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重型直喷式柴油机乙醇或正丁醇混合燃料燃烧放热分析
摘要
通过实验研究了柴油与正丁醇的比例分别为5%和10%和8%和16%混合使用对燃烧的影响。 一种六缸，涡轮增压，后冷，重型，直接喷射(DI)，lsquo;梅赛德斯-奔驰rsquo;发动机安装在作者的实验室。燃烧室和燃料利用开发的高速数据采集与处理系统，在两种转速三种负载下获得了喷射器的预确定图。实验获得的气缸压力图的热释放分析，开发并使用了内压图。燃烧室的热释放率和回火特性的历史图揭示了一些有趣的特征， 当使用这些有前景的生物燃料时，可以从生物燃料(生物乙醇和生物丁醇)中提取这些燃料。关键的结果是，随着这些生物燃料的使用，燃油喷射压力图有很小的位移(延迟)，点火延迟增加，最大缸压力略有降低，缸内温度降低，再加上乙醇和正丁醇相对于构成基准燃料的柴油的不同物理和化学性质，有助于正确的观测到的发动机性能和排放情况。
1。介绍
除了与发动机相关的技术来满足严格的污染物排放法规[1-4]，发动机研究人员已经开始关注与燃料相关的技术领域，例如替代气体燃料的可再生性或含氧燃料能够减少颗粒物排放[5-9]。
各国开发替代燃料来源方面被给予了相当高的关注，重点是生物燃料具有可再生的附加优势[10-13]。由农产品制成的生物燃料（自然氧化）减少了世界对石油进口的依赖，支持当地农业产业并提高农业收入，而且通常减少排放。其中，植物油，其衍生的生物柴油（甲基或乙基酯）和生物醇被认为是非常有前途的燃料。生物燃料生产在世界许多地方是一个快速发展的行业。生物乙醇是目前汽油用于火花点火发动机，植物油，其衍生生物柴油和生物乙醇与柴油发动机柴油混合的主要替代品。然而，目前正在研究其他生物燃料，如生物丁醇[14-17]，生物质衍生的碳氢燃料和氢气，被认为是下一代生物燃料[10]。
植物油作为柴油的主要缺点是高粘度，比普通柴油高10-20倍。要解决这个问题 ，采用的方法有：以小比例混合柴油，与甲醇或乙醇进行微乳化，裂解，并主要通过柴油转化为生物柴油。 关于程序[18，19]。生物柴油作为燃油的优点是硫和芳烃含量最低，闪点、润滑性、十六烷值、生物降解性和无毒性较高。另一方面，它们的缺点是粘度和倾点较高，热值和挥发度较低，氧化-氧化稳定性和吸湿性较低。所有以上的理由-人们普遍认为，混合柴油，多达20%生物柴油和植物油，可以在现有的柴油发动机中使用而不作任何修改。 例如，参考文献报道了柴油与柴油混合使用的植物油或生物柴油。[13，20-27]。
希腊现在试图符合2003/30 EC指令，并使用当前农业活动中的油提炼生物柴油，以及培育具有改进的石油生产和土地利用的新的石油工厂[28]。 作者最近的一项工作[13]研究和比较了与普通柴油燃料混合试验的各种来源的各种植物油和生物柴油。 一份配套文件将棉籽油及其甲基酯的上述研究扩展至100/0混合比，即以纯净形式[23]。
希腊主要地区的严重污染问题促使雅典城市运输组织对植物油，生物柴油，生物乙醇和生物柴油等希腊原料生物燃料的使用表现出兴趣。该研究小组已经报道了这些客车发动机的相关工作，目的是调查他们的性能和废气排放行为[16,22,29]。 此外，目前的研究人员已经发表了类似的作品，用于使用相同生物燃料的汽车型HSDI（高速直接喷射）柴油发动机[13,17,23,30-34]。
与使用传统柴油燃料的柴油发动机研究中的先进模型不同，似乎有一个明显缺乏理论模型来检查使用液体生物燃料时燃烧产生的排放的形成机制[1,35]。 最近，这个研究小组已经报道了一个使用乙醇/柴油混合燃料的详细多区燃烧模型[36]，这与一个类似论文[37]的申请HSDI Ricardo / Cussons#39;Hydra#39;的标准实验柴油 发动机使用植物油或其衍生的生物柴油，而后者又扩展到类似的多区域，只处理相关的物理过程[38]。
作为正确解释以前乙醇/柴油混合物结果并协助多区燃烧模型的“桥接”试剂，相关燃烧机理的热释放分析，结合广泛不同的物理和化学乙醇特性那些用于柴油的燃料，在[31]中由作者使用，用于在相同操作条件下用乙醇/柴油混合燃料运行的上述HSDI柴油发动机。此外，还出现了一项配套工作[32]，使用实验随机技术[39]评估其燃烧特性，以及由于乙醇浓度低[40]，燃烧循环不稳定的倾向。最近，作者[33]发表了一篇论文，对于相同的HSDI发动机和条件，处理纯净蔬菜（棉籽）油或其纯净生物柴油的燃烧热释放分析。此外，作者报道了一篇论文[34]，使用实验性放热和随机分析技术研究了正丁醇/柴油混合燃料的燃烧及其在相同HSDI柴油发动机和条件下的循环变化。
1.1。柴油发动机中的乙醇
由于其辛烷值高，乙醇是一种很好的火花点火发动机燃料[2]，但事实上醇类，主要是乙醇和甲醇含量低得多已被认为是柴油发动机的替代燃料[12，41-45]。 甲醇可以用煤或石油燃料以低成本生产而生产，但它在柴油中具有限制性溶解度。 另一方面，乙醇是一种基于生物质的可再生燃料，其可以通过从诸如玉米，甘蔗，甜菜，大麦，甜味甘草，木薯，糖蜜等植物材料的糖的醇发酵而生产 ，以及农业残留物，如秸秆，原料和废木，通过使用已经改进和展示的技术。 因此，它具有优于甲醇的优点，其与柴油燃料具有更高的混溶性并且具有可再生性（生物乙醇）。
第二作者[30,31]以第一作者为首的小组报道了最近的两项工作[30,31]，其中使用乙醇混合物，混合比例为15/85（体积比），在自然吸气的四冲程， HSDI，Ricardo / Cussons#39;Hydra#39;汽车（汽车）类型的柴油发动机。
当无水乙醇溶于汽油时，必须使用添加剂，以确保无水乙醇（即高吸湿性）在广泛的条件下在柴油中的溶解度。特别是在较低温度下，混溶性是有限的。此外，向柴油中添加乙醇可以降低润滑性，并在敏感的燃油泵设计中产生潜在的磨损问题。乙醇还具有较低的粘度和热值，而后者对燃料输送系统进行微小的改变，以达到发动机最大功率[ 46 - 48 ]。根据所有的估计，乙醇的十六烷值非常低，降低了模具-乙醇混合液的十六烷值，通常需要使用十六烷增强添加剂来改善点火延迟和减轻循环不规则性[ 49 - 51 ]。在密闭空间中，乙醇的闪点比柴油低得多，形成蒸汽的可能性更大，因此在处理过程中需要额外的预防措施[ 12 ]。
为了使柴油机技术与乙醇燃料的性能相兼容，开发了各种技术。从广义上讲，可以分为以下三类：（a）乙醇熏蒸吸入空气的电荷，利用碳还原释放或进气歧管喷射，这是能够以这种方式使用的乙醇量限制有关，由于在高负荷发动机爆震的发生、预防火焰淬火和在低负荷的失火44,52–[ 54 ]，（b）双喷射系统并不是很实用，因为需要额外的高压喷射系统和相关专业设计变更的缸头[ 44 ]，和（c）的共混物（乳液）乙醇和用乳化剂混合使用这两种燃料防止他们分离柴油，需要在引擎方面没有技术改造44,55–[ 58 ]。
指出稳定乳状液通常是指柴油中无水乙醇的溶液（透明的）和柴油中乙醇的微乳液（半透明）。无水乙醇（200证明）不需要乳化剂或所谓的表面活性剂在柴油中形成透明溶液，但这些溶液只能耐受0.5%的水。然后，在实际使用低酒精的情况下（如190或更低），乳化剂需要形成不透明的大乳液；然而，如果允许长时间停滞，则可以将其分离为两个阶段[ 44 ]。从柴油机耐久性的角度来看，柴油中乙醇含量高达15%的混合燃料被认为是相对安全的。
在试图增加生物燃料生产的框架内，希腊农业部要求欧盟委员会批准将希腊现有的五种糖（甜菜）工厂中的两种归为生物乙醇生产设施。如果获得批准，希腊将为欧盟提供大约50%的欧盟甜菜配额，以满足这两个工厂的需求，从而支持希腊糖业公司和甜菜生产商，让他们有选择继续种植作物。这家公司是希腊唯一的食糖生产国，在欧洲联盟共同农业政策框架内从事食糖的生产和处置。
乙醇的一个用作柴油发动机的燃料的非常强劲竞争对手是正丁醇，然而，它几乎没有在柴油机上试验过。正丁醇作为一种可再生的生物燃料，由于其亲水性较低，具有较高的热价、较高的十六烷值、较低的蒸气压和较高的混相性，使得丁醇更适合于乙醇与常规柴油的混合。因此，以乙醇为燃料的柴油机相关的问题，在上一小节中提到，解决了在相当大的程度上使用正丁醇时，其性质更接近于柴油燃料比乙醇[ 10,59,60 ]。
与乙醇一样，丁醇是一种以生物质为基础的可再生燃料，可以通过上面提到的生物质饲料的酒精发酵生产（生物丁醇）。很巧合的，管理和利用粗甘油产品从生物柴油的生产过程的新的和创新的过程，已经开发了[ 61 ]，而转换，例如，通过厌氧发酵[ 62 ]的价值显著粗甘油产品产量增加主要丁醇和1,3-丙二醇（PDO）和乙醇。这真是幸运的，因为生产生物柴油需求的增加会导致严重的问题与所生产的粗甘油的处理（金额为10%的总重量）的生物柴油生产商，由于其纯甘油转化不再是经济可行的由于价格下跌后其市场大量使用。
Butanol（CH3（CH2）3OH）有4碳结构，是一个更复杂的酒精（高链）比乙醇作为碳原子可以形成直链或支链结构，从而导致不同的性质。然后，它取决于不同的异构体，取决于羟基（oh）和碳链结构的位置，丁醇生成的生物质倾向于主要产生直链分子。正丁醇，也被称为正丁醇（正丁醇），具有直链结构的羟基（–O）在终点碳[ 10 ]。这是本研究中使用的异构体。
关于丁醇/柴油混合燃料在柴油机中使用及其对其性能和废气排放的影响的公开文献几乎没有。文献[ 63 ]，两缸，自然吸气，间接喷射（IDI）设计陈旧柴油发动机进行了测试，在一个速度两丁醇/柴油混合燃料。在参考文献14中，报道了一种轻型涡轮增压柴油机正丁醇/柴油混合燃料的驱动循环分析。文献[ 15 ]，柴油的正丁醇含量对每一个重型柴油机性能和排放的影响，多喷油能力在固定的发动机转速和负荷，和废气再循环率调节使NOx排放量不变。两个作品的另一个研究小组[ 64、65 ]处理与植物油混合含氧有机化合物燃料和柴油发动机排放特性的表现，包括乙醇和正丁醇。另外，在文献[ 66 ]一个非常小的量的正丁醇用于提高的乙醇/柴油混合燃料用溶解度的目的。
填补这一空白，本研究组发表了一篇论文，在一个标准实验的一个类似的调查结果，李嘉图/卡森“九头蛇”，高速度，自然吸气，直接注入（DI）汽车型[ 17 ]柴油发动机，报告使用正常的柴油燃料，正丁醇各共混物有益效果与8%、16%和24%（体积）正丁醇，在性能和尾气排放的各种荷载。对柴油机燃烧理论方面和广泛的不同的物理和化学性质对那些为柴油燃料乙醇的考虑进行援助，而不是在一个定性的方式，这些混合发动机所观察到的行为的解释。
此外，本研究组最近发表了这样一个实验调查的结果在一个完全仪器、六缸、水冷、涡轮增压和冷却后，重型（HD），直接注入（DI），“苯”奔驰，微型客车柴油发动机在作者的实验室，通过评审的应用与普通柴油燃料丁醇各种共混物的影响，8%和16%（体积）正丁醇，在发动机转速和负荷的两三令人鼓舞的结果[ 16 ]的性能和排放。另外，最近出现了一个工作，对排放的柴油发动机在加速过程中，随着生物柴油或正丁醇柴油混合燃料[ 67 ]操作。
1.3。当前工作中的乙醇和正丁醇
如上所述，已经报道了使用乙醇/柴油燃料[29]或正丁醇/柴油燃料混合物[16]用于六缸，水冷，涡轮增压和后冷却的初步性能和排放结果 ，重型（HD），直接喷射（DI），“梅赛德斯 - 奔驰”柴油发动机。 实验测量的解释仅仅基于测试燃料之间性质的差异。
在这项工作中，对于相同的混合和运行条件，进行热释放分析以研究相关的燃烧机理，沿着类似的HSDI工作流程，即#39;Ricardo / Cussons，#39;Hydra#39;，单缸 ，乙醇/柴油燃料[31]或正丁醇/柴油混合燃料[34]或纯植物棉籽油或其衍生的纯甲基酯生物柴油操作的标准实验发动机[33]。 众所周知，关于柴油发动机燃烧过程的研究，分析燃烧特性的一个非常重要的手段是根据（主）腔室中压力的实际测量结果（以及预混合气体）计算和分析放热率， 室，如果有的话）[31,68-70]。 燃油喷射压力的配套图也有助于此方面。
来自现在的DI发动机的实验气缸压力（指示器）图是根据能量和状态方程的相关应用直接处理的。 关注与特别开发的高速数据（信号）采集和处理系统有关的实验工作。 对燃烧室内放热率和其他相关参数的分析结果揭示了燃烧机理的一些非常有趣的特征，与使用这些有前景的生物燃料相关。 燃烧结果与乙醇和正丁醇与构成“基准”燃料的柴油燃料的不同物理和化学特性相结合，有助于对观察到的发动机行为性能的正确解释 - 当使用这些生物燃料混合物运行时，排放明智。
2。发动机和试验设备的说明
监测和控制发动机变量的设备安装在试验台上，#39;梅赛德斯 - 奔驰#39;OM 366 LA六缸重型直喷四冲程水冷柴油发动机位于第二台作者的实验室。涡轮增压器压缩机后，发动机采用#39;Garrett#39;TBP 418-1涡轮增压器和空对空后冷却器进行涡轮增压。与雅典城市运输组织（AUTO）子车队的情况一样，它被广泛用于驱动中型卡车和小型客车。它在实验室与一台#39;Schenck#39;U1-40液压制动器（测力计）相连，该制动器是一个可变填充制动器，通过制动杠杆完成装载，该制动杠杆控制机器内部水的涡旋量。发动机和喷油系统的基本数据如表1所示。为此目的，这些发动机的静态喷射正时在高负荷时在TDC（上死点）之前降低至5L CA（度曲柄角）的值减少氮氧化物排放量以达到欧II排放标准[1]。图1提供了发动机试验台，仪表和数据记录系统的完整示意图。
表1
发动机和喷油系统基本数据。
发动机模型和#39;mercedes-benz，OM 366 LA，六缸，直列，四冲程，压缩点火，直接喷射，水冷却，涡轮增压，冷却后速度范围800 - 2600转每分钟发动机总体积5958立方厘米
取代
缸径/行程 97.5毫米/ 133毫米
连杆 230毫米
长度
压缩比 18:1
点火顺序 1-5-3-6-2-4
最大功率 177千
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资料编号：[8982]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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