基于热重分析法的生物柴油-柴油发动机颗粒排放研究

2011年9月农业机械学报第42卷第9期基于热重分析法的生物柴油柴油发动机颗粒排放研究马志豪张小玉王鑫徐斌吴健(河南科技大学车辆与动力工程学院,洛阳471003)【摘要】在直喷式柴油机上进行了不同供油提前角以及生物柴油与柴油以不同比例混合的发动机颗粒排放测试,利用热重分析仪分析了颗粒排放中挥发性有机成分随温度的变化。结果表明,与生物柴油掺混比例相比,在所测试工况,供油提前角的变化对颗粒排放中挥发性有机成分生成量的影响较小,挥发性有机成分生成量随混合燃料中生物柴油摻混比例的增加而增大;蒸发温度在150~180℃范围内的挥发性有机成分最多,并且随生物柴油比例的增大,挥发性有机成分更集中在该温度范围关键词:生物柴油发动机颗粒排放热重分析中图分类号:TK4文献标识码:A文章编号:1000-1298(2011)09002604Particulate Emissions of Engine Fuelled with Biodiesel-dieselBlends Using Thermo-gravimetric AnalysisCollege of Vehicle and Motive Power Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)AbstractParticulate emissions of engine fuelled different proportions of biodiesel-diesel blends were collectedunder different fuel supplying advanced angles and different operating conditions. The change of volatileorganic fractions in particulate emissions was analyzed using thermo-gravimetric analytical instrumentwhen temperature increased. The results showed that under the tested conditions, compared to theproportions of biodiesel-diesel blends, the change of fuel supplying advanced angle had little influence onthe amount of volatile organic fraction in the particulate emissions. The volatile organic fraction in theparticulate emissions increased with the increase of the proportions of biodiesel in the blends; volatileorganic fractions peaked at the evaporation temperature of 150 -180C, and with the percentage ofbiodiesel increased, the volatile organic fractions were more concentrated in the temperature range withthe increase of percentage of biodieselKey words Biodiesel, Engine, Particulate emissions, Thermo-gravimetric analysis引言颗粒是柴油机的主要有害排放物。虽然发动机燃用生物柴油的颗粒排放有一定的减少,但是,其平在传统柴油中加入一定量的生物柴油可以降低均颗粒直径比柴油小6,对人类健康的危害更发动机的颗粒、CO和HC等有害物排放-21。因大3,所以,对颗粒排放的研究也越来越深入。柴此,目前欧洲在传统柴油中掺入5%体积的生物柴油机颗粒一般由不溶于有机溶液的不可溶性(不挥油,到2020年至少在化石燃料中掺入10%体积的发性)成分(主要是元素碳和硫化物)和溶于有机溶生物柴油3。液的可溶性(挥发性)有机成分(主要是多环芳香收稿日期:2010-10-09修回日期:2010-11-06中国煤化工中国博士后科学基金资助项目(20090460860)、河南科技大学博士启动基金资助CNMHG新杰出人才计划资助项目(104200510006)作者简介:马志豪,教授,博士,主要从事内燃机清洁燃烧研究,E-mail:mazhibao@mail.haust.edu.cn第9期志豪等:基于热重分析法的生物柴油-柴油发动机颗粒排放研究2烃)组成。通常,颗粒中可溶性有机成分可通过化物柴油。因此黄连木籽生物柴油的主要成分为上述学萃取(索氏萃取)确定,但这种方法存在一些缺3种脂肪酸的甲酯。点,因为它首先把采集的颗粒溶于化学溶剂(二氯表2SDT2960型差热热重联合测定仪主要参数甲烷和苯-乙醇混合物),再进行浓缩,并且达到较Tab 2 Main specifications of SDT2960高的浓度后在气相或液相色谱质谱联用仪上进行分参数数值析,需要较长的时间。分辨率/μg与化学萃取相比,热重分析法更加安全,更加快加热速率/℃·min捷,更加容易对颗粒进行分析。这种分析技术以颗样品加载量/mg粒的热稳定性、动力学参数以及当样品被加热时监温度/℃室温-1500测质量的变化来确定挥发性有机成分所占的比例测量通常在空气或惰性气体中进行,记录质量随温试验用油为市场购买的0号柴油和黄连木籽生度升高的变化关系91。物柴油按一定体积分数混合得到的柴油-生物柴油至今,由黄连木籽为原料制取的生物柴油用于混合燃料,生物柴油的掺混比例分别为0、10%和发动机时的颗粒排放研究尚未见报道。本文对由酯20%,分别记做B0、B10和B20。测得的不同燃料理交换反应制取的黄连木籽生物柴油进行发动机的试化性质和计算所得燃料中氧的质量分数,如表3所验研究1试验装置和试验方法表3试验用油理化特性比较Tab 3 Comparison of physical and chemica1.1试验装置properties of the test fuels试验用发动机为YTR3105型三缸自然吸气、直参数B10喷式柴油机,主要技术参数见表1生物柴油体积分数/%0表1YTR3105型柴油机的技术参数十六烷值53.65Tab 1 Technical parameters of YTR3105 diesel engine低热值/MJ·kg-145.39参数数值密度(25℃)/kg846结构形式三缸、水冷、四冲程氧质量分数/%2.41缸径x行程/ mm x mm连杆长度/mm192试验中,调整静态供油提前角为17° CA BTDC排量/L3,117和13.5° CA BTDC。选取在2400r/min、164N·m燃烧室形状(工况1)和1500r/min、192N·m(工况2)两个工压缩比况,分别对B0、B10及B20三种燃料进行测试。测供油提前角/°CA试时,保持发动机在给定工况运转,用 Whatman GF/最大扭矩(转速)/Nm(r/min)192(1500)C型玻璃超细纤维滤纸收集颗粒。在进行热重测试额定功率(转速)/kW(r/min)40.5(2400)前,将样品和空白滤纸放入干燥器中干燥10h,以消除水分带来的测量误差。由于发动机的排气温度发动机工况由南通启测机电有限公司生产的般在550℃左右,所以在热重分析仪中进行测试时,YP0型水力测功机和凯迈(洛阳)机电公司生产将最高加热温度控制在550℃以内,以避免在测试的cUM3A型综合测控装置调节; HORIBA公司的中样品在惰性气体环境中高温裂解。升温速率对测MDLT-1302TMA型分流式颗粒采样系统用以采集试结果的影响不大1,所以本次试验按10℃/min发动机排气中的颗粒。美国 TA Instruments公司生的升温速率加热。在坩埚周围充入氮气,防止样品产的SDT2960型差热热重联合测定仪用于颗粒的在高温下氧化,充入氮气的速率保持150mL/min热重分析,主要性能参数见表2。为消除滤纸产生的误差,先将空白滤纸在热重分析1.2试验方法仪中加热到黄连木籽油中所含的脂肪酸主要包括棕榈酸、化。然后中国煤化工量随温度的变CNMHG述条件分别进油酸、亚油酸,含量分别为45.45%、28.91%和行测试,记录m星血度文化。样品中颗粒21.37%0。本试验以黄连木籽油和甲醇为原料,的净重损失应该为某一温度时样品质量减去相应温在氢氧化钠的催化作用下,通过酯交换反应制取生度时空白滤纸的质量。农业机械学报2011年2结果与分析一B0B10-▲-B202.1质量变化率图1~3为不同供油提前角θ和发动机工况时的质量变化率。由图可见,整条曲线的变化趋势基本相同,即50~500℃之间呈前缓、中急、后缓的趋50400450500550势。在150℃以前变化较为缓慢,3种燃料的质量变化率差别不大;在150~350℃之间,失重加快;图26=13.5°CA时,发动机在工况1时的质量变化率350℃以上,质量逐渐趋于稳定。与供油提前角相Fig. 2 0=13. 5CA, weight loss at operating condition 1比,不同的生物柴油掺混比例对质量变化率的影响一B0一·一B10一▲-B20更大,表现出B0质量变化率最少,B10次之,B20最多。这与文献[1和[12]的结果一致。以供油提前角为17° CA BTDC,发动机为工况1为例,温度升高到500℃时,样品的质量已基本稳定,说明在该温度时残留在滤纸上的样品成分绝大部分为元素碳。此时,B0质量变化率为11.53%,B10质量变化率为21.31%,B20质量变化率为25.81%;相似的结果体6=17°CA时,发动机在工况2时的质量变化率现在其他两种情况。对于以上3种情况,在测量范围内,B0的质量变化率在901%-16.26%,平均为B1012.64%,幅差为7.25%,B10在19.20%23.08%,平均为21.14%,幅差为3.88%,B20在24.91%~26.79%,平均为25.85%,幅差为0.081.88%,这说明:①随着混合燃料中生物柴油掺混比例的增加颗粒中挥发性有机成分所占的比例增加,但是,在接近500℃时,燃用B10和B20燃料时230003040颗粒的质量变化率已经非常接近。由此能否推断出图48=17°CA时,发动机在工况1时的质量变化速率生物柴油的掺混比例增加到某一比例时,颗粒中挥Fig40=17°CA, weight loss rates at operating condition I发性有机成分就不会再随之变化的结论,这需要在以后的试验中进行验证。②随着混合燃料中生物016柴油掺混比例的增加,工况和供油提前角对颗粒中0.1挥发性有机成分所占比例的影响逐渐减小。-B10一4-B20图56=13.5°CA时发动机在工况1时的质量变化速率Fig 5 6=13. 5]CA, weight loss rates at operating condition 1的质量变化速率。由图可见,在所有情况下,质量变图16=17°CA时,发动机在工况1时的质量变化率化速率在150-180℃之间存在最大值,说明3种燃Fig. 1 8=17 CA, weight loss at operating condition 1料燃烧产生的颗粒中挥发性有机成分中蒸发温度在由图1~3还可发现,当供油提前角为17°CA该温度范围的成分最多;在工况1,B0最大值出现BTDC时,对相同燃料,工况2产生的挥发性有机成在150℃日20出现在180℃,分比工况1少,这是由低速时预混合燃烧所占比例说明随着中国煤化m,燃烧生成的颗较多,缸内燃烧温度更高所致。粒中挥发在男+口人成分的蒸发温度2.2质量变化速率稍有升高,说明分子量有所增大;B20产生的颗粒的图4~6为不同供油提前角6和发动机工况时最大质量变化速率最高,其次是B10,最低的是B0,第9期马志豪等:基于热重分析法的生物柴油-柴油发动机颗粒排放研究颗粒中挥发性有机成分有一定影响。3结论0.10B0---B10…B2(1)在所测试工况,供油提前角对颗粒排放中挥发性有机成分有一定影响,但不如燃料的影响大(2)在所测试工况,挥发性有机成分随混合燃50100150200250300350400450500料中生物柴油掺混比例的增加而增加,元素碳所占的比例随之减少。图60=17°CA时,发动机在工况2时的质量变化速率Fig 66=17CA, weight loss rates at operating condition 23)在所测试工况,峰值失重率在150~180℃之间很窄的温度范围内,说明3种燃料燃烧产生的说明在该值对应的温度的挥发性有机成分的量随着颗粒中挥发性有机成分中蒸发温度在该温度范围的生物柴油掺混比例的增加而增加。与工况1相比,成分最多。工况2的峰值质量变化速率稍有后移,说明工况对参考文献1 Chuepeng S, Tsolakis A, Theinnoi K, et al. 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