（动力机械及工程专业论文）柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究.pdf

毒l ， ， 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文储繇寥p 边 刃f 年易月l 凋 指剥币躲譬? 镌 | f 年( 月1 2 - n 柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究木 a n i n v e s t i g a t i o no nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a t r e l e a s er a t eo fad i e s e le n g i n ef u e l e dw i t h j a t r o p h ac u r c a so i l 姓 2 0 1 0 年6 月 木贵州省科学技术基金( 黔科合j 字【2 0 0 8 】2 0 3 6 ) ： 江苏省动力机械清洁能源与应用重点实验室对外开放基金( q k 0 8 0 0 1 ) ： 江苏大学博士创新计划项目( c x i o b0 0 5 x ) 。 江苏大学硕士学位论文 摘要 能源的枯竭和环境的日益恶化，加快了科技人员对柴油机替代燃料的开发和 研究。小桐子以其高出油率、实用性和经济性近年来受到了广泛的关注，被公认 为最有前途的能够代替石化燃料的可再生能源之一，有“绿色油田的美誉。其 种子压榨的小桐子油属于含氧燃料，具有低污染、可再生、易降解、易存储运输 等特点。 目前，对小桐子油的研究多限于它的形态结构、活性成分及药效、生物柴油 的转化等方面，对于在柴油机直接应用上还鲜有报道。因此，系统开展柴油机燃 用小桐子油的实验研究，具有重要的指导意义和实用价值。 本文测量了小桐子油部分理化特性指标，并与柴油做出了对比分析；测量了 两种燃料黏度、密度随温度的变化规律。并以z h l l l 5 直喷式柴油机为试验样机， 研究柴油机直接燃用小桐子油时的喷油特性、燃烧特性以及排放特性、经济性。 结果表明，小桐子油理化特性指标与柴油存在较大差异。相比柴油，小桐子 油具有黏度高，密度大，闪点和凝点高，含氧高以及热值低等特点；通过预热可 以明显降低小桐子油黏度；黏温试验表明，温度1 5 0 0 c 时，其动力黏度和运动黏 度基本达到柴油在常温下的水平。在保证柴油机输出功率相同的情况下，燃用小 桐子油的燃油消耗率高于柴油，n o x 排放、h c 排放和碳烟排放总体较低，而c o 排放较高。通过油管泵端压力和缸内燃烧压力分析，燃用小桐子油的油管压力升 高曲线较为陡峭，上升较快，峰值较高，且对应的相位提前；燃用小桐子油的燃 烧压力峰值、压力升高率峰值和压力升高加速度峰值较低，各自对应的相位提前。 通过实测气缸压力数据计算放热规律，柴油机燃用两种燃料时的放热率曲线大体 相似，基本呈现双峰值；燃用小桐子油燃烧提前，大多数工况下，放热率峰值较 低；转速一定，随负荷的增加，柴油机燃用两种燃油的燃烧持续期都延长，小桐 子油的燃烧持续期较柴油长；燃烧平均温度较低，峰值对应的相位提前；排7e 温 度总体高于燃用柴油时的排气温度。 供油提前角提前3 * c a 时，燃用小桐子油的燃烧持续期较柴油的短，气缸燃烧 压力峰值、最大压力升高率较大，且各自对应的相位相对提前，n o x 排放变差， 碳烟排放、c o 排放以及h c 排放总体得到改善。而油温对于小桐子油的燃烧以及 柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究 喷油特性影响较小，对排放影响较大，1 5 0 。c 小桐子油能够改善排放。 关键字：柴油机，小桐子油，喷油，燃烧，排放 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g yd e p l e t i o na n de n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o n a c c e l e r a t et h es c i e n t i f i s ta n d t e c h n i c st oe x p l o i ta n dr e s e a r c he n g i n ea l t e r n a t i v ef u e l s d u et oh i g h e r0 i ly i e l d ， p r a c t i c a l i t ya n de c o n o m y , j a t r o p h ac u r c a so i lh a sb e e nw i d e s p r e a dc o n c e r n e d i nr e c e n t y e a r s ，w h i c hi sr e c o g n i z e d 雒o n eo ft h em o s tp r o m i s i n gf u t u r er e g e n e r a t e de n e r g y i t c o u l dr e p l a c ef o s s i lf u e l sa n dp o s s e s s e st h eg r e e no nf i e l dr e p u t a t i o n j a t r o p h ac u r c a so i l o b t a i n e db yp r e s s i n gs e e d sa r eo x y g e n a t e d ，c l e a n ，r e n e w a b l e ，r e a d i l yb i o d e g r a d a b l e ， e a s ys t o r a g ea n dt r a n s p o r t c u r r e n t l y , t h es t u d y o nj a t r o p h ac b r c a so i li sm o r ec o n f i n e dt oi t sm o r p h o l o g i c a l s t r u c t u r e ，a c t i v ei n g r e d i e n t se f f i c a c ya n db i o - d i e s e lc o n v e r s i o n ，e t c ，t h ed i r e c t l y a p p l i c a t i o ni nd i e s e le n g i n ei sr a r e l yr e p o r t e d t h es t u d yo nt h ed i e s e le n g i n ef u e l e d 谢t l lj a t r o p h ac u r c a so i lh a sv e r yi m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h em a i ni n d e xp a r a m e t e r so fp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fj a t r o p h a o l r c a so i la r em e a s u r e da n dc o m p a r e dt od i e s e l v i s c o s i t y - t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et w ot y p ef u e l sa r em e a s u r e da n da n a l y z e d t h ef u e lc o n s u m p t i o n ，e m i s s i o n ，f u e l i n j e c t i o na n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e di n t h ez h l l l 5d i r e c td i e s e l e n g i n ef u e l l e dw i lj a t r o p h ac u r c a so i l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fj a t r o p h ac u r c a s o i la r eq u i t ed i f f e r e n tf r o md i e s e l t h ev i s c o s i t y , d e n s i t y , f l a s hp o i n ta n dp o u rp o i n to f j a t r o p h ac u r c a so i la r eh i g h e r , c a l o r i f i cv a l u ei sl o w e rc o m p a r e dt od i e s e l b yp r e h e a t i n g ( 1 5 0 0 c ) j a t r o p h ac u r c a so i l ，i t sv i s c o s i t yc a nb er e d u c e ds i g n i f i c a n t l ya n dr e a c ht h e l e v e lo fd i e s e lf u e la tr o o mt e m p e r a t u r e t h ef u e lc o n s u m p t i o ne n g i n ef u e l e d 埘t h j a t r o p h ac u r c a so i li sh i g h e r , n o x ，h c ，s o o te m i s s i o n sa r el o w e r , c oe m i s s i o ni sh i g h e r w h e ne n g i n ep o w e ro u t p u ti sn o tc h a n g e d i ti sf o u n dt h a tt h ep r e s s u r ei nf u e li n j e c t i o n p i p ei n c r e a s e sq u i c k e r , t h em a x i m u mp r e s s u r ei nf u e li n j e c t i o np i p ei sh i g h e r , a n dt h e m a x i m u mc y l i n d e rp r e s s u r e ，t h em a x i m u mc y l i n d e rp r e s s u r er i s er a t ea r el o w e r , b u t t h e i rc o r r e s p o n d i n gp h a s e sa d v a n c ec o m p a r e dt ot h ee n g i n ef u e l e dw i md i e s e lf u e la t t h es a m ec o n d i t i o n sb ya n a l y s i so ft h ep r e s s u r ei nf u e li n j e c t i o np i p en e a rp u m pa n dt h e c y l i n d e rc o m b u s t i o np r e s s u r e t h eh e a tr e l e a s er a t ei sc a l c u l a t e db a s e do nt h ec y l i n d e r p r e s s u r e t h ec u r v e sh a v ed o u b l ep e a k s t h em a x i m u mh e a t r e l e a s er a t eo fj a t r o p h a c u r c a so i li sl o w e r , b u ti t sc o r r e s p o n d i n gp h a s e sa d v a n c ec o m p a r e dw i lt h ee n g i n e u s i n gd i e s e lf u e la tt h es a m ec o n d i t i o n s t h ec o m b u s t i o nd u r a t i o ni n c r e a s e 谢t ht h el o a d i n c r e a s e dw h e ns p e e di sn o tc h a n g e d j a t r o p h ao i lc o m b u s t i o nd u r a t i o ni sl o n g e rt h a n 柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究 t h a to fd i e s e l n ea v e r a g ec o m b u s t i o np e a kt e m p e r a t u r ei sl o w e rt h e nt h a to fd i e s e la n d i t sc o r r e s p o n d i n gp h a s ea d v a n c e ；t h ee x h a u s tg a st e m p e r a t u r ei sg e n e r a l l yh i g h e rt h a n t l l a tf u e l e dw i t hd i e s e lf u e l i ti sf o u n dt h a tc o m b u s t i o nd u r a t i o nb e c o m es h o r t e r , t h em a x i m u mc y l i n d e r p r e s s u r e ，t h em a x i m u mc y l i n d e rp r e s s u r er i s er a t ea r eh i g h e r , t h e i rc o r r e s p o n d i n gp h a s e s a d v a n c e ，n o xe m i s s i o ni sh i g h e ra n do t h e re m i s s i o n sa l ei m p r o v e dw h e nt h ef u e l s u p p l ya n g l ea d v a n c f u e lt e m p e r a t u r eh a sa l i t t l ei m p a c to nc o m b u s t i o na n di n j e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，b u tt h ee m i s s i o ng e ti m p r o v e dw h e ne n g i n ef u e l e d 丽t l l1 5 0 。cj a t r o p h a c l l r c a so i l k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，j a t r o p h ac u r c a so n ，i n j e c t i o n ，c o m b u s t i o n ，e m i s s i o n i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 选题背景1 1 2 柴油机替代燃料的发展与研究现状3 1 2 1国外柴油机替代燃料的发展与研究现状3 1 2 2国内柴油机替代燃料的发展与研究现状。4 1 2 3 小桐子的研究状况。5 1 3 本课题研究的意义及主要内容8 1 3 1 本课题研究的意义8 1 3 2 本课题研究的主要内容8 第二章小桐子油理化特性及黏度试验研究 1 0 2 1 燃料理化特性指标1 0 2 1 1 热值1 0 2 1 2 十六烷值1 0 2 1 3f 习j 点】l ( ) 2 1 4 凝点和冷滤点1 1 2 1 5 氧化稳定性及酸值1 1 2 1 6 密度1 1 2 1 7 黏度1 1 2 2 黏温特性试验1 2 2 2 1 小桐子油黏度、柴油黏度随温度的变化规律1 3 2 3 本章小结1 6 第三章柴油机燃用小桐子油的试验研究1 8 3 1 试验设备及方案1 8 3 1 1 试验样机1 8 3 1 2 台架布置及测试设备1 8 3 2 实验方案及内容2 0 3 2 1 试验方案2 0 3 2 2 测试内容。2 0 3 3 试验结果与分析。2 1 3 3 1 柴油机燃用两种燃油经济性的对比2 1 3 3 2 供油提前角对燃用小桐子油b 1 0 0 时经济性的影响2 3 3 3 3 油温对燃用b 1 0 0 时经济性的影响2 4 3 4 排放特性分析。2 6 3 4 1 燃用柴油和b 1 0 0 时排放特性分析2 6 v 柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究 3 5 第四章 3 4 2 供油提前角对燃用b 1 0 0 时排放特性的影响2 9 3 4 3 油温对燃用b 1 0 0 时排放特性的影响3 1 本章小结。3 2 柴油机燃用小桐子油喷油及气缸压力试验研究 4 1 柴油机喷油过程分析3 4 4 1 1 燃用柴油和小桐子油b 1 0 0 时柴油机泵端油管压力分析3 4 4 1 2 油管压力峰值及对应的相位分析3 5 4 1 3 动态供油提前角的分析3 6 4 1 4 负荷、油温和供油提前角等因素对油管压力的影响3 7 4 2 燃用柴油及小桐子油时柴油机燃烧压力分析4 0 4 2 1 上止点的确定4 0 4 2 2 示功图压力数据处理“4 0 4 2 3 燃烧压力分析4 0 4 2 4 负荷、转速、油温和供油提前角等因素对燃烧压力的影响4 2 4 3 本章小结4 7 第五章柴油机燃用小桐子油时放热规律的试验研究一一一一。一鹌 5 1 放热率计算的理论分析。4 8 5 1 1 放热规律计算的基本假设4 8 5 1 2 放热率的计算4 8 5 1 3 燃烧参数的定义4 9 5 2 放热过程分析5 1 5 2 1 燃用柴油和小桐子油时柴油机放热规律分析5 l 5 2 2 缸内平均燃烧温度分析5 3 5 2 3 放热率峰值以及燃烧持续期分析5 4 5 2 4 排温对比5 5 5 2 5 供油提前角、油温对柴油机放热规律的影响5 6 5 3 本章小结6 0 第六章总结与展望。记 6 1 全文总结。6 2 6 2 工作展望6 3 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表的论文 v i 6 4 6 8 6 9 江苏大学硕士学位论文 1 1选题背景 第一章绪论 柴油机经过一百多年的发展，以其结构简单、比质量轻、动力性好、耐久性 好、可靠性高以及热效率高等优点【l l ，成为了现代动力机械中最重要的部分，广泛 应用于农业机械、林业机械、工程机械以及交通运输等领域【2 】，给世界带来了极大 的物质文明和社会进步。 近年来，我国柴油机产销量显著提高，2 0 0 9 年生产汽车发动机1 3 1 5 5 万台， 其中柴油机生产3 1 3 6 万台，同比增长3 7 3 6 ；而汽车发动机销售量为1 3 0 1 2 万 台，其中柴油机销售量为3 0 5 1 万台，同比增长2 9 9 1 1 3 1 。而在国外，汽车柴油机 化趋势更加明显，欧美国家1 0 0 的重型卡车、9 0 的轻型卡车采用柴油机，欧洲 柴油轿车占有率为3 2 ，德国、法国、西班牙、意大利等国柴油机轿车占有率甚 至达到5 0 以上1 4 1 0 l 。因此，柴油机在可预见的未来依然是动力机械重要的组成部 分，对人类社会发展做出不可替代的贡献。 随着经济社会的快速发展，柴油机保有量持续增加，世界对能源的依赖更加 明显，能源枯竭和环境污染等问题更加严重。据美国油气杂志报道：截止2 0 0 3 年底世界石油剩余探明储量1 7 3 3 9 9 亿t ，以该年3 6 9 7 亿t 石油产量计算，全球石 油还可开采4 2 年旧。中国石油资源仅占世界石油资源2 ，人口数量却占世界总量 的2 2 1 7 1 ，无论是石油总量与人均石油占有量，我国都属于贫油国。2 0 0 3 年，中 国继日本之后成为世界第三大石油进口国。2 0 0 9 年我国石油对外依存度达到5 3 。 因此，在未来的几十年里，伴随着汽车的快速发展，中国石油供给矛盾仍将持续 并加剧。表1 1 列出来近年来中国石油供需量及汽车消费量。 表1 1 近年来我国石油的供需量及汽车消费量 t a b 1 1f o s s i lo i ls u p p l ya n dd e m a n d & v e h i c l ec o n s u m p t i o ni nc h i n a 汽车消耗能源的同时，也产生了严重的环境污染问题，其主要污染物为c o 、 h c 、n o x 以及颗粒。据统计，汽车有害排放污染占城市大气污染总量的比例较大， 1 柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究 其中美国约为2 2 。5 5 ，日本约为3 6 ，而中国北京、上海等大城市的中心城区 汽车有害排放污染所占比例为5 6 以上【8 1 【9 】。2 0 0 1 年，世界排放出的c 0 2 已超过 2 0 0 亿吨，其中汽车排放约占总量的1 0 。1 5 左右f 1 0 1 ，排放到大气中的c 0 2 导致 地球变暖，引起了许多自然灾害。面对严重的环境污染，世界各国都出台了相应 的排放法规，表1 2 、表1 3 分别列出了近年来欧洲柴油乘用车排放标准和美国加 州第一、二阶段的排放法规( 数据来源于中国内燃机网，w w w d f e m e c o r n ) 。由表 可知，排放法规日益严格，美国加州第二阶段的排放限值远小于第一阶段的排放 限值。 表1 2 欧盟乘用车排放标准( m 1 ) t a b 1 2e ue m i s s i o ns t a n d a r d sf o rp a s s e n g e rc a r s ( m 1 ) 注：1 不包括超过2 5 0 0 公斤，满足轻型商用车标准的乘用车； 2 欧3 以后排放基于m d c 测试方法得到。 表1 3 加州机动车排放标准，寿命里程为1 2 万英里的中型机动车 t a b 1 3c a l i f o m i av e h i c l ee m i s s i o ns t a n d a r d s 注：1 排放基十f 聘7 5 测试方法得到； 2 简称：u 一低排放机动车；$ u l e v 一超低排放机动车；n m o g 一非甲烷有机 气体；h c h o 一甲醛。 因此，在全球能源枯竭、环境污染严重和柴油机保有量持续增加的背景下， 寻求开发可替代的、清洁的、低污染的绿色能源变得更加迫切，成为我们柴油机 2 江苏大学硕士学位论文 工作人员努力研究的方向之一。 1 2 柴油机替代燃料的发展与研究现状 替代燃料是控制柴油机排放和缓解能源危机的有效措施。近年来，替代燃料 已经成为柴油机研究的热点方向，受到了世界各国的极大关注。目前，研究较多 的柴油机替代燃料，主要包括醚类、醇类、油脂类( 植物油、生物柴油) 、燃气类 ( 天然气、液化气、氢气、沼气) 以及合成烃燃料( 煤制油、天然气合成油) 等替代 燃料。而国内研究主要集中在植物油、生物柴油、甲醇、乙醇、二甲醚、煤制油、 天然气以及液化气等替代燃料上。 1 2 1 国外柴油机替代燃料的发展与研究现状 国外对柴油机替代燃料的研究较早。德国工程师r u d o l f d i e s e l 在1 8 9 5 年提出 生物柴油的概念，五年后开发出了一台燃用花生油的发动机，并在巴黎博览会上 参展【1 1 】。2 0 世纪7 0 年第二次石油危机，加速了世界对柴油机替代燃料的开发利用， 各国纷纷出台符合本国国情的相关法律以及鼓励政策，积极发展柴油机替代能源， 逐渐形成了替代能源的产业化。 自2 0 世纪7 0 年代底以来，美国多次出台能源法案，如能源政策法、美 国能源政策、能源独立和安全法，鼓励本国替代能源的发展。据统计，1 9 9 9 年 美国拥有4 9 万辆天然气汽车，2 0 0 5 年美国拥有4 5 0 家加油站供应生物柴油。2 0 0 6 年2 月2 8 日甲壳虫环保租车公司推出1 0 0 植物柴油为燃料的汽车出租业务。研 究表明，使用植物柴油为燃料可以降低尾气排放，其燃料容易进行生物降解【1 2 1 。 欧洲是柴油机替代能源研究的重要地区，而德国是这一领域的垦荒者。对替 代能源的研究主要是以植物油和以其为原料制备的生物柴油为对象。2 0 0 3 年欧盟 发布了欧盟交通部门替代汽车燃料使用指导政策，要求生物质燃料在汽车燃料 中的消费比例达到：2 0 0 5 年为2 ，2 0 1 5 年为8 t 1 3 1 。 巴西通过政府补贴、设置配额等政策，极大地促进了替代能源的发展。2 0 0 8 年巴西在柴油中强制添加2 生物柴油，2 0 1 0 年添加量为5 。另外，巴西有3 0 0 多家甘蔗加工厂，预计到2 0 1 3 年乙醇年产量达到3 5 0 亿升。 此外，印度、日本、马来西亚、菲律宾和印度尼西亚等国也都积极开展替代 能源的开发与利用【1 6 1 。 国外学者及研究单位对柴油机替代能源研究开展了多个方面的研究。如：d c r a k o p o u l o s 等在一台重型缸内直喷柴油机上，燃用不同比例乙醇和柴油混合燃料 3 柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究 进行了性能试验和排放试验【1 7 1 。r u s sw i n f r i e d 等人在一台带有预燃室柴油机上， 验证了从食品工业废油提取燃料的可行性【1 8 1 。t 1 ( g o g o i 等人通过数值模拟方法， 研究了柴油机燃用不同比例生物柴油和柴油混合燃料时的动力性以及热效率，并 给出最佳混合燃料的混合蚪1 9 1 。 1 2 2国内柴油机替代燃料的发展与研究现状 能源对我国经济持续快速的发展起着至关重要的作用。面对国内能源供需矛 盾日益加剧，环境污染日益严重，积极鼓励开发利用替代能源，以便缓解能源单 一造成的供给压力，改善环境污染和提高人民生活水平。 近年来，国家积极出台相关政策以及法规，鼓励替代能源的发展与研究。1 9 9 8 年，我国实施的中华人民共和国节能法明确提出“国家鼓励开发利用新能源 和可再生能源”。2 0 0 5 年2 月2 8 日颁布了中华人民共和国可再生能源法，从法 律上促进替代能源的开发与利用。 国内替代能源的生产与利用初具端倪。对于醇类( 以乙醇为例) ，“十五 期 间，我国建立了4 个生物乙醇燃料生产厂，形成了生产能力1 0 2 万吨年刚。国内 已有9 个省份开展车用乙醇的销售，截止2 0 0 7 年1 2 月底，全国共生产销售燃料 乙醇3 5 3 3 万吨。对于生物柴油，2 0 0 3 年国内生物柴油的生产能力为2 0 万吨。2 0 0 5 年国家专项农林生物质工程开始启动，规划生物柴油在2 0 1 0 年的产量为2 0 0 万吨 年，2 0 2 0 年的产量为1 2 0 0 万吨年1 2 1 1 。对于醚类，具有代表性的应属二甲醚，2 0 0 8 年二甲醚总产量为2 0 0 万吨，其应用开发项目不仅分布在我国沿海发达省份，甚 至伸延至内蒙古、山西等地。对于燃气类( 以天然气为例) ，我国天然气需求量逐 年增长，2 0 0 5 年为6 0 0 。7 0 0 亿立方米，2 0 1 0 年超过2 0 0 0 亿立方米，占我国能源 结构的1 0 。在中国有大约九万七千多辆天然气汽车，主要集中在四川、山西及 重庆等省份。其他代用燃料也都有长足的发展，这罩不再赘述。 8 0 年代初，我国学者及研究单位就开始对菜籽油、棉花油、乌柏油、木油、 茶油等植物油为代表的替代燃料进行了探索性的研究，虽然起步较晚，但是也取 得了一系列重要的研究成果。 西北农业大学张强对柴油机直接使用植物油( 桉树油) 燃料时的性能及燃烧过 程进行了研究，结果证明：桉树油可直接用于柴油机，并且具有良好的动力性，较 低的排气烟度，较高的热效率【2 2 】。西安交通大学王贺武等人通过测量示功图和喷 油器针阀升程，计算了直喷式柴油机燃用二甲醚的燃烧特性和喷油规律，得出结 4 江苏大学硕士学位论文 论：相比柴油机燃用柴油，二甲醚的喷油延迟角大，最大爆发压力和压力升高率 较低，滞燃期较短，燃烧速度较快，放热规律接近压燃式发动机的理想放热规律【捌。 清华大学陈虎等人在一台四缸柴油机上燃用乙醇甲醇一柴油机混合燃料，研究了氧 含量对柴油机经济性、动力性以及燃烧特性的影响，结果发现：在保证发动机结 构不变的情况下，每增加1 0 的乙醇含量，最大转矩降低6 一7 ；燃烧持续期缩 短，但等效燃油消耗率与柴油相差不多嗍。北京理工大学赵校伟等人利用台架试 验和高速摄影，从生物柴油的理化特性入手对其喷雾特性进行了研究，研究发现： 与石化柴油相比，生物柴油喷雾贯穿距离、后期喷雾锥角和最高喷油压力较大【2 5 1 。 江苏大学孙平等人通过改装柴油机提高喷油压力和加装燃油加热装置，直接燃用 多种植物油进行了耐久试验，并对耐久试验前后的燃油消耗率、碳烟和排温进行 了对比和分析闭。 目前，对柴油机替代燃料所作的研究表明，天然气、液化石油气等燃料最终 也不是解决柴油机能源的有效方式，惟有太阳能的能源是源源不断的，永恒的。 因此，油一脂类燃料是未来解决柴油机能源的有效途径之一，而植物油将扮演重要 角色，在众多油料植物中，小桐子表现尤为出众，越来越受到重视 2 7 - 3 1 1 。 1 2 3 小桐子的研究状况 1 2 3 1 小桐子概述 小桐子( j a t r o p h ac u r c a s ) 为大戟科麻疯树属落叶灌木或小乔木，又名麻疯树、假 花生( 广西) 、臭油桐( 贵州) 、桐油树、南洋油桐( 日本) 、吗哄罕( 傣名) 、膏 桐、黑皂树、木花生、油芦子、老胖果等，其全株有毒，雌雄同株，树高2 。5 m ， 树皮光滑，叶子呈圆形，带有长柄，树液呈淡乳白色，果期为9 1 0 月，果实幼时 呈绿色，种子干时为黑色。研究表明 3 2 1 3 3 1 ：小桐子树皮、颈以及叶子含有大量毒 蛋白，有抗a i d s 和抗肿瘤等功效，可药用。更重要的是，其果实含油率很高，为 3 0 一6 1 左右，出油率胜过其他油料植物的种子。经生产加工可制成相当于国内 零号柴油标准的生物柴油，且燃烧产生的c 0 2 及多苯类致癌物和黑烟等污染物排放 更少。表1 4 为小桐子化学成分【3 5 1 。图1 1 为小桐子及果实。 小桐子原产自热带美洲，广泛分布于热带和亚热带地区，在我国主要分布于 东南及西南等省区，如贵州、云南、四川、广东、海南、福建、广西、台湾等地。 由于其根系发达，成活率较高，适宜在贫瘠的土地生长，是一种耐干旱、耐贫瘠 的油料植物，又属经济能源树种。所以，种植和开发小桐子不仅有利于环境绿化 5 柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究 和水土保持，在一定程度上还能够增加农民的收入【3 粥5 1 。 表1 4 小桐子主要化学成分 t a b 1 4t h em a i nc h e m i c a lc o n s t i t u e n t so fj a t r o p h ac u r c a 8 化学成分百分比 水 蛋白质 脂类 碳水化合物 纤维 灰分 其他 图1 1 小桐子及果实 f i g 1 1j a t r o p h ae l l l a 8a n df r u i t 1 2 3 2 小桐子的研究现状 小桐子具有很高的经济价值，是世界各国研究最多的能源植物之一，有“绿色 油田的美誉。原本因其药用价值，而受到广泛药物应用研究。但近年来，研究 发现其种子具有很高的出油率，经过化学加工能够生产出理化特性指标与零号柴 油相当的生物柴油，甚至有些指标优于零号柴油。因此，越来越受到世界的重视 1 9 9 8 年联合国生物多样性公约第二十条款中明确指出“小桐子油可作为 极好的柴油替代品，应广泛推广。1 9 9 5 年，在洛克菲勒基金和德国政府支持下， 津巴布韦、尼泊尔、巴西开始了对小桐子油用做燃料的开发研究。另外，印度于 2 0 0 2 年7 月成立了生物燃料领导小组，起草了生物柴油国家发展规划，计划到 2 0 1 1 - - 一2 0 1 2 年间，实现生物柴油替代2 0 石油柴油的目标，届时，小桐子的种植 6 记 8 弘 ” 螂 ” m 江苏大学硕士学位论文 面积将达到5 0 0 万公顷。2 0 0 7 年，印度生产1 5 0 万吨小桐子种子，榨取了4 8 万吨 小桐子油。 d c c p a ka g a r w a l 等人在一台单缸直喷式柴油机上，研究了预热与不预热的小 桐子油黏度以及排放特性。研究表明：预热后小桐子油的黏度降低；不预热的小 桐子油热效率低于预热的小桐子油及柴油，且不预热的小桐子油h c 、c o 、c 0 2 以及烟度排放都高于柴油【3 6 1 。 k p r a m a n i k 在一台柴油机上，研究了小桐子油和柴油混合燃料的使用性能。 研究表明：小桐子油占混合燃料5 0 时，柴油机具有较好的热效率。而小桐子油 占混合燃料4 0 5 0 时，柴油机有较好的综合性能，能够很好的作为柴油机的燃料， 且不需要任何改进吲。 中国开发种植小桐子产业已初具规模。小桐子提取生物柴油项目是“十五” 科技攻关项目。贵州省小桐子生物柴油开发项目是国家重点研发的生物质能源项 目之一，已将小桐子生物柴油项目作为重要战略决策之一写入了省委 2 0 0 7 1 1 号文 件和省“十一五 规划中，同时也是科技部和联合国开发署共同开展的少数民族 地区绿色扶贫项目之一，并列入了中德机动车清洁能源合作示范项目框架。中央 党校已将对贵州省小桐子生物柴油项目的调研结果作为贯彻落实科学发展观和建 设社会主义新农村的典型案例上报了中央领导和有关部门。2 0 0 9 年，贵州省完成 6 0 万亩小桐子规范化种植及产业化示范基地建设。根据2 0 0 6 年6 月云南林业厅组 织编制的云南省林木生物质能源一生物柴油原料林发展规划要求，2 0 1 5 年云 南将培育以小桐子为主的1 0 0 0 万亩原料林基地，形成2 0 0 多万吨生物柴油、产值 超过3 0 亿元的新兴产业。2 0 0 7 年1 月1 1 日国家林业局与中石油签署合作发展林 业生物质能源框架协议，并正式启动了第一批林业生物质能源林( 小桐子) 基地 建设，加快了“林油一体化 进程。国家林业局己规划十一五期间用2 亿亩林地 种植生物能源树种，其中小桐子列入了规划的重点。可见，国家对小桐子产业的发 展极为重视，小桐子具有非常广阔的应用前景。 国内研究者及研究单位对小桐子油进行了初步研究，取得了一些成果。云南 师范大学苏有勇等以小桐子油为原料，采用循环气相酯化一酯交换一水蒸汽馏法制 备生物柴油进行了研究网。湖南省环保局环境工程评估中心刘剑等采用新型固体 酸s 0 4 2 f i i 0 2 - a 1 2 0 3 催化较高酸度值小桐子油与甲醇进行酯交换反应制备生物柴 油，考察了搅拌速度、固体酸催化剂用量、醇油摩尔比、反应温度和助溶剂等因 素对产物中甲酯含量的影响，而制备得到的生物柴油质量达到国家柴油机燃料调 7 柴油机燃用小桐子油燃烧特性与放热规律研究 合用生物柴油的标准【3 9 1 。云南农业大学毛明华利用小桐子油制备了生物柴油，并 在柴油机上进行了排放试验研究。研究表明：在甲醇和催化剂n a o h 分别占油重 的2 5 和1 ，反应温度为5 0 。6 5 0 c 时，能够制备较好的生物柴油。而在柴油机上 燃烧制备的生物柴油，相比柴油，油耗增加了1 0 ，碳烟有大幅度的降低【柏】。另 外，以小桐子生产的生物柴油汽车在云南大学已经开始了使用。 目前，国内对小桐子油的研究，多限于它的形态结构、活性成分及药效、生 物柴油的转化 3 3 1 1 3 5 】等方面，对于在柴油机直接应用上还鲜有报道。因此，对柴油 机燃用小桐子油喷油过程、排放、燃烧以及放热规律的研究有重要意义。 1 3 本课题研究的意义及主要内容 1 3 1 本课题研究的意义 柴油机工作过程主要包括：进气过程、燃料供给过程、缸内混合气形成过程、 燃烧过程以及排气过程。其中燃料供给中涉及的喷油过程，对于燃烧有着不可忽 视的影响，而燃烧过程的好坏直接关系到柴油机的动力性和经济性。因此，系统 开展柴油机燃用替代燃料小桐子油的实验研究，对小桐子的应用具有十分重要的 意义。 1 ) 小桐子油属于清洁可再生的植物油，具有易降解、易存储运输等特点。可 作为柴油机辅助燃料、应急燃料和地方性燃料，不仅能够缓解地区能源紧张的局 面，还可促进我国能源结构的多元化以及增加农民的收入。 2 ) 对柴油机燃用小桐子油燃烧与放热规律的研究，对认识小桐子油燃烧特性、 合理组织柴油机燃烧过程、提高柴油机的综合性能有重要的意义。也为后续小桐 子油在柴油机上的应用以及小桐子油产业化，提供重要的数据支持和科学指导。 1 3 2 本课题研究的主要内容 本课题为贵州省科学技术基金( 黔科合j 字 2 0 0 8 1 2 0 3 6 ) 和江苏省动力机械清 洁能源与应用重点实验室对外开放基金( q k 0 8 0 0 1 ) 支持项目。试验样机以江淮 动力单缸直喷式z h l l l 5 柴油机为研究对象，通过实验，详细研究燃用小桐子油和 柴油时柴油机喷油特性、燃烧特性及排放特性、经济性的差异。 本课题所进行的主要内容如下： 1 ) 植物油黏度较高，对柴油机的雾化特性及燃烧特性有较大影响。通过试验 研究分析小桐子油和柴油黏度随温度的变化规律。 8 江苏大学硕士学位论文 2 ) 分析柴油机燃用柴油和小桐子油时的经济性。测量了油管泵端压力，研究 分析燃用小桐子油和柴油时z h l l l 5 柴油机喷油过程的变化规律，如油管压力峰 值、油管压力峰值对应的相位以及动态供油提前角等参数的变化。 3 ) 测量气缸压力，计算出放热规律。研究分析燃用小桐子油和柴油时z h l l l 5 柴油机的燃烧特性差异，如缸内燃烧压力峰值、最大压力升高率、压力升高加速 度，放热率峰值、累计放热率、燃烧始点，燃烧持续期缸内平均燃烧温度以及排 温等燃烧特性参数的差异。 4 ) 通过改变柴油机供油提前角和预热小桐子油，研究分析z h l l l 5 柴油机喷 油特性、燃烧特性和排放