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(yàn)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(yàn)研究

生物柴油是由植物果實(shí)、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(yīng)得到的。柴油機(jī)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(jī)燃燒特性的影響,國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究:袁銀南等研究了柴油機(jī)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(jī)燃燒黃連木籽生物柴油-柴油混合燃料的試驗(yàn)規(guī)律;SeungHyunYoon等研究了渦輪增壓水冷柴油機(jī)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(jī)部分負(fù)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(zhì)對柴油機(jī)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(jī)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(jī)燃用不同生物柴油的燃燒性能。大量研究結(jié)果表明,燃用生物柴油后發(fā)動機(jī)燃燒始點(diǎn)提前,滯燃期較短,放熱率稍微降低,缸內(nèi)最高壓力降低。然而目前國內(nèi)對生物柴油燃燒特性的研究多數(shù)在國Ⅲ或更低標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)上進(jìn)行,針對滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌柴油機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行燃用不同比例的生物柴油-國Ⅴ柴油混合燃料的試驗(yàn)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(jī)的燃燒性能影響。1試驗(yàn)設(shè)備和方案1.1燃燒性能測試系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)是1臺滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的電控高壓共軌、廢氣渦輪增壓中冷6缸柴油機(jī)。表1示出試驗(yàn)樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。試驗(yàn)中測量缸內(nèi)各種燃燒參數(shù)所使用的主要測試設(shè)備包括AVLPUMA發(fā)動機(jī)高動態(tài)測試臺架系統(tǒng)和AVL測功機(jī)。試驗(yàn)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(zhuǎn)角傳感器。DEWE是用于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)的新型PC儀器系統(tǒng),其內(nèi)置的電荷放大器可將缸壓傳感器所傳輸?shù)碾姾尚盘栟D(zhuǎn)換為電壓信號,同時,它也可直接處理各種曲軸轉(zhuǎn)角信號。1.2生物柴油的測定試驗(yàn)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(yàn)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?jǐn)?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(fù)荷特性試驗(yàn)在標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速2200r/min和最大扭矩轉(zhuǎn)速1400r/min下對各種燃料進(jìn)行負(fù)荷特性試驗(yàn)研究。負(fù)荷率分別為10%,25%,50%,75%和100%,共10個工況點(diǎn),燃油依次切換為BD5,BD10,BD20,BD50和BD100。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1氣體壓力2.1.1生物柴油與轉(zhuǎn)速對最大生成軸力機(jī)下的壓力分布特性發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性與缸內(nèi)燃燒質(zhì)量密切相關(guān),缸內(nèi)壓力在一定程度上可以反映燃燒質(zhì)量的好壞。圖1示出試驗(yàn)發(fā)動機(jī)在最大扭矩轉(zhuǎn)速1400r/min和標(biāo)定轉(zhuǎn)速2200r/min的100%負(fù)荷下燃用不同燃料的缸內(nèi)壓力和壓力升高率。從圖1可以看出,2種轉(zhuǎn)速下混合燃料與D100的缸內(nèi)壓力變化趨勢基本一致。各種燃料最大缸內(nèi)壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角基本相同且均在上止點(diǎn)后10°左右,同時缸內(nèi)壓力曲線變化平緩,表明燃燒狀況良好。2種轉(zhuǎn)速下隨著生物柴油摻混比例的增加,缸內(nèi)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(nèi)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(nèi)壓力略有增加且2200r/min下燃燒生物柴油與D100的缸內(nèi)壓力差距不再明顯,個別曲軸轉(zhuǎn)角處甚至高于D100。從圖1還可以看出,不同轉(zhuǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)開始迅速上升的曲軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速負(fù)荷特性下燃用不同摻混比例混合燃料的發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力試驗(yàn)結(jié)果。從圖2可以看出,隨著負(fù)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(fù)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(fù)荷特性下混合燃料的最高燃燒壓力與D100差異不大,個別負(fù)荷點(diǎn)甚至高于D100。當(dāng)負(fù)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(jìn)行,缸內(nèi)的溫度高使霧化質(zhì)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(jìn)和改善燃燒。2.2加熱率和室內(nèi)溫度2.2.1生物柴油混合燃料不同轉(zhuǎn)速時放熱率變化特性發(fā)動機(jī)的燃燒過程與發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、使用因素和燃料本身的性質(zhì)有關(guān),由于在試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用因素均沒有改動,因此本試驗(yàn)中不同燃料之間的燃燒差異都是由于燃油性質(zhì)之間的差異造成的。圖3示出試驗(yàn)發(fā)動機(jī)在1400r/min和2200r/min的100%負(fù)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(zhuǎn)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(fù)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(diǎn)提前,但由于生物柴油滯燃期較短,滯燃期內(nèi)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(nèi)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(diǎn)后3°和上止點(diǎn)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(zhuǎn)速下瞬時放熱率峰值均出現(xiàn)在上止點(diǎn)之后。上止點(diǎn)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(yīng)曲軸轉(zhuǎn)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(guān)。2.2.2燃燒放熱的影響缸內(nèi)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(zhuǎn)速和標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷時燃用不同燃料的發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度曲線。從圖4可以看出,兩種轉(zhuǎn)速下混合燃料的缸內(nèi)溫度變化趨勢均與D100規(guī)律一致,且2200r/min時缸內(nèi)溫度高于1400r/min時。同一負(fù)荷下隨著生物柴油摻混比例的升高,缸內(nèi)溫度遞減。與D100相比,兩種轉(zhuǎn)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(nèi)溫度低于D100是由于BD100低熱值低,且BD100在預(yù)混燃燒階段釋放熱量較少,導(dǎo)致最高燃燒溫度較低。燃用其他幾種混合燃料缸內(nèi)溫度接近或高于D100,一方面可能是因?yàn)榛旌先剂虾趿扛哂贒100,促進(jìn)和改善了缸內(nèi)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(nèi)的熱輻射損失,使燃用生物柴油混合燃料時缸內(nèi)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(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別作為燃燒始點(diǎn)和燃燒終點(diǎn),將燃燒始點(diǎn)到燃燒終點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角計為燃燒持續(xù)期。圖5和圖6分別示出2200r/min負(fù)荷特性下的燃燒始點(diǎn)和燃燒持續(xù)期的試驗(yàn)結(jié)果。從圖5可以看出,混合燃料與D100的燃燒始點(diǎn)均隨著負(fù)荷的升高而提前。由于在試驗(yàn)中國Ⅴ柴油機(jī)的參數(shù)沒有進(jìn)行任何改動,因此國Ⅴ柴油機(jī)的噴油始點(diǎn)保持不變,這里的燃燒始點(diǎn)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(fù)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(nèi)。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(fù)荷下燃燒起始點(diǎn)均在上止點(diǎn)±2°曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)。從圖6可以看出,隨著負(fù)荷的升高,混合燃料最大轉(zhuǎn)速下的燃燒持續(xù)期呈遞增趨勢。與D100相比,相同負(fù)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(nèi)生物柴油形成的可燃混合氣少于D100,預(yù)混燃燒時間小于D100,且2200r/min時各負(fù)荷下缸內(nèi)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(kuò)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(jìn)行和改善燃燒質(zhì)量,因此2200r/min負(fù)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(jī)燃用生物柴油后低速時缸內(nèi)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(nèi)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