燃用餐饮废油制生物柴油与国柴油混合燃料燃烧特性试验研究

燃用餐饮废油制生物柴油与国柴油混合燃料燃烧特性试验研究

生物柴油是由植物果实、种子或动物脂、残余油和酸化油组成的可再生脂肪酸酯或乙醇。它是通过醇类（甲醇、乙醇）的反应得到的。柴油机不作任何改变便可直接燃用生物柴油,从而缓解石油资源匮乏和价格高涨的压力。为研究生物柴油对发动机燃烧特性的影响,国内外的学者进行了大量试验研究:袁银南等研究了柴油机燃用0号柴油和生物柴油的燃烧放热规律;马志豪等研究了直喷式柴油机燃烧黄连木籽生物柴油-柴油混合燃料的试验规律;SeungHyunYoon等研究了涡轮增压水冷柴油机燃烧沼气-生物柴油混合燃料的燃烧特性;H.An等研究了1台共轨柴油机部分负荷下燃烧生物柴油混合燃料的燃烧和排放性能;B.Tesfa等研究了生物柴油类型和理化性质对柴油机燃烧特性的影响;R.Anand等研究了餐饮废油制生物柴油与纯柴油的混合燃料对直喷柴油机的性能、排放和燃烧的影响;K.Sahoo等研究了单缸四冲程柴油机燃用不同生物柴油的燃烧性能。大量研究结果表明,燃用生物柴油后发动机燃烧始点提前,滞燃期较短,放热率稍微降低,缸内最高压力降低。然而目前国内对生物柴油燃烧特性的研究多数在国Ⅲ或更低标准的发动机上进行,针对满足国Ⅴ排放标准的高压共轨柴油机燃用生物柴油混合燃料的燃烧特性研究成果较少。本研究在某台满足国Ⅴ排放标准的高压共轨柴油机上进行燃用不同比例的生物柴油-国Ⅴ柴油混合燃料的试验研究,分析对比生物柴油与国Ⅴ柴油的燃烧性能,从而得出生物柴油对国Ⅴ柴油机的燃烧性能影响。1试验设备和方案1.1燃烧性能测试系统试验样机是1台满足国Ⅴ排放标准的电控高压共轨、废气涡轮增压中冷6缸柴油机。表1示出试验样机的主要技术参数。试验中测量缸内各种燃烧参数所使用的主要测试设备包括AVLPUMA发动机高动态测试台架系统和AVL测功机。试验中的数据采集系统包括DEWE-5000燃烧分析仪以及压力、温度和曲轴转角传感器。DEWE是用于发动机试验的新型PC仪器系统,其内置的电荷放大器可将缸压传感器所传输的电荷信号转换为电压信号,同时,它也可直接处理各种曲轴转角信号。1.2生物柴油的测定试验中使用国Ⅴ柴油和餐饮废油制生物柴油作为燃料,生物柴油与国Ⅴ柴油可以以任何体积比互溶形成混合燃料。将试验的6种混合燃料分别命名为D100,BD5,BD10,BD20,BD50和BD100,其中生物柴油体积分数分别为0%,5%,10%,20%,50%和100%。表2示出国Ⅴ柴油和各种生物柴油混合燃料的理化性能。1.3燃料负荷特性试验在标定功率转速2200r/min和最大扭矩转速1400r/min下对各种燃料进行负荷特性试验研究。负荷率分别为10%,25%,50%,75%和100%,共10个工况点,燃油依次切换为BD5,BD10,BD20,BD50和BD100。2试验结果与分析2.1气体压力2.1.1生物柴油与转速对最大生成轴力机下的压力分布特性发动机的动力性和经济性与缸内燃烧质量密切相关,缸内压力在一定程度上可以反映燃烧质量的好坏。图1示出试验发动机在最大扭矩转速1400r/min和标定转速2200r/min的100%负荷下燃用不同燃料的缸内压力和压力升高率。从图1可以看出,2种转速下混合燃料与D100的缸内压力变化趋势基本一致。各种燃料最大缸内压力对应的曲轴转角基本相同且均在上止点后10°左右,同时缸内压力曲线变化平缓,表明燃烧状况良好。2种转速下随着生物柴油掺混比例的增加,缸内压力整体均呈下降趋势,但2200r/min时与D100的差距不再明显。产生这种现象的原因是,生物柴油的低热值小于D100,而且生物柴油的黏度较大,雾化难度大,而高速时由于缸内温度的升高雾化效果得到改善,因此与1400r/min相比,2200r/min时的缸内压力略有增加且2200r/min下燃烧生物柴油与D100的缸内压力差距不再明显,个别曲轴转角处甚至高于D100。从图1还可以看出,不同转速下各种燃料的压力升高率的变化规律基本一致。在上止点前3°~5°时压力升高率开始波动,且较大的波动均出现在上止点附近。从图1b也可看出,2200r/min时燃用生物柴油的压力升高率从第1个谷值点开始迅速上升的曲轴转角早于燃用纯柴油1°左右,这是由于生物柴油十六烷值高于D100使滞燃期缩短造成的。2.1.2生物柴油/混合燃料燃烧压力图2示出2种转速负荷特性下燃用不同掺混比例混合燃料的发动机缸内最高燃烧压力试验结果。从图2可以看出,随着负荷的升高,各种燃料的最高燃烧压力均呈上升趋势。1400r/min同一负荷下生物柴油混合燃料的最高燃烧压力整体略低于D100,这可能是由于生物柴油的低热值较低以及黏度较大造成的。但在2200r/min负荷特性下混合燃料的最高燃烧压力与D100差异不大,个别负荷点甚至高于D100。当负荷率为100%时,与D100相比,BD5,BD10,BD20和BD50的压力增加幅度分别为3.2%,2.4%,2.2%和1.0%。这可能是由于生物柴油密度大使循环供油量增加,且十六烷值高使滞燃期缩短,燃烧较早进行,缸内的温度高使雾化质量与D100相差不大,同时高速时燃烧速度快,生物柴油含氧量高于D100,可以促进和改善燃烧。2.2加热率和室内温度2.2.1生物柴油混合燃料不同转速时放热率变化特性发动机的燃烧过程与发动机结构参数、使用因素和燃料本身的性质有关,由于在试验中发动机结构参数和使用因素均没有改动,因此本试验中不同燃料之间的燃烧差异都是由于燃油性质之间的差异造成的。图3示出试验发动机在1400r/min和2200r/min的100%负荷下燃用不同混合燃料的瞬时放热率和累计放热率曲线。从图3可以看出,两种转速下混合燃料的燃烧瞬时放热率和累计放热率与D100有相似的规律。生物柴油混合燃料的瞬时放热率和累计放热率均呈先高于D100,之后逐渐低于D100的趋势,BD5,BD10,BD20,BD50和BD100在1400r/min,100%负荷下瞬时放热率峰值较之D100分别下降1.2%,2.0%,2.0%,7.8%和5.3%。混合燃料十六烷值高于D100,着火性能好,因此较早的燃烧使混合燃料的瞬时放热率和累计放热率先高于D100;虽然燃烧始点提前,但由于生物柴油滞燃期较短,滞燃期内形成的可燃混合气较少,且低热值小于D100,因此随着D100开始燃烧,滞燃期内形成的大量可燃混合气燃烧,使D100的瞬时放热率和累计放热率迅速高于生物柴油混合燃料。1400r/min和2200r/min时D100的累计放热率分别在上止点后3°和上止点后12°左右开始高于BD100。从图3可以看出,1400r/min时各种燃料瞬时放热率和累计放热率峰值均高于2200r/min时,且两种转速下瞬时放热率峰值均出现在上止点之后。上止点附近不同燃料在2200r/min时的瞬时放热率变化不如1400r/min时剧烈,瞬时放热率峰值对应曲轴转角比1400r/min时滞后2°左右,且混合燃料与D100相比瞬时放热率和累计放热率峰值差异更小。这与高速时滞燃期缩短且生物柴油的高含氧量改善燃烧性能有关。2.2.2燃烧放热的影响缸内温度对NOx等气态物的排放有直接影响。图4示出最高扭矩转速和标定功率转速100%负荷时燃用不同燃料的发动机缸内温度曲线。从图4可以看出,两种转速下混合燃料的缸内温度变化趋势均与D100规律一致,且2200r/min时缸内温度高于1400r/min时。同一负荷下随着生物柴油掺混比例的升高,缸内温度递减。与D100相比,两种转速下的最高燃烧温度除BD100明显低于D100(降幅分别为2.6%和1.8%)外,其他混合燃料与D100均差异不大,甚至高于D100。燃用BD100缸内温度低于D100是由于BD100低热值低,且BD100在预混燃烧阶段释放热量较少,导致最高燃烧温度较低。燃用其他几种混合燃料缸内温度接近或高于D100,一方面可能是因为混合燃料含氧量高于D100,促进和改善了缸内燃烧,另一方面,由表2可知,除了BD100之外,混合燃料的低热值与D100差异不大,燃烧放热的主要影响因素不再是低热值。同时生物柴油中的高含氧量还有助于抑制炭烟的形成,从而减少缸内的热辐射损失,使燃用生物柴油混合燃料时缸内温度较高。2.3生物柴油对燃烧过程的影响将累计放热率为5%和95%时所对应的曲轴转角分别作为燃烧始点和燃烧终点,将燃烧始点到燃烧终点的曲轴转角计为燃烧持续期。图5和图6分别示出2200r/min负荷特性下的燃烧始点和燃烧持续期的试验结果。从图5可以看出,混合燃料与D100的燃烧始点均随着负荷的升高而提前。由于在试验中国Ⅴ柴油机的参数没有进行任何改动,因此国Ⅴ柴油机的喷油始点保持不变,这里的燃烧始点可以表示各种燃料的滞燃期长短。从图5还可以看出,同一负荷下随着生物柴油掺混比例的升高,滞燃期呈递减趋势,但总体差异均在0°~1°范围内。生物柴油滞燃期缩短是由于生物柴油中的醇基弱键更容易断裂,且生物柴油不含难以裂解的芳香烃,使其自燃性能优于D100。从图5也可以看出,2200r/min各负荷下燃烧起始点均在上止点±2°曲轴转角范围内。从图6可以看出,随着负荷的升高,混合燃料最大转速下的燃烧持续期呈递增趋势。与D100相比,相同负荷下混合燃料的燃烧持续期缩短,且随着生物柴油混合比例的增加,混合燃料燃烧持续期降幅递增。滞燃期内生物柴油形成的可燃混合气少于D100,预混燃烧时间小于D100,且2200r/min时各负荷下缸内温度均很高,此时生物柴油的高黏度和高密度对于生物柴油的喷雾和蒸发影响已经不再明显,因此对扩散燃烧的影响并不大;而且生物柴油的含氧量高于国Ⅴ柴油也有助于加速燃烧进行和改善燃烧质量,因此2200r/min负荷特性下燃用混合燃料时的燃烧持续期低于D100。3高速时混合燃料与d00、ba)国Ⅴ柴油机燃用生物柴油后低速时缸内压力和压力升高率总体呈下降趋势,且随着生物柴油掺混比例的升高降幅增大,高速时降幅不明显;缸内最高压力在低速时低于D100,在高速时接近甚至高于D100;b)生物柴油混合燃料的瞬时放热率和累计放热率均呈先高于D100后逐渐低于D100的趋势,且随着生物柴油掺混比例的升高,瞬时放热率和累计放热率的峰值递减;高速时混合燃料与D100的瞬时放热率和累计放热率峰值差异变小