ASME 2012内燃机部秋季技术会议论文集外文翻译资料

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ASME 2012内燃机部秋季技术会议论文集

ICEF2012

2012年9月23日至26日加拿大卑诗省温哥华

麻疯树生物柴油和甲醇混合在柴油发动机里的燃烧、 性能和排放特性实验研究

J Thangaraja，K Anand和Pramod S Mehta

机械工程系，

印度理工学院马德拉斯，印度

摘要

发动机燃烧纯生物柴油或混合生物柴油有良好的燃烧排放特性，可以降低一氧化碳、 颗粒物质和未燃烧的碳氢化合物的排放量。但是与石油柴油相比有更高的NOx排放。另一方面，在柴油发动机内使用醇类尤其是甲醇，发现可以减少包括烟雾和NOx在内的发动机尾气排放。本实验研究了在生物柴油发动机内，使用生物柴油-甲醇混合燃料来降低较高的NOx排放和对发动机其他性能条件的影响。本文分析和讨论了在最大转速1400 rpm下，通过改变发动机输出负荷，分别对90％麻疯树甲酯和10％甲醇（J90M10）混合燃料和纯麻疯树甲酯（J100）进行实验获得的结果。实验结果表明，在满载运行时，混合燃料与纯生物柴油相比，在排放方面，NO和烟雾浓度分别降低了28%和50%，峰值压力降低2％，制动热效率降低了0.5%。此外，麻风树甲基甲酯 - 甲醇混合操作可观察到喷射正时的边际延迟和较高的点火延迟时间。

关键字：生物柴油，生物柴油-甲醇混合物，涡轮增压柴油发动机，喷油正时，一氧化氮。1.介绍

由于燃油效率问题，道路上柴油车数量不断增加。由此带来的环境污染问题和日益严格的排放标准是对柴油机排放物特别是烟雾和氮氧化物进行深入研究的主要原因。使用后处理装置和清洁燃料是控制柴油机废气排放的有效措施。考虑到世界石油储备的枯竭，寻找低排放的替代燃料是十分必要的，比如如用于发动机的生物柴油。生物柴油是一种无硫，无毒，可生物降解，含氧、可再生的燃料。利用可再生的生物柴油作为压燃式发动机的燃料是值得探寻的，醇在双燃料混合中压缩点火燃烧的利用是相当确定的，但是，使用在柴油发动机中的醇限于混合物。这个研究是对早期一个Anand等人使用karanja生物柴油燃料的调查进行了续集。

许多研究表明，生物柴油的大部分特点都接近柴油，生物柴油有较高的十六烷值而且比柴油多10％的氧含量但没有芳烃，这些特点使得生物柴油发动机在一氧化碳（CO），烃（HC）颗粒物（PM）和生物柴油的温室气体（GHG）的排放上更有优势，然而显著较高的潜伏甲醇热量可以降低NOx和PM的排放，醇燃料具有较低的粘度，相对于柴油较差的润滑性会增加常规燃油喷射设备的磨损。混合醇类燃料如甲醇和生物柴油的混合可以克服醇类燃料的不足。因此，在生物柴油中添加挥发性和高含氧量的甲醇对发动机的性能和排放十分有利。

2.现状

在压缩式点火发动机中生物柴油比普通柴油有更高的氮氧化物排放这一事实在文献中被广泛报道，在一个重型柴油发动机的研究中，纯生物柴油燃烧一氧化碳排放量增加了10％左右。燃料性质的变化，生物柴油中较高的氧含量，先进的喷射开始和后续燃烧，更快的燃烧速率，是生物柴油机较高氮氧化物排放的主要原因。当柴油被生物柴油替代时，物理和化学过程如燃油喷射、汽化和点火发生了改变，另外，生物柴油的性质如此十六烷值，粘度，密度，体积模量，碘数量，氧含量，芳烃含量和发热值，影响了NOx的排放。Knight等人提出生物柴油燃料NOx排放增加的基本响应和系统响应。基本响应包括燃料属性差异对缸内过程的影响，系统响应包括燃料属性对发动机系统和缸内过程的间接影响。

在压缩点火中用于降低NOx排放的各种技术包括注水，生物柴油与水的乳化，酒精（甲醇或乙醇）熏蒸，延迟喷射时机，均匀混合形成和排气再循环。

使用双重给油和甲醇与麻疯树生物柴油混合燃料，Senthilkumar等人观察到一个单气缸的自然吸气发动机在1500rpm运转时有较低的NO排放，在四缸自然吸气发动机上使用废弃食用油，在 1800 rpm 的恒定速度下改变负载进行实验，Cheng等人观察到使用10％熏蒸和在柴油中混入甲醇的条件下，氮氧化物排放降低达5％以上。他们发现熏蒸与柴油中混入甲醇相比，CO和HC的排放量显著增加。

各种植物油原料包括废弃植物油被用作生产生物柴油的潜在来源，由于在印度食用油缺乏，成本高，消费高非食用油如麻风树，Karanja，Mahua，Neem，橡胶种子，烟草种子和大米麸皮被认为适合生产生物柴油。作为一个热带国家，印度有很大的潜力生产麻风树植物。

本实验研究比较了使用10%甲醇与麻疯树甲酯混合和纯麻疯树甲酯时涡轮增压压燃发动机的性能、燃烧和排放。

3.实验工作

本次实验是在一个四气缸涡轮中冷DI柴油发动机上进行的，它的规格参数如表1所示。为了测试性能、气缸压力、排放，这个发动机是完全仪器化的。发动机配有 Dynalec 电涡流测功机欧洲央行150 HS。分别利用滴定计秒表装置和涡轮流量计测量燃料和空气的流量。分别安装应变式负荷传感器和磁性回升传感器测量扭矩和发动机转速。斯特勒压电压力传感器 6055BB 被安装在发动机气缸来测量缸内压力变化历程。利用奇石压阻式传感器4005B，4075A 和 4067分别测量进气/排气歧管压力、 燃料线压力历程和涡轮增压器压气机出口处压力。在测试中用到数据采集系统包括杜威龙燃烧分析仪，仪表的原理图发动机试验装置如图1所示。来自各种传感器的模拟信号被馈送到模数转换器随后存储在个人计算机中。

表1：测试发动机的规格

以1°CA间隔获取数据。 圆筒压力和燃油管路压力历程被平均成连续100个循环。

图1：实验装置示意图

[1. 四缸发动机 2.涡流测功机3.增压器

4.储水罐5.涡轮表6.空气过滤器7.进气口8.Dynamo控制器

9.水泵10.水入口11.燃油箱12.排气口/涡轮进口

13.曲柄角编码器14.信号调节器15.数据采集单元16.PC]

热电偶（K型）用于测量废气，润滑油，冷却水和进气温度。分别使用Chemilumniscent测量分析仪（罗斯蒙特951A），烟雾计（Bosch ETD020.50），火焰离子化检测仪（罗斯蒙特400A）和非分散型红外分析仪（Horiba Mexa 324FB）测量一氧化氮，烟，碳氢化合物、一氧化碳的排放浓度。引擎实验是在最大扭矩为1400rpm的条件下使用麻风树甲基酯（J100）和10％甲醇 - 麻风树甲酯混合（J90M10）改变负载进行的。表2中给出的测试燃料有用的属性。从公开的文献可知10％甲醇与生物柴油形成稳定的混合物。所选择的测试速度是相当有代表性的，是一台重型柴油发动机在印度道路上进行的测试。

表2：柴油，甲醇和麻疯树的性质

*估计使用关系：K = -2666 4966 *比重

实验数据是在发动机运转稳定在预期的温度和操作条件下得到的。实验所涉及的重要测量量的不确定度。（请参阅表3）。

表3：测量参数的不确定度

4.结果和论述

在转速为1400rpm条件下使用两种测试燃料J100和J90M10测得的气缸压力变化、 喷油压力线、发动机性能和排放数据会在下面进行分析和讨论。

4.1燃烧特性

气缸压力历程-图2显示测试速度为1400rpm时空载、60％负载和满载条件下典型压力曲柄角历程的变化。可以注意到，J100 和 J90M10 燃料的工作条件对进气温度、 喷油正时和负载条件除了增压压力要求完全相同。测量燃油速率，动态喷射时间和压力迹线的注射持续时间如表4所示。

表4：两种燃料的加注和注入参数

生物柴油甲醇混合和纯生物柴油的气缸压力历程在无负载情况下如预期没有显著的燃料效应，在60％负载下的气缸压力历程显示两次转换分别在早期和后期燃烧阶段。然而，在满载时生物柴油混合甲醇的圧力曲线比纯生物柴油低。还观察到

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