柴油機(jī)燃用甲醇_柴油雙燃料的試驗(yàn)研究

1、拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車第4期2005年8月 Tractor&FarmTransporter45柴油機(jī)燃用甲醇/柴油雙燃料的試驗(yàn)研究張軍昌 師帥兵 張娟利(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 楊凌 712100)摘要:對(duì)原柴油機(jī)基本不改變其結(jié)構(gòu)和調(diào)整參數(shù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了甲醇/柴油雙燃料的簡(jiǎn)單改造并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在甲醇吸入量在212722.89g/h范圍內(nèi)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)能平穩(wěn)工作,發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能均優(yōu)于原柴油機(jī)。關(guān)鍵詞:柴油機(jī) 柴油/甲醇 試驗(yàn)研究TestandResearchonDieselEngineBurningBi fuelofDiesel/Meth

2、anolZhangJunchang,ShiShuaibing,ZhangJuanli(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestSci TechUniversityofAgricultureandForestry,Yangling712100,China)mplereformeddieselengineforburningbi fuelofdiesel/methanolwithoutchangingitsformerAbstrac:tAsistructureandparametershadbeensetandtested.Ther

3、esultshowsthatwiththeamountofmethanolsuppliedbetween212g/hand722.89g/h,theperformanceofthereformedengineisbetterthantheoriginaloneinthepropertiesofpower,economyandemission.Keywords:Dieselengine,Dieseloil/methano,lTestandresearch能源危機(jī)與環(huán)境污染成為人類關(guān)注的兩大問(wèn)題,有鑒于此,尋求開(kāi)發(fā)具有環(huán)保特征的發(fā)動(dòng)機(jī)替代能源的任務(wù)日益緊迫。甲醇是一種環(huán)保型、可再生的生物質(zhì)燃料。對(duì)

4、現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造,部分或完全燃燒甲醇燃料具有很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本研究在對(duì)原柴油機(jī)基本不改變其結(jié)構(gòu)和調(diào)整參數(shù)的基礎(chǔ)上,在原機(jī)的進(jìn)氣管上加裝了一套簡(jiǎn)單的甲醇供給系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了柴油/甲醇雙燃料供給和燃燒,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便。通過(guò)對(duì)改造后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)研究和調(diào)整,力求使改造后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)相比有較好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能,在甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能研究方面做一些有益的試驗(yàn)探索。D150型水力測(cè)功器。甲醇通過(guò)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管上經(jīng)改裝的CA231型化油器吸入氣缸;化油器阻風(fēng)門、節(jié)氣門全開(kāi),發(fā)動(dòng)機(jī)其它機(jī)構(gòu)不變。在試驗(yàn)中為便于對(duì)甲醇供入量進(jìn)行可變調(diào)節(jié),主

5、量孔的開(kāi)度要可以調(diào)節(jié),所以要對(duì)選用的化油器進(jìn)行加工,加裝配劑針,供醇量可通過(guò)化油器配劑針調(diào)整。1.2 試驗(yàn)材料試驗(yàn)用甲醇選用陜西榆林化工廠生產(chǎn)的工業(yè)甲醇,柴油用0號(hào)柴油。甲醇和柴油的理化性能指標(biāo)見(jiàn)表1與表2。2 甲醇吸入量的試驗(yàn)1試驗(yàn)在標(biāo)定工況(ne=2000r/min,Pe=8.82kW)下進(jìn)行,改變化油器主量孔開(kāi)度調(diào)整甲醇吸入量比 =Gf甲100%,按熱值換算的折和總?cè)剂舷牧縂f柴H 甲Gf折=Gf柴+Gf甲H 柴試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:1 設(shè)備與材料1.1 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)是在S195柴油機(jī)上進(jìn)行的,柴油機(jī)缸徑D=95mm,活塞行程S=115mm,標(biāo)定轉(zhuǎn)速ne=2000r/min

6、,標(biāo)定功率Pe=8.82kW,測(cè)功器為表1 甲醇、柴油的理化特性參數(shù)表23名稱甲醇含碳/%1含氫/%12.5含氧/%50汽化潛熱/(MJ kg-1)1.088密度/(kg L-1)0.792粘度/(MPa s)0.611十六烷值CN35辛烷值ROM10611546表2 甲醇、柴油的燃燒特性參數(shù)表項(xiàng)目甲醇柴油低熱值Hu/(MJ kg-1)19.88742.542.8體積低熱值Hv/(MJ kg-1)15.7735.66理論混合氣熱值HLm/(MJ kg-1)2.65592.722.79拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車 第4期2005年8月著火溫度/!470270350理論空燃比/(kg kg-1)6.4514

7、.314.6表3 標(biāo)定轉(zhuǎn)速空負(fù)荷下甲醇吸入量試驗(yàn)質(zhì)量比 /%025.9942.3652.2559.7665.4972.7077.6077.61Gf甲/(g h-1)0212.95361.19471.70674.16746.50875.91955.411040.16Gf柴/(g h-1)626.09606.57491.47431.14453.97393.44328.92327.27300.00Gf總/(g h-1)626.09819.52852.66902.841128.131139.941204.831282.681340.16Gf折/(g h-1)626.09705.74695.67650.

8、80767.91741.07736.82772.19784.39Tr/!170150155160150160155150140煙度/波許單位1.10.90.50.10.10.20.40.00.7試驗(yàn)號(hào)1234567891)甲醇吸入量比 =26%77%時(shí),即甲醇吸入量Gf甲=212.951040.16g/h時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn),與燃用純柴油相比無(wú)明顯異?，F(xiàn)象。2)隨著 值的提高,柴油消耗量Gf柴下降,甲醇消耗量Gf甲增大。3)隨著 值的提高,總?cè)剂舷牧縂f總增大。這是由于甲醇的熱值只有柴油的46.57%,當(dāng)柴油消耗下降時(shí),甲醇消耗急劇增加所致。4)按熱值換算折合總?cè)剂舷牧縂f折均高于純柴油消耗

9、量,且隨機(jī)變化率較小。5)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度Tr隨 值增大而降低。這是因?yàn)榧状嫉钠瘽摕岽?使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度下降,且這種下降程度隨 值增大而增大,導(dǎo)致整個(gè)工作循環(huán)溫度下降。甲醇速燃期短,燃燒速度高,有利于降低排氣溫度;甲醇含氧量高達(dá)50%,有利于燃料與氧的混合與擴(kuò)散,改善燃燒條件,也導(dǎo)致排氣溫度的下降。6)當(dāng) >77%時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴,油耗量增加很快。這是由于供醇量過(guò)大,甲醇汽化時(shí)的強(qiáng)烈致冷作用,造成柴油的自燃延遲期增長(zhǎng),氣缸內(nèi)累積的可燃混合氣過(guò)多,一旦著火燃燒,使氣缸內(nèi)壓力升高率過(guò)大,發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴,熱負(fù)荷增大。7)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣煙度隨著甲醇加入量的增加而下降。開(kāi)度,測(cè)定在不同甲醇吸入量時(shí)

10、,發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性。圖1為甲醇吸入量674.16g/h時(shí)的負(fù)荷特性。圖2為甲醇吸入量674.16g/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度與燃燒純柴油時(shí)的排氣溫度對(duì)比圖。圖3為甲醇吸入量674.16g/h時(shí)雙燃料與燃用純柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率對(duì)比圖。圖1 甲醇吸入量在674.16g/h下的負(fù)荷特性3 負(fù)荷特性試驗(yàn)4首先測(cè)取燃燒純柴油時(shí)的負(fù)荷特性,以便與雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較分析。在測(cè)取了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒純柴油的負(fù)荷特性之后,再進(jìn)行柴油/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng),圖2 排氣溫度對(duì)比圖張軍昌等:柴油機(jī)燃用甲醇/柴油雙燃料的試驗(yàn)研究47發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率按下式計(jì)算-3e=U/(ge折 10 Hu) 100%式中 U1kW h的熱功

11、當(dāng)量,3.60 10kJHu柴油低熱值,42705kJ/kgge折折合總?cè)剂媳群?g/(kWh)利用率高,有較好的經(jīng)濟(jì)性。這是因?yàn)榧状嫉幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣瓤?氣缸內(nèi)壓力上升快,接近等容燃燒,在距離上止點(diǎn)相對(duì)較近的時(shí)刻完成燃燒,減少了后燃部分的比例,排氣溫度下降。4)從負(fù)荷特性的發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率對(duì)比曲線上可以看出,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率 e比發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純柴油相比有所升高,且隨著負(fù)荷的增大,它們的差值也增大,尤其是在高負(fù)荷區(qū)有效效率的升高更加明顯。這是因?yàn)?甲醇汽化潛熱較高,蒸發(fā)時(shí)吸收了燃燒室周圍零件的熱量,增加了自身的焓值,排氣溫度降低,有效效率提高。并且在燃燒過(guò)程中,有關(guān)零件的溫度降低,膨脹度減小,從

12、而使摩擦功、自耗功減少,有效效率提高。同時(shí)甲醇本身含氧量高,柴油/甲醇雙燃料燃燒速率高且隨著負(fù)荷的增大燃燒完全、散熱損失少等原因造成雙燃料有效效率較燃用純柴油高。圖3 有效效率對(duì)比圖試驗(yàn)結(jié)果表明:1)甲醇/柴油雙燃料驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)時(shí),總?cè)剂媳群膅e總高于純柴油驅(qū)動(dòng)時(shí)的耗油率ge純,原因是甲醇熱值只有柴油熱值的46.57%,所以用甲醇替代柴油時(shí)ge總>ge純。2)在小負(fù)荷時(shí),雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)按熱值換算的折合油耗率ge折較純柴油略有升高;在中等負(fù)荷和高負(fù)荷區(qū),雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)折合油耗率比燃用純柴油的要低。這說(shuō)明雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷區(qū)有較好的經(jīng)濟(jì)性,發(fā)動(dòng)機(jī)超負(fù)荷工作能力得到提高。原因是:#在低負(fù)荷時(shí),發(fā)

13、動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷小,加之甲醇汽化的致冷作用,導(dǎo)致氣缸溫度偏低,氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度較低,引燃柴油量較小,不利于燃料蒸發(fā)混合與燃燒。同時(shí)甲醇的十六烷值低,自燃溫度高,汽化潛熱大,甲醇的蒸發(fā)將吸收大量的熱,這進(jìn)一步降低了工質(zhì)的溫度與壓力,使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性變差,耗油量升高。%隨著負(fù)荷的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增大,引燃油量逐漸正常,氣缸溫度升高,混合氣的形成與燃燒條件得到改善,燃燒更加完善。&甲醇汽化潛熱較高,蒸發(fā)時(shí)吸收了燃燒室周圍零件的熱量,增加了自身的焓值,降低了進(jìn)氣管溫度,增加進(jìn)氣密度,壓縮終點(diǎn)氣缸內(nèi)的溫度降低,中高負(fù)荷時(shí)對(duì)燃燒有利。甲醇是富氧燃料,燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?氣缸內(nèi)壓力上升快,能保證柴油/

14、甲醇混合燃料得到良好燃燒,使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷區(qū)有較好的燃料經(jīng)濟(jì)性,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的超負(fù)荷能力。3)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度Tr明顯低于純柴油,且它們的差值隨負(fù)荷增大而加大,4 結(jié)論1)采用在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管安裝化油器的預(yù)混供醇方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)原柴油機(jī)的甲醇/柴油雙燃料的改造,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。2)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在甲醇吸入量比 =26%77%時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)能平穩(wěn)工作,大于77%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴。甲醇供給量在212722.89g/h范圍內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能均優(yōu)于原柴油機(jī)。3)中等負(fù)荷和高負(fù)荷區(qū),雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率比燃用純柴油的要低,最低燃油消耗率下降4.6%29%,有較好的經(jīng)濟(jì)性,在低負(fù)荷區(qū)經(jīng)濟(jì)性略低于柴油機(jī)。4)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能在低負(fù)荷時(shí)較差,在中高負(fù)荷區(qū)明顯高于柴油機(jī),并