【doc】生物质燃油／柴油混合燃料燃烧特性

【doc】生物质燃油／柴油混合燃料燃烧特性 生物质燃油,柴油混合燃料燃烧特性 2006年3月农业机械第37卷第3期 生物质燃油/柴油混合燃料燃烧特性 张红梅徐国强王俊 【摘要】在测定生物质燃油物理特性的基础上.将生物质燃油和柴油配比.筛选出 不同体积分数的混合燃料 E1—10(10%1号生物质燃油和9O柴油混合),E2—10(10%2号生物质燃油和9O% 柴油混合),E1—20(20%1号 生物质燃油和80%柴油混合),E2—20(20%2号生物质燃油和8O柴油混合)用这些? 昆合燃料与柴油进行了台架 对比试验.结果表明,在不改变发动机结构的情况下,燃用混合燃料是可行的.发动 节油效 机性能没有明显的变化. 果显着. 关键词:双燃料发动机生物质燃油柴油燃烧排放 中圈分类号:S216fTK464文献标识码:A CombustionCharacteristicsofaDieselEngineOperatedwiththe BurningOilofBiomassandDieselBlendFuel ZhangHongmeiXuGuoqiang.WangJun (1.ZhejiangUniversity2.He'nanAgriculturalUniversity) Abstract Onthebasisoftestingthermo—physicalcharacteristicoftheburningoilofbiomass,the mixedfuelbyvolumeE1—10(109,5No.1burningoilofbiomassand90diese1),E2— 10(10% No.2burningoilofbiomassand9O9,5diese1),E1—2O(20No.1burningoilofbiomassand 8O%diese1),E2— 20(209,6No.2burningoilofbiomassand809,6diese1),wasscreenedfroma varietyoftheburningoilofbiomassanddieselfuel.andacomparativecontrolexperime'ntwas conductedbetweenthemixedfuelandpurediese1.Thepresentworkinvestigatestheeffectof substitutinganalternativefuelforconventionaldieselfuelforcombustionofmixedfuelsinan unmodifieddieselengine.Thetestresultsshowedthattherewasnodeferenceinperformance betweenadieselruelandmixedfue1.Thespecificfuelconsumptionresultswithmixedfuelswere lowerthanthatwhendieselfuelwasusedatvariousloading. KeywordsDoublefuelengine,Burningofbiomass,Diesel,Combustion,Emission 引言 焦油是生物质气化过程中不可避免的副产物, 它的产量约占生物质总量的5%"--10.生物质焦 油的存在导致能量损失和二次污染.采用水蒸馏提 取出玉米芯生物质焦油中的可燃成分为再生燃料, 与普通0号柴油混合并应用于发动机的研究具有重 要的战略意义『1].发动机能否直接燃用由0号柴油 与生物质燃油2种物质混合而成的混合燃料,对发 动机的动力性能及燃油经济性,特别是排放指标的 好坏将起决定性作用.本研究测量了生物质燃油的 热物理特性并分析了由生物质燃油,0号柴油组成 的混合燃料发动机的经济性能,动力性能及各工况 的排放性能. 1试验方法及试验装置 试验所用的焦油是玉米芯气化后的副产物,经 脱水后作为试验的原焦油试样对焦油采用一般的 收稿日期l2005—01—14 张红梅浙江大学生物系统工程与食品科学学院博士生,310029杭州市 徐国强河南农业大学机电工程学院教授,450002郑州市 王俊浙江大学生物系统工程与食品科学学院教授博士生导师通讯作者 32农业机械 蒸馏方法分段提取可燃成分,即为试验所用油(称为 生物质燃油),1号生物质燃油为蒸馏温度在11O, 22O~C的馏出物;2号生物质燃油为蒸馏温度在 220?以上的馏出物.柴油是市场上出售的0号柴 油. 石油密度计(SY一?型),开口闪点测定器 (SYP1o01一I型),恩氏粘度计(sYP1o04一?型)和 凝点测定仪(SYP一1008?型)分别用于测定生物质 燃油和柴油的密度,闪点,燃点,粘度和凝点.燃料的 相关特性见表1L2]. 由于生物质燃油的粘度比较高,挥发性差,在发 动机上直接燃烧是有困难的.在室温(五月份)下以 不同的体积分数(1:9,2t8,3:7,4t6,5:5, 6:4,7t3,8t2,9t1)来混合1号生物质燃油和 0号柴油;以相同体积分数混合2号生物质燃油和 0号柴油.静置3d后发现混合燃料均无分层现象. 然后冷却到一5?左右,发现在低温下1:9和2:8 混合油无分层现象.因此选择体积分数为1:9和 2:8配制成混合燃料做发动机性能试验.1号生物 质燃油和0号柴油的混合燃料分别记为:E1—1O (1t9),E1—20(2t8);2号生物质燃油和0号柴油 的混合燃料分别记为:E2—10(1:9),E2—20(2t8). 试验使用FZD型发动机综合试验台,使用 ZH100B型四缸水冷四冲程非增压直喷式发动机, 其标定功率为l1.03kW,标定转速为2200r/rain; 测功器为Dll0B型;油耗测量仪为HZD型;发动机 的尾气排放分析由NHA一500型废气分析仪测定; 烟度由NHT一1型不透光度仪测定. 按照国家标准[3]对发动机进行调整,待水温,油 温达到规定值后,发动机转速保持2200r/rain,逐 渐增大负荷进行发动机负荷特性,排放特性的对比 试验.从零负荷到最大负荷选取6个负荷点测定耗 油量,每个负荷点测量3次取其平均值.待所选的负 荷点各项指标稳定后测定此时的尾气.最后增大发 动机负荷直至转速下降,记录此时的功率即为发动 机最大功率. 表1柴油和生物质燃油的物理特性比较(重复3次的平均值) Tab.1Comparisonofphysicalpropertiesofdieselandtheburningoilofbiomass 2试验结果分析 2.1负荷特性分析 发动机转速为22oor/rain固定不变时改变负 荷,发动机分别燃烧0号柴油的耗油率和混合油燃 料E1—1O,E1—2O,E2—10,E2—20时的耗油率(混 合燃料的比油耗)测量结果如图1a和图2a所示;有 从图1可见燃用混 效热效率曲线见图1b与图2b. 合油E1—10,E2—10的耗油率随负荷的增大而减 I^ 尊 瓣 蠼 犍 功率,,kw (a) 图1柴油机的负荷特性曲线(1.9) Fig.1Loadcharacteristiccurveofdieselengine(1l9) (a)耗油率随功率的变化曲线(b)效率随功率的变化曲线 少,与燃用0号柴油具有相同的变化规律.在中小负 荷下燃烧混合油的燃料耗油率均低于0号柴油;在 高负荷时与0号柴油相接近.因为生物质燃油109,6 的含氧量改善了混合气的形成和燃烧过程,使燃烧 更完善和充分,能量利用率得以提高. 图2a是生物质燃油体积分数增大到2O时耗 油率随功率变化的曲线.由图可知:E1—20耗油率 在小负荷比0号柴油低而在高负荷时比O号柴油 高;E2—20在中小负荷时低于0号柴油,高负荷时 i 每 糌 震 蜒 图2柴油机的负荷特性曲线(2,8) Fig.2Loadcharacteristiccurveofdieselengine(2l8) (a)耗油率随功率的变化曲线(b)效率随功率的变化曲线 第3期张红梅等:生物质燃油/柴油混合燃料燃烧特性 与0号柴油相接近.从表1可知1号生物质燃油的 含c量和热值低于0号柴油,在中低负荷时由于1 号生物质燃油含氧改善了混合气形成和燃烧过程, 从而部分补偿了其低热值的影响,使E1—20的耗 油率低于0号柴油,但在大负荷时,这种补偿作用有 所减弱,使混合油E1—20的耗油率高于0号柴油. 从负荷特性曲线图1和图2来看,燃用E2—20 发动机的性能最好,燃用E2—10和E1—10的情况 也优于0号柴油,燃用E2—20,E2—10和E1—10 时,发动机的有效热效率较0号柴油高.而燃用 El一20在高负荷时耗油率高于0号柴油,热效率低 于0号柴油其原因是生物质燃油的热值虽低,但混 合油密度比0号柴油大,体积热值与0号柴油很接 近,因此,在配气机构不变的情况下,原机喷油泵的 供油特性就可满足燃用混合油的要求,而且生物质 燃油含有一定量的氧,从而使燃料燃烧完全,能量 利用率得以提高,所以使E1—10,E2—10和E2—20 耗油率低于0号柴油.虽然1号生物质燃油的理化 性质优于2号生物质燃油,但由于2号生物质燃油 具有高热值和高含氧量,所以燃烧时E2—20的油 耗低于E1—20. 对比图1和2混合油中1号生物质燃油体积分 数不同时耗油率随功率变化的曲线.图中曲线表明 E1—20耗油率在中高负荷的增大高于0号柴油.这 是由于1号生物质燃油的热值比0号柴油低得多, 当比例增大时混合燃烧热值降低较多.试验说明在 柴油机中直接燃用混合油时1号生物质燃油的体积 以10左右为宜.对比2号生物质 分数不宜过大, 燃油体积分数不同时耗油率随功率变化的曲线可 知:E2—10和E2—20的耗油率均低于0号柴油,热 效率均大于0号柴油,具有节油效果 整个试验说明燃用混合油与0号柴油相同,柴 油机不需作任何调整均可正常工作.从试验看出在 额定转速下,燃烧E1—10,E1—20,E2—10,E2—20 的最大功率可分别达到13.1kW,13.0kW, 13.3kW,13.5kW.虽低于燃烧0号柴油的最大功 率13.9kW,但均可在超过额定功率11.03kW的 情况下正常燃烧.这说明混合油完全可在超负荷下 燃烧,满足发动机的动力性要求. 2.2排放特性分析 2.2.1HC的排放 混合气过稀或缸内温度太低是形成HC的主要 原因.在燃烧室内,若温度低,气流速度高,则着火不 稳定,局部燃烧不完全,排出HC多[4卅].图3是混 合燃料与0号柴油HC排放的比较.由图可以看出, 混合燃料和0号柴油的HC排放随负荷的升高而降 低.混合燃料的HC排放与0号柴油具有相似的变 化规律.E1—1o,E2—10混合燃料的HC排放明显 高于0号柴油其原因是生物质燃油气化过程吸收 大量的热量使缸内温度降低,促使未燃HC量增加. 另一方面是发动机运转时,由于生物质燃油的粘度 较大致使燃烧时形成的混合气过浓或过稀,则在某 些循环中引起火焰传播不完全,甚至完全断火,致使 HC排放量显着升高. 2.2.2CO的排放 从图4可以看出,在低负荷时3种燃料的cO 排放量相差不明显,但在高负荷时燃烧混合油CO 排放量大大降低.这主要是由于:生物质燃油是含氧 燃料,含氧量达10左右,所以它对燃油完全燃烧, 特别是在高负荷时有利;生物质燃油含有少量的水 分,试验所用焦油是用大量的水从气化炉中冲洗出 来的,虽经脱水和蒸馏,但很难把水完全分离,致使 生物质燃油中含有一定量的水分,混合油中的水分 在燃烧中易形成油包水型的液滴,这种液滴在燃烧 中产生的"微爆"现象加速了油气的混合及燃烧,使 混合气更加均匀,燃烧得到改善.因此燃烧混合油时 cO的排放量低于0号柴油. 图3HC排放量随图4CO排放量随 功率变化曲线功率变化曲线 Fig.3VariationofHCFig.4VariationofCO withthepowerofenginewiththepowerofengine 2.2.3CO2,NO和Rb的排放 CO.是引起温室效应 的主要物质,从图5可见 柴油机燃用混合油时cO 排放在各种负荷均低于0 号柴油,这主要是因为生 物质燃油含碳量低于柴油 而又含有一定量的氧,使 燃烧进行的更完全致使 cO.的含量降低. 燃料的含氧量和燃烧 温度是影响NO的主要因 素,由于混合油中生物质 图5CO2排放量随 功率的变化曲线 Fig.5Variationof CO2withthepower ofengine 农业机械 燃油掺入量比较少,对滞燃期影响不大,另外燃烧过 程的改善使温度增加.所以如图6显示,燃烧两种混 合油时No的排放量基本与0号柴油一致,没有明 显的升高和降低.烟度也是柴油机排放的主要污染 物质之一[引.由图7可见,柴油机燃用混合油的烟度 排放在各种负荷下都低于0号柴油,这是因为生物 质燃油是含氧燃料,缸内氧含量的增加改善了浓混 1 1 甲.1 = 呈 功率P/kW 图6NO排放量随 功率的变化曲线 Fig.6VariationofNO withthepowerofengine 功率P/kW 图7Rb随功率的 变化曲线 Fig.7VariationofRb withthepowerofengine 合气区的缺氧程度,在燃烧过程中形成的碳烟微粒 与氧有更多的接触机会,所以尾气排放烟度明显低 于0号柴油. 3结束语 采用蒸馏方法从玉米芯焦油中提取出生物质燃 油,在测定其热物理特性的基础上,用其与柴油的混 合燃料测定混合油的动力性和经济性,并分析了排 放情况.试验结果表明,柴油机不做任何改动即可燃 用生物质燃油/柴油混合燃料.柴油机燃用生物质燃 油/柴油混合燃料具有良好的动力性,经济性和排放 性.E1—1O与E1—20相比具有更高的动力性和经 济性}E1—1O和E2—1O的经济性没有区别,但动力 性稍差,E2—20的经济性和动力性均大于E1—2O. 所以对于1号生物质燃油和2号生物质燃油在不用 助溶剂的情况下与0号柴油混合时分别以体积分数 为1O9,6和2O%左右为宜. 参考文献 李兴虎,韩爱民.周大森.等.混合燃料发动机性能的试验研究[刀.北京工业大学,2002,28(1)52~54. 张红梅.生物质燃油作发动机代用燃料的研究[D].郑州:河南农业大学,2004. 中国石油化工股份有限公司科技开发部.石油和石油产品试验方法国家标准汇编:2oo5[s3.北京中国标准出版社, 2005. 刘治中,许世海,姚如杰.液体燃料的性质及应用[M].北京:中国石化出版社,2000. 祁东辉,边耀璋,彭小红,等.LPG/柴油混合燃料发动机性能与排放的研究[J].内燃机工程,2003,24(2):70~73. 程宏.汽车发动机原理[M].北京:学术期刊出版社,1988. 于世涛,郭英男,刘金山,等.柴油/乙醇混合燃料特性及对增压发动机性能影响[J].农业机械,2005,36(12):5, 8. 王建昕,傅立新,黎维彬.汽车排气污染治理及催化转化器[M].北京:化学出版社,2000. (上接第86页) 参考文献 王仲民,姚立卿,张寒松.基于神经网络的移动机器人路径规划研究口].天津职业技术师范学院,2003,13(1):10 , 12. 李贻斌,周风余,李彩虹.等.移动机器人在线路径规划算法研究口].系统工程与电子技术,2000,22(2).79~81. 谢季坚,刘承平.模糊数学方法及其应用[M].第2版.武汉:华中科技大学出版社,2000. 谢宏斌,刘国栋,李春光.动态环境中基于模糊神经网络的机器人路径规划的一种新方法[J].江南大学:自然科 学版,2003,2(1):20~23,27. MaarefH,BarretC.SensOr— basedfuzzynavigationofaftautonomousmobilerobotinanindoorenvironment[J]. ControlEngineeringPractice,2000,8(7):757~768. 孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京:清华大学出版社,1997. LiangHsuanChen,ChengHsiungChiang.Newapproachtointelligentcontrolsystemswithself—exploringprocess FJ].IEEETransactionsonSystems,Man,andCybernetics— partBlCybernetics.2003,33(1):56~66. 123456781234C67