-生物柴油的性能與排放特性研究0001

1、 生物柴油的性能與排放特性研究摘要：生物柴油是一種可再生綠色能源，其適用性研究受到越來越多的關(guān)注。生物柴油作為柴油機(jī)的代用燃油，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。柴油機(jī)燃用生物柴油的性能和排放特性試驗(yàn)研究中存在較多的影響因素，尚有一定的局限性，因此，對燃用生物柴油的柴油機(jī)性能和排放進(jìn)行更全面和深入的試驗(yàn)研究對研究和了解生物柴油的適用性具有重要的科學(xué)意義。目前國內(nèi)生物柴油的開發(fā)利用還處于發(fā)展初期，由于生物柴油與石化柴油性質(zhì)非常相似，有必要加強(qiáng)對柴油機(jī)燃用生物柴油的研究。該項(xiàng)目組建了基于LabVIEW的柴油機(jī)性能和排放特性測試系統(tǒng);利用該系統(tǒng)在295直噴式柴油機(jī)上進(jìn)行了4種不同混合比例的生物柴油與普通

2、石化柴油的混合燃油在不同工況下的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、排放特性以及振動特性的對比試驗(yàn)研究;利用MATLAB分析了不同混合比例的混合燃油對柴油機(jī)的性能和污染物排放特性的影響關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；生物柴油；性能；排放特性研究表明，世界每年石油消耗量的50%是被以內(nèi)燃機(jī)為主要動力的各種機(jī)動車所消耗。隨著世界機(jī)動車工業(yè)的發(fā)展，世界的能源消耗越來越多，能源問題日益嚴(yán)峻。同時，隨著機(jī)動車保有量的增加，機(jī)動車排放的尾氣，主要包括一氧化碳、未燃燒的碳?xì)浠衔?、氮氧化合物和微粒等有害氣體，將會越來越多，它們會對人體健康造成嚴(yán)重的威脅。雖然機(jī)動車排放的二氧化碳對人體健康無害，但它造成的溫室效應(yīng)，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響。生

3、物柴油(原料為植物)燃燒時排放的二氧化碳遠(yuǎn)低于該植物生長過程中所吸收的二氧化碳，因而可以改善由于二氧化碳的排放導(dǎo)致的全球變暖這一有害于人類的重大環(huán)境問題，保持生態(tài)的良性循環(huán)，生物柴油是一種真正的綠色柴油。作為一種環(huán)保的可再生綠色能源，生物柴油對于解決當(dāng)今世界面臨的能源短缺和環(huán)境污染兩大問題具有十分的意義。生物柴油是一種生物質(zhì)能，其中含77%的碳、12%的氫、11%的氧以及微量的硫和氮。生物柴油原料資源主要有:植物油脂、動物油脂、餐飲廢油脂等。對比生物柴油與石化柴油的主要性能指標(biāo)，生物柴油主要有以下的優(yōu)良性能:具有優(yōu)良的環(huán)保特性。主要表現(xiàn)在由于生物柴油中硫含量低，從而二氧化硫和硫化物的排放低;生

4、物柴油中不含對環(huán)境會造成污染的芳香族烷烴，因而廢氣對人體損害低于柴油。具有較好的低溫內(nèi)燃機(jī)啟動性能。無添加劑生物柴油的冷濾點(diǎn)達(dá)TOC。具有較好的潤滑性能。使噴油泵、內(nèi)燃機(jī)缸體和連桿的磨損率降低，使用壽命延長。具有較好的安全性能。由于閃點(diǎn)高，生物柴油相對石化柴油更加安全。因此，在運(yùn)輸、儲存、使用方面的安全性得到提高。具有良好的燃油性能。十六烷值高，使其燃燒性好于柴油，燃燒殘留物呈微酸性，使催化劑和內(nèi)燃機(jī)機(jī)油的使用壽命延長。具有可再生性能。作為可再生能源，與石油儲量不同，其通過農(nóng)業(yè)和生物科學(xué)家的努力，可供應(yīng)量不會枯竭。無須改動柴油機(jī)，可直接添加使用。有研究表明，在柴油機(jī)不作任何改動的情況下，將生物

5、柴油按一定比例與石化柴油調(diào)和使用，可以降低油耗、減少尾氣排放物。作為富有潛力的代用燃料，生物柴油以其良好的環(huán)境效應(yīng)受到越來越多的關(guān)注，在歐美等發(fā)達(dá)國家生物柴油己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，中國作為一個動植物資源豐富的國家，開展生物柴油的各項(xiàng)研究具有非常重要的意義，未來的研究重點(diǎn)應(yīng)放在生物柴油的燃燒和排放特性研究，生物柴油的制造工藝研究等方面。1.1研究內(nèi)容及技術(shù)路線該研究通過測量由生物柴油與石化柴油的4種不同混合比的混合燃油在不同的工況下的油耗率和各排放物排放濃度，分析不同混合比生物柴油及其與石化柴油的混合燃油對柴油機(jī)的性能、污染物排放和振動特性的影響。具體技術(shù)路線如圖1.3所示:試驗(yàn)采用295柴油機(jī)

6、，試驗(yàn)過程中未改變內(nèi)燃機(jī)參數(shù)，具體參數(shù)如表2-1所示:褰2295柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Table24ParameterofDieHlEngine項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)fa缸徑(nun)標(biāo)羞斡速(rmiii1):2000cm吸氣標(biāo)定功率(kW)進(jìn)氣方或2.2試驗(yàn)主要測控儀器一試驗(yàn)系統(tǒng)由基于微機(jī)的綜合控制臺、柴油機(jī)、測功機(jī)、油門控制器、油耗儀、油箱、五尾氣分析儀、煙度計組成。圖2一1為試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)示意圖。17.7kw，試驗(yàn)用測功機(jī)選用湘儀動力測試儀器公司CW40系列測功機(jī)。油門控制器主要用于控制柴油機(jī)的油門開度。試驗(yàn)選用FC2315油門執(zhí)行器，其最大力矩10N.m,旋轉(zhuǎn)角度900，有效行程85mm140mm。試驗(yàn)用

7、油耗儀選用湘儀動力測試儀器公司的FC221OZ智能油耗儀。選用Gasboard一5020排氣分析儀。選用Gasboard一6010透射式煙度計。2.3測試系統(tǒng)設(shè)計建立基于LabVIEw的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠與尾氣分析儀以及煙度計進(jìn)行通信，采集內(nèi)燃機(jī)的排放特性數(shù)據(jù)以及內(nèi)燃機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速與缸蓋的振動信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-4所示。3.1試驗(yàn)方案測量4種不同混合比的生物柴油和石化柴油混合燃油在不同工況下的油耗率和各排放物排放濃度，以分析生物柴油對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響。試驗(yàn)采用的生物柴油，該生物柴油以菜籽油為原料，采用納米催化法制備。試驗(yàn)用油主要選定4種比例用油，0#石化

8、柴油;0#石化柴油與生物柴油按體積分?jǐn)?shù)比9:1混合;0#石化柴油與生物柴油按體積分?jǐn)?shù)比8:2混合，以及純生物柴油，分別給予代號B0,BIO,B20,B100。表3-1為試驗(yàn)混合燃油的配比。表試驗(yàn)混合燃油配比(Vol)世號BDBI0B20B1DO柴池10090SO6生物柴油01020100試驗(yàn)步驟啟動控制微機(jī)和各測量儀器，保證測量儀器達(dá)到指定預(yù)熱時間;打開測功機(jī)過水開關(guān)并達(dá)到指定水壓，啟動測功機(jī)勵磁;啟動微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和柴油機(jī)工況控制系統(tǒng)，準(zhǔn)備試驗(yàn);啟動柴油機(jī)進(jìn)行預(yù)熱;啟動內(nèi)燃機(jī)測控系統(tǒng)軟件，對柴油機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使其運(yùn)行在指定工況下;運(yùn)行尾氣和煙度數(shù)據(jù)采集程序，并將數(shù)據(jù)結(jié)果保存;每個負(fù)荷點(diǎn)重

9、復(fù)測量三次排放特性柴油機(jī)有害排放物主要包括未燃燒的碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NO、)和碳煙以及造成溫室效應(yīng)的二氧化碳CO等。a.碳?xì)浠衔颒C冊7010605D50圖芥5燃用4種配比混合燃油的排放濃度f-M趙7-B20-A310030亠JW024eB功棚晶肄12WW酣di+80亠師亠跚十皿冊b.氧化碳CO圖3-6燃用4種配比混合燃油的CO排放濃度C.二氧化碳CO在不對內(nèi)燃機(jī)參數(shù)作任何調(diào)整的情況下，在內(nèi)燃機(jī)上燃用BO、BIO、B20和B100這4種混合燃油。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，可以得到使用生物柴油與0#石化柴油在動力、經(jīng)濟(jì)和排放特性上的差異，試驗(yàn)結(jié)果表明:適當(dāng)比例的混

10、合燃油，在保證動力和經(jīng)濟(jì)性能的同時，大幅度降低了柴油機(jī)有害氣體的排放濃度，且下降比例隨著混合燃料中生物柴油的比例的增大而增大。4.1柴油機(jī)振動特性分析柴油機(jī)表面振動信號中包含其內(nèi)部零部件狀況以及燃油燃燒狀況，對其進(jìn)行分析處理可以得知柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。對柴油機(jī)振動特性的研究必須先了解引起柴油機(jī)表面振動的激勵源，通過分析影響表面振動信號的主要激勵源的特性，可為振動信號的分析提供理論依據(jù)。柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速n=180r/min,扭矩T=30NM工況時，分別燃用BO、B20和B100這3種混合燃油，利用自行設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各混合燃油在指定工況下的振動信號，分別利用了時頻分析方法以及小波包分解方法對3種

11、燃油的振動信號進(jìn)行了分析對比，得出了柴油機(jī)在燃用不同混合燃油時燃燒激勵振動信號的變化規(guī)律。通過振動信號在不同頻帶能量值的比較，得出以下結(jié)論在0Hz2500Hz頻帶內(nèi)，B100燃燒激勵源振動響應(yīng)信號能量較B0小,即柴油機(jī)燃用B100時的壓力升高率較燃用B0時小;在2500Hz5000Hz頻帶內(nèi)，B100燃燒激勵源振動響應(yīng)信號能量較B0小，即柴油機(jī)燃用B100時的壓力升高加速度較燃用B0時小。因此，柴油機(jī)燃用B100較燃用B0時，雖運(yùn)行柔和，但經(jīng)濟(jì)性與動力性略差。5.1結(jié)論柴油機(jī)燃用生物柴油的性能和排放特性試驗(yàn)是當(dāng)前研究生物柴油適用性的重要手段。該研究建立了基于LabVIEW虛擬儀器平臺的內(nèi)燃機(jī)性

12、能和排放特性的測試系統(tǒng)，以295直噴式柴油機(jī)為試驗(yàn)對象，進(jìn)行了生物柴油作為替代燃油的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、排放特性以及振動特性的試驗(yàn)研究，利用MATLAB對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較，得出了柴油機(jī)燃用生物柴油性能與排放特性的規(guī)律和影響，主要結(jié)論有：在不改變柴油機(jī)原有結(jié)構(gòu)和不調(diào)整有關(guān)參數(shù)的前提下，生物柴油與普通石化柴油的混合燃油可以直接應(yīng)用于295直噴式柴油機(jī)。在295直噴式柴油機(jī)上燃用BO、BIO、B20和B100這4種比例的混合燃油，進(jìn)行了柴油機(jī)動力性能的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合燃油的最大功率隨著混合燃油中生物柴油的比例的增大而呈現(xiàn)一定程度的下降。在轉(zhuǎn)速n=1200r/min時，柴油機(jī)燃用BIO、

13、B20和B100較B0最大功率分別下降了0.3%、0.7%和2%;在轉(zhuǎn)速n=1800r/min時，柴油機(jī)燃用B10、B20和B100較B0的最大功率分別下降了0.6%、1.1%和2.5%。3柴油機(jī)油耗率隨著混合燃油中生物柴油比例增加而有所增大。B10的混合燃油的油耗率最大僅增加了1.5%，與普通石化柴油十分接近。燃用生物柴油與混合燃油的HC排放明顯低于燃用0#石化柴油，且HC的排放濃度隨著混合燃油中生物柴油的比例增大而減少。5柴油機(jī)燃用純生物柴油及其混合燃油的CO排放濃度降低，在小負(fù)荷時，B100的CO排放濃度最大降低了50%;在中等負(fù)荷時，各混合燃油的CO排放濃度差異不明顯;在高負(fù)荷時，B1

14、00的CO排放濃度較B0下降了3060%;6.B100的CO2排放濃度較B0變化不大僅有微量增加，在轉(zhuǎn)速1200r/min時，B20的CO2排放濃度最低，相對于B0最大減少了2.3%，在轉(zhuǎn)速1800r/min時，B10的CO2排放濃度最低，相對于B0最大減少了2.8%。7柴油機(jī)燃用純生物柴油及其混合燃油的NO排放濃度較普通石化柴油有所增加，且隨著混合燃油中生物柴油的比例增大而有所增加。在低負(fù)荷時，各種燃油的NO排放量基本一致，隨著負(fù)荷增大，各混合燃油的NO排放差異增大。自由加速工況下，燃用生物柴油后的煙度明顯下降，降幅隨著混合燃油中生物柴油的比例增大而增大，燃用B10、B20、B100時的煙度

15、較B0分別下降了7%、18%、38%。振動特性試驗(yàn)中，在工況為轉(zhuǎn)速n=1800r/min,扭矩T=30NM時，對柴油機(jī)燃用B0、B20和B100的振動信號進(jìn)行了時頻分析，并利用MATLAB對燃燒激勵源的振動信號進(jìn)行了小波包分解。結(jié)果表明，柴油機(jī)燃用Bl00時的壓力升高率和壓力升高加速度較燃用B0時減小。因此柴油機(jī)燃用B100較燃用B0時，運(yùn)行更加平順，但經(jīng)濟(jì)性與動力性略差。5.2討論可進(jìn)一步開展柴油機(jī)燃用其它多種原料制取生物柴油的試驗(yàn)研究，以增強(qiáng)各類生物柴油的適用性。生物柴油制取原料的不同可造成生物柴油理化特性的不同，并對柴油機(jī)燃用生物柴油的性能與排放特性有一定的影響。由于瞬態(tài)工況下測量與控制

16、設(shè)備昂貴，限制了開展柴油機(jī)燃用生物柴油與普通石化柴油的瞬態(tài)工況試驗(yàn)研究，該文僅僅進(jìn)行了柴油機(jī)燃用生物柴油與普通石化柴油在穩(wěn)態(tài)工況下的試驗(yàn)研究，未能對柴油機(jī)燃用生物柴油與普通石化柴油的瞬工況進(jìn)行研究。燃油噴霧的形成及其特點(diǎn)是影響燃燒的重要因素之一，噴霧質(zhì)量的好壞直接影響到燃油燃燒特性，并間接影響到柴油機(jī)尾氣的排放，因此對生物柴油及其混合燃油噴射與燃燒特性還需要進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)：1.紀(jì)威，符太軍，姚亞光，周慶輝.柴油機(jī)燃用乙醇一柴油一生物柴油混合燃料的試驗(yàn)研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，徐元浩，葉盛眾，陳忠祥.生物柴油的實(shí)用性研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005陸小明，葛蘊(yùn)珊，韓秀坤，吳思進(jìn)，朱榮福，何超.生物柴油內(nèi)燃機(jī)顆粒排放物粒徑及其分布試驗(yàn)研究.環(huán)境科學(xué)，2007梅德清，王忠，袁銀南，阮志強(qiáng).生物柴油內(nèi)燃