Performances and emissions of a supercharged diesel engine fuelled with biodiesel
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摘要: 为了在柴油发动机上优化生物柴油的应用, 利用发动机台架试验, 对比分析了不同掺混比生物柴油对增压直喷柴油机排放、燃料经济性和动力性的影响, 在不同转速和负荷下, 研究了发动机的碳烟、NOx、CO与HC排放及有效能量消耗率和功率。试验结果表明: 与柴油相比, 燃用B10、B20、B30、B50、B80和B100生物柴油的发动机碳烟排放平均降低了34.69%, NOx排放平均增加了25.01%, HC排放平均降低了33.05%, CO排放在满负荷下平均增加了11.13%;虽然有效燃料消耗率有所增大, 但有效能量消耗率平均降低了2.18%;功率平均增加了5.34%;生物柴油碳烟排放降低的百分比较NOx排放增加的百分比分别提高了7.01%、15.37%、14.17%、10.45%、6.73%和4.39%, 因此, B20掺混比最佳。Abstract: In order to optimize the application of biodiesel for diesel engine, the emissions, fuel economies and power performances of biodiesels with different blend ratios were compared and analyzed by bench tests of a supercharged direct injection(DI)diesel engine, the exhaust emissions of smoke, NOx, CO and HC, effective energy consumption rate and power were investigated under different engine loads and speeds.Experiment result shows that compared with diesel fuel, B10, B20, B30, B50, B80 and B100 blends have, on average, a reduction of 34.69% for smoke emission, an increase of 25.01% for NOx emission, a reduction of 33.05% for HC emission, an increase of 11.13% for CO emission at full load, a reduction of 2.18% for effective energy consumption rate although effective fuel consumption rate is increased, an increase of 5.34% for power, the decreased percentages for smoke emission are 7.01%, 15.37%, 14.17%, 10.45%, 6.73% and 4.39% higher than the increased percentages for NOx emission respectively, so the blend ratio of B20 is optimum.
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Key words:
- automobile engineering /
- supercharged diesel engine /
- biodiesel /
- blend ratio /
- performance /
- emission
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0. 引言
近年来, 随着对有限石油资源的认识, 人们意识到应减少对其作为主要能源的依赖, 并在全球范围内加快了对可再生能源的研究, 其中生物燃料是很具潜力的内燃机可再生替代燃料[1-10]。
生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物脂肪、餐饮废油等为原料油, 通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料, 这种燃料可供内燃机直接使用。生物柴油是一种清洁含氧燃料, 具有可再生, 易于降解, 燃烧污染及温室气体排放低等特点。中国“十五纲要”已明确提出发展各种石油替代品, 并将发展生物液体燃料确定为新兴产业发展方向。
本文在一台四缸增压直喷式柴油机上完成了不同掺混比生物柴油-柴油混合液的试验, 试验过程中对原柴油机未做任何调整。试验目标是对比柴油机燃用生物柴油、柴油和不同质量掺混比的生物柴油-柴油混合液的动力性、经济性和碳烟、NOx、HC、CO等排放的变化趋势, 探讨动力性、经济性和排放特性的变化机理, 为生物柴油-柴油混合液在柴油发动机的优化应用, 以及纯生物柴油发动机的优化控制提供基础。
1. 试验设计
1.1 试验用发动机
发动机为四缸增压直喷式索菲姆柴油机, 其主要技术参数为: 排量为2.499 L, 压缩比为18.5, 额定转矩为235 N·m@2 000 r·min-1, 标定功率为76 kW@3 800 r·min-1, 喷油提前角为4.5°±0.5°。
1.2 生物柴油混合液
试验用生物柴油(脂肪酸甲酯)与0#柴油的燃料特性对比见表 1。
表 1 燃料特性对比Table 1. Comparison of fuel properties项目 脂肪酸甲酯 0#柴油 常态 液态 液态 20 ℃时密度/(g·mL-1) 0.875 0.834 冷滤点/℃ 1 2 凝点/℃ -0.5 0.0 闭口闪点/℃ 140 60 运动粘度/(mm2·s-1) 4~6 2~4 硫含量质量比/% < 0.001 < 0.200 氧含量体积比/% 10 0 理论质量空燃比 12.5 14.5 质量低热值/(MJ·kg-1) 36.94 42.77 十六烷值 ≥56 ≥49 试验用生物柴油-柴油混合液是按质量掺混比混合, 分别含生物柴油0(纯柴油)、10%、20%、30%、50%、80%和100%(纯生物柴油), 依次记为B0、B10、B20、B30、B50、B80和B100, 各混合液密度和热值见表 2。
表 2 混合液特性Table 2. Blend fuel properties项目 B0 B10 B20 B30 B50 B80 B100 质量低热值/(MJ·kg-1) 42.77 42.19 41.60 41.02 39.86 38.11 36.94 20 ℃时密度/(g·mL-1) 0.834 0.838 0.842 0.846 0.854 0.866 0.875 1.3 试验工况
为了比较全面地反映柴油机燃用生物柴油-柴油混合液的排放和燃料经济性的变化趋势, 本文选取的试验转速n为额定转矩转速2 000 r·min-1和一个高转速3 000 r·min-1, 负荷率分别为30%、60%和100%。30%和60%负荷率为等功率试验(油门开度可能不同), 功率分别为16.29 kW@2 000 r·min-1、32.58 kW@2 000 r·min-1、21.79 kW@3 000 r·min-1、43.58 kW@3 000 r·min-1; 100%负荷率为全油门开度试验(功率可能不同)。
各试验工况下, 混合气过量空气系数基本相同, 这主要是因为生物柴油与柴油各方面的性质都比较接近。
各试验工况下, 排气温度存在一定的波动。导致排气温度增高的主要原因是生物柴油中有些组分的沸点比柴油的高, 这些沸点较高的组分在主燃期来不及完全蒸发, 在后燃阶段继续燃烧, 导致排气温度较高[2]; 另外生物柴油含氧, 使燃烧更完全, 缸内温度增加, 从而使排气温度有所增加。导致排气温度降低的主要原因是由于生物柴油的十六烷值比柴油的高, 滞燃期短, 着火落后期内积存的燃料较少。两者综合作用的结果使排气温度变化不大。
2. 试验结果及分析
2.1 碳烟排放对比
碳烟排放用AVL Dismoke 4000不透光烟度计进行测量, 烟度值以消光系数K表示。不同掺混比下, 碳烟排放对比见图 1。与柴油相比, 生物柴油的碳烟排放降低, 且下降幅度随掺混比的增加而加大。其主要原因为: 生物柴油含氧, 氧原子在燃烧过程中起到了助燃作用, 特别是在喷雾核心等富燃料区域, 在燃烧过程中可以自给氧, 使燃料能够比较完全地燃烧, 大大减少了普通柴油燃烧过程中因缺氧而形成碳烟的几率; 生物柴油芳香烃的含量比较少, 减少了因芳香烃(特别是高沸点的双环芳香烃)在高温缺氧区脱氢反应所生成的碳烟量; 生物柴油中不饱和脂肪酸的蒸发温度低于普通柴油, 在燃烧室内的蒸发速度快, 混合更均匀, 燃烧更彻底。但同时, 生物柴油由于粘度大, 喷雾质量差, 混合气形成质量差, 而使碳烟生成增加。使碳烟减小的影响大于使碳烟增大的影响, 最终导致燃用生物柴油时的碳烟减少。随着掺混比的增大, 混合液的含氧量和不饱和脂肪酸增大, 芳香烃含量减小, 碳烟的下降幅度也随之加大。
2.2 NOx排放对比
不同掺混比下, NOx排放对比见图 2。与柴油相比, 随掺混比的增大, 混合液的NOx排放显著增加, 尤其是在转速为3 000 r·min-1时, 增加幅度更大; 各掺混比在转速为2 000 r·min-1时, 60%负荷的NOx排放高于100%负荷的。
燃用生物柴油NOx排放高的主要原因如下。首先, 与柴油不同, 生物柴油含有一定的氧, 使混合气中氧的浓度较高; 而且燃料含氧使燃料燃烧更完全, 从而产生的较高温度和压力会导致生物柴油的NOx排放比柴油的高。其次, 燃用生物柴油时滞燃期较短, 着火时刻提前, 压力峰值和最高燃烧温度都比燃用柴油时的高, 从而促进NOx的生成[3]。最后, 由于生物柴油的密度高且可压缩性差, 使每循环的质量喷油量增加, 也使喷油提前角增大, 喷油越早, 气缸压力峰值越高, 为NOx的生成创造有利条件[3]。
转速为2 000 r·min-1, 60%负荷的NOx排放高于100%负荷的, 其主要原因是: 虽然100%负荷的缸内燃烧温度高于60%负荷的, 但是柴油机是质调节, 在进气量不变的前提下, 60%负荷下的喷油量较少, 富余氧气多, 以致60%负荷的NOx排放较高。
2.3 HC排放对比
不同掺混比下, HC排放对比见图 3。与柴油相比, 随掺混比的增大, 在部分负荷时, 混合液的HC排放显著下降, 满负荷时, HC变化不明显。
燃用生物柴油HC排放降低的主要原因为: 生物柴油含氧, 使燃烧状况明显改善, 降低了因局部混合气过浓而熄火造成的HC排放; 燃用生物柴油时, 喷油提前, 且滞燃期短, 使着火开始早, 这样HC形成后有较充足的时间进行氧化; 生物柴油密度大, 蒸发性差, 喷雾质量差, 喷雾燃烧边缘稀, 混合气少, 并且生物柴油的十六烷值较高, 着火性能好, 使生物柴油可以在着火条件较差的条件下顺利着火, 特别是在小负荷时, 混合气很稀, 且缸内温度、压力较低的情况下可避免局部失火, 从而降低小负荷时的HC排放, 这也正是小负荷工况下, 随着掺混比的增大, HC排放显著降低的主要原因。满负荷时, 由于柴油本身的HC排放很低, 所以随掺混比增大HC降低幅度不大。
2.4 CO排放对比
不同掺混比下, CO排放对比见图 4。在30%和60%负荷下, 随掺混比的增大, CO排放变化不明显; 在100%负荷, 转速为2 000 r·min-1时, CO排放先增大后减小, 而转速为3 000 r·min-1时, CO排放先减小后增大, 并在B50处达到最低。燃用生物柴油时, 由于在喷束的边缘会产生易挥发的成分, 在高温下的双键热裂解会促进燃烧, 因而能使滞燃期缩短。但是在喷束核心发生的聚合反应会使喷束核心收缩, 并导致喷束的贯穿率减小, 这些挥发性差的聚合物会影响雾化过程, 造成局部混合气过浓, 最终导致CO排放较高[2]。CO是燃料不完全燃烧的产物, 其生成主要受混合气浓度的影响, 而生物柴油含氧, 氧原子在燃烧过程中起助燃作用, 燃料能够比较完全地燃烧, 从而降低了CO排放。以上两种因素对CO的生成作用相反, 具体工况下CO排放量变化的大小取决于两者的综合作用。
2.5 CO 2 排放对比
不同掺混比下, CO2排放对比见图 5。与柴油相比, 生物柴油的CO2排放变化并不显著。理论上, 由于生物柴油含氧, 降低了碳的含量, 并且生物柴油燃烧效率高, 能耗低, 必然减小CO2排放; 但是由于生物柴油含氧, 燃烧完全, HC和碳烟排放降低, 增加CO2排放, 所以生物柴油与柴油的CO2排放无明显变化。
但是, 若在燃料的整个生命周期内对比生物柴油和柴油的CO2排放, 结论就不同了。生物柴油主要通过2个方面减少大气中CO2的含量。一方面生物燃料参与相对较快的生物碳循环, 即从燃烧生物柴油的发动机排气管释放CO2, 到植物生长过程中通过光合作用吸收CO2, 再到生产出生物柴油的原料。另一方面它替代了石化燃料, 而石化燃料燃烧所释放的CO2需要几百万年才能再转变为石化能。美国能源部研究得出的结论是: 使用B20和B100与使用柴油相比, 从燃料整个生命周期考虑, CO2排放分别降低15.6%和78.4%[4]。
2.6 能耗对比
实验数据表明: 随掺混比的增大, 发动机的小时燃料消耗量和有效燃料消耗率均增大, 其主要原因是生物柴油的热值低, 要保证同样的功率输出, 燃料消耗必然加大。
不同掺混比下, 有效能耗对比见图 6。随着掺混比的增大, 有效能耗减小, 这主要是由于生物柴油的着火落后期短, 放热集中, 含氧和燃烧效率高导致热效率提高[5]。
2.7 满负荷功率对比
不同掺混比下, 满负荷功率对比见图 7。随掺混比增大, 100%负荷下的功率也增大, 其主要原因为: 生物柴油含氧, 燃烧充分, 热效率高; 生物柴油的密度比柴油高, 所以生物柴油的循环供油量(质量)较高, 同时由于生物柴油的粘度比柴油的高, 燃油泵内的泄漏少[6], 进一步增加了生物柴油的循环供油量; 燃用生物柴油时, 滞燃期较短, 着火时刻提前, 压力峰值和燃烧温度都比燃用柴油时的高。虽然生物柴油的热值较低, 但由于以上3点, 其功率略有增加。
3. 结语
不同转速和负荷下增压柴油机燃用不同掺混比生物柴油-柴油混合液的研究表明: 随掺混比的增大, 碳烟排放在满负荷降低较多; NOx增加较多; HC在中小负荷降低较明显; 转速为2 000 r·min-1时, CO排放在100%负荷下增加较多; 满负荷下输出功率增加; 小时燃油消耗率和有效燃油消耗率增大, 而有效能量消耗率降低。与柴油相比, B10、B20、B30、B50、B80和B100的碳烟排放在6个试验点上平均降低16.79%、28.39%、31.72%、35.98%、45.40%和49.85%;而NOx排放在6个试验点上平均增大9.78%、13.02%、17.55%、25.53%、38.67%和45.46%;碳烟排放降低的百分比较NOx排放增加的百分比分别高7.01%、15.37%、14.17%、10.45%、6.73%和4.39%。综合分析碳烟和NOx排放及其他性能, B20为一种优化方案。
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表 1 燃料特性对比
Table 1. Comparison of fuel properties
项目 脂肪酸甲酯 0#柴油 常态 液态 液态 20 ℃时密度/(g·mL-1) 0.875 0.834 冷滤点/℃ 1 2 凝点/℃ -0.5 0.0 闭口闪点/℃ 140 60 运动粘度/(mm2·s-1) 4~6 2~4 硫含量质量比/% < 0.001 < 0.200 氧含量体积比/% 10 0 理论质量空燃比 12.5 14.5 质量低热值/(MJ·kg-1) 36.94 42.77 十六烷值 ≥56 ≥49 
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表 2 混合液特性
Table 2. Blend fuel properties
项目 B0 B10 B20 B30 B50 B80 B100 质量低热值/(MJ·kg-1) 42.77 42.19 41.60 41.02 39.86 38.11 36.94 20 ℃时密度/(g·mL-1) 0.834 0.838 0.842 0.846 0.854 0.866 0.875
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