棕榈油-乙醇混合燃料发动机的试验研究

2008年5月农机化研究第5期棕榈油一乙醇混合燃料发动机的试验研究余克橡,李献菁,李双定,黄华,黄锦成(广西大学机械工程学院,南宁530004)摘要:通过在S195柴油机上进行对比试验,分析了棕榈油及棕榈油一乙醇混合燃料的不同比例对柴油机性能的影响。研究结果表明,柴油机燃用混合燃料后,乙醇的掺烧率为30%以下时,其动力性能良好,折合油耗率均有不同程度的改善。柴油机燃用棕榈油和混合燃料时,与燃用柴油相比,碳烟在整个运转工况范围内有大幅度的降低;在大负荷下的C0排放量有明显的降低,NOx排放量有所改善;随着乙醇比例的增大、N0x和碳烟排放量逐级降低,HC排放量比燃用柴油时有所增加。关键词:棕榈油一乙醇;柴油机;性能;排放中图分类号:TK4389文献标识码:A文章编号:1003-188×(2008)05-0177-050引言试验装置与燃料生物柴油是由植物油(如棕榈油)、动物脂肪1.1试验装置等原料制成,具有可再生、清洁和安全等优势。试验用柴油机为S95柴油机。主要测试设备其十六烷值和闪点较高,抗暴性能优于常规柴油,为D110水力测功机,FC2210Z智能油耗仪,FTY-100含硫量低,不含对环境造成污染的芳香族烷烃,便不透光烟度计和AVL5组份汽车排气分析仪。于运输和储藏。乙醇作为可再生代用燃料,在柴油1.2试验燃料机上应用,可以有效地降低发动机排气中颗粒物、1.2.1试验用燃料一氧化碳、氮氧化物等有害物质的含量,环境效益本试验研究5种燃料的排放特性。这5种燃料显著。但乙醇的十六烷值较低,难以直接在普通柴分别为:0#柴油(D100),棕榈油(P100),体积分数油机上使用,可以考虑掺混的方式加以应用为90%的棕榈油+10%乙醇(P90E10),体积分数为80%本文主要以棕榈油及棕榈油一乙醇混合燃料的棕榈油+20%乙醇(P80E20),体积分数为70%的棕为燃料,在柴油机上进行了动力性、经济性和排放榈油+30%乙醇(P70E30)。其理化性质如表1所示。特性的试验研究,并与柴油燃料进行了比较表1燃料理化性质燃料类型密度/g"cm3运动粘度/m2·s'闪点(闭口)/℃冷凝点/℃氧含量/wt十六烷指数热值/kJ·kg棕榈油0.8694.3(40℃)101339.5常规柴油0.82-0.862.0~4.065-8843.5乙醇13-14117.3122棕榈油+乙醇混合溶液配制乙醇体积分数分别为10%,20%和30%。先往量筒里倒入棕榈油(如图1a),再加入乙醇。观察发现,初加乙醇时,在搅拌之前混合溶液分两层,乙醇在上面一层,其原因是乙醇密度小于棕榈油密度的缘故;振荡搅拌,待静止稳定后,溶液呈透明状,且混合溶液长期放置均稳定,也不会出现分层现象(如图1b~d所示)。M凵中国煤化工Ea0(60970收稿日期:2007-07-23CNMHG况作者简介:余克橡(1950-),男,广西岑溪人,实验师,(E-ai1)1.3瓜力桑hu ache126.c0m。本试验在不改变原机结构参数的情况下进行2008年5月农机化研究第5期分别在额定转速200r/min及最大扭矩转速相同3。因此发动机燃用或掺烧乙醇燃料时,将供1500r/min下对柴油机燃用上述5种燃料时的性能油量进行调整后,并不会影响发动机的功率。实验和排放情况进行对比试验。用柴油机烧棕榈油一乙醇混合燃料的输出功率与烧2试验结果与分析纯柴油的输出功率无明显差别,均可达到额定负荷。22燃料经济性2.1混合燃料动力性分析图2和图3分别给出了柴油机燃用不同棕榈由乙醇的理化性质可以知道,乙醇的低热值较—乙醇混合燃料时燃油消耗量和燃油消耗率的变低,但由于乙醇的理论空燃比相对石油燃料低,理曲线。论混合气的热值与石油燃料理论混合气的热值基本2.02.82000r/min26--1001.61-P70E32.2--80E2·x1.8110001.61.21.00.8Pe/kWPe/kw图2柴油机燃用不同混合燃料时燃油消耗量的变化1500r/oin二P902000r/minv--P80E20◆=P70Ep一P70E30320240图3柴油机燃用不同混合燃料时燃泊消耗率的变化由图2和图3中可以看出柴油机燃用棕榈油及上由于试验中各种燃料的热值不一,通常采用折合棕榈油一乙醇混合燃料时,其燃油消耗量(率)比油耗率(或称能量消耗率)来比较分析其经济性。柴油高,且随着棕榈油中乙醇比例的增大而增大。本研究用b来表示"。在1500r/min时,燃用P100的燃油消耗率比燃用柴各种燃料折合油耗率的变化规律,如图4所示。油的燃油消耗率髙16.2%,乙醇比例毎增加10%,燃显然使用棕榈油及棕榈油一乙醇混合燃料时,在不油消耗率增加不到2%;在2000r/min标定点处,P100同工况下折合油耗率均有不同程度的改善。这主要的燃油消耗率比柴油的高14.5%,乙醇比例每增加是燃料的粘度、含氧量和着火能力共同作用的结果。10%,燃油消耗率平均增加亦不到2%。这是因为棕棕榈油粘度大,影响了燃料与空气混合的质量,燃榈油及乙醇的热值均比柴油低的缘故(如表1所烧效率有一定的降低,但棕榈油十六烷值高,含氧示)。随着混合燃料中乙醇掺混比增大,混合燃料总量而的田者热效率提高;加入乙醇热值降低,在相同输出功率情况下,燃用代用燃料以中国煤化工料的粘度降低,有利的燃油消耗量(率)较柴油高,且乙醇含量越高,于CNMH〔高的含氧量,使燃烧油耗量(率)越高更迅速完善,热效率提高,这些都有利于降低发动油耗率是反映发动机经济性的重要指标,实际机的油耗率。2008年5月农机化研究第5期23排放分析而柴油的排放量最大。在1500r/min大负荷处,燃23.1C0排放用棕榈油一乙醇混合燃料的C0排放均比柴油的低,柴油机燃用不同燃料时C0的排放规律,如最大降低幅度达50%。当发动机转速为2000r/min图5所示。从图5中可见,在中小负荷处,柴油机时,在中大负荷下,棕榈油和混合燃料的c排放量燃用棕榈油及棕榈油一乙醇混合燃料时的C0排放明显比柴油低,标定点处混合燃料的排放量最大降量与燃用柴油时的相差不大,总排放量均较低,基低幅度达80%。本上小于0.1%;在大负荷时,C0排放量迅速增大,1500r/minPe/kWPe/kW图4柴油机燃用不同燃料时折合油耗率的变化0.72000r/min2000r/mi0.5--5830.40.3图5柴油机燃用不同燃料对C0排放的影响C0产生的原因主要是缺氧、不完全燃烧。因此232HC排放混合气的混合质量和浓度对C0排放的影响很大。在柴油机燃用不同燃料时HC的排放规律“,如中小负荷时,由于混合气的过量空气系数较大,燃图6所示。从图6中可见,棕榈油的HC排放最低,烧较完善,CO的排放量均较低。随着负荷的增大,多在12~25×10之间。加入乙醇后,HC的排放量混合气变浓,C0的排放量有所增大,特别是燃用柴增大,且当乙醇比例达到20%后,HC排放量比燃用油时更为明显。而棕榈油和混合燃料的含氧量高,柴油时有所增加。随着负荷的升高,各种燃料的HC燃烧较充分,因而C0排放量有所降低。排放波动较大。601500r/ain2000r/min3025505050505中国煤化工9Pe/kw图6柴油机燃用不同燃料对HcCNMHGHC的产生主要是因为缺氧、混合气局部过浓或燃油着火性能好,滞燃期短,其未燃碳氢和裂解碳过稀以及壁面激冷效应。棕榈油的十六烷值较髙,氢均少。因此,在柴油机中燃烧时HC排放相对降低。2008年5月农机化研究第5期棕榈油中加入乙醇后,由于乙醇的高汽化潜热,降入乙醇后,随着乙醇比例的增大NOx排放量逐步降低了缸内温度,增加了气缸壁面附近的淬熄层的厚低,但混合燃料之间的差异不大,P70E30排放量最度,增加了未燃HC的排放,而且随着乙醇比例的增低。2000/min时,柴油、棕榈油、P80E20和P90E10大,而逐渐增多。的排放量基本相当,P70E30排放量最低。其主要原23.3NOx排放因是在棕榈油中加入乙醇后,乙醇的汽化潜热使缸影响Nox生成的条件有高温、富氧和足够的燃内温度降低,从而降低了Nx排放。N0x排放随负烧持续时间。柴油机燃用不同燃料时Nx的排放量荷的增加有明显的增加趋势,其原因是负荷高,缸与功率的变化关系,如图7所示。从图7中可以内循环喷油量大,造成缸内平均温度高和高温持续看到,各种燃料的排放随着功率的增加而上升,在时间长1500r/min下,柴油的N0x最高,棕榈油其次;加1500r/minD1002000r/m1000001-1813600Pe/kwPe/kW图7柴油机燃用不同燃料对NO1排放的影响234碳烟度更为明显。发动机转速1500r/min时,P70E30的碳烟是柴油机主要污染物排放之一,特别是在碳烟排放量与柴油的相比,在最大扭矩点处降低幅大负荷和加速时的排放更加严重。柴油机燃用不同度为64%;2000r/min时,碳烟排放随乙醇比例的变燃料对碳烟排放的影响”,如图8所示,碳烟随着化规律基本与1500r/min时的一样,但各种混合燃负荷的加大呈上升趋势。而当燃用棕榈油和混合燃料的碳烟排放比较接近,都明显比柴油低;在标定料时,碳烟排放均比柴油有大幅度降低,并随着乙功率点8.8kW处,P70E30的碳烟排放量降低幅度达醇含量的增加而逐级降低,特别在大负荷时降低程80.5%1500r/ein000r/minPe/kWPe/kW图8柴油机燃用不同燃料对碳烟排放的影响在中小负荷区,烟度相对较低,这是因为中小合气混合更加均匀;乙醇的汽化潜热大,降低了缸负荷,喷油量比较小,空燃比高,氧气较充足。随内温度。负荷增加,空燃比减小,更容易导致局部缺氧、燃料裂解而生成较多碳烟。另外,负荷增加,燃烧温3结论度也增高,这些都是造成大负荷烟度增加的原因。发勋不做西动的情况下,柴油机随着混合燃料中乙醇比例的增大,发动机碳烟排放燃中国煤化工混合燃料后其动力性降低的主要原因是:乙醇的自供氧功能减少了燃烧良女YHCNMHG算比使用柴油时有所室过浓混合气区域,使燃烧较充分;乙醇中不含芳改善。香烃,而且HC高;乙醇的低沸点和低粘度,使混2)在中小负荷处,柴油机燃用棕榈油和棕榈008年5月农机化研究第5期油一乙醇混合燃料时的C0排放量与燃用柴油时的[1]李昌珠,蒋丽娟,程树棋.生物柴油一绿色能源[M]相差不大。在大负荷下,生物柴油和混合燃料的CO北京:化学工业出版社,2005排放量比柴油有较大的降低。[2]马福军.在柴油机上燃用乙醇柴油的实验研究[D]3)棕榈油的HC排放略比柴油低。加入乙醇后,大连:大连理工大学,2002HC排放量逐级增大,当乙醇比例达到20%时,HC排[3]张福根,在柴油机上燃用乙醇柴油的实验研究[D]放量比燃用柴油时有所增加。南宁:广西大学,20054)棕榈油的Nx排放量与柴油的相差不大[4]Md: Nurun Nabi * Md. Shamim Akhter, Mhia Md加入乙醇后,随着乙醇比例的增大,NOx排放量逐Zaglul Shahadat. Improvement of engine emissi步降低。ons with conventional diesel fuel and diesel5)整个负荷范围内,棕榈油和混合燃料的碳biodiesel blends [J. Bioresource Technology烟排放均比柴油的低,并随着乙醇含量的增加而逐2006,(97):372-378级降低,特别在大负荷时降低程度更为明显。[5]葛蕴珊,张世鹰.生物柴油在柴油机中的应用研究参考文献[J].内燃机工程,2004,25(2):12-14Experimental Research of Palm Oil -ethanol Blends on a Diesel EngineYU Ke-xiang, LI Xian-jing, LI Shuang-ding, HUANG Hua, HUANG Jin-chengCollege of Mechanical Engineering, Gangxi University, Nanning 530004, ChinaAbstract: In this paper the influences on the emission performance of a diesel engine fueled with palm oil andalm oil-ethanol blends(PEF)were analyzed. The result shows that after using the palm oil and PeF on thediesel engine, it can well reach the original engine power, and the equivalent brake specific fuel consumptionrate have been improved to some extend when the proportion of ethanol in PEF is below 30%. Compared withconventional diesel fuel, palm oil and PEF show apparently lower smoke emissions at all conditions, and sharplyreduction in carbon monoxide( CO)at high load condition, with the increase proportion of ethanol in PEF,shows, slightly improvement in NOx and smoke emissions but slightly higher HC emissionsKey words: palm oil-ethanol; diesel engine; performance; emission(上接第176页)Abstract ID:1003-188X(2008)05-0174EAResearch Progress of Rapeseed Methyl Ester Used on Diesel EngineWANG Xu-rong, MENG Wen, FAN Jun(1. Shandong Transport Vocational College, Weifang 261206, China; 2. Mechanical Engineering College,Xinjiang University, Wulumuqi 830008, China)Abstract: In China, rapeseed oil, which have been plated in very wide area and have good characteristic as fuelbecomes the best suitable material for making biodiesel. The main composition of biodiesel, which obtain fromrapeseed oil, is called rapeseed methyl ester(RME). In this paper, the theory and different kinds of methods ofpreparation of RME have been briefly presented, the main physical and chemical characteristics and fuelcharacteristics of RME and diesel oil have been compared, the study progress of RME used as fuel on dieselngine has been summarized in detail, the advantage and中国煤化工using RME and thedevelopment prospect of its application and some difficultiesKey words: rapeseed methyl ester; diesel;; engine biodieselCNMHG