柴油機燃用甲醇-柴油混合燃料燃燒特性的試驗研究

1、第36卷第4期拖拉機與農用運輸車Vol.36No.42009年8月Tractor&FarmTransporterAug.,2009柴油機燃用甲醇-柴油混合燃料燃燒特性的試驗研究李永冰,王沛禹,劉曉輝2(1.日照職業(yè)技術學院,山東日照276826;2.山東交通職業(yè)學院,山東濰坊261206)摘要:在一臺ZS195型柴油機上研究了M0,M10,M20和M30甲醇/柴油混合燃料對柴油機性能的影響。試驗結果表明,在柴油機參數不變的情況下,隨著甲醇添加比例增加,柴油機的動力性有所下降,燃油經濟性變化不大,柴油機煙度和CO的排放量都明顯降低,NOx排放在M10時略有增加,在M20,M30時下降10

2、%左右。HC的排放量有所增加。關鍵詞:柴油機;甲醇;發(fā)動機性能中圖分類號:TK421.5文獻標識碼: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柴油機具有動力性好、熱效率高等優(yōu)點,廣泛應用于工程機械和貨運

4、車輛,缺點是排放煙度高14。隨著能源短缺和環(huán)境危機的日益加劇,要克服柴油機的這一缺點,使用含氧燃料,被認為是有效降低柴油機煙度及HC,CO排放的有效措施。本文在不改變發(fā)動機結構和技術參數的條件下,試驗了不同質量混合比例的柴油/甲醇混合燃料對柴油機性能的影響。2200r/min時功率為9.7kW,壓縮比為17。主要儀器有CWWK-6003負荷轉速測量儀、CW-260電渦流測功機、FCM-05油耗儀、FGA-4100排氣分析儀和PQD-102型煙度計。按照國家標準QC/T524-1999汽車發(fā)動機性能試驗方法,采取對比試驗的方法進行試驗,同時在研究中保持發(fā)動機的結構與技術參數不變6。為了研究不同比

5、例甲醇/柴油混合燃料對發(fā)動機工作過程的影響,試驗分別配置了甲醇質量分數為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甲醇與柴油燃料的理化性質參數對比見表15。甲醇分子(CH3OH)結構簡單,含氧量高,因此與柴油混合燃燒可以有效降低煙3發(fā)動機動力性分析柴油發(fā)動機燃用混合燃料時的外特性曲線如圖1和圖2所示,使用混合燃料M10時,發(fā)動機的最高輸出功率和轉矩分別下降約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)動度和CO的排放。但是甲醇與柴油性質差異較大,難以互溶。為了保證甲醇/柴油混合燃料性質穩(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柴油性能指標理論空燃比/(kgkg-1)辛烷值(RON)十六烷值著火界限體積分數/%混合氣熱值/(MJm-3)密度(20)/(gL-1)沸點/自然溫度/低熱值/(MJkg-1)汽化潛熱/(kJkg-1)黏度(20)/(mPas)機的功率和轉矩分別下降11.3%,10.5%;燃用M30甲醇混合燃料發(fā)動機的功率和轉矩分別下降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)動機的功率有下降的趨勢。但是甲醇的十六烷值低,導致了混合燃料滯燃期延長,使預混燃燒量增加。由于甲醇的沸點低,含氧量高,有利于柴油的擴散,改善燃燒,使燃燒2試驗發(fā)動機及主要

7、設備試驗用發(fā)動機的排量為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76李永冰等:柴油機燃用甲醇-柴油混合燃料燃燒特性的試驗研究圖2轉矩的外特性曲線的持續(xù)期變短。因此隨混合燃料中甲醇質量分數的增加,燃燒特性的改變使發(fā)動機的功率下降幅度開始變小。5.2發(fā)動機NOx的排放特性NOx生成的3個條件為高溫、富氧和高溫持續(xù)時間。在全負荷條件下,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,同時由于甲醇高達50%NOx的排放略有增加。當甲醇質量比增加到M20,M30時,使得進氣溫,不利于NOx的生成,使x

8、10%,4發(fā)動機經濟性分析本試驗配制的M10,M20,M30的混合燃料在臺架試驗中,對比同條件下柴油機的油耗數據。柴油機小負荷時燃用混合燃料的耗油率稍高于或接近于燃用柴油時的耗油率如圖3圖5所示,其原因是柴油機小負荷時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致不著火,使油耗增加。同時低負荷時,缸壁溫度及殘余廢氣溫度都較低,熱效率降低,柴油機氣缸內,其使燃燒趨于完全,熱效率提高,從而改善了柴油機的經濟性。5.3發(fā)動機HC和CO的排放特性甲醇柴油混合燃料的未燃碳氫排放如圖8所示。甲醇溶入柴油后,由于甲醇容易蒸發(fā),故在油霧的

9、外圍可能造成過稀區(qū)混合氣量增加,進而導致發(fā)動機的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,即甲醇的低沸點圖3n=1100r/min時摻醇率對經濟性影響n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速范圍內,這種趨勢更加明顯。n圖8HC排放的外特性llLoadConditions圖5n=2200r/min時摻醇率對經濟性影響5發(fā)動機排放特性分析5.1發(fā)動機的排放煙度發(fā)動機排放

10、煙度的外特性曲線如圖6所示,燃用M30時發(fā)動機的排放煙度下降約66%。主要原因是:甲醇的沸點低,當柴油中混合一定比例的甲醇時,混合燃料粘度變小加之“微爆效應”使燃油霧化蒸發(fā)性能改善,可以促進油霧與空氣的混合,同時由于甲醇含氧量高達50%,與燃燒柴油相比,燃燒會更加完全,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6結論1)柴油機摻燒甲醇后在不改變參數的前提下與原機相比功率分別下降9.7%,11.3%,13.2%,相應的最大轉矩減少9.0%,10.5%,12.6%;對燃油消耗率影響不大。(下轉第82頁)77拖拉機與農用運輸車第4期2009年8月律與HCHO的非常相似。轉速一定

11、的條件下,隨著負荷的增加,HCOOCH3的排放有減少的趨勢;同時隨著轉速的增大也會導致排放HCHO,HCOOCH3進行檢測,而HCOOH可采用FTIR進行檢測。檢測結果表明:在DME發(fā)動機的尾氣排放中,均檢測到HCHO,HCOOCH3,HCOOH等排放物。2)在ZS195柴油機上燃燒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物4。轉速增加,實際噴油提前角減小,最高燃燒溫度降低,導致HCOOCH3高溫反應的駐留時間減少,因而其被氧化的較少,排放量就會增加。相比甲醛,甲酸甲酯的生成與消耗規(guī)律較為復雜,影響其濃度變化的因素

12、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20×10-6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排放體積分數均在20×10-6以下,HCOOH排放體積分數均在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排放的體積分數隨轉速的提高稍有增加;隨著負荷的增大,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)動機燃燒過程中,HCHO,HCO

13、OCH3,HCOOH是DME低溫氧化反應生成的相對穩(wěn)定的重要中間產物,均在低溫反應以看出,HCOOH排放值較小,基本都在10×10-6以下,且隨負荷的變化排放量沒有明顯的波動。發(fā)動機運行參數的變化對HCOOH的排放雖有一定影響,但變化幅度也很小。方法研究J.內燃機學報,2006,24(1):5761.2郎靜,張煜盛.論DME燃燒與微量污染物生成機理研究J.內燃機工程,2005,26(6):3034.BoreNaturalGasEnginesPart1:FormationMechanismsJ.JournalofEngi2neeringforGasTurbinesandPower,20

14、00(10):603609.圖7不同轉速和負荷下HCOOH排放4結論1)對配有FID檢測器的氣相色譜儀的分離柱溫、載氣流速、汽化擬與實驗研究J.華中科技大學學報,2007,35(7):7881.(編輯劉紅云)室的檢測器溫度等工作條件進行優(yōu)化的基礎上,采用外標法,經色譜工作站繪制出的工作標準曲線,可對DME發(fā)動機的微量排放物作者簡介:羅紅英(1967-),女,副教授,碩士,研究方向為內燃機燃燒和排放分析。(上接第77頁)2)柴油機燃用M30甲醇/柴油混合燃料可以使排放煙度在全負荷下降低約66%,CO的排放也同時降低。NOx排放在M10時略有增加,在M20,M30時下降10%左右。HC排放與原柴油

15、機相比有所增加。參考文獻:J.拖拉機與農用運輸車,2005,32(5):2528.排放的影響J.內燃機學報,2007(5):422426.tionCharacteristicsofaDIDieselEngineOperatingonDiesel/MethanolBlendsJ.TransactionsofCSICE,2003(6):401409.用J.拖拉機與農用運輸車,2008,35(2):1011.2張軍昌,師帥兵,張娟利.柴油機燃用甲醇/柴油雙燃料的試驗研究J.燒及排放特性J.燃燒科學與技術,2004(2):171175.(編輯劉紅云)拖拉機與農用運輸車,2005,32(4):4547.作者簡介:李永