生物柴油热重分析及柴油机试验研究

第42卷第2期小型内燃机与摩托车VoL 42 No. 22013年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2013生物柴油热重分析及柴油机试验研究肖淑梅·2孙平梅德清张锐(1-江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江2120132-扬州职业大学汽车与电气系)摘要:利用热重分析仪在氮气及氧气气氛下,对生物柴油和0#柴油进行热分析,考查了样品的挥发热解及氧化特性,并计算热分析特性参数。对两种燃料进行了柴油机台架对比试验,并对燃烧特性数椐进行分析。结果表明:生物柴油有良好的替代性;生物柴油的燃烧性能更加优越,使用在柴油机上时,较为提前的着火延迟期可以使柴油机工作柔和,不粗暴。热重法对燃料蒸发性能的硏究对发动机缸内雾化蒸发和燃烧过程有着指导意义。关键词:生物柴油热重分析台架试验柴油机中图分类号:S216.4;F325.22文献标识码:A文章编号:1671-0630(2013)02-007-05The Study on Thermo-Gravimetric analysis andDiesel Engine Test of BiodieselXiao Shumei, Sun Ping, Mei Deqing,Zhang RuiI-School of Automobile Engineering, Jiangsu University( Zhenjiang, Jiangsu, 212013, China)2-Department of Automobile and Electrical Engineering, Yangzhou Polytechnic CollegeAbstract: The thermo-gravimetric analyses of biodiesel and 0# diesel were carried out in N, and O2 atmos-phere. The volatility, pyrolysis and combustion characteristics were determined, and the parameters of thethermo-gravimetric analysis were calculated. The two kinds of fuel were tested on engine test bench and the re-sults were analyzed. The results indicated that the biodiesel shows good substitutable significance; its combus-tion is better: Earlier ignition delay makes diesel engine work softly, not crudely. The thermo-gravimetric analysis methods on fuel evaporation performance have the guiding significance for spray mixing and burningprocess in a diesel engine.Keywords: Biodiesel, Thermo-gravimetric analyses, Bench test, Diesel engine引言用已经得到了较大的发展。生物柴油所含的双键数目在石油资源日益耗竭和油价不断攀升的今天,积少,分子中含氧量较高,含碳支链数目少或没有使得极寻求可再生的清洁替代能源,具有非常重大的意义。生物柴油有较好的燃烧特性。生物柴油技术是近十年来新能源研制和开发的热点。目前对生物柴油能提高柴油机热效率,减少尾气作为一种优质的代用燃料,生物柴油在柴油机上的应中烟尘颗粒N中国煤化工点已经达成共CNMHG*甚金项目:国家自然科学基金资助项目(50976051);扬州职业大学科研基金项目(1la07)。作者简介:肖淑梅(1975-),女博士研究生,主要研究方向为发动机代用燃料及排放控制。小型内燃机与摩托车第42卷识,但因其组成的复杂性,生物柴油的物理化学特性及其对发动机排放性能的影响机理尚未完全清楚,研究方向限于发动机缸内燃烧与排放测试。生物柴油在发动机各冲程阶段的详细机理,尤其是早期的蒸发和热解性能,尚少涉及。柴油机内燃料油膜很薄,铺展在壁面上,受热近似均匀,升温迅速,实际情况非常接近热重分析仪的状态和环境,所以,本研究采用热重分析法并结合AVL台架试验系统,比对一般市售石化柴油,深入分析生物柴油的蒸发、热解和其在柴油机内燃烧图2 TGA/DSC1型热重分析仪炉体的性能本质特征。1热重试验设备与方法量过程中的热流变化规律。试验中天平室必须处于恒试验采用了瑞士 METTLER公司的 TGA/DSCI型温状态以保证信号的重复性,必须使用外接恒温浴槽。采用热重分析法对柴油机用燃油进行分析时,燃热重分析仪。图1是其结构示意图。仪器包含天平油样品质量仅为数毫克至数十毫克,在坩埚内以非常室加热炉(见图2)和仪器室三大装置,与终端智能显薄的油膜形式存在。在柴油机冷起动工况,直喷柴油示屏相连。系统内一台高精度的梅特勒-托利多天机活塞顶表面的最大油膜厚度会大于200μm。试平,用来测量样品重量变化信号;热传感器直接安装在验前,可以根据钳涡底面尺寸和燃油样品质量及密度测量单元中,能同时提供差式扫描量热信号(DSC),测等参数,计算出油膜厚度,从而精确模拟一般冷启动工测量线路单元况下,燃油的蒸发和热解状态。试验过程中的升温速检测器率能够精确控制在0.1℃/min至300℃/min之间,多显示系统项研究结果表明,100℃/min的加热速率与冷起动过程中活塞温度的升高速率相近似3,所以,试验中将测温系统电热炉采用100℃/min的加热速率。程序控制单元本试验采用的生物柴油原料为地沟油,经酯交换反应处理后转化为脂肪酸甲酯,由恒顺达生物柴油有气氛控制单元限公司提供,其结构为R-COOR。石化柴油为中石图1热重分析仪结构示意图化市售0号柴油。两者的理化性质参数见表1。表1柴油、生物柴油理化性质密度(20℃)/运动粘度(40℃)汽化热含氧量/低热值项目沸点/℃闪点/℃十六烷值(kg·L-1)(kJ·kg)(%)(M·kg2)柴油0.82-0.86180-37065~88生物柴油0.8964.972624101412.12热重试验结果与分析(dM/dT其中挥发指数:V图3和图4分别为试验所得到的柴油和生物柴油T·W2燃烧指数:V在不同气氛下的TG(失重)、DTG(失重率)曲线,表2(dM/dr)中国煤化工T·W,的DTG曲线峰CNMHG为试验和计算所得柴油与生物柴油的热重特性参数。值对应的最大失重速率,速率为正,单位为mg/s;W第2期肖淑梅等:生物柴油热重分析及柴油机试验研究为DTG曲线峰值宽度的一半,K;T为样品起始失重比较由图3可知,生物柴油在245℃时才开始失温度,K;Te为样品起始燃烧温度,K。重,远高于柴油的110℃,参看表1得知,生物柴油的密度、运动粘度、沸点和汽化热均大于柴油,即生物柴10油中高碳碳链数目多于柴油,分子质量大,受热后在低0.02-0.04温区难以较快蒸发;运动粘度是流体内部阻碍其相对-0.08运动的一种特性,是衡量燃料流动性能及雾化性能的柴油TG重要指标,在热重分析仪中,燃料以油膜态制备,生物B1OOTG柴油DTG-02E柴油较大的运动粘度显然阻碍了大分子长链酯类物质--BEOODTG0.16-0.的汽化性能,导致蒸发惯性降低;要形成良好的雾化,117163208254300346392必须吸收更多的汽化热量,使得生物柴油在发动机起温度/℃图3柴油、生物柴油在N2气氛下的TG、DG曲线动阶段早期,综合性能不如石化柴油,柴油机使用生物柴油,需要采用种种措施提高起动温度,改善低温起动性能。部分文献也证明了,与降低油膜厚度相比,提高10升温速率对缩短油膜蒸发时间的作用更加明显。02比较图3,可知生物柴油的最大失重速率接近为石化柴油的两倍,失重半峰宽极窄,挥发指数为柴油的柴油TGBoOT三倍左右,说明生物柴油一旦开始蒸发失重,即在较短---B1OODTG时间内挥发完毕,图4的O2气氛下,生物柴油陡峭的-0.82571117163208254300346392失重线,也同时证明了这一点。分析原因,本试验所用温度/℃生物柴油来源于地沟油,经酯交换反应处理后,形成图4柴油、生物柴油在O2气氛下的TG、DTG曲线种由多种脂肪酸甲酯( fatty acid methylester)构成的复表2柴油与生物柴油的热重特性参数比较杂混合物S,其成分可由气质联用仪分析色谱柱得燃料到。见下表3。柴油生物柴油特性参数不难发现其中占主要成分的是油酸甲酯(C1s1)、亚油酸甲酯(C1a)、棕榈酸甲酯(C16a)以及硬脂酸起始失重温度℃110245甲酯(C180),它们占据了整个成分的86.41%,这四终了失重温度℃263者的摩尔质量分别为296.49g/mol、294.48g/mol挥发最大失重速率270.45g/mol、298.5lg/mol,根据结晶理论,摩尔质参数(dM(d)=)/(mg·s")/0.0g特性量影响分子间作用力,对同系物而言,摩尔质量越大,分子间作用力越大。即相同摩尔质量的同系物失重半峰宽(Wn)/K其分子间作用力接近相同。上述四种脂肪酸甲酯的挥发指数(V)287×106744×106摩尔质量非常接近,因此在热重分析仪环境下,当温起始失重温度/℃240度达到某个值时(受不同气氛、不同加热速率的影起始氧化温度/℃响,此温度值是不同的),本试验的生物柴油的主要氧化成分将几乎同时发生克服分子间作用力,发生汽化特性最大失重速率参数(dM/dr)=)/(mg·s-)0.03失重,故而表现为失重速率的迅速增大和失重带宽的大幅度减V凵中国煤化工摩尔质量分布失重半峰宽(Wa)/K19较广,所以CNMHG时说明,对于由燃烧指数(V)108×012×0单一来源制成的生物柴油,如菜籽油生物柴油、玉米10小型内燃机与摩托车第42卷油生物柴油、大豆油生物柴油、棕榈油生物柴油、花281℃,这表示本试验的生物柴油,在极短的时间内,完生油生物柴油等,应该同样具有较大的失重速率和成挥发与氧化,这两个过程交叠存在。生物柴油重质狭窄的失重带宽,而来源混合夹杂的生物柴油,则与成分多,反应较复杂,热分解阶段物理和化学反应是合石化柴油一样,不具备此性能。这种性能对于生物在一起的。短暂的失重时段也体现了生物柴油比石化柴油的很高的失重起始温度而言,其实是个补偿,能柴油更加优良的燃烧特性,从表2燃烧指数的比较也形成良好的混合气。能得到这一结论。3发动机台架试验表3本试验用生物柴油成分试验用发动机为YZ402QF直喷式柴油机。其主组分名称%要技术参数如表4所示。试验时沿用原机的供油系羊脂酸甲酯(Co0)0.15统,为保持原机的动力性,适当增加了循环供油量。试月桂酸甲酯(C20)0.28验用仪器设备见表5。豆蔻酸甲酯(C140)1.72表4柴油机主要参数十五烷酸甲酯(C15。o)0.1型号YZA102QF棕榈酸甲酯(C50)型式直喷式、四冲程十七烷酸甲酯(C10)气缸数硬脂酸甲酯(Co)8.70气缸直径/mm102花生酸甲酯(C20)0.49活塞行程/mm118棕榈油酸甲酯(Cs)3.14压缩比17.5:1油酸甲酯(C1s)36.80总排量/L3.857二十碳烯酸甲酯(Ca,)0.70额定功率/kW70.6芥酸甲酯(C21)0.31最大扭矩/(N·m)245亚油酸甲酯(C12)21.18表5发动机台架试验设备二十碳二烯酸甲酯(C202)0.16设备名称型号亚麻酸甲酯(C1s3)气缸压力采集系统DEWE-2010 DAQ山嵛酸甲酯(C20)0.40测功机AVLAlpha 335观察图4的DCT图线,可以看出石化柴油在氧气烟度计AVL 435气氛下可分为两个失重阶段,1)初始阶段的失重为主油耗仪AVL 73要成分的挥发过程,此阶段对应温度段为95~227℃尾气分析系统Honba meXA-7200D最大失重速率出现在210℃,整个过程失重76%,2)第二阶段发生氧化燃烧,在245℃达到最大失重速率,此研究采用对比试验的方法深人研究石化柴油和生阶段温度段为227~264℃,整个过程失重24%。两个物柴油的缸内燃烧和排放特性。本文仅对两者的燃烧阶段间隙失重速率有轻微下降,这是因为在发生氧化特性做比较。中国煤化工燃烧的预备期,需要大量吸热造成的。4试验结从1 CNMHG然而生物柴油只有一个明显的失重区,为266图5为n=2000/min、p=0.782MPa时生物柴油第2期肖淑梅等:生物柴油热重分析及柴油机试验研究与0#柴油燃烧特性的比较。由缸内压力图可知,柴油非常容易燃烧,在柴油机着火延迟期,刚喷出少量生物与生物柴油的缸压曲线接近相同;但瞬间压力升高率柴油时,即发生燃烧,所以着火提前,且最大压升率低,图表明:生物柴油比柴油的着火延迟期早约2°CA,且对应的柴油机表现工作柔和不粗暴。对应的最大压力升高率低。这个现象可以用热重试验放热率曲线表明:生物柴油比石化柴油的初期放解释:在高温区,生物柴油很高的失重速率和狭窄的失热量少,瞬时放热率低。这是因为生物柴油组分的重重带宽显示出其燃烧性能优越于普通石化柴油,因此质成分多,造成裂解汽化热大,见表1。所以在升温的过程中需吸收更多的热量,因而造成这一现象。1005结论80柴油1)热重试验表明,低温阶段,生物柴油的雾化和蒸发性能不如石化柴油。但在高温区,生物柴油能在较短时段内挥发完毕。2)柴油机缸内压力和放热规律表明,生物柴油对40-20020406080100120140q/°CA于普通石化柴油有良好的替代性。在相同的转速及负荷下,生物柴油的着火延迟期比石化柴油短;初始阶段生物柴油的放热率较低;生物柴油开始放热时刻较早。129生物3)热重法研究燃料的蒸发性能,其结果与台架试验一致。参考文献I Stanton WD, Rutland JC. 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