柴油机燃用甲醇乙醇生物柴油柴油混合燃料的试验研究论文
柴油机燃用甲醇_柴油燃烧与排放特性试验研究
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2015 年 2 月
农 机 化 研 究
第2 期
因 。 混合燃料的含氧量随着甲醇掺混比例的增加从 0 上升到 4． 7 ， 这主要是由于甲醇的含氧量高到 47% ， 混合燃料中的氧主要来自于甲醇 。 在 186FA 柴油机的结构参数和供油提前角不做 5% 、 改动的条件下 ， 选取了 3 种甲醇掺混比例 （ 0% 、 15% ） 与柴油进行掺混 ， 形成柴油 / 甲醇的混合燃料 ， M5 、 M15 。 按照负荷特性的试验方法 ， 分别记为 M0 、 在最大扭矩转速 1 800r / min 下 ， 探讨柴油机燃用不同 混合燃料的排放特性 。 基于燃烧示功图的分析 ， 考察 了甲醇掺混比对缸内压力 、 压力升高率和放热规律的 影响 。
高较为明显 ， 且随甲醇掺混比例的增大而增大 。 这主 要是因为 ： ① M5 和 M15 燃料的滞燃期较长导致形成 的混合气数量较多 ； ② 甲醇 / 柴油由于在助溶剂的作 用下形成“油 包 醇 ” 型 小 颗 粒 乳 化 液， 燃料喷入气缸 后， 产生的“微爆 ” 效应 ， 使进入气缸的燃料与空气能 形成较均匀的混合气 ； ③ 燃料的自供氧起到了助燃作 3 者的综合效应使得最大爆发压力随甲醇掺混比 用， 例的增大而增大 。 缸内最大压力升高率主要与滞燃 期内形成的可燃混合气的数量和质量有关 ， 甲醇等含 氧燃料中活性氧含量对其也会产生重要的影响 。 因 此， 随着甲醇掺混比的增大 ， 缸内最大压力升高率越 大 。 这从侧面反映出柴油机燃用甲醇 / 柴油混合燃料 可能造成柴油机工作粗暴 ， 并承受较高的冲击负荷 。 所以 ， 甲醇在混合燃料中的含量不宜过大 。
种类
图1
最大扭矩转速 100% 负荷的示功图
2． 2
甲醇 柴油 M0 M5 M10 M15 3 ～5 45． 0 42． 8 41． 2 40． 1 47． 0 0 3． 5 4． 2 4． 7
柴油机燃用生物柴油和柴油混合燃料的试验研究
第 ３期 （ 总第 １ ９ ） ６期 ２０ ０ ７年 ６月
车
用
发
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Ｎｏ ３ Ｓ ｒａ ． ６ ） ． （ ｅ ｉｌＮｏ １ ９
Ｖ ＥＨ Ｉ ＣＬＥ ＥＮ Ｇ Ｉ Ｅ Ｎ
Ｊ ｎ ２ ０ ｕ ．０７
柴油机燃 用生物柴油和柴油混合燃料 的试验研究
魏 远 文 ，田 维 ，王 永 忠
（ 华 大 学 交 通 与 汽 车 工 程 学 院 ，四 川 成 都 ６０ ３ ） 西 １ ０ ９ 摘 要 ： Ｚ １０ 在 Ｓ １ ０直 喷 式 柴 油机 上 进 行 了燃 用 生 物 柴 油 和 柴 油 混 合 燃 料 与 燃 用 ０号 柴 油 的 对 比试 验 研 究 。 结 果表 明 ， 油机 燃 用 混合 燃 料 的碳 烟 排 放 优 于燃 用 ０号 柴 油 ， 油消 耗 率 略 高 于 燃 用 柴 油 ， 大 功 率 、 大 扭 矩 、 柴 燃 最 最 怠
ｗｊ＠ｍａ ． ｈ ． ｄ ． ｎ ｒ ｌ ｘｕｅｕｃ。 １
间。
Ｓ质 量 分 数 ／ ０ 质 量 分 数 ／％ 化 学 计 量 空 燃 比
＜ ００１ ． ０ １ Ｏ １ ． ２５
＜ ０２ ． Ｏ １ ． ４５
２ 试 验 装 置
．
本试 验 用 机 为 一 台 Ｚ １ ０ Ｓ １ ０直 喷 式 柴 油 机 ， 其 主要 技术参 数 见表 ２ 。主要 测 试设 备 仪 器有 智 能 油
轻 柴油
０ ８ ．３ ２ ～４ ＞ ６ ０ ≥ ４ ５ ３ ５
其原 有 结构 和性 能 的特点 而备 受关 注 。生 物柴 油是 由植 物油或 动 物脂 肪 通 过 酯 交换 反 应 而 得 到 ， 有 具 无毒、 可生 物降 解和 可再 生 的特性 ， 一种 洁净 的可 是 再 生清 洁燃料 ， 源 丰 富且 污染 小 。与普 通 柴 油 相 能
柴油机上燃用甲醇燃料
为了在柴油机上燃用醇燃料，国内外主要采取了如下措施：1.乳化法就是在燃料被喷入发动机之前，使柴油与醇燃料均匀混合，混合好的燃料经喷油泵、喷嘴被喷入柴油机进行燃烧。
对原柴油机不需进行任何改动，就可以燃用部分醇燃料。
天津大学在80 年代对其进行了相关研究，研究发现在不使用添加剂情况下，柴油－甲醇的混合燃料稳定性较差，容易产生分层现象；甲醇的掺烧比例较小，如果甲醇的掺烧比例达到30％，混合燃料的滞燃期较长，会导致发动机冷启动困难。
山东理工大学采用了添加乳化剂，用机械搅拌的方法制备了柴油甲醇水乳化液，乳化液能够稳定30～50 天。
使用乳化燃料后，发动机的动力性、燃油经济性和排放指标都得到了改善，最高有效热效率比使用纯柴油模式下的高出了2.82%。
而且对原柴油机没有改动。
西安交通大学采用激光全息技术和高速数字摄影技术观察了柴油、甲醇和水乳化液喷雾在高温、高压环境中发生微爆现象的瞬间和全过程。
为乳化液微爆过程的数学模拟提供数学参考。
采用混合燃料法的困难在于乳化剂的价格较高和混合燃料容易产生相离；醇燃料的掺混率高时滞燃期加长，发动机冷起动困难，工作粗暴；发动机在冷起动、暖车及小负荷工作时，HC及醛类排放浓度增加；若往乳化燃料加入助溶剂十六烷值改进剂等物质，因这类物质多是硝基化合物，对发动机的碳烟和NOx排放又十分不利。
2.助燃法由于醇燃料自发着火比较困难，借助某些措施来辅助醇燃料着火燃烧，主要有火花助燃法，这种发动机是在缸内喷射燃料，火花塞和醇喷嘴的位置如图1，形成不均匀混合气，靠火花塞点燃可燃混合气，以火焰传播方式燃烧。
另外，还有热面助燃法和电热塞助燃法，如图2，可以燃用100%甲醇。
但缸盖上不仅安装喷嘴，还要预留出火花塞的位置，结构复杂；火花塞、电热塞、热面受醇的激冷作用，寿命短，可靠性差；低负荷会有失火现象发生，HC、CO排放差。
图1火花点火式图2电热塞加热3.直接压燃法采取适当提高压比、增加十六烷值添加剂、进气加热等措施，可以直接压燃醇燃料。
柴油机论文关于柴油机论文
柴油机论文关于柴油机论文乙醇—柴油混合燃料在柴油机上的应用摘要：为降低柴油机的废气排放，研究含氧代用燃料乙醇对柴油机废气排放以及经济性的影响.通过对燃用乙醇含量不同的乙醇—柴油混合燃料的柴油机排放情况和经济性的对比试验得出：适当配比的乙醇—柴油混合燃料能有效改善柴油机的有害气体排放性能,特别是能明显降低柴油机的碳烟排放,且柴油机的烟度随乙醇含量的增加而明显降低；添加乙醇能改善发动机燃料的经济性，而对发动机的动力性没有明显影响.关键词：柴油机；废气排放；含氧燃料；乙醇—柴油混合燃料Application of ethanol-diesel fuel mixture to diesel engineZHU Jianyuan1, HONG Liang2(1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China;2. Shanghai Branch, China Classification Society, Shanghai 200135, China)Abstract：In order to reduce the diesel engine exhaust emission, the effects of oxygenated fuel ethanol on exhaust emission and fuel efficiency of diesel engine is researched.Contrast experiments are conducted on exhaust emission and fuel efficiency of diesel engine which burns ethanol-diesel fuel mixture with different ethanol additive. Results show that suitable additive amount of ethanol can reduce the exhaust emission of diesel engine effectively, especially for soot reduction, and the amount of soot emission decreases when the amount of ethanol additive increases. Adding ethanol additive into diesel oil can improve the engine fuel efficiency, while the engine power is hardly influenced.Key words：diesel engine; exhaust emission; oxygenated fuel; ethanol-diesel fuel mixture收稿日期：2009-10-11 修回日期：2010-08-27基金项目：上海市教育委员会科技基金（06FZ039）作者简介：朱建元(1946—），男，江苏无锡人，教授，硕士，主要研究方向为轮机工程、柴油机振动噪声和排放控制，（E-mail）********************引言柴油机作为热效率最高的发动机一直受到高度重视.近几年来，柴油机废气排放要求的日益严格对柴油机的代用燃料和低排放燃烧研究提出新的挑战.发展新型清洁含氧代用燃料，对改善柴油机的性能、降低对石油资源的依赖性和保证能源安全具有重大意义.含氧燃料的特性与柴油十分相似，只是分子结构中存在氧，因此很多含氧燃料被用于减少柴油机的废气排放.以乙醇为代表的醇类燃料，具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低等特点.醇类燃料自身含氧，在发动机中燃烧可提高氧燃比，使发动机的CO排放比汽油和柴油少，并减少碳烟排放［1-3］；另外，因其汽化潜热高，可降低发动机的进气温度，提高充气效率，降低最高燃烧温度，减少发动机的NO x排放［4-5］.乙醇—柴油混合燃料能有效减少柴油机的碳烟和微粒排放［6-8］，同时可有效减少对柴油的需求量，因此有望成为一种新的柴油机清洁代用混合燃料.本文主要以含氧燃料乙醇作为柴油的添加剂，通过对乙醇添加量不同的乙醇—柴油混合燃料的柴油机排放情况和经济性的对比试验及分析，对乙醇在柴油机上应用的可行性作出评价.1 试验装置及设备试验在D6114柴油机上进行.该机为6缸直列式废气涡轮增压中冷四冲程柴油机，缸径114 mm，活塞行程135 mm，额定转速2 200 r/min，额定功率184 kW,压缩比16.8.该机采用缩口型直喷式燃烧室，供油提前角14° CA BTDC，喷油器喷孔直径0.27 mm，5孔，启喷压力29.0 MPa.试验中未对柴油机燃油供给和喷射系统的结构作任何改造.当D6114柴油机转速为2 200 r/min时，对乙醇体积占燃料总体积分别为5%，10%，15%和20%的乙醇—柴油混合燃料发动机与纯柴油燃料发动机的负荷特性进行对比试验, 研究各种比例的乙醇—柴油混合燃料对柴油机排放性能和经济性的影响.为便于表述,以下分别将乙醇体积占燃料总体积5％，10％，15％和20％的混合燃料简记为E5-D，E10-D，E15-D和E20-D.排气采集分析装置主要包括烟度计和有害气体排放分析仪.有害气体排放分析仪器的主要作用是测量分析发动机排气中HC，CO和NO x的含量.烟度测量采用FQD-102排气烟度计，最小刻度为0.1 Rb.气体排放测量采用AVL LIST公司的气体排放仪AVLCEBII 和颗粒分析仪AVL472, 其具体参数及指标见AVL LIST公司的《AVL 气体分析仪简易使用手册》和《AVL 472颗粒分析仪简易使用手册》.2 乙醇添加量对气体排放的影响2.1 乙醇添加量对烟度的影响当D6114柴油机转速为2 200 r/min时比较E5-D，E10-D，E15-D，E20-D以及纯柴油燃料柴油机的排气烟度.当柴油机转速为 2 200 r/min而负荷不同时(试验中最大功率保持不变)乙醇添加量对柴油机烟度的影响(使用E20-D时，柴油机的烟度降低非常明显，故图中未标出)，见图1.图1 不同负荷时乙醇添加量对柴油机烟度排放的影响由图1可知，在中高负荷(>85%额定功率)下，柴油中添加乙醇能明显降低烟度，并且随着乙醇添加量的增加，烟度进一步减小.这是由于醇类燃料自身含氧，在柴油机中燃烧可提高氧燃比，加快燃烧速度并使燃烧更完全, 从而使烟度降低.在低负荷(≤50%额定功率)下出现多种情况：当乙醇添加量为5％时，随着负荷的增加，柴油机的烟度升高（约0.5 Rb）；当乙醇添加量为10％时，随着负荷的增加，柴油机的烟度先增加后减少；当乙醇添加量为15％时，柴油机的烟度随负荷的增加而下降.在各负荷下，烟度平均降低50％.低乙醇添加量的混合燃料在低负荷时烟度上升的原因可能是：混合燃料的汽化潜热较大，低负荷时燃烧温度降低导致部分燃料未充分燃烧. 2.2 乙醇添加量对CO排放的影响当D6114柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时，乙醇添加量对柴油机CO排放的影响见图2.图2 不同负荷时乙醇添加量对柴油机CO排放的影响从图2可知,在将乙醇作为燃料添加剂时，柴油机CO排放在中低负荷时增加，而当负荷达到额定功率的75%和100%时，柴油机CO排放显著降低，尤其是E10-D柴油机在负荷为100％额定功率时CO排放降低48.9%, E15-D柴油机在负荷为100%额定功率时降低30％左右.乙醇—柴油混合燃料发动机在中高负荷下CO排放减少的主要原因有：（1）含氧量的增加，使燃料的燃烧反应更充分，该因素的影响程度超过汽化潜热引起的温度降低程度.（2）低碳链的乙醇燃料更容易氧化燃烧.在中低负荷下，由于汽化潜热增大导致缸内温度降低，引起不完全燃烧产物增多，乙醇作为低碳燃料的影响超过含氧量增大的影响.2.3 乙醇含量对NO x排放的影响当D6114柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时，乙醇添加量对柴油机NO x排放的影响见图3.图3 不同负荷时乙醇添加量对柴油机NO x排放的影响由图3可知，在中低负荷(≤75%额定功率）时，乙醇—柴油混合燃料使得柴油机NO x排放减少，但是在满负荷时NO x排放有所增加，其中：当负荷为额定功率的10%时，NO x排放减少约50％；当负荷为额定功率的50%时，NO x排放减少约35％；当负荷为额定功率的75%时，NO x排放仅减少约5％.还有一点值得注意：E10-D柴油机在中低负荷时NO x排放低于E15-D柴油机，但在满负荷的工况下NO x排放高于E15-D柴油机.NO x排放改变的主要原因如下：柴油机排放的氮氧化物主要是NO，而NO的生成强烈依赖于温度,化学动力学研究表明，当反应物温度从2 500 K提高到2 600 K时，NO的生成速率几乎翻一番.氧浓度提高也能使NO的生成速率加快.低负荷时，柴油机燃气温度低，乙醇汽化潜热大的原因导致燃气温度更低，因而NO x排放减少；而高负荷时，乙醇自带的氧使柴油机燃气中的氧浓度增加、燃烧速率加快、燃烧温度也更高，因而NO x排放增加.2.4 乙醇添加量对HC排放的影响当D6114柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时，乙醇添加量对柴油机HC排放的影响见图4.由图4可知, 在各种负荷下乙醇—柴油混合燃料柴油机HC排放量都比纯柴油燃料柴油机高，尤其是当柴油机负荷为额定功率的10%时HC排放增加100％；乙醇—柴油混合燃料柴油机相对于纯柴油燃料柴油机HC排放的增加量随负荷的增加而逐渐减少.其原因在于：乙醇汽化潜热高,且容易挥发，引起柴油机缸内温度降低；同时高速工况下可燃混合物的燃烧绝对时间短，部分可燃混合气不能完全氧化，因而HC排放增加.图4 不同负荷时乙醇添加量对柴油机HC排放的影响3 乙醇添加量对柴油机燃料经济性的影响为研究乙醇添加量对柴油机经济性的影响，须了解乙醇—柴油混合燃料的热效率随乙醇添加量的变化情况.当D6114柴油机转速为2 200 r/min而负荷不同时，乙醇添加量不同的混合燃料的有效热效率比较见图5.图5 乙醇添加量对混合燃料有效热效率的影响由图5可知, 以纯柴油的热效率为基准，在低负荷时乙醇—柴油混合燃料的有效热效率降低；而在中高负荷时，乙醇—柴油混合燃料的有效热效率上升.平均有效热效率提高1%～2％，特别是在高负荷时，热效率提高效果显著.热效率升高主要由两个方面的原因引起：(1)乙醇是含氧燃料，燃烧时可以自供氧，特别是中高负荷时，燃料富集区乙醇体积分数越高则氧含量相对越高，燃料燃烧更完全；(2)由于乙醇的沸点很低，混合燃料喷射到气缸后容易汽化，加之乙醇—柴油混合燃料的黏度和表面张力较小，可有效改善燃料的雾化质量，使油气混合更均匀.由图5还可以看到，热效率最高的E20-D在低负荷段（≤25％额定功率区）热效率降幅较大（约降低3％），其原因在于：乙醇的汽化潜热较高，低负荷工况使发动机缸内温度进一步降低，低负荷时过量空气系数大，柴油机高速运转时可燃混合气的绝对燃烧时间缩短，导致乙醇添加量多的混合燃料燃烧反而不如纯柴油燃料燃烧完全，燃烧速度减慢，有效燃烧期难以集中在燃烧上止点附近，可燃混合气的做功能力降低，混合燃料发动机的热效率从而也降低.4 结论通过对乙醇添加量不同的乙醇—柴油混合燃料以及纯柴油燃料在D6114柴油机上的对比试验，得到如下结论：(1)适当配比的乙醇—柴油混合燃料能有效改善柴油发动机的热效率.以燃用柴油的热效率为基准，在低负荷时，乙醇—柴油混合燃料的有效热效率有所降低；而在中高负荷时，乙醇—柴油混合燃料的有效热效率上升，有效热效率平均提高1%～2％，特别是在高负荷时，热效率改变效果显著.(2)适当配比的乙醇—柴油混合燃料能有效改善柴油发动机的有害气体排放性能，降低碳烟排放效果尤其明显.柴油机的碳烟排放随乙醇添加量的增加呈单调下降的趋势.(3)乙醇等醇类燃料作为可再生的内燃机代用燃料对降低内燃机对石油的依赖以及改善大气环境具有重要意义.参考文献：［1］郭瑞莲, 纪威. 乙醇—柴油混合燃料的应用研究进展［J］. 内燃机与动力装置, 2006(1): 39-43.［2］陈虎, 陈文淼, 王建昕, 等. 柴油机燃用乙醇—柴油含氧燃料时微粒特性的分析［J］. 内燃机学报, 2005(4): 22-27.［3］何邦全, 王建昕. 乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃烧与排放特性［J］. 内燃机学报, 2005(4): 58-62.［4］方显忠, 刘巽俊, 李国良, 等. 压燃式发动机燃用柴油—乙醇的研究［J］. 农业机械学报, 2005(3): 36-38.［5］李冠峰, 胡知, 陈亮, 等. 柴油—乙醇混合燃料直接在柴油机上使用的试验研究［J］. 内燃机, 2004(3): 10-13.［6］HE Bangquan,WANG Jianxin,YAN Xiaoguang, et al. Study on combustion and emission characteristics of diesel engines using ethanol blended diesed fuels［J］. SAE 2003 World Congress & Exhibition, 2003-01-0762.［7］KREME F G, FACHETTI A. Alcohol as automotive fuel-brazilian experience［J］. CEC/SAE Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exposition, 2000:2000-01-1965.［8］NURUN Md N, MINAMI M, OGAWA H, et al. Ultra low emission and high performance diesel combustion with highly oxygenated fuel［J］. SAE 2000 World Congress, 2000-01-0231.。
柴油机燃用生物柴油和柴油混合燃料的试验研究
１ 生 物 柴 油 发动 机 的动 力性 和经 济 性
在 ４１ １２柴油机 上进行 负荷特 性试 验 ， 速定 为标 定转 速 ２３ ０ｒｍｉ 转 ０ ／ ｎ和最大 扭矩 转 速 １５ ０ｒ ｍｉ． ０ ／ ｎ
试 验结 果 如图 １ ２ 示． 图中看 到 ， 合燃 料 的油 耗 率 随负 荷 的变 化趋 势 与 纯 柴油 相 同 ， 油耗 率 均 ，所 从 混 但 高 于柴油 ， 随着 混合 燃料 中生 物柴 油 比例 的增加 ， 且 油耗 略有 增大． 其原 因主要 是 生 物 柴 油 的低 热值 低 于柴 油 ， 生物 柴油 的热 值一般 在 ３ ～ ４ ０ ０之间 Ｌ ］ 因此 ， １ ， “ 油耗率 增 大是必 然 的． 柴油 机 试验 中 ， 在 燃用 混 合燃 料 Ｂ ０ Ｂ ０ Ｂ Ｏ时 ， 动机 的标 定 功率 分别下 降 了 ３ ７ ，． 和 ９ ３／ 本机 试 验 用 生物 柴 油热 １，２，３ 发 ． ６ ８ ． ５ ３．
图 １ １ ０ ／ ｎ负 荷 特 性 ５ ０ ｒ ｍｉ
图 ２ ２ ０ ／ ｎ负 荷 特 性 ３ ０ ｒ ｍｉ
２ 燃烧 过程 分 析
考虑 到文章 的篇 幅 ， 仅将 图３即为发 动机 ∞ ∞ 我们 ∞ 试验结 果 中具有 规律性 和代 表性 的 内容 表示 在 图 中． 秘 ∞ ∞ 孳 珊瑚 溯 ｛ 在 １５ ０ｒｍｉ ２３ ０ｒｍｉ ０ ／ ｎ和 ０ ／ ｎ时缸 内 压力 、 力升高 率 的变化关 系． 压
（ 西大学 机械工程学院 ， 西 南宁 ５００） 广 广 ３ ０ ４
摘 要 ： 过 对 比实 验 研 究 了柴 油 机 燃 用 生 物 柴 油 和 柴 油 的 混 合 燃 料 对 动 力 性 、 济 性 和 排 放 特 性 的 影 响 ． 验 通 经 试 结 果 表 明 ： 动 机 燃 烧 过 程 的滞 燃 期 略 有 增 长 ． 烧 压 力 、 力 升 高 率 和 放 热 率 的 曲 线 均 右 移 ， 发 燃 压 且最 大 值 有 所
柴油机燃用甲醇-柴油混合燃料燃烧特性的试验研究
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1,王沛禹1,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,NO x 排放在M10时略有增加,在M20,M30时下降10%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)04-0076-02Te s t S tudy o n Com bu s ti o n C ha rac te ris ti c s o f D i e se l Eng i ne Fue l edw ith M e thano l-d i e se lM i xed Fue lL I Yong 2bing 1,WAN G Pei 2yu 1,L I U X iao 2hui2(1.R izhao Polytechnic,R izhao 276826,China;2.Shandong Trans port Vocati onal College,W eifang 261206,China )Ab s tra c t:The paper studied the effect of M0,M10,M20and M30methanol/diesel m ixed fuel on ZS195dieselperf or mance .The results show that with the adding of methanol,the engine ’s power perfor mance decreases;fuel economy changes slightly;diesel s moke and CO e m issi ons have decreased significantly;NO x e m issi on are more atM10,but are reduced about 8%atM20,M30;HC em issi ons are increased when the engine para meters re main unchanged .Ke y wo rd s:D iesel;Methanol;Engine perfor mance 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车辆,缺点是排放烟度高[1～4]。
小型农用柴油机甲醇生物柴油燃烧与排放模拟的研究
小型农用柴油机甲醇生物柴油燃烧与排放模拟的研究【摘要】本研究旨在探讨小型农用柴油机使用甲醇生物柴油时的燃烧和排放特性。
通过燃烧模拟和混合比例实验，对比分析了甲醇生物柴油和传统柴油的燃烧性能，以及排放物的生成情况。
研究发现，使用甲醇生物柴油可以显著改善柴油机的燃烧效率，并减少有害排放物的产生。
在实际应用中，这些研究结果有望推动小型农用柴油机的绿色化改造，降低环境污染，提高机械设备的使用效率和可持续性。
未来研究可以进一步优化甲醇生物柴油的配方比例，探索更多绿色能源替代方案，为农业生产提供更加环保和高效的能源选择。
这项研究对小型农用柴油机的燃烧与排放模拟研究具有重要的实际应用价值。
【关键词】小型农用柴油机、甲醇、生物柴油、燃烧模拟、混合比例、燃烧性能、排放物、研究结果、讨论、结论、未来研究方向、实际应用价值1. 引言1.1 背景介绍目前对小型农用柴油机采用甲醇生物柴油燃烧及排放的研究仍较少，尤其是针对混合比例的实验和燃烧性能对比分析的研究较为匮乏。
有必要开展关于小型农用柴油机采用甲醇生物柴油燃烧及排放的模拟研究，以探究其在实际应用中的效果和环境影响。
1.2 研究目的本研究旨在探究小型农用柴油机在使用甲醇生物柴油时的燃烧特性和排放性能，通过模拟实验和对比分析，深入了解甲醇生物柴油在小型农用柴油机中的应用效果。
具体目的包括：1. 研究小型农用柴油机使用甲醇生物柴油时的燃烧过程，探讨燃烧特性的变化情况；2. 测量不同甲醇生物柴油混合比例下的排放物含量，分析排放物的差异；3. 对比分析小型农用柴油机在使用传统柴油和甲醇生物柴油时的燃烧性能和排放物情况，验证甲醇生物柴油的环保优势；4. 通过研究结果讨论，为小型农用柴油机的燃料选择提供参考依据，促进农业机械化生产的可持续发展。
通过本研究，将为小型农用柴油机的燃料选择和环境保护提供实用的科学依据和数据支持。
1.3 研究意义研究小型农用柴油机甲醇生物柴油燃烧特性及混合比例对燃烧性能的影响，可以为优化燃料配比提供科学依据，提高燃烧效率，减少能耗和污染物排放。
乙醇-柴油混合燃料的应用研究进展
燃料乙醇 国家标准（ Ｂ ８５ ２０ ） Ｇ １３０ ０ １和车用乙醇 国家标 准 （ Ｂ ８５ ２０ ） 在 ２Ｏ Ｇ １３ ０ １… Ｏ２年 ， 国 务 经
中 图分类 号 ： 文 献标识 码 ： Ａ文章 编 号 ：６ ｌ ２ ７ （０ ６ ０ — ０ ４ ５ １７ 一 ４ １２０ ） １ ０ ３ —０
Ｒｅ ｉｗ ｆｔ ＇ ｇ ｅ ｓ ｏ ｈ ｎ １ ． ｅ ｅ ｅ ｄ Ｆｕ ｌ ｖｅ ｏ ｈｅ ｌｍ ｒ ｓ ｆＥｔ ａ ｏ ． Ｄｉｓ ｌＢｌ ｎ ｅｓ
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部分生物柴油互溶。为了研究四者互溶关系，笔者以
甲醇与乙醇１：１ 的混合物 （Ｍｅｔｈａｎｏｌ＋Ｅｔｈａｎｏｌ）和生 物柴油 （Ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ）、柴油 （Ｄｉｅｓｅｌ）在各种温度下， 不同添加量的互溶关系，如图１所示。由图１可见甲醇 ＋乙醇添加比例为２０％时，即甲醇和乙醇的含量都为为 １０％，生物柴油的含加量为２７．１％，才能保证混合燃料 不会出现分层，此时柴油的含量为５２．９％。在三相图 中，处于曲线上部的为相容区域。另外，试验表明， 减少生物柴油的含量而增加乙醇的含量或增加生物柴 油的量而减少乙醇的量也可达到同样结果。
通过 研 究 甲醇、乙醇、生物柴油和柴油混合燃料 的稳定性，对不同甲醇掺混比例 时所需乙醇、生物柴
油的添加量进行了试验。结果表明，Ｍ５．Ｍ １０，Ｍ １５ 三组混合燃料都可以长时间保持均匀稳定，因此选取
这三种混合燃料进行发动机台架试验，以考察四元混 合燃料对发动机经济性和排放性的影响。表２为四元混 合燃料中甲醇、乙醇、生物柴油和柴油的体积分数，
构，喷射更多体积的嫩料，以保证发动照常运转输出 以看出，柴油机燃用甲醇一乙醇一生物柴油一柴油混合燃
同样的功率。
料时烟度的排放较纯柴油有大幅度下降，满负荷时
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ＭＳ较纯柴油烟度下降 ３４．９％左右，Ｍ１０较纯柴油烟 度下降４４．２％左右，Ｍ１５较纯柴油烟度下降 ５３．５％， 混合燃料可以降低烟度排放的原因是：甲醇、乙醇和 生物柴油均为含氧燃料，含氧您料可在燃烧过程中可 以提供较多的氧，因此降低了燃料浓混合区缺氧的程
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图４四元混合燃料对嫩油消耗率的影响
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图 １ １５℃甲醇一乙醇一柴油一生物柴油三相图
由于甲醇与柴油的互溶性极差，生物柴油能分别
中图分类号：ＴＫ４２１．２ 文献标识码：Ａ
随着 石 油 储量的日益减少和燃用矿物燃料对环境 污染的日益加剧，能源危机和环境污染己成为当今世 界的两大严重问题。我国的石油储量有限，而国内煤 炭储量十分丰富，储量超过１万亿吨。为了实现合理的 能源结构，逐步采用以煤代油的策略将是国家能源政 策的必由之路。通过煤制取的发动机代用燃料。除了 ＤＭＥ外，还有甲醇、Ｆ－Ｔ油等。其中从煤制取甲醇的生 产技术早己成熟，且甲醇还可以从许多化工和制药工
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图 ３不 同 她 料 放 热 率 比 较
图２ 和 图 ３分别给出了在发动机转速为２０００ｒ／ｍｉｎ 时８０％负荷下甲醇一乙醇一柴油一生物柴油混合燃料的 示功图和放热率曲线。可以看出，在同一工况下，随 着甲醇和乙醇含量的增加，着火延迟，而且最大压力 峰值增大且出现的位置后移。尽管生物柴油的十六烷 值较高，但甲醇、乙醇的十六烷值较低，且甲醇和乙 醇含量的增加超过了生物柴油含量的增加，因此使得 着火滞燃期延长，着火时刻延后。Ｍ０，Ｍ ５，Ｍ １０和Ｍ１５ 的最大压力值分别为７．３Ｍ Ｐａ， ７ ．７Ｍ Ｐａ， ７ ．９Ｍ Ｐａ和 ８．４Ｍ ｐａ，且Ｍ５，Ｍ １０和Ｍ１５的最大压力值对应的位置分 别落后ＭＯ上止点后１０ＣＡ，２ ＇ ＣＡ和４０ ＣＡ。图３瞬时放 热率中可以看出混合燃料的最大放热率值较纯柴油明 显增大，放热速率增加，但Ｍ１５燃料放热率第一峰值为 上止点后７＂ＣＡ，第二峰值为上止点后１７＇Ｃ Ａ，且其放热 结束时刻较晚，可见混合燃料中甲醇、乙醇嫌料不能
和低嫩烧噪声的要求。但柴油／醇类双嫩料喷射系统结 构复杂，价格昂贵，而且醇类燃料喷油泵和喷油器的磨
损问题还没有得到彻底解决［５－７７。由于上述种种原因，
一直制约着醇类燃料在柴油机上的燃用． 作者 通 过 试验发现，在柴油中按一定比例添加生
物柴油、甲醇和乙醇，可以使这四种燃料在不需要互 溶剂的情况下就能均匀混合。由于这种混合燃料可以 兼顾生物柴油、甲醇、乙醇和柴油四者之间的成本和 燃烧排放问题，而且混合方便、稳定时间较长、不含 助溶剂，在价格和降低有害排放物方面和纯柴油相比， 具有一定的竞争力。因而在国民经济与社会发展中会 有较为明显的应用前景。
业的副产品中获得Ｐ－３１，甲醇的十六烷值较低，难以直
接在普通柴油机上使用，最有效的方法是将甲醇掺入 到柴油中，形成甲醇一柴油混合燃料，但甲醇是极性分 子，使得甲醇一柴油极难混合在一起，而且混合燃料的 稳定性受柴油中碳氢化合物的构成、含水量、比重、 温度等的影响。为此，需要使用助溶剂以提高甲醇－
柴油混合燃料的稳定性１４１ 由于 醇 类 燃料 （甲醇和乙醇）的理化性质与汽油
６
由于 醇 类 与柴油的热值差别较大，仅仅采用燃油 消耗率６ｅ考察燃料经济性是不合适的，故引用能量消
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耗率Ｂｓｅｃ（ＢｒａｋｅＳ ｐｅｃｉｆｉｃＥ ｎｅｒｇｙＣ ｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）来进行
对比分析。如图 ５所示，混合燃料的能量消耗率与纯
柴油越接近，并且Ｍ１０混合燃料的能量消耗率比纯柴
油还有所改善。这是由于发动机在小负荷工况工作时，
测 功 机 采用的是浙江遂 昌动力测试设备厂的 ＣＷ３７型电涡流测功机，ＣＯ和 ＨＣ采用日本 ＨＯＲＩＢＡ公司
的ＭＥＸＡ－４４１Ｖ排气分析仪测量，柴油机的烟度采用佛
日野公司的ＦＣ－０２４型油耗仪测量。 ２．２试验结果讨论 ２．２．１混合燃料对燃烧的影响
过多。
２．２．２经济性分析
图 ４给 出 了负荷特性（２０００ｒ／ｍｉｎ）上不同甲醇添加
２８７
论文精选
比例时混合燃料的燃油消耗率对比。可以看出，随着 特别是在喷雾核心等燃料浓度较高的区域，燃料含氧
甲醇、乙醉和生物柴油添加比例的增加，燃油消耗率 后提高了燃料与空气的混合比例，削弱了姗料缺氧燃
呈上升趋势，１０％负荷时添加燃用 Ｍ５嫌料燃油消耗 烧的几率，因而有助于缸内燃烧过程的充分进行，故 率比燃用柴油增加 １５．８％，Ｍ １０燃油消耗率增加了 混合燃料的能量消耗率恶化程度逐渐改善、甚至好于
出，混合燃料自由加速度下烟度排放较。＃柴油大幅下
降，其中 Ｍ５较纯柴油下降 ５５％，Ｍ ＩＯ较纯柴油下降 ６０％．Ｍ １５较纯柴油下降 ６３．３％ａ
图 ８为 柴 油机燃用混合嫩料对 ＨＣ排放的影响。 可以看出，柴油机燃用甲醇一乙醇一生物柴油一柴油混合 燃料时，随着甲醇添加比例的增加，ＨＣ排放呈上升 趋势。Ｍ５的ＨＣ排放较纯柴油最大增加 ４０％左右， Ｍ１０较纯柴油ＨＣ排放最大增加 １倍以上，这是由于 混合燃料中含有甲醇、乙醇，使得混合气形成过程中 缸内温度降低，可燃混合气的形成速度减小，未参与 燃烧的燃油量增加。甲醇、乙醇的十六烷值低，着火 性差也会使ＨＣ排放增加，棍合燃料热值较低，喷油 时间延长也是 ＨＣ排放高的另一个原因。
作者简介：纪威 （１９５５－），男，教授，博士生导师，研究方向：车辆动力节能与环保技术等。
Ｅ－ｍａｉｌ： ｊｉｗｅｉ２１ｓｔ（＆１６３，ｃｏｍ
２８ ６
论文精选
与柴油和乙醇互溶，而乙醇又可以与甲醇任意比例互 溶，为此考虑利用添加乙醇和生物柴油二者做助溶剂 研究四元混合燃料的相溶性。本文首先将甲醇与乙醇 以１：１ 的比例混合，试验发现甲醇乙醇混合物可以与
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表２ 四元混合烬料中甲醉、乙醇、生物柴油和柴油的体积分
数 （％）
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２．试验分析
２．１试验用仪器设备
试验 所 用 的发动机是一台常州柴油机厂生产的自 然吸气式涡流室 Ｓ１９５型柴油机，其技术参数是：缸 径９５ｎ ｕｎ，行程 １１５ｍ ｍ，标定功率为８．８ｋＷ （２０００ｒ ／ｍ ｉｎ），最大功率 ９．９８ ｋＷ （２０００ｒ ／ ｍｉｎ），压缩比 为 ２０．
度，也就在一定程度上抑制了碳烟的生成：另外甲醇、
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乙醇的沸点比较低，使得甲醇、乙醇在气缸内比柴油
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更容易蒸发雾化，更有利子燃料与空气的混合，降低
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了缸内空燃比的不均匀性，从而降低了碳烟的排放。
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２０．６％，Ｍ １５燃油消耗率比柴油增加了 ２７．６％，这是 纯柴油．
因为甲醇、乙醇和生物柴油的热值比较低，相同体积 ２．２．３排放性分析
的四元混合燃料释放的能量较柴油有所降低，因此，
图 ６为 负 荷特性下，柴油机燃用 。噪 油和 Ｍ５．