使用異丁醇柴油混合燃料的柴油發(fā)動機的性能和排放特性

1、使用異丁醇柴油混合燃料的柴油發(fā)動機的性能和排放 特性摘要：本次研究的目的在于探究在柴油機中用異丁醇柴油混合燃料代替柴油的適用性，并用實驗探究其對發(fā)送機性能和排放的影響，即對有效功率、有效燃油消耗率、有效熱效率及CO,NOx和HC排放的影響。為此，我們準備了4種分別含5%、10%、15%及20%異丁醇的混合燃料作為基準，并在一個自然吸氣四沖程直噴式柴油機上作測試。測試時發(fā)動機為滿載，轉(zhuǎn)速在1200到2800r/min，以200r/min作為間隔。將用混合燃料后得到的結(jié)果與用柴油時作了比較，測試結(jié)果表明，有效功率在異丁醇含量在10%內(nèi)時略有減少，而在15%到20%是顯著減少。有效燃油消耗率隨著混合

2、物中異丁醇含量增加成比例增加。雖然比柴油的最高有效熱效率相對較低，當用含10%異丁醇的混合燃料時，在發(fā)動機處于高轉(zhuǎn)速時的最高有效熱效率有小幅度的提升。結(jié)果還表明，與柴油相比，用混合燃料時CO和NOx的排放減少，而HC排放顯著增加。1介紹由于化石燃料的日益減少，傳統(tǒng)化石燃料的價格增加以及處于環(huán)境考慮熱對排放的限制，人們對可替代能源和可再生能源的興趣日益增加。目前，許多國家都在尋找用可再生能源來替代傳統(tǒng)燃料的方法。在這些燃料中，醇類燃料無論是與傳統(tǒng)燃料混合或作為一種添加劑成分，都受到越來越多的關(guān)注。由于他們的高辛烷值和氧含量，SI發(fā)動機中用醇類燃料比有汽油能有更好的燃燒性能。然而，醇類燃料的一個重

3、要問題就是在CI發(fā)動機中使用時其與空氣混合困難，其十六烷值低，汽化潛熱高，點火延遲長。為了克服這些問題并在CI發(fā)動機中使用醇類燃料，不同地方法如酒精熏蒸、復式噴射、醇與柴油混合機和酒精柴油燃料的乳化都可以使用。 研究表明，使用酒精柴油混合燃料的柴油發(fā)動機點火延遲期延長，這多時間取決去酒精混合的類型且隨著混合物中酒精的含量的增加而增加。然而，使用混合燃料有效的改善了尾氣的排放。Ajav等人，在勻速柴油機下測試了不同比例的混合燃料。他們發(fā)現(xiàn) ，混合了20%酒精的燃料比只用柴油的燃料增加了9%的燃油消耗，而CO、NOx的排放很低。Abu-Quadis等人，用實驗比較了乙醇熏蒸和與柴油混合時的柴油發(fā)動

4、機的性能與排放。他們發(fā)現(xiàn)熏蒸和混合在發(fā)動機的性能及排放上有可比較的影響。在另一方面，有效功率、CO和NOx排放有所增加，當時在用乙醇混合燃料低煙塵濃度降低。He等人，測試了用溶劑添加劑的混合燃料，添加劑是為避免分離并提高辛烷值，從而提高點火性能。他們得出結(jié)論，在大多數(shù)的發(fā)動機工況下，隨著燃料混合物中酒精含量的增加，煙塵含量、NOx、CO2的排放降低，而CO、乙醛和未然乙醇含量有增加的趨勢。 與傳統(tǒng)的化石燃料相比醇類有不同的物理化學性質(zhì)。此外，發(fā)動機和燃料系統(tǒng)中的一些修改很有必要以在CI發(fā)動機中使用酒精燃料。然而研究表明酒精含量在20%內(nèi)是通常不需作較大的改變。正如上述文獻中所示，這里對乙醇和甲

5、醇的在CI發(fā)動機作燃料方面作了大量的研究。然而，對異丁醇還沒在排放角度和溫度方面做集中地研究。這歸因于一些異丁醇一些特性如高成本、產(chǎn)量限制等。在另一方面，在一些調(diào)查中，利用他的高辛烷值，異丁醇被用于在SI發(fā)動機中的與汽油混合。此外，他還被用作燃料添加劑以提供穩(wěn)定的乙醇與柴油的混合燃料。雖然還沒有廣泛的實驗調(diào)查，異丁醇一些特性使得他適合作為CI發(fā)動機的代替燃料。一個重要的異丁醇屬性是它能從石油或石油資源出廠。由于他能從農(nóng)作物中生產(chǎn)，它被分作可再生生物燃料。此外，眾所周知，如果酒精包含一些水，當酒精和柴油混合時，分離問題將是一個重要問題。與乙醇和甲醇相比，異丁醇親水性相對較低，這使得他更容易與汽油

6、和柴油混合。此外，混合異丁醇的柴油能保持長期穩(wěn)定而不發(fā)生分離。如表一所示，異丁醇的氣化潛熱和比重與柴油的非常接近，盡管凈熱值異丁醇高于乙醇和甲醇。它比柴油機凈熱值低23%。高凈熱值對發(fā)送機的性能和燃油消耗是一種有效的優(yōu)勢。和乙醇和甲醇相比，異丁醇空燃比較高，更接近于柴油發(fā)動機。像其他醇類燃料一樣，異丁醇是含氧燃料，氧含量為21.5%，這能更顯著促進燃燒過程。點火延遲更高的主要原因之一是異丁醇有更高的氣化潛熱，然而，異丁醇的顯著優(yōu)勢是其蒸發(fā)熱非常接近柴油機。異丁醇直接代替柴油的主要障礙是其十六烷值低使得自然性能弱。但是，由于異丁醇的十六烷值非常接近乙醇和甲醇，早其的研究顯示利用20%的異丁醇混合

7、燃料是可行的方案。本研究的目的是調(diào)查不同的異丁醇柴油混合物對柴油機的性能和排放特性的影響。對此，準備了四種含量的混合物并在柴油機上做了測試，含量分別是5%、10%、15%及20%.測試結(jié)果與柴油燃料的測試結(jié)果作了比較。2 實驗步驟和實驗過程 測試在單杠直噴的柴油機上作了測試，如圖1所示。主要規(guī)范在表2中給出。為確定發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，測試機的與電力測功機相連，電力測功機由一個電阻加載。應(yīng)變載荷傳感器被用來確定測力計上的負荷。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速有在測工器上的速度傳感器測量。發(fā)動機燃油消耗率用最小量程為0.1的磅秤和最小時間為0.1秒的電子鐘共同完成。發(fā)動機裝有流量計和壓力計以測量進氣量的質(zhì)量流量?？諝饩彌_罐被

8、用于消除發(fā)動機產(chǎn)生的脈沖，這樣可以保持有一個穩(wěn)定的空氣流動。HC和CO用MCU易光達1600廢氣排放分析儀測ppm和百分數(shù)，NOx用MCU氣體分析儀測ppm?？諝馊肟?、發(fā)動機冷卻水進口、換熱器出口、廢氣出口和廢氣換熱器出口的溫度都用K型熱電偶測量。在實驗過程中的進氣空氣濕度保持在40±5%。四種混合燃料按體積制備并與純柴油共同進行實驗?；旌衔锓謩e是含95%的柴油和5%異丁醇、含90%柴油和10%異丁醇、含85%柴油和15%異丁醇及含80%柴油和20%異丁醇。在每個實驗前，混合物用電動攪拌器攪拌均勻，據(jù)觀察，異丁醇更容易地使混合柴油燃料和共混物長時間保持其均勻性。在實驗中采用的作為基礎(chǔ)

9、的燃料是從當?shù)氐氖凸举I到的是2號柴油。異丁醇與柴油的物理和化學性質(zhì)在表1中列出。所有的測試都是在穩(wěn)態(tài)條件下進行。試驗首先對柴油燃料進行以獲得的發(fā)動機的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。每個試驗重復三次，結(jié)果取平均值。所有測試都在滿負荷下進行測試，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在1200和2800rpm間以200rpm的間隔改變。每個燃料試驗后，發(fā)動機運行至少30min以消耗之前的試驗中所剩下的燃油。所有測試均在171bar的噴射壓力下進行。試驗獲得的性能參數(shù)和排放參數(shù)的比值在圖表中進行了比較。3 結(jié)果與討論3.1 功率用異丁醇柴油燃料后發(fā)動機制動功率想叫柴油燃料的百分比變化如圖2所示。如表1所示，異丁醇比柴油燃料降低了大約23%的

10、凈熱值。主要是由于異丁醇柴油混合燃料較低的的能量含量，制動功率低于純柴油是制動功率。降低的其他原因是異丁醇柴油混合燃料的低密度和粘度的以及低十六烷值，其十六烷值在15以下。較低的燃油粘度導致高的燃料泄漏，從而產(chǎn)生較低的制動功率。在另一方面，當供給燃料十六烷減小時，柴油發(fā)動機的點火延遲時間增加。因此平均有效壓力和發(fā)動機制動功率變低。ISB5和ISB10與柴油燃料相比，制動力在低速時下降，在高速略有增加。這可以歸因于在高速是缸內(nèi)溫度高，相應(yīng)點火延遲減少。相對于ISB20相當大的降低，ISB15輕微降低發(fā)動機制動功率。isb10 isb20制動功率分別平均降低1.47%到6.04%。以往的研究也報道

11、當采用酒精柴油混合燃料時由于燃料低能量含量，發(fā)動機時功率下降。3.2 有效制動燃油消耗（BSFC） 在純柴油燃料作為參考時異丁醇柴油機混合燃料燃油油耗率的變化如圖3所示。BSFC定義為制動功率的質(zhì)量油耗比。由于共混物中異丁醇導致的能量的減少，隨著異丁醇含量增加，相對于純柴油，通常有油耗增加的趨勢。在測試油耗最小值時通過較低的燃油消耗率及高制動功率以獲得柴油燃料。當發(fā)動機充滿高異丁醇含量的共混物燃料時BSFC有顯著增加，這是由于較高的燃料消耗率和降低制動功率。ISB20、ISB5相比于純柴油平均的油耗分別增加2.06%至8.55%。3.3 制動熱效率（BTE）異丁醇柴油燃料與純柴油燃料相比的BT

12、E的變化如圖4所示。，與純柴油燃料相比，使用ISB5和ISB10時BTE有非常輕微的降低。在共混物測試操作中，混合物含量至10%時，發(fā)動機有相對高的BTE值，這可以歸因于共混物的氧含量促進燃燒造成。此外，共混物達10%時能量含量和十六烷值不會有明顯降低。此外，使用isb5特別是isb10時，發(fā)動機在高速時BET略有提高。這可能歸因于在異丁醇共混物達10%時，發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，低十六烷值得到補償。高溫提高燃料汽化及與空氣混合過程，從而縮短點火延遲。用IBS15和IBS20可以觀察到BTE明顯的下降，這使得制動功率明顯減少及燃料消耗率明顯增加。3.4 排氣溫度用異丁醇柴油混合燃料與用純柴油燃料在發(fā)動

13、機排氣溫度的差異如圖5所示?；旌腿剂系呐艢鉁囟韧ǔ５陀诓裼腿剂稀＿@可能是由于混合燃料含氧和其辛烷值低使得其能量含量較低。由于含氧和能量含量低，含氧燃料通常會導致較低的燃燒溫度。在IBS20時可以觀察到其最高的排氣溫度最低，這是由于在所有測試燃料中具有的最低能量含量。類似的結(jié)果在各種含氧燃料發(fā)動機試驗中得出。3.5 CO排放異丁醇柴油發(fā)動機相對于純柴油燃料的CO排放量的變化如圖6所示。在使用中的混合燃料中，與純柴油相比CO的排放量在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時通常會略有增加，在中、高速時順利下降。CO排放量減少的其中一個原因可能是混合物含有較低C/H比的異丁醇，如表1所示。此外，如前所述，ISB10在所有燃

14、料中有最高發(fā)動機功率和BTE值，而異丁醇含量超過10%時會導致發(fā)動機功率和BET值的減少。這可以歸因于一個事實，含異丁醇超10%時減少的十六烷值相對的減緩了燃燒過程。因此，IBS10、IBS5相對異丁醇含量較高的混合燃料減少了CO排放量。此外，混合物中氧含量提高了燃料和空氣的混合過程，尤其是在氣缸的燃料豐富的地區(qū)提供更多的氧及丁醇與柴油的混合，由于較低的化學計量的空燃比，使得二氧化碳排放量降低。用混合燃料比用柴油燃料平均二氧化碳排放減少3.2%和11.3%之間。3.6 NOx排放 異丁醇柴油發(fā)動機與用純柴油燃料的NOx排放的變化如圖7所示。可以看出，利用混合燃料相比采用柴油燃料，NOx排放有下

15、降趨勢。NOx排放的減少量異丁醇在混合燃料中的含量通常是成比例。柴油機的NOx排放取決于對各種原因如燃料特性和發(fā)動機的工作條件。眾所周知，NOx排放是由于缸內(nèi)高燃燒溫度和高的氧濃度造成。醇由于其熱值和氧含量低通常燃燒溫度較低。如圖5所示，異丁醇柴油混合燃料的使用使得排氣溫度略有下降的趨勢。燃燒溫度的降低和點火延遲加長以及低熱值構(gòu)成的組合效應(yīng)使得使用異丁醇混合燃料時氮氧化物排放量減少。相較與柴油燃料，混合燃料NOx排放平均下降在4.9%和13.9%之間。3.7 HC排放異丁醇燃料發(fā)動機與純柴油燃料的HC排放的變化如圖8所示。所有的混合燃料相比與純柴油燃料的HC排放通常都有一個顯著增加的趨勢。相比

16、柴油燃料，混合燃料平均HC的排放量的增加量在12.9%到32.9%之間。異丁醇低十六烷值是高HC排放的主要原因。低十六烷值惡化混合燃料的自燃特性和促進了靠近氣缸混合區(qū)壁面淬熄效應(yīng)。因此，隨異丁醇含量的增加HC排放增加，并在達IBS20時到最大值。此外，HC排放的增加另一個原因在可以歸因于異丁醇柴油混合燃料較低的密度和粘度，這使燃料液滴的形成尺寸較小，這些液滴在靠近汽缸壁的部分由于淬熄效應(yīng)會形成更多的未燃燒的燃料。4結(jié)論 這里對異丁醇柴油混合燃料和基準柴油燃料發(fā)動機性能和廢氣排放作了調(diào)查比較。準備了分別含有5%、10%、155、20%異丁醇混合燃料，并在直接噴射式柴油機作了測試。結(jié)合實驗結(jié)果，可

17、以得出以下結(jié)論。 異丁醇與柴油燃料容易實現(xiàn)均勻混和。此外，所有混合燃料都沒有觀察到相分離。 所有的異丁醇柴油混合燃料的制動功率下降，主要是由于異丁醇的低能量含量。ISB15 、ISB20混合燃料比ISB10、ISB5混合燃料制動功率降低更多。 相比于柴油，所有的混合燃料油耗增加，大致與混合燃料中能量含量成反比。ISB5和ISB10增加適度，而ISB20中增加量最高。所有的混合燃料中BET減少量在異丁醇含量成正比。在混合燃料中，TBS10有最高的BTE。 異丁醇柴油燃料使用使得CO和 NOx的排放量降低而HC的排放量增加。異丁醇含量對排放廢氣的構(gòu)成有很大的影響。 試驗結(jié)果表明，異丁醇可與柴油混合

18、作沒有作修改的CI發(fā)動機的燃料。雖然混合燃料最多可含有高達20%的異丁醇，但10%異丁醇含量被認為是有最佳的混合燃料性能和排放的含量。參考書目1 Demirbas A. Energy balance, energy sources, energy policy,future developmentsand energy investments in Turkey.Energy Conversion and Management 2001;42:123958.2 Karabektas M, Ergen G, Hosoz M. The effects of preheated cottonseed

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