柴油機(jī)燃用甲醇-柴油混合燃料燃燒特性的試驗(yàn)研究

1、第36卷第4期拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車Vol.36No.42009年8月Tractor&FarmTransporterAug.,2009柴油機(jī)燃用甲醇-柴油混合燃料燃燒特性的試驗(yàn)研究李永冰,王沛禹,劉曉輝2(1.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東日照276826;2.山東交通職業(yè)學(xué)院,山東濰坊261206)摘要:在一臺(tái)ZS195型柴油機(jī)上研究了M0,M10,M20和M30甲醇/柴油混合燃料對柴油機(jī)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,在柴油機(jī)參數(shù)不變的情況下,隨著甲醇添加比例增加,柴油機(jī)的動(dòng)力性有所下降,燃油經(jīng)濟(jì)性變化不大,柴油機(jī)煙度和CO的排放量都明顯降低,NOx排放在M10時(shí)略有增加,在M20,M30時(shí)下降10

2、%左右。HC的排放量有所增加。關(guān)鍵詞:柴油機(jī);甲醇;發(fā)動(dòng)機(jī)性能中圖分類號:TK421.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:1006-0006(2009)04-0076-02TestStudyonCombustionCharacticfledwithMethanol-diiLIYong2bing,yu,(1.RChina;VocationalCollege,Weifang261206,China)2theeffectofM0,M10,M20andM30methanol/dieselmixedfuelonZS195dieselperforshowthatwiththeaddingofmethanol,the

3、enginespowerperformancedecreases;fueleconomychangesslightly;dieselsmokeandCOemissionshavedecreasedsignificantly;NOxemissionaremoreatM10,butarereducedabout8%atM20,M30;HCemissionsareincreasedwhentheengineparametersremainunchanged.Keywords:Diesel;Methanol;Engineperformance柴油機(jī)具有動(dòng)力性好、熱效率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械和貨運(yùn)

4、車輛,缺點(diǎn)是排放煙度高14。隨著能源短缺和環(huán)境危機(jī)的日益加劇,要克服柴油機(jī)的這一缺點(diǎn),使用含氧燃料,被認(rèn)為是有效降低柴油機(jī)煙度及HC,CO排放的有效措施。本文在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)的條件下,試驗(yàn)了不同質(zhì)量混合比例的柴油/甲醇混合燃料對柴油機(jī)性能的影響。2200r/min時(shí)功率為9.7kW,壓縮比為17。主要儀器有CWWK-6003負(fù)荷轉(zhuǎn)速測量儀、CW-260電渦流測功機(jī)、FCM-05油耗儀、FGA-4100排氣分析儀和PQD-102型煙度計(jì)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T524-1999汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法,采取對比試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)在研究中保持發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)不變6。為了研究不同比

5、例甲醇/柴油混合燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的影響,試驗(yàn)分別配置了甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%(M10),20%(M20)和30%(M30)三種比例的甲醇/柴油混合燃料。1甲醇與柴油的理化性質(zhì)甲醇與柴油燃料的理化性質(zhì)參數(shù)對比見表15。甲醇分子(CH3OH)結(jié)構(gòu)簡單,含氧量高,因此與柴油混合燃燒可以有效降低煙3發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性分析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用混合燃料時(shí)的外特性曲線如圖1和圖2所示,使用混合燃料M10時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的最高輸出功率和轉(zhuǎn)矩分別下降約9.7%,9.0%;隨著甲醇加入量的增加,燃用M20甲醇混合燃料發(fā)動(dòng)度和CO的排放。但是甲醇與柴油性質(zhì)差異較大,難以互溶。為了保證甲醇/柴油混合燃料性質(zhì)穩(wěn)定且不分層,必需選用合適

6、的助溶劑。表1甲醇、柴油燃料理化特性對比Tab.1FuelPropertiesofMethanolandDiesel柴油14.6203040551.58.23.78983086018037020022042.82503003.9性能指標(biāo)理論空燃比/(kgkg-1)辛烷值(RON)十六烷值著火界限體積分?jǐn)?shù)/%混合氣熱值/(MJm-3)密度(20)/(gL-1)沸點(diǎn)/自然溫度/低熱值/(MJkg-1)汽化潛熱/(kJkg-1)黏度(20)/(mPas)甲醇6.4111356.7363.9067926547019.711010.611機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩分別下降11.3%,10.5%;燃用M30甲醇混合燃

7、料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩分別下降13.2%,12.6%。甲醇和助溶劑的加入使混合燃料的低熱值降低,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有下降的趨勢。但是甲醇的十六烷值低,導(dǎo)致了混合燃料滯燃期延長,使預(yù)混燃燒量增加。由于甲醇的沸點(diǎn)低,含氧量高,有利于柴油的擴(kuò)散,改善燃燒,使燃燒2試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及主要設(shè)備試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為0.8L,其缸徑為95mm,行程為115mm,收稿日期:2008-05-06;收修改稿日期:2008-08-07圖1功率的外特性曲線Fig.1ExternalCharacteristicCurveofEnginePower76李永冰等:柴油機(jī)燃用甲醇-柴油混合燃料燃燒特性的試驗(yàn)研究圖2轉(zhuǎn)矩的外特性曲線Fig.

8、2ExternalCharacteristicCurveofEngineTorque圖6柴油機(jī)煙度排放外特性曲線Fig.6SmokeEmissionsatFullLoadConditions的持續(xù)期變短。因此隨混合燃料中甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,燃燒特性的改變使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率下降幅度開始變小。5.2發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放特性NOx生成的3個(gè)條件為高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間。在全負(fù)荷條件下,甲醇的加入雖使滯燃期延長,但小比例甲醇對燃燒溫度的影響不大,同時(shí)由于甲醇高達(dá)50%NOx的排放略有增加。當(dāng)甲醇質(zhì)量比增加到M20,M30時(shí),使得進(jìn)氣溫,不利于NOx的生成,使x10%,4發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析本試驗(yàn)配制的M10,

9、M20,M30的混合燃料在臺(tái)架試驗(yàn)中,對比同條件下柴油機(jī)的油耗數(shù)據(jù)。柴油機(jī)小負(fù)荷時(shí)燃用混合燃料的耗油率稍高于或接近于燃用柴油時(shí)的耗油率如圖3圖5所示,其原因是柴油機(jī)小負(fù)荷時(shí)燃料噴射量較少而霧化性差,甲醇是含氧燃料,使過量空氣系數(shù)較大,混合氣過稀,而混合氣過稀不僅影響火焰的傳播而且還可能導(dǎo)致不著火,使油耗增加。同時(shí)低負(fù)荷時(shí),缸壁溫度及殘余廢氣溫度都較低,熱效率降低,柴油機(jī)氣缸內(nèi),其使燃燒趨于完全,熱效率提高,從而改善了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。圖7NOx排放的外特性曲線Fig.7NOxEmissionsatFullLoadConditions5.3發(fā)動(dòng)機(jī)HC和CO的排放特性甲醇柴油混合燃料的未燃碳?xì)渑欧湃?/p>

10、圖8所示。甲醇溶入柴油后,由于甲醇容易蒸發(fā),故在油霧的外圍可能造成過稀區(qū)混合氣量增加,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放增加。圖9是柴油/甲醇混合燃料CO排放的外特性曲線,可以看出,隨著摻燒甲醇量的增加,CO排放呈下降的趨勢,主要是由甲醇的物性和含氧特性引起的,即甲醇的低沸點(diǎn)圖3n=1100r/min時(shí)摻醇率對經(jīng)濟(jì)性影響Fig.3EffectofRatioofMethanolonEconomyat1100r/min和低黏度及“微爆”作用,改善了混合氣的形成和燃燒;而且甲醇又是含氧燃料,不僅提高了富油區(qū)氧的含量,也有助于減少因缺氧而生成的CO的排放量,尤其在外特性曲線的高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),這種趨勢更加明顯。圖4

11、n=1700r/min時(shí)摻醇率對經(jīng)濟(jì)性影響Fig.4EffectofRatioofMethanolonEconomyat1700r/min圖8HC排放的外特性Fig.8HCEmissionsatFullLoadConditions圖5n=2200r/min時(shí)摻醇率對經(jīng)濟(jì)性影響Fig.5EffectofRatioofMethanolonEconomyat2200r/min5發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性分析5.1發(fā)動(dòng)機(jī)的排放煙度發(fā)動(dòng)機(jī)排放煙度的外特性曲線如圖6所示,燃用M30時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放煙度下降約66%。主要原因是:甲醇的沸點(diǎn)低,當(dāng)柴油中混合一定比例的甲醇時(shí),混合燃料粘度變小加之“微爆效應(yīng)”使燃油霧化蒸發(fā)性能

12、改善,可以促進(jìn)油霧與空氣的混合,同時(shí)由于甲醇含氧量高達(dá)50%,與燃燒柴油相比,燃燒會(huì)更加完全,所以排放物中炭粒含量減少,煙度明顯降低。圖9CO排放的外特性曲線Fig.9COEmissionsatFullLoadConditions6結(jié)論1)柴油機(jī)摻燒甲醇后在不改變參數(shù)的前提下與原機(jī)相比功率分別下降9.7%,11.3%,13.2%,相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩減少9.0%,10.5%,12.6%;對燃油消耗率影響不大。(下轉(zhuǎn)第82頁)77拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車第4期2009年8月律與HCHO的非常相似。轉(zhuǎn)速一定的條件下,隨著負(fù)荷的增加,HCOOCH3的排放有減少的趨勢;同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的增大也會(huì)導(dǎo)致排放HCHO,HC

13、OOCH3進(jìn)行檢測,而HCOOH可采用FTIR進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果表明:在DME發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放中,均檢測到HCHO,HCOOCH3,HCOOH等排放物。2)在ZS195柴油機(jī)上燃燒DME后的非常規(guī)排放物中,HCHO的的增加。其原因是甲酸甲酯的生成跟甲醛一樣,也是DME在低溫燃燒的一種不完全氧化中間產(chǎn)物4。轉(zhuǎn)速增加,實(shí)際噴油提前角減小,最高燃燒溫度降低,導(dǎo)致HCOOCH3高溫反應(yīng)的駐留時(shí)間減少,因而其被氧化的較少,排放量就會(huì)增加。相比甲醛,甲酸甲酯的生成與消耗規(guī)律較為復(fù)雜,影響其濃度變化的因素也較多,因此HCOOCH3的排放曲線不甚規(guī)則,且整體的排放量比較小,檢測到的最大值也只在20×

14、10-6左右。3.3HCOOH排放分析HCOOH排放量是用傅立葉紅外分析儀測量所得。從圖7中可排放量要比HCOOCH3,HCOOH的高,而HCOOCH3排放體積分?jǐn)?shù)均在20×10-6以下,HCOOH排放體積分?jǐn)?shù)均在10×10-6以下,由此可見HCHO是非常規(guī)排放物中的主要成分。3)HCHO,HCOOCH3排放的體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的提高稍有增加;隨著負(fù)荷的增大,HCHO和HCOOCH3的排放量降低,而HCOOH排放量變化則不甚明顯。4)對DME發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中,HCHO,HCOOCH3,HCOOH是DME低溫氧化反應(yīng)生成的相對穩(wěn)定的重要中間產(chǎn)物,均在低溫反應(yīng)以看出,HCOOH排放

15、值較小,基本都在10×10-6以下,且隨負(fù)荷的變化排放量沒有明顯的波動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的變化對HCOOH的排放雖有一定影響,但變化幅度也很小。階段生成,2和水而被大量消耗掉。DME氧化的。,Eddy,等.甲醇/汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放成分測量方法研究J.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2006,24(1):5761.2郎靜,張煜盛.論DME燃燒與微量污染物生成機(jī)理研究J.內(nèi)燃機(jī)工程,2005,26(6):3034.3CHARLESEMitchell,DANIELBOlsen.FormaldehydeFormationinLargeBoreNaturalGasEnginesPart1:Formatio

16、nMechanismsJ.JournalofEngi2neeringforGasTurbinesandPower,2000(10):603609.4張煜盛,孫海英,莫春蘭,等.二甲醚HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)微量排放物的數(shù)值模圖7不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下HCOOH排放Fig.7HCOOHEmissionunderDifferentSpeedsandLoads4結(jié)論1)對配有FID檢測器的氣相色譜儀的分離柱溫、載氣流速、汽化擬與實(shí)驗(yàn)研究J.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,35(7):7881.(編輯劉紅云)室的檢測器溫度等工作條件進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,采用外標(biāo)法,經(jīng)色譜工作站繪制出的工作標(biāo)準(zhǔn)曲線,可對DME發(fā)動(dòng)機(jī)的微量排放

17、物作者簡介:羅紅英(1967-),女,副教授,碩士,研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒和排放分析。(上接第77頁)2)柴油機(jī)燃用M30甲醇/柴油混合燃料可以使排放煙度在全負(fù)荷下降低約66%,CO的排放也同時(shí)降低。NOx排放在M10時(shí)略有增加,在M20,M30時(shí)下降10%左右。HC排放與原柴油機(jī)相比有所增加。參考文獻(xiàn):1何建宏,袁曉東,郭和軍,等.生物油乙醇柴油混合燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)J.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2005,32(5):2528.4鄒洪波,王利軍,劉圣華.引燃柴油量對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響J.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2007(5):422426.5HUANGZuo2hua,LUHong2bing,

18、JIANGDe2ming,etal.StudyonCombus2tionCharacteristicsofaDIDieselEngineOperatingonDiesel/MethanolBlendsJ.TransactionsofCSICE,2003(6):401409.6張俊強(qiáng),盧紅兵,王錫斌,等.直噴式柴油機(jī)燃用甲醇/柴油混合燃料的燃用J.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2008,35(2):1011.2張軍昌,師帥兵,張娟利.柴油機(jī)燃用甲醇/柴油雙燃料的試驗(yàn)研究J.燒及排放特性J.燃燒科學(xué)與技術(shù),2004(2):171175.(編輯劉紅云)拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2005,32(4):4547.3姚春德,王銀山,段峰,等.柴油機(jī)燃用甲醇-柴油雙燃料的控制與研究作者簡介:李永冰(1968-),男,山東五蓮人,碩士,講師,研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)。(上接第79頁)參考文獻(xiàn):1NAMIAKher,MUTASIMASalm