柴油机燃用甲醇—生物柴油—柴油微乳化燃料燃烧特性分析

第 3期(总第 182期) 2009年 6月 车 用 发 动 ＼机 VEHICLE ENGINE No．3(Seria1 No．182) Jun．2009 柴油机燃用甲醇一 生物柴油一柴油微乳化燃料燃烧特性分析 周庆辉 ，朱爱华 ，刘永峰 ，孙建民 ，纪 威 (1．北京建筑工程学院，北京 100044；2．中国农业大学，北京 100083) 摘要：在柴油机结构不做改动的情况下，基于燃烧示功图的分析，定量研究了甲醇含量对燃烧压力、压力升高 率、燃烧放热规律和循环变动量的影响。结果明：甲醇的含量越大，滞燃期越长；燃烧压力和最大压力升高率均 增大且 出现的位置后移 ，其 中燃用 M15最大压力升高率接 近 0．45 MPa／。CA；累积放 热率达到 95 时，燃 用柴油为 上止 点后 55。CA，燃用 M5和 M1O为上止 点后 53℃A，燃用 M15为上止点后 57 DcA，位置差别不大。甲醇含量增 加，粜油机循环 变化量增大 ，燃用 M0的 C 一 为 1．61 ，燃用 MIO的 Covp 为 1．82 ，燃用 MI5的 C()Vp 为 3．32 。 关键词 ：柴油机 ；甲醇 ；微乳化 ；燃烧特性 中图分类号：TK428．9 文献标志码：B 文章编号：1001—2222(2009)03—0061—04 甲醇等含氧燃料部分替代柴油不仅可以缓解柴 油的供 求 矛 盾 ，而且 能 减 少柴 油 机 的 有 害排 放 物l1。]。但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， 形成甲醇柴油微乳化燃料。 生物柴油有助于甲醇柴油微乳液的形成[4]，利 用少量的中碳醇或其他助溶剂可以制成甲醇一生物 柴油一柴油微乳化液。由于甲醇一生物柴油一柴油 微乳化燃料 的物理化学性质不 同于柴油 ，柴油机燃 用甲醇一生物柴油一柴油微乳化燃料的燃烧特性会 发生变化。本研究以示功图为基础，针对柴油机燃 用甲醇一生物柴油一柴油的微乳化燃料的燃烧特性 进行 了试验和分析 。 1 试验仪器设备 试验用发动机为单缸 自然吸气式涡流室 S195 柴油机，其缸径为 95 mm，行程为 I15 mm，标定功 率为 8．8 kW(2 000 r／min)，最大功率为 9．98 kW (2 000 r／min)，压缩比为 2O。 试验采用 CW37电涡流测 功机 ，采用 SYC一 250／1000压力传感器测量气缸压力，其他仪器设备 还包括 AMPCI--9115 PCI总线数 据采集板 和 LEC一36BM—GO5D编码器。 2 试验燃料 试验燃料为利用生物柴油制取的甲醇柴油微乳 化液，本次试验对比分析了4种不同燃料，即0号柴 油(MO)，甲醇体积分 数分别为 5 ，l0％和 15 的 混合燃料(M5，MIO，M15)，混合燃料的理化特性对 比见表 1。 表 1 燃料的理化性质对比 生物 参数 甲醇 M O M 5 M l0 M 15 柴油 密度(2o℃)／ 0．875 0．796 O．825 0．860 0．848 O．818 kg·I 一 十六烷值 50．3 3 5O．1 47．8 44．9 41．1 运动黏度(20℃)／ 4．86 O．61 3．9 3．7 3．4 2．9 m m 2 ‘ S一 1 燃料低热值／ 37．4 l9．66 42．5 38．93 37．52 35．31 MJ·kg一 氧质量分数／ 10 50．0 0 7．25 9．45 13．7 3 示功图的测试 测试并分析示功图是研究柴油机工作过程的重 要内容。示功图可以表征发动机燃烧过程的许多参 数，例如滞燃期、最高燃烧压力、压力升高率、燃烧放 热规律等。在实际柴油机试验和示功图测录过程 中，常有一系列因素影响着示功图本身的准确性，如 上止点的偏差、压力基线的漂移、曲轴转角误差等。 这就要从测量的各个环节人手，尽量减少产生误差 的来源，以确保示功图的准确性。本研究从硬件和 收稿日期：2008一I2-02；修回日期：2009—06一O1 基金项 目：院博 士启动基金(100802504) 作者简介：周庆辉(1973一)。男，博士，研究方向为车辆代用燃料；qhzhou@yeah．net。 车 用 发 动 机 2009年第 3期 软件两方面采取抗干扰措施，用来消除因干扰信号 引起采集信号畸变而造成的严重误差 ]。 测试 系统采用 了 AMPCI--9115数据 采集板 ， 可以提供 16位单端、16路双端、8路模拟量输入通 道，且模拟量通道具有程控放大功能(1／10／100／ l 000倍的放大比例)，2路 12位模拟量电压输出， 16位 TTL数字量输入，16位 TTL数字量输出， 3路16位定时器／计数器(82C54芯片)，4 MHz基 准时钟，其通道 0保留用户定义使用，这样系统由脉 冲计数、频率测量、脉冲信号发生器等电路构成，可 以完成缸内压力采集且能与其他信号同步测量。软 件则采用 LabWindows缸压测试系统。 4 燃烧特性分析 不改变柴油机 的结构 ，对燃用不 同甲醇一生物 柴油一柴油微乳化燃料试验结果进行对比分析。 4．1 滞燃期 在滞燃期内，燃烧室内进行着混合气准备的物 理和化学过程。滞燃期是柴油机着火过程和燃烧过 程中一个极为重要的时期，是控制燃烧过程和改善 燃烧过程的关键。 由于不改变发动机 的结构，因此影响着火滞燃 期的主要因素是化学反应速率。图 1和图2示出燃 用不同甲醇含量混合燃料在不同工况下的滞燃期。 由图可见，甲醇的含量越大，滞燃期越长。在全负荷 时，滞燃期随着转速的升高而缩短。甲醇含量不变 时滞燃期随着负荷的增加略微降低。 1 O0o l 20o l 4OO l 600 l 800 2000 2 2o0 转速 n，r·rain 图 1 全负荷工况滞燃期对比 图2 滞燃期随负荷变化对比 4．2 压力升高率和放热规律 图 3、图 4分别示出了燃用甲醇一生物柴油一 柴油微乳化燃料的示功图和压力升高率曲线。由图 3可以看出，在 同一工况下 ，随着 甲醇含量 的增加 ， 柴油机的着火延迟增加，压力峰值增大且出现的位 置后移。尽管燃烧结束时刻几乎没有变化，但由于 燃烧放热始点后移，致使燃油经济性降低。由图 4 可以看出，柴油机燃用混合燃料后气缸内压力升高 率增大，其峰值出现位置向后推移。其中燃用 M15 的最大压力升高率接近 0．45 MPa／。CA，因此导致 发动机工作粗暴，燃烧噪声大。 《 U O ● 皇 、 祷 惶 索 趟 图 3 示 功图对比 图 4 压力升高翠对 比 缸内压力峰值和压力升高率峰值增大的主要原 因是滞燃期变长。滞燃期的变化由两方面因素共同 决定：一方面，甲醇的汽化潜热较大使得燃料在雾化 时周围温度迅速降低；另一方面，混合燃料中甲醇的 十六烷值较柴油小很多，使得滞燃期变长。此外，甲 醇低的沸点和黏度可降低燃料的表面张力，使含甲 醇量较大的混合燃料更容易雾化和蒸发，提高了混 合气形成质量，同时甲醇和生物柴油都为含氧燃料， 燃烧速率快，也都导致最大压力和压力升高率升高。 进一步对示功图进行计算处理，得出瞬时放热 率和累积放热率(见图 5和图 6)。从图 5可看出， 孔 " =2 B ¨ 《rJ。、躁篓挺 2009年 6月 周庆辉，等：柴油机燃用甲醇一生物柴油一柴油微乳化燃料燃烧特性分析 ·63· 燃料中添加甲醇后，放热率峰值增大，并且甲醇的含 量越大 ，效果越 明显。因为甲醇的蒸发速度大于柴 油，能形成更多的混合气，而且滞燃期增长，混合时 间增长，从而提高了燃烧放热率峰值。 图 5 瞬时放热率对 比 从图 6可看出，3种混合燃料与柴油相比累积 放热 率 差别不 大。燃 用 M10混合燃 料 时，在 366。CA以前与柴油相比累积放热率基本相等，在 366。CA后则略大于柴油，而 M15的累积放热率在 366。CA后略小于柴油。累积放热率达到 95％时， 柴油为上止点后 55。CA，M5和 M10为上 止点后 53。CA，M15为 上 止 点 后 57。CA。在 上 止 点 后 70。CA以后，混合燃料与柴油的累积放热率基本趋 近于 1。 1．O O．8 曩0l6 耧 毳o．4 0．2 0 340 360 380 4OO 420 曲轴转角 ／。CA 图 6 累积放热率对 比 芏 遥 从瞬时放热率曲线还可以看出，柴油中添加甲 醇后，滞燃期延长，因而能够产生较多的可燃混合 气，燃油混合阶段增长，燃烧的放热速率增大，且峰 值略向后移。从累积放热率曲线可以发现，燃烧虽 然有所滞后，但混合燃料与空气的混合速度和扩散 燃烧速度均比柴油的高，燃烧持续期缩短。 基于前面对燃烧放热规律 的分析可以认为，当 柴油机燃用 甲醇一生物柴油一柴油微乳化燃料时 ， 只要根据微乳化燃料热值的变化，相应地增加循环 供油量，并适当地调整喷油提前角，则可以使发动机 在保持原机动力性的同时 ，使经济性得到提高。 4．3 循环变动分析 利用示功图进行循环变动分析。由于压力参数 比较容易测量(一般用气缸压力传感器测取内燃机 各缸内燃烧压力)，因此本研究主要采用与平均指示 压力(P 。)、最高燃烧压力(P⋯ )、最大压力升高率 等参数有关的平均指示压力变动系数对燃烧循环变 动进行研究。 平均指示压力变动系数定义为[6 C()vⅢ 一 p=mi× 100 。 m 1 式中： 为若干循环P 的平均值 ，一Pmi P ； L ·t I P 为第J循环的平均指示压力 ； 为 P ，的偏 _'= ————一 差， 一 ^ ∑( 一 ) 。 ⋯ ，= 1 图 7示出标定转速，50 负荷下，燃用不同甲醇 含量的混合燃料时，柴油机随循环变化的示功图。 通过示功图可以计算得出，M0的c 。为1．61％ ， M10的 Cov 为 1．82％，M15的 C 。为 3．32 。 从图中可以看出，在正常燃烧状态，燃用 M0缸 内峰 值压力的变化非常小 ，而燃用 M15缸内峰值压力的 变化较大，最高压力峰值和最低压力峰值间差距将 近0．7 MPa，这种循环间压力的大幅度波动将会导 0 1 000 2000 3000 4000 5 000 6000 7 000 8000 9000 l0000 采集点数／个 图 7 气缸压力随循环变化示功图 《rJo．f，I、静蕞裢窨整 5 5 5 5 5 5 9 7 5 3 ● O 车 用 发 动 机 2009年第 3期 图 8 不同负荷的放热率随c i的变化 微 200 乳 7 液 ,19 及 6( 其 2) 热 ：1 力 8-2 学 0． 分析[J]·拖拉机 与农 用运输车， 5 结论 [5] 张剑锋．基于CVI的发动机台架CAT系统的研究 [D]．北京：中国农业大学，2006． a)在不改动结构的基础上 ，柴油机燃用 甲醇一 [6] 蒋德明．内燃机燃烧与排放学EM]．西安：西安交通大 生物柴油一柴油微乳化燃料是可行的，但其燃烧特 学出版社，2001． Combustion Characteristic of Diesel Engine Fueled with M icroemulsified M ethanol-biOdiesel—diesel ZHOU Qing—hui ，ZHU Ai—hua ，LIU Yong—feng ，SUN Jian—min ，JI W ei (1．Beijing university of civil engineering and architecture，Beijing 100044，China； 2．China agriculture university，Beijing 100083，China) ． Abstract：Based on the analysis of combustion indicator diagram，the influences of methanol content on the combustion pres— sure，the pressure rise rate，the thermal efficiency and the cyclic variability were researched without changing the original con— figuration of diesel engine．The results show that the ignition delay period is extended with the increase of methanol content． The combustion pressure and the maximum pressure rise rate increase and their positions move backward．The maximum pres— sure rise rate is close tO 0．45 MPa／。CA when the engine is fueled with M15．For different fuels，the cumulative heat release has a little difference．The cumulative heat release rate reaches 95 at 53。CA ATDC when the engine is fueled with M5 and MlO． For the diesel and M15．the engine reaches the same cumulative heat release rate respectively at 55。CA ATDC and 57。CA ATDC．Besides，the cyclic variability increases with the increase of methano1．The C( ．values are in order of 1．6 1 ，1．82 and 3．32 when the engine is fueled with M0，MIO and M15． Key words：diesel engine；methanol；micro—emulsion；combustion characteristic [编辑：潘丽丽]