-生物柴油的性能与排放特性研究0001

1、 生物柴油的性能与排放特性研究摘要：生物柴油是一种可再生绿色能源，其适用性研究受到越来越多的关注。生物柴油作为柴油机的代用燃油，具有显著的经济效益和社会效益。柴油机燃用生物柴油的性能和排放特性试验研究中存在较多的影响因素，尚有一定的局限性，因此，对燃用生物柴油的柴油机性能和排放进行更全面和深入的试验研究对研究和了解生物柴油的适用性具有重要的科学意义。目前国内生物柴油的开发利用还处于发展初期，由于生物柴油与石化柴油性质非常相似，有必要加强对柴油机燃用生物柴油的研究。该项目组建了基于LabVIEW的柴油机性能和排放特性测试系统;利用该系统在295直喷式柴油机上进行了4种不同混合比例的生物柴油与普通

2、石化柴油的混合燃油在不同工况下的动力性能、经济性能、排放特性以及振动特性的对比试验研究;利用MATLAB分析了不同混合比例的混合燃油对柴油机的性能和污染物排放特性的影响关键词：柴油机；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%是被以内燃机为主要动力的各种机动车所消耗。随着世界机动车工业的发展，世界的能源消耗越来越多，能源问题日益严峻。同时，随着机动车保有量的增加，机动车排放的尾气，主要包括一氧化碳、未燃烧的碳氢化合物、氮氧化合物和微粒等有害气体，将会越来越多，它们会对人体健康造成严重的威胁。虽然机动车排放的二氧化碳对人体健康无害，但它造成的温室效应，对大气环境造成严重影响。生

3、物柴油(原料为植物)燃烧时排放的二氧化碳远低于该植物生长过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导致的全球变暖这一有害于人类的重大环境问题，保持生态的良性循环，生物柴油是一种真正的绿色柴油。作为一种环保的可再生绿色能源，生物柴油对于解决当今世界面临的能源短缺和环境污染两大问题具有十分的意义。生物柴油是一种生物质能，其中含77%的碳、12%的氢、11%的氧以及微量的硫和氮。生物柴油原料资源主要有:植物油脂、动物油脂、餐饮废油脂等。对比生物柴油与石化柴油的主要性能指标，生物柴油主要有以下的优良性能:具有优良的环保特性。主要表现在由于生物柴油中硫含量低，从而二氧化硫和硫化物的排放低;生

4、物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损害低于柴油。具有较好的低温内燃机启动性能。无添加剂生物柴油的冷滤点达TOC。具有较好的润滑性能。使喷油泵、内燃机缸体和连杆的磨损率降低，使用寿命延长。具有较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油相对石化柴油更加安全。因此，在运输、储存、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，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和内燃机机油的使用寿命延长。具有可再生性能。作为可再生能源，与石油储量不同，其通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。无须改动柴油机，可直接添加使用。有研究表明，在柴油机不作任何改动的情况下，将生物

5、柴油按一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、减少尾气排放物。作为富有潜力的代用燃料，生物柴油以其良好的环境效应受到越来越多的关注，在欧美等发达国家生物柴油己经得到了广泛的应用，中国作为一个动植物资源丰富的国家，开展生物柴油的各项研究具有非常重要的意义，未来的研究重点应放在生物柴油的燃烧和排放特性研究，生物柴油的制造工艺研究等方面。1.1研究内容及技术路线该研究通过测量由生物柴油与石化柴油的4种不同混合比的混合燃油在不同的工况下的油耗率和各排放物排放浓度，分析不同混合比生物柴油及其与石化柴油的混合燃油对柴油机的性能、污染物排放和振动特性的影响。具体技术路线如图1.3所示:试验采用295柴油机

6、，试验过程中未改变内燃机参数，具体参数如表2-1所示:褰2295柴油机技术参数Table24ParameterofDieHlEngine项目技术参数fa缸径(nun)标羞斡速(rmiii1):2000cm吸气标定功率(kW)进气方或2.2试验主要测控仪器一试验系统由基于微机的综合控制台、柴油机、测功机、油门控制器、油耗仪、油箱、五尾气分析仪、烟度计组成。图2一1为试验台架结构示意图。17.7kw，试验用测功机选用湘仪动力测试仪器公司CW40系列测功机。油门控制器主要用于控制柴油机的油门开度。试验选用FC2315油门执行器，其最大力矩10N.m,旋转角度900，有效行程85mm140mm。试验用

7、油耗仪选用湘仪动力测试仪器公司的FC221OZ智能油耗仪。选用Gasboard一5020排气分析仪。选用Gasboard一6010透射式烟度计。2.3测试系统设计建立基于LabVIEw的数据采集系统，该系统能够与尾气分析仪以及烟度计进行通信，采集内燃机的排放特性数据以及内燃机瞬时转速与缸盖的振动信号，数据采集系统结构示意图如图2-4所示。3.1试验方案测量4种不同混合比的生物柴油和石化柴油混合燃油在不同工况下的油耗率和各排放物排放浓度，以分析生物柴油对柴油机的动力性、经济性和排放特性的影响。试验采用的生物柴油，该生物柴油以菜籽油为原料，采用纳米催化法制备。试验用油主要选定4种比例用油，0#石化

8、柴油;0#石化柴油与生物柴油按体积分数比9:1混合;0#石化柴油与生物柴油按体积分数比8:2混合，以及纯生物柴油，分别给予代号B0,BIO,B20,B100。表3-1为试验混合燃油的配比。表试验混合燃油配比(Vol)世号BDBI0B20B1DO柴池10090SO6生物柴油01020100试验步骤启动控制微机和各测量仪器，保证测量仪器达到指定预热时间;打开测功机过水开关并达到指定水压，启动测功机励磁;启动微机数据采集系统和柴油机工况控制系统，准备试验;启动柴油机进行预热;启动内燃机测控系统软件，对柴油机进行远程控制，使其运行在指定工况下;运行尾气和烟度数据采集程序，并将数据结果保存;每个负荷点重

9、复测量三次排放特性柴油机有害排放物主要包括未燃烧的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NO、)和碳烟以及造成温室效应的二氧化碳CO等。a.碳氢化合物HC册7010605D50图芥5燃用4种配比混合燃油的排放浓度f-M赵7-B20-A310030亠JW024eB功棚晶肄12WW酣di+80亠師亠跚十皿册b.氧化碳CO图3-6燃用4种配比混合燃油的CO排放浓度C.二氧化碳CO在不对内燃机参数作任何调整的情况下，在内燃机上燃用BO、BIO、B20和B100这4种混合燃油。对试验结果进行分析比较，可以得到使用生物柴油与0#石化柴油在动力、经济和排放特性上的差异，试验结果表明:适当比例的混

10、合燃油，在保证动力和经济性能的同时，大幅度降低了柴油机有害气体的排放浓度，且下降比例随着混合燃料中生物柴油的比例的增大而增大。4.1柴油机振动特性分析柴油机表面振动信号中包含其内部零部件状况以及燃油燃烧状况，对其进行分析处理可以得知柴油机的运转状况。对柴油机振动特性的研究必须先了解引起柴油机表面振动的激励源，通过分析影响表面振动信号的主要激励源的特性，可为振动信号的分析提供理论依据。柴油机在转速n=180r/min,扭矩T=30NM工况时，分别燃用BO、B20和B100这3种混合燃油，利用自行设计的数据采集系统采集各混合燃油在指定工况下的振动信号，分别利用了时频分析方法以及小波包分解方法对3种

11、燃油的振动信号进行了分析对比，得出了柴油机在燃用不同混合燃油时燃烧激励振动信号的变化规律。通过振动信号在不同频带能量值的比较，得出以下结论在0Hz2500Hz频带内，B100燃烧激励源振动响应信号能量较B0小,即柴油机燃用B100时的压力升高率较燃用B0时小;在2500Hz5000Hz频带内，B100燃烧激励源振动响应信号能量较B0小，即柴油机燃用B100时的压力升高加速度较燃用B0时小。因此，柴油机燃用B100较燃用B0时，虽运行柔和，但经济性与动力性略差。5.1结论柴油机燃用生物柴油的性能和排放特性试验是当前研究生物柴油适用性的重要手段。该研究建立了基于LabVIEW虚拟仪器平台的内燃机性

12、能和排放特性的测试系统，以295直喷式柴油机为试验对象，进行了生物柴油作为替代燃油的动力性能、经济性能、排放特性以及振动特性的试验研究，利用MATLAB对试验数据进行了分析比较，得出了柴油机燃用生物柴油性能与排放特性的规律和影响，主要结论有：在不改变柴油机原有结构和不调整有关参数的前提下，生物柴油与普通石化柴油的混合燃油可以直接应用于295直喷式柴油机。在295直喷式柴油机上燃用BO、BIO、B20和B100这4种比例的混合燃油，进行了柴油机动力性能的试验。试验结果表明，混合燃油的最大功率随着混合燃油中生物柴油的比例的增大而呈现一定程度的下降。在转速n=1200r/min时，柴油机燃用BIO、

13、B20和B100较B0最大功率分别下降了0.3%、0.7%和2%;在转速n=1800r/min时，柴油机燃用B10、B20和B100较B0的最大功率分别下降了0.6%、1.1%和2.5%。3柴油机油耗率随着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仅增加了1.5%，与普通石化柴油十分接近。燃用生物柴油与混合燃油的HC排放明显低于燃用0#石化柴油，且HC的排放浓度随着混合燃油中生物柴油的比例增大而减少。5柴油机燃用纯生物柴油及其混合燃油的CO排放浓度降低，在小负荷时，B100的CO排放浓度最大降低了50%;在中等负荷时，各混合燃油的CO排放浓度差异不明显;在高负荷时，B1

14、00的CO排放浓度较B0下降了3060%;6.B100的CO2排放浓度较B0变化不大仅有微量增加，在转速1200r/min时，B20的CO2排放浓度最低，相对于B0最大减少了2.3%，在转速1800r/min时，B10的CO2排放浓度最低，相对于B0最大减少了2.8%。7柴油机燃用纯生物柴油及其混合燃油的NO排放浓度较普通石化柴油有所增加，且随着混合燃油中生物柴油的比例增大而有所增加。在低负荷时，各种燃油的NO排放量基本一致，随着负荷增大，各混合燃油的NO排放差异增大。自由加速工况下，燃用生物柴油后的烟度明显下降，降幅随着混合燃油中生物柴油的比例增大而增大，燃用B10、B20、B100时的烟度

15、较B0分别下降了7%、18%、38%。振动特性试验中，在工况为转速n=1800r/min,扭矩T=30NM时，对柴油机燃用B0、B20和B100的振动信号进行了时频分析，并利用MATLAB对燃烧激励源的振动信号进行了小波包分解。结果表明，柴油机燃用Bl00时的压力升高率和压力升高加速度较燃用B0时减小。因此柴油机燃用B100较燃用B0时，运行更加平顺，但经济性与动力性略差。5.2讨论可进一步开展柴油机燃用其它多种原料制取生物柴油的试验研究，以增强各类生物柴油的适用性。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，并对柴油机燃用生物柴油的性能与排放特性有一定的影响。由于瞬态工况下测量与控制

16、设备昂贵，限制了开展柴油机燃用生物柴油与普通石化柴油的瞬态工况试验研究，该文仅仅进行了柴油机燃用生物柴油与普通石化柴油在稳态工况下的试验研究，未能对柴油机燃用生物柴油与普通石化柴油的瞬工况进行研究。燃油喷雾的形成及其特点是影响燃烧的重要因素之一，喷雾质量的好坏直接影响到燃油燃烧特性，并间接影响到柴油机尾气的排放，因此对生物柴油及其混合燃油喷射与燃烧特性还需要进一步研究。参考文献：1.纪威，符太军，姚亚光，周庆辉.柴油机燃用乙醇一柴油一生物柴油混合燃料的试验研究.农业工程学报，2007，徐元浩，叶盛众，陈忠祥.生物柴油的实用性研究.武汉理工大学学报，2005陆小明，葛蕴珊，韩秀坤，吴思进，朱荣福，何超.生物柴油内燃机颗粒排放物粒径及其分布试验研究.环境科学，2007梅德清，王忠，袁银南，阮志强.生物柴油内燃