柴油机燃用甲醇-柴油混合燃料燃烧特性的试验研究

1、第36卷第4期拖拉机与农用运输车Vol.36No.42009年8月Tractor&FarmTransporterAug.,2009柴油机燃用甲醇-柴油混合燃料燃烧特性的试验研究李永冰,王沛禹,刘晓辉2(1.日照职业技术学院,山东日照276826;2.山东交通职业学院,山东潍坊261206)摘要:在一台ZS195型柴油机上研究了M0,M10,M20和M30甲醇/柴油混合燃料对柴油机性能的影响。试验结果表明,在柴油机参数不变的情况下,随着甲醇添加比例增加,柴油机的动力性有所下降,燃油经济性变化不大,柴油机烟度和CO的排放量都明显降低,NOx排放在M10时略有增加,在M20,M30时下降10

2、%左右。HC的排放量有所增加。关键词:柴油机;甲醇;发动机性能中图分类号:TK421.5文献标识码:A文章编号: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柴油机具有动力性好、热效率高等优点,广泛应用于工程机械和货运

4、车辆,缺点是排放烟度高14。随着能源短缺和环境危机的日益加剧,要克服柴油机的这一缺点,使用含氧燃料,被认为是有效降低柴油机烟度及HC,CO排放的有效措施。本文在不改变发动机结构和技术参数的条件下,试验了不同质量混合比例的柴油/甲醇混合燃料对柴油机性能的影响。2200r/min时功率为9.7kW,压缩比为17。主要仪器有CWWK-6003负荷转速测量仪、CW-260电涡流测功机、FCM-05油耗仪、FGA-4100排气分析仪和PQD-102型烟度计。按照国家标准QC/T524-1999汽车发动机性能试验方法,采取对比试验的方法进行试验,同时在研究中保持发动机的结构与技术参数不变6。为了研究不同比

5、例甲醇/柴油混合燃料对发动机工作过程的影响,试验分别配置了甲醇质量分数为10%(M10),20%(M20)和30%(M30)三种比例的甲醇/柴油混合燃料。1甲醇与柴油的理化性质甲醇与柴油燃料的理化性质参数对比见表15。甲醇分子(CH3OH)结构简单,含氧量高,因此与柴油混合燃烧可以有效降低烟3发动机动力性分析柴油发动机燃用混合燃料时的外特性曲线如图1和图2所示,使用混合燃料M10时,发动机的最高输出功率和转矩分别下降约9.7%,9.0%;随着甲醇加入量的增加,燃用M20甲醇混合燃料发动度和CO的排放。但是甲醇与柴油性质差异较大,难以互溶。为了保证甲醇/柴油混合燃料性质稳定且不分层,必需选用合适

6、的助溶剂。表1甲醇、柴油燃料理化特性对比Tab.1FuelPropertiesofMethanolandDiesel柴油14.6203040551.58.23.78983086018037020022042.82503003.9性能指标理论空燃比/(kgkg-1)辛烷值(RON)十六烷值着火界限体积分数/%混合气热值/(MJm-3)密度(20)/(gL-1)沸点/自然温度/低热值/(MJkg-1)汽化潜热/(kJkg-1)黏度(20)/(mPas)甲醇6.4111356.7363.9067926547019.711010.611机的功率和转矩分别下降11.3%,10.5%;燃用M30甲醇混合燃

7、料发动机的功率和转矩分别下降13.2%,12.6%。甲醇和助溶剂的加入使混合燃料的低热值降低,发动机的功率有下降的趋势。但是甲醇的十六烷值低,导致了混合燃料滞燃期延长,使预混燃烧量增加。由于甲醇的沸点低,含氧量高,有利于柴油的扩散,改善燃烧,使燃烧2试验发动机及主要设备试验用发动机的排量为0.8L,其缸径为95mm,行程为115mm,收稿日期:2008-05-06;收修改稿日期:2008-08-07图1功率的外特性曲线Fig.1ExternalCharacteristicCurveofEnginePower76李永冰等:柴油机燃用甲醇-柴油混合燃料燃烧特性的试验研究图2转矩的外特性曲线Fig.

8、2ExternalCharacteristicCurveofEngineTorque图6柴油机烟度排放外特性曲线Fig.6SmokeEmissionsatFullLoadConditions的持续期变短。因此随混合燃料中甲醇质量分数的增加,燃烧特性的改变使发动机的功率下降幅度开始变小。5.2发动机NOx的排放特性NOx生成的3个条件为高温、富氧和高温持续时间。在全负荷条件下,甲醇的加入虽使滞燃期延长,但小比例甲醇对燃烧温度的影响不大,同时由于甲醇高达50%NOx的排放略有增加。当甲醇质量比增加到M20,M30时,使得进气温,不利于NOx的生成,使x10%,4发动机经济性分析本试验配制的M10,

9、M20,M30的混合燃料在台架试验中,对比同条件下柴油机的油耗数据。柴油机小负荷时燃用混合燃料的耗油率稍高于或接近于燃用柴油时的耗油率如图3图5所示,其原因是柴油机小负荷时燃料喷射量较少而雾化性差,甲醇是含氧燃料,使过量空气系数较大,混合气过稀,而混合气过稀不仅影响火焰的传播而且还可能导致不着火,使油耗增加。同时低负荷时,缸壁温度及残余废气温度都较低,热效率降低,柴油机气缸内,其使燃烧趋于完全,热效率提高,从而改善了柴油机的经济性。图7NOx排放的外特性曲线Fig.7NOxEmissionsatFullLoadConditions5.3发动机HC和CO的排放特性甲醇柴油混合燃料的未燃碳氢排放如

10、图8所示。甲醇溶入柴油后,由于甲醇容易蒸发,故在油雾的外围可能造成过稀区混合气量增加,进而导致发动机的HC排放增加。图9是柴油/甲醇混合燃料CO排放的外特性曲线,可以看出,随着掺烧甲醇量的增加,CO排放呈下降的趋势,主要是由甲醇的物性和含氧特性引起的,即甲醇的低沸点图3n=1100r/min时掺醇率对经济性影响Fig.3EffectofRatioofMethanolonEconomyat1100r/min和低黏度及“微爆”作用,改善了混合气的形成和燃烧;而且甲醇又是含氧燃料,不仅提高了富油区氧的含量,也有助于减少因缺氧而生成的CO的排放量,尤其在外特性曲线的高转速范围内,这种趋势更加明显。图4

11、n=1700r/min时掺醇率对经济性影响Fig.4EffectofRatioofMethanolonEconomyat1700r/min图8HC排放的外特性Fig.8HCEmissionsatFullLoadConditions图5n=2200r/min时掺醇率对经济性影响Fig.5EffectofRatioofMethanolonEconomyat2200r/min5发动机排放特性分析5.1发动机的排放烟度发动机排放烟度的外特性曲线如图6所示,燃用M30时发动机的排放烟度下降约66%。主要原因是:甲醇的沸点低,当柴油中混合一定比例的甲醇时,混合燃料粘度变小加之“微爆效应”使燃油雾化蒸发性能

12、改善,可以促进油雾与空气的混合,同时由于甲醇含氧量高达50%,与燃烧柴油相比,燃烧会更加完全,所以排放物中炭粒含量减少,烟度明显降低。图9CO排放的外特性曲线Fig.9COEmissionsatFullLoadConditions6结论1)柴油机掺烧甲醇后在不改变参数的前提下与原机相比功率分别下降9.7%,11.3%,13.2%,相应的最大转矩减少9.0%,10.5%,12.6%;对燃油消耗率影响不大。(下转第82页)77拖拉机与农用运输车第4期2009年8月律与HCHO的非常相似。转速一定的条件下,随着负荷的增加,HCOOCH3的排放有减少的趋势;同时随着转速的增大也会导致排放HCHO,HC

13、OOCH3进行检测,而HCOOH可采用FTIR进行检测。检测结果表明:在DME发动机的尾气排放中,均检测到HCHO,HCOOCH3,HCOOH等排放物。2)在ZS195柴油机上燃烧DME后的非常规排放物中,HCHO的的增加。其原因是甲酸甲酯的生成跟甲醛一样,也是DME在低温燃烧的一种不完全氧化中间产物4。转速增加,实际喷油提前角减小,最高燃烧温度降低,导致HCOOCH3高温反应的驻留时间减少,因而其被氧化的较少,排放量就会增加。相比甲醛,甲酸甲酯的生成与消耗规律较为复杂,影响其浓度变化的因素也较多,因此HCOOCH3的排放曲线不甚规则,且整体的排放量比较小,检测到的最大值也只在20×

14、10-6左右。3.3HCOOH排放分析HCOOH排放量是用傅立叶红外分析仪测量所得。从图7中可排放量要比HCOOCH3,HCOOH的高,而HCOOCH3排放体积分数均在20×10-6以下,HCOOH排放体积分数均在10×10-6以下,由此可见HCHO是非常规排放物中的主要成分。3)HCHO,HCOOCH3排放的体积分数随转速的提高稍有增加;随着负荷的增大,HCHO和HCOOCH3的排放量降低,而HCOOH排放量变化则不甚明显。4)对DME发动机燃烧过程中,HCHO,HCOOCH3,HCOOH是DME低温氧化反应生成的相对稳定的重要中间产物,均在低温反应以看出,HCOOH排放

15、值较小,基本都在10×10-6以下,且随负荷的变化排放量没有明显的波动。发动机运行参数的变化对HCOOH的排放虽有一定影响,但变化幅度也很小。阶段生成,2和水而被大量消耗掉。DME氧化的。,Eddy,等.甲醇/汽油混合燃料发动机非常规排放成分测量方法研究J.内燃机学报,2006,24(1):5761.2郎静,张煜盛.论DME燃烧与微量污染物生成机理研究J.内燃机工程,2005,26(6):3034.3CHARLESEMitchell,DANIELBOlsen.FormaldehydeFormationinLargeBoreNaturalGasEnginesPart1:Formatio

16、nMechanismsJ.JournalofEngi2neeringforGasTurbinesandPower,2000(10):603609.4张煜盛,孙海英,莫春兰,等.二甲醚HCCI发动机微量排放物的数值模图7不同转速和负荷下HCOOH排放Fig.7HCOOHEmissionunderDifferentSpeedsandLoads4结论1)对配有FID检测器的气相色谱仪的分离柱温、载气流速、汽化拟与实验研究J.华中科技大学学报,2007,35(7):7881.(编辑刘红云)室的检测器温度等工作条件进行优化的基础上,采用外标法,经色谱工作站绘制出的工作标准曲线,可对DME发动机的微量排放

17、物作者简介:罗红英(1967-),女,副教授,硕士,研究方向为内燃机燃烧和排放分析。(上接第77页)2)柴油机燃用M30甲醇/柴油混合燃料可以使排放烟度在全负荷下降低约66%,CO的排放也同时降低。NOx排放在M10时略有增加,在M20,M30时下降10%左右。HC排放与原柴油机相比有所增加。参考文献:1何建宏,袁晓东,郭和军,等.生物油乙醇柴油混合燃料在柴油机上的应J.拖拉机与农用运输车,2005,32(5):2528.4邹洪波,王利军,刘圣华.引燃柴油量对甲醇/柴油双燃料发动机性能和排放的影响J.内燃机学报,2007(5):422426.5HUANGZuo2hua,LUHong2bing,

18、JIANGDe2ming,etal.StudyonCombus2tionCharacteristicsofaDIDieselEngineOperatingonDiesel/MethanolBlendsJ.TransactionsofCSICE,2003(6):401409.6张俊强,卢红兵,王锡斌,等.直喷式柴油机燃用甲醇/柴油混合燃料的燃用J.拖拉机与农用运输车,2008,35(2):1011.2张军昌,师帅兵,张娟利.柴油机燃用甲醇/柴油双燃料的试验研究J.烧及排放特性J.燃烧科学与技术,2004(2):171175.(编辑刘红云)拖拉机与农用运输车,2005,32(4):4547.3姚春德,王银山,段峰,等.柴油机燃用甲醇-柴油双燃料的控制与研究作者简介:李永冰(1968-),男,山东五莲人,硕士,讲师,研究方向为汽车电子技术。(上接第79页)参考文献:1NAMIAKher,MUTASIMASalm