高温放热;而随着乙醇比例的增导致HC排放增加.同时随着负荷的增加,气缸壁面加,低温放热时间延长温度与燃烧室内温度差增加,导致未燃HC含量在中高负荷时,虽然放热开始有一定延迟,但是增加随着乙醇比例的增加,峰值放热速率提高,BD20E10NOx是H中国煤化工Ox的生成主的峰值瞬时放热速率最大,原因同上在中高负荷要受氧气浓度CNMH物在高温中的时,由于缸内热力状态较好,乙醇又是含氧燃料,乙停留时间的影响图6为发动机转速为1500r/min第2期王冀白等:添加乙醇对脂肪酸甲酯柴油发动杋燃烧及排放特性的影响1310.10- BD20BD20一-BD20E5BD20E5BD20E 10BD20E100.02曲轴转角/°)曲轴转角/°(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曲轴转角/°曲轴转角(°)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册道0.000.05-0.0520曲轴转角(°曲轴转角°)(e)n=l 500r. min P =0.531 MPa(f n=l 800r. min P=0.531 MPa图3不同工况下瞬时放热速率对比Fig 3 Comparison of instantaneous released heat rate under different loadBD2007一BD200.09BD20E5006女道+-BD20E10005b BD20E10006005兰0.03003002002004平均有效压力/MP平均有效压力/MP(a)n=l 500 /minV凵中国煤化工图4负荷特性CO排放对比CNMHGFig. 4 Exhaust comparison of Co of engine load132甘肃农业大学学报2016年和1800r/min负荷特性下,发动机燃用3种不同燃程中会吸收热量,导致缸内温度降低,但是缸内温度料时的NOx随负荷变化关系由图6可以看出,在仍是导致NO排放增高的主要原因发动机一定的负荷范围内,3种燃料的NOk排放随从图7中可以看出在转速恒定时,当负荷较高着发动机负荷的增加而升高.原因是负荷增加时,气时,3种燃料碳烟的排放值随着乙醇比例的增加而缸内燃烧温度和压力增大,NOx的排放增加.由于乙降低.这是因为乙醇的十六烷值比柴油和脂肪酸甲醇的汽化潜热值较高在混合气进入气缸后汽化过酯都低,使得混合燃料的平均十六烷值降低;另一方3000BD20BD20-BD20E5BD20E10BD20E101500尔杀000.3060.10.2平均有效压力/MPa平均有效压力/MPa(a)n=l 500 d/min(b)n=l 800 r/ min图5负荷特性HC排放对比Fig 5 Exhaust comparison of HC of engine load1200口BD20s1000H BD20E500最尔碎址9平均有效压力/MPa平均有效压力MPa(a) n=l 500 r/min(b)n=l 800 r/min图6负荷特性NOx排放对比Fig 6 Exhaust comparison of NOx of engine load08000.700BD20◆BD200.700I-BD20E5I-BD20E50500+-BD20E10A BD20E100300.10000000000平均有效压力MPa平均有效压力MPa(a)n=l 500 r/min中国煤化工图7负荷特性烟度排放对比CNMHGFig 7 Exhaust comparison of soot of engine load第2期王冀白等:添加乙醇对脂肪酸甲酯柴油发动机燃烧及排放特性的影响面,乙醇是含氧燃料,在高温燃烧的时候不利于碳烟J]. Applied Energy,2010(87):18151835的生成但是在较小负荷时,乙醇较高的汽化潜热值[3] Okun o, Levent Y, Alp T E Effects of soybean会抵消其阻碍碳烟生成的作用,只有当缸内温度升biodiesel on a di diesel engine performnce, emission高后,阻碍碳烟生成的效果才吏明显and combustion characteristics[J]. Fuel, 2014(115)875-8833结论[4] Sehmus A, Magin L. Properties and emission indications of biodiesel fuels obtained from waste oils fron)随着温度的提高,混合物能够溶解的乙醇the Turkish industry[]. Fuel, 2014(128): 288-295的最大体积增加,说明温度对提高乙醇在混合物中[5]AnH, Yang W M, Chou s K, et al. Combustion and e-的溶解度有影响随着混合物中脂肪酸甲酯体积分mission characteristics of diesel engine fueled by数的增加,脂肪酸甲酯的助溶作用明显增加.biodiesel at partial load conditions J]. Applied Energy2)在脂肪酸甲酯与柴油的混合燃料中加入乙2012(99):363-371醇,可以改善燃烧情况.在小负荷时,随着乙醇比例[6]Qi D H Chen H, Geng L M, Bian Y Z Performanceand combustion characteristics of biodiesel -diesel-的增加,乙醇对燃烧的促进作用不明显,燃烧延迟明methanol blend fueled engine[J]. Applied Energy, 2010显;但是在中高负荷时,虽然燃烧延迟期依然存在(87):1679-1686但是乙醇的高含氧量加快了燃烧速度,使得缸内燃[7]TseH, Leung W, Cheung C s. Investigation on the烧状态得到明显改善,缸内峰值燃烧放热速率提高,combustion characteristics and particulate emissions缸内燃烧压力也随之增加,因此在中高负荷时乙醇from a diesel engine fueled with dieseil-biodiesel-etha对燃烧的促进效果更佳明显.nol blends[J]. Energy, 2015(83):343-3503)乙醇的加入对CO氧化有明显的作用使8]吴晗,张春化,佟娟娟,等外部BGR甲醇HCI发动用乙醇混合燃料可以降低碳烟的排放.又由于乙醇机燃烧特性试验[].甘肃农业大学学报,2013,48(2)的十六烷值较低、着火性较差,随着乙醇比例的增加114-118滞燃期会增加,当乙醇的比例超过5%之后,尽管碳91张志强:,赵福全,于冠车,等乙醇柴油燃料配置和对烟排放降低,但是未燃的HC排放会增加.柴油机性能的影响模拟[].同济大学学报,2012(40)1254-12604)乙醇可以作为掺混燃料在柴油机上使用,[10]王建昕,闫小光,程勇等.乙醇/柴油混合燃料的燃烧且不需要改变柴油机的结构.研究结果对于脂肪酸与排放特性[J.内燃机学报,2002(20):225229甲酯的应用与推广具有重要的意义掺烧乙醇对脂[1]陈昊,耿莉敏,祁东辉,等单缸直喷式柴油机燃用生肪酸甲酯的燃烧压力呈现出低负荷时的抑制与高负物柴油性能研究[J].西北农林科技大学学报,2008荷时的促进作用,同时乙醇可以延长低温放热反应(36):219-224的时间.今后应深入开展混合燃料化学反应动力学[12]赖小琼,李进,曹阳,等酯类助溶剂对甲醇汽油稳定的研究,完善乙醇作为添加剂的基础研究性的影响研究[].天然气化工(C1化学与化工),2014参考文献[13]夏舜午,孙平.乙醇正丁醇柴油混合燃料的互溶性[1]蒋德明,黄佐华.内燃机替代燃料燃烧学[M].西安:西试验研究[.车用发动机,2014(212):43-45安交通大学出版社,2007(责任编辑李辛)[2] Mustafa B, Havva B. Progress in biodiesel processing中国煤化工CNMHG