燃用餐飲廢油制生物柴油與國柴油混合燃料燃燒特性試驗研究

燃用餐飲廢油制生物柴油與國柴油混合燃料燃燒特性試驗研究

生物柴油是由植物果實、種子或動物脂、殘余油和酸化油組成的可再生脂肪酸酯或乙醇。它是通過醇類（甲醇、乙醇）的反應得到的。柴油機不作任何改變便可直接燃用生物柴油,從而緩解石油資源匱乏和價格高漲的壓力。為研究生物柴油對發(fā)動機燃燒特性的影響,國內外的學者進行了大量試驗研究:袁銀南等研究了柴油機燃用0號柴油和生物柴油的燃燒放熱規(guī)律;馬志豪等研究了直噴式柴油機燃燒黃連木籽生物柴油-柴油混合燃料的試驗規(guī)律;SeungHyunYoon等研究了渦輪增壓水冷柴油機燃燒沼氣-生物柴油混合燃料的燃燒特性;H.An等研究了1臺共軌柴油機部分負荷下燃燒生物柴油混合燃料的燃燒和排放性能;B.Tesfa等研究了生物柴油類型和理化性質對柴油機燃燒特性的影響;R.Anand等研究了餐飲廢油制生物柴油與純柴油的混合燃料對直噴柴油機的性能、排放和燃燒的影響;K.Sahoo等研究了單缸四沖程柴油機燃用不同生物柴油的燃燒性能。大量研究結果表明,燃用生物柴油后發(fā)動機燃燒始點提前,滯燃期較短,放熱率稍微降低,缸內最高壓力降低。然而目前國內對生物柴油燃燒特性的研究多數(shù)在國Ⅲ或更低標準的發(fā)動機上進行,針對滿足國Ⅴ排放標準的高壓共軌柴油機燃用生物柴油混合燃料的燃燒特性研究成果較少。本研究在某臺滿足國Ⅴ排放標準的高壓共軌柴油機上進行燃用不同比例的生物柴油-國Ⅴ柴油混合燃料的試驗研究,分析對比生物柴油與國Ⅴ柴油的燃燒性能,從而得出生物柴油對國Ⅴ柴油機的燃燒性能影響。1試驗設備和方案1.1燃燒性能測試系統(tǒng)試驗樣機是1臺滿足國Ⅴ排放標準的電控高壓共軌、廢氣渦輪增壓中冷6缸柴油機。表1示出試驗樣機的主要技術參數(shù)。試驗中測量缸內各種燃燒參數(shù)所使用的主要測試設備包括AVLPUMA發(fā)動機高動態(tài)測試臺架系統(tǒng)和AVL測功機。試驗中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括DEWE-5000燃燒分析儀以及壓力、溫度和曲軸轉角傳感器。DEWE是用于發(fā)動機試驗的新型PC儀器系統(tǒng),其內置的電荷放大器可將缸壓傳感器所傳輸?shù)碾姾尚盘栟D換為電壓信號,同時,它也可直接處理各種曲軸轉角信號。1.2生物柴油的測定試驗中使用國Ⅴ柴油和餐飲廢油制生物柴油作為燃料,生物柴油與國Ⅴ柴油可以以任何體積比互溶形成混合燃料。將試驗的6種混合燃料分別命名為D100,BD5,BD10,BD20,BD50和BD100,其中生物柴油體積分數(shù)分別為0%,5%,10%,20%,50%和100%。表2示出國Ⅴ柴油和各種生物柴油混合燃料的理化性能。1.3燃料負荷特性試驗在標定功率轉速2200r/min和最大扭矩轉速1400r/min下對各種燃料進行負荷特性試驗研究。負荷率分別為10%,25%,50%,75%和100%,共10個工況點,燃油依次切換為BD5,BD10,BD20,BD50和BD100。2試驗結果與分析2.1氣體壓力2.1.1生物柴油與轉速對最大生成軸力機下的壓力分布特性發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性與缸內燃燒質量密切相關,缸內壓力在一定程度上可以反映燃燒質量的好壞。圖1示出試驗發(fā)動機在最大扭矩轉速1400r/min和標定轉速2200r/min的100%負荷下燃用不同燃料的缸內壓力和壓力升高率。從圖1可以看出,2種轉速下混合燃料與D100的缸內壓力變化趨勢基本一致。各種燃料最大缸內壓力對應的曲軸轉角基本相同且均在上止點后10°左右,同時缸內壓力曲線變化平緩,表明燃燒狀況良好。2種轉速下隨著生物柴油摻混比例的增加,缸內壓力整體均呈下降趨勢,但2200r/min時與D100的差距不再明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,生物柴油的低熱值小于D100,而且生物柴油的黏度較大,霧化難度大,而高速時由于缸內溫度的升高霧化效果得到改善,因此與1400r/min相比,2200r/min時的缸內壓力略有增加且2200r/min下燃燒生物柴油與D100的缸內壓力差距不再明顯,個別曲軸轉角處甚至高于D100。從圖1還可以看出,不同轉速下各種燃料的壓力升高率的變化規(guī)律基本一致。在上止點前3°~5°時壓力升高率開始波動,且較大的波動均出現(xiàn)在上止點附近。從圖1b也可看出,2200r/min時燃用生物柴油的壓力升高率從第1個谷值點開始迅速上升的曲軸轉角早于燃用純柴油1°左右,這是由于生物柴油十六烷值高于D100使滯燃期縮短造成的。2.1.2生物柴油/混合燃料燃燒壓力圖2示出2種轉速負荷特性下燃用不同摻混比例混合燃料的發(fā)動機缸內最高燃燒壓力試驗結果。從圖2可以看出,隨著負荷的升高,各種燃料的最高燃燒壓力均呈上升趨勢。1400r/min同一負荷下生物柴油混合燃料的最高燃燒壓力整體略低于D100,這可能是由于生物柴油的低熱值較低以及黏度較大造成的。但在2200r/min負荷特性下混合燃料的最高燃燒壓力與D100差異不大,個別負荷點甚至高于D100。當負荷率為100%時,與D100相比,BD5,BD10,BD20和BD50的壓力增加幅度分別為3.2%,2.4%,2.2%和1.0%。這可能是由于生物柴油密度大使循環(huán)供油量增加,且十六烷值高使滯燃期縮短,燃燒較早進行,缸內的溫度高使霧化質量與D100相差不大,同時高速時燃燒速度快,生物柴油含氧量高于D100,可以促進和改善燃燒。2.2加熱率和室內溫度2.2.1生物柴油混合燃料不同轉速時放熱率變化特性發(fā)動機的燃燒過程與發(fā)動機結構參數(shù)、使用因素和燃料本身的性質有關,由于在試驗中發(fā)動機結構參數(shù)和使用因素均沒有改動,因此本試驗中不同燃料之間的燃燒差異都是由于燃油性質之間的差異造成的。圖3示出試驗發(fā)動機在1400r/min和2200r/min的100%負荷下燃用不同混合燃料的瞬時放熱率和累計放熱率曲線。從圖3可以看出,兩種轉速下混合燃料的燃燒瞬時放熱率和累計放熱率與D100有相似的規(guī)律。生物柴油混合燃料的瞬時放熱率和累計放熱率均呈先高于D100,之后逐漸低于D100的趨勢,BD5,BD10,BD20,BD50和BD100在1400r/min,100%負荷下瞬時放熱率峰值較之D100分別下降1.2%,2.0%,2.0%,7.8%和5.3%?；旌先剂鲜橹蹈哂贒100,著火性能好,因此較早的燃燒使混合燃料的瞬時放熱率和累計放熱率先高于D100;雖然燃燒始點提前,但由于生物柴油滯燃期較短,滯燃期內形成的可燃混合氣較少,且低熱值小于D100,因此隨著D100開始燃燒,滯燃期內形成的大量可燃混合氣燃燒,使D100的瞬時放熱率和累計放熱率迅速高于生物柴油混合燃料。1400r/min和2200r/min時D100的累計放熱率分別在上止點后3°和上止點后12°左右開始高于BD100。從圖3可以看出,1400r/min時各種燃料瞬時放熱率和累計放熱率峰值均高于2200r/min時,且兩種轉速下瞬時放熱率峰值均出現(xiàn)在上止點之后。上止點附近不同燃料在2200r/min時的瞬時放熱率變化不如1400r/min時劇烈,瞬時放熱率峰值對應曲軸轉角比1400r/min時滯后2°左右,且混合燃料與D100相比瞬時放熱率和累計放熱率峰值差異更小。這與高速時滯燃期縮短且生物柴油的高含氧量改善燃燒性能有關。2.2.2燃燒放熱的影響缸內溫度對NOx等氣態(tài)物的排放有直接影響。圖4示出最高扭矩轉速和標定功率轉速100%負荷時燃用不同燃料的發(fā)動機缸內溫度曲線。從圖4可以看出,兩種轉速下混合燃料的缸內溫度變化趨勢均與D100規(guī)律一致,且2200r/min時缸內溫度高于1400r/min時。同一負荷下隨著生物柴油摻混比例的升高,缸內溫度遞減。與D100相比,兩種轉速下的最高燃燒溫度除BD100明顯低于D100(降幅分別為2.6%和1.8%)外,其他混合燃料與D100均差異不大,甚至高于D100。燃用BD100缸內溫度低于D100是由于BD100低熱值低,且BD100在預混燃燒階段釋放熱量較少,導致最高燃燒溫度較低。燃用其他幾種混合燃料缸內溫度接近或高于D100,一方面可能是因為混合燃料含氧量高于D100,促進和改善了缸內燃燒,另一方面,由表2可知,除了BD100之外,混合燃料的低熱值與D100差異不大,燃燒放熱的主要影響因素不再是低熱值。同時生物柴油中的高含氧量還有助于抑制炭煙的形成,從而減少缸內的熱輻射損失,使燃用生物柴油混合燃料時缸內溫度較高。2.3生物柴油對燃燒過程的影響將累計放熱率為5%和95%時所對應的曲軸轉角分別作為燃燒始點和燃燒終點,將燃燒始點到燃燒終點的曲軸轉角計為燃燒持續(xù)期。圖5和圖6分別示出2200r/min負荷特性下的燃燒始點和燃燒持續(xù)期的試驗結果。從圖5可以看出,混合燃料與D100的燃燒始點均隨著負荷的升高而提前。由于在試驗中國Ⅴ柴油機的參數(shù)沒有進行任何改動,因此國Ⅴ柴油機的噴油始點保持不變,這里的燃燒始點可以表示各種燃料的滯燃期長短。從圖5還可以看出,同一負荷下隨著生物柴油摻混比例的升高,滯燃期呈遞減趨勢,但總體差異均在0°~1°范圍內。生物柴油滯燃期縮短是由于生物柴油中的醇基弱鍵更容易斷裂,且生物柴油不含難以裂解的芳香烴,使其自燃性能優(yōu)于D100。從圖5也可以看出,2200r/min各負荷下燃燒起始點均在上止點±2°曲軸轉角范圍內。從圖6可以看出,隨著負荷的升高,混合燃料最大轉速下的燃燒持續(xù)期呈遞增趨勢。與D100相比,相同負荷下混合燃料的燃燒持續(xù)期縮短,且隨著生物柴油混合比例的增加,混合燃料燃燒持續(xù)期降幅遞增。滯燃期內生物柴油形成的可燃混合氣少于D100,預混燃燒時間小于D100,且2200r/min時各負荷下缸內溫度均很高,此時生物柴油的高黏度和高密度對于生物柴油的噴霧和蒸發(fā)影響已經(jīng)不再明顯,因此對擴散燃燒的影響并不大;而且生物柴油的含氧量高于國Ⅴ柴油也有助于加速燃燒進行和改善燃燒質量,因此2200r/min負荷特性下燃用混合燃料時的燃燒持續(xù)期低于D100。3高速時混合燃料與d00、ba)國Ⅴ柴油機燃用生物柴油后低速時缸內壓力和壓力升高率總體呈下降趨勢,且隨著生物柴油摻混比例的升高降幅增大,高速時降幅不明顯;缸內最高壓力在低速時低于D100,在高速時接近甚至高于D100;b)生物柴油混合燃料的瞬時放熱率和累計放熱率均呈先高于D100后逐漸低于D100的趨勢,且隨著生物柴油摻混比例的升高,瞬時放熱率和累計放熱率的峰值遞減;高速時混合燃料與D100的瞬時放熱率和累計放熱率峰值差異變小