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发动机燃用生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的性能试验

更新时间:2016-07-05

为了应对能源危机和日益严峻的环境问题,寻找清洁高效的代用燃料成为国内外学者研究的热点。生物柴油是发展时间最长、制备工艺最成熟的生物质燃料,各国学者都针对生物柴油开展了大量试验研究[1-4],已有研究发现燃用生物柴油可以有效降低炭烟、CO和HC的排放,但会使NOx排放略有增加[5-10]。由于生物柴油的密度和黏度较大、氧化安定性差,使用中高比例生物柴油-柴油混合燃料时,存在雾化质量较差、易氧化等缺点[11-14],因此开展中高比例生物柴油-柴油混合燃料的应用研究具有重要意义。乙醇具有黏度低、蒸发性好、汽化潜热大、性质稳定等特点,研究发现在柴油中添加醇类燃料能够改善柴油的雾化质量,并且降低柴油机的颗粒物排放[15-16]

为了改善中高比例生物柴油-柴油混合燃料的雾化质量,从而降低柴油机污染物排放,在1台4缸增压中冷柴油上,将发动机的转速分别稳定在1 400 r/min和2 000 r/min,由小到大逐渐增大发动机的负荷,测定了BD50,BD50E10和BD50E20(BD代表生物柴油,其后的数字代表生物柴油在混合燃料中所占的体积百分比;E代表乙醇,其后的数字代表乙醇在混合燃料中所占的体积百分比)的经济性、动力性和排放特性,并将其与纯柴油(BD0)进行对比。

1 试验条件及方法

1.1 试验燃料

本研究使用以大豆油为原料制成的生物柴油,经气相色谱分析其脂肪酸甲酯含量为88.24%,根据化学分子式计算其含氧量为11.2%。将生物柴油与0号柴油按体积比1∶1掺混配成中等比例的生物柴油-柴油混合燃料BD50,然后在BD50中分别掺混10%和20%(体积比)的无水乙醇,配制成生物柴油-柴油-乙醇混合燃料BD50E10和BD50E20。采用国标方法测定了试验用燃料的理化性质(见表1)。由表1中数据可知,生物柴油-柴油混合燃料BD50的密度和运动黏度比柴油大,热值比柴油低,在BD50中添加乙醇,能够有效降低燃料的密度和运动黏度,但同时也会使混合燃料的热值进一步降低。

表1 燃料的理化性质

燃料密度(20℃)/kg·L-1运动黏度(40℃)/mm2·s-1低热值/MJ·kg-1BD00.8372.87942.536BD500.8583.52440.485BD50E100.8532.99339.006BD50E200.8482.83237.526

1.2 试验发动机及设备

试验用发动机为直列4缸、增压中冷柴油机,发动机的主要技术参数见表2。

表2 柴油机主要参数

发动机型号4100QBZL缸径/mm100行程/mm105排量/L3.298最大扭矩/N·m285最大扭矩转速/r·min-12000~2200标定功率/kW64标定转速/r·min-13200压缩比17∶1进气形式涡轮增压、进气中冷

发动机台架试验系统见图1。试验采用CW200电涡流测功机调节发动机的转速和扭矩,采用ES100K电子天平测量燃油消耗量,排放测试采用AVL4000五气分析仪和AVL Dismoke4000不透光烟度计。

图1 发动机台架测试系统示意

1.3 试验方法

[10] 楼狄明,谭丕强.柴油机使用生物柴油的研究现状和展望[J].汽车安全与节能学报,2016,7(2):123-134.

建立并发展“群体凝聚力”。首先,个人目标必须与团队目标任务一致,其次培养成员的团队意识、荣誉感和责任感,团队应保持良好的人际关系。

2 试验结果与分析

2.1 经济性与动力性

燃油消耗率、有效热效率是评价发动机经济性的重要指标,图2示出了1 400 r/min和2 000 r/min不同负荷条件下,发动机燃用BD0,BD50,BD50E10和BD50E20的有效燃油消耗率。由图2可知,当发动机转速为1 400 r/min时,小负荷和中等负荷时4种燃料的有效燃油消耗率随负荷的增大而逐渐下降,当负荷率超过85%之后,有效燃油消耗率略有上升。这是因为中小负荷时,增大负荷能够提高缸内温度,促进燃料的蒸发和雾化,提高燃烧质量,因此有效燃油消耗率逐渐减小;而在大负荷时,喷油量增加导致过量空气系数过小,燃烧恶化,因此有效燃油消耗率上升。不同负荷下,燃用BD50的有效燃油消耗率比BD0更大,而且随着BD50中乙醇掺混比的增大,有效燃油消耗率进一步增大。这主要是因为BD50的热值比柴油低,添加乙醇后导致燃料热值进一步降低。2 000 r/min时,4种燃料的有效燃油消耗率变化规律与1 400 r/min时基本相同,但是不同负荷下的有效燃油消耗率比1 400 r/min时明显升高。这是由于转速升高后,每循环喷油量增加引起的。

图2 燃用不同燃料的有效燃油消耗率对比

图3示出了1 400 r/min和2 000 r/min不同负荷条件下,发动机燃用不同燃料时的有效热效率。由图3可知,当负荷率在25%~60%之间时,随着负荷的增大,有效热效率迅速提高;当负荷率在60%~85%之间时,随着负荷率的增大,有效热效率变化不大;而当负荷率超过85%以后,有效热效率开始下降。这是由于随着发动机负荷的增大,混合气由稀变浓,更接近理论空燃比,而且负荷增大后,缸内温度和压力升高,热力状态改善,燃料燃烧更加充分,因此有效热效率升高;而当负荷率超过85%时,由于喷油量增大,导致过量空气系数减小,局部混合气过浓导致燃烧恶化,有效热效率开始下降。由不同燃料之间的热效率对比可知,当负荷率小于等于40%时,添加乙醇会导致有效热效率降低;而当负荷率超过80%以后,添加乙醇能够提高发动机的有效热效率。这是由于小负荷时,缸内温度较低,乙醇的汽化潜热大,会使得缸内温度进一步降低,导致燃烧质量变差,有效热效率降低。而大负荷时,缸内燃烧温度较高,乙醇汽化潜热的影响被弱化,而乙醇的高含氧量能够缓解大负荷时的缺氧燃烧,使燃料燃烧更加充分,因此大负荷时BD50E10和BD50E20的有效热效率提高。

图3 不同燃料的有效热效率对比

[1] 张智亮,计建炳.生物柴油原料资源开发及深加工技术研究进展[J].化工进展,2014,33(11):2909-2915.

图4 发动机燃用不同燃料时的最大功率

2.2 NOx排放

图5示出1 400 r/min和2 000 r/min时,发动机燃用不同燃料时的NOx排放特性。从图中可以看出,在1 400 r/min时,NOx的比排放量随负荷的增加逐渐减小,而在2 000 r/min时NOx的比排放量随负荷的变化无明显规律。柴油机热力NOx排放主要受燃烧温度、混合气中的氧含量和高温滞留时间的影响,小负荷时氧浓度较高、燃烧温度较低、高温燃烧带内的滞留时间较短;大负荷时氧浓度相对较低、燃烧温度较高、高温下的滞留时间相对较长,这些影响因素的综合作用导致不同负荷下NOx排放呈现上述变化趋势。不同负荷下,燃用BD50的NOx排放高于燃用BD0。这是由于生物柴油为含氧燃料,其含氧量为11.2%,燃烧过程中自供氧导致氧浓度升高;此外,生物柴油的十六烷值比柴油高,会引起燃烧相位提前,缸内燃烧温度升高,因此燃用BD50的NOx排放比柴油高。通过对比发现,随着混合燃料中乙醇掺混比的增大,NOx排放逐渐降低。4种燃料中,燃用BD50E20的NOx排放最低,1 400 r/min和2 000 r/min不同负荷下与燃用柴油相比平均降低了11.3%,与燃用BD50相比平均降低了15.8%。常温常压下乙醇的汽化潜热为904 kJ/kg,柴油的汽化潜热为270 kJ/kg,生物柴油的汽化潜热比柴油更低,乙醇的高汽化潜热有利于降低缸内燃烧温度,而且乙醇的热值低,掺烧乙醇使混合燃料放热量减小,进一步降低了缸内温度;在生物柴油混合燃料中掺混乙醇还能够改善燃料雾化质量,提高含氧量,从而加快燃烧速度,缩短高温滞留时间,因此燃用BD50E10和BD50E20的NOx排放降低。

图5 NOx排放特性

2.3 炭烟排放

图6示出了发动机转速1 400 r/min和2 000 r/min时炭烟排放特性曲线。由图6可知,不同转速下,燃用不同燃料时炭烟排放均随负荷增大而增大,尤其是满负荷工况下的炭烟排放,比中小负荷时的炭烟排放高出几倍。这是因为随着负荷的增大,缸内温度逐渐升高,过量空气系数减小,燃烧室内局部高温缺氧加剧,尤其是满负荷工况下,缸内燃烧急剧恶化,导致炭烟排放迅速增加。BD50的炭烟排放比BD0更低,这主要是因为生物柴油为含氧燃料,燃料燃烧过程中自供氧,能够缓解高温条件下的缺氧燃烧,从而使炭烟排放下降。随着乙醇掺混比的增大,生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的炭烟排放明显下降,4种燃料中燃用BD50E20的炭烟排放最低,1 400 r/min和2 000 r/min不同负荷下与柴油相比平均降低了68.4%,与BD50相比平均降低了56.6%。这主要是因为乙醇的含氧量较高,对柴油机扩散燃烧阶段炭烟微粒的成核过程有明显的抑制作用;同时,乙醇中的含氧羟基会大大降低芳香烃先导物不饱和碳氢碎片的生成,从而减少PAH(多环芳香族碳氢化合物)等高分子有机物的生成,抑制炭烟颗粒物形成[17-19];乙醇高温下裂解形成大量自由基,对燃烧后期生成的炭烟具有氧化作用,有利于进一步降低炭烟排放。另外,乙醇的十六烷值很低,与BD50相比,添加乙醇导致BD50E10和BD50E20的滞燃期延长,预混燃烧阶段的放热率增加,也有利于减少炭烟的生成。掺混乙醇还能够降低混合燃料的密度、运动黏度和表面张力,促进喷雾的微粒化,减弱局部混合气过浓现象,从而降低炭烟排放。

图6 炭烟排放特性

2.4 CO排放

柴油机中CO的排放主要是来源于烃类燃料的不完全燃烧。图7示出1 400 r/min和2 000 r/min时,发动机燃用不同燃料时的CO排放特性。从图中可以看出,高转速下CO排放比低转速下低得多,这是由于高转速时进气量增加,进气涡流强度增强,有利于形成均匀的混合气,减少局部不完全燃烧产生的CO排放。燃用BD50的CO排放略高于BD0。这是由于生物柴油的密度和黏度较大,雾化质量较差,导致不完全燃烧倾向增大,因此燃用BD50的CO排放量高于BD0。与BD50相比,随着乙醇掺混比的增大,CO排放逐渐减少。这主要是因为混合燃料中添加乙醇能够提高燃料的氧含量,同时改善燃料的雾化质量,缓解局部混合气过浓问题,有利于提高缸内燃烧质量;高含氧量还能够抑制燃烧产物CO2的还原反应,从而进一步降低了CO排放。

图7 CO排放特性

2.5 HC排放

a) 不同转速和负荷条件下,燃用BD50的有效燃油消耗率比柴油高,满负荷时发动机的最大输出功率下降;与柴油相比,燃用BD50E10和BD50E20使有效燃油消耗率进一步升高,当负荷率小于等于40%时,添加乙醇会导致有效热效率下降,而当负荷率大于80%时,混合燃料中添加乙醇能够提高发动机的有效热效率;

图8 HC排放特性

3 结论

混合气过浓或过稀导致的不完全燃烧和缸内失火、燃烧室缝隙内的未燃喷油以及缸内壁面淬冷效应等都是导致柴油机HC排放物生成的重要因素。图8示出了发动机转速1 400 r/min和2 000 r/min下燃用4种不同燃料的HC排放特性曲线。由图可知,燃用4种燃料的HC排放随负荷升高大多呈现降低趋势,这主要是因为负荷增加,缸内温度升高,燃料雾化改善,燃烧界限变宽,壁面淬冷效应减弱,因此HC排放下降。1 400 r/min中小负荷时,燃用BD50的HC排放高于BD0,这是由于中小负荷时缸内温度和压力较低,生物柴油运动黏度较高,使BD50的雾化质量变差,导致未燃HC排放升高;1 400 r/min大负荷条件下,燃用BD50的HC排放低于BD0,这是因为大负荷时缸内温度和压力升高,燃料运动黏度较高对雾化质量的影响减弱,而生物柴油的高十六烷值能够缩短滞燃期,提高燃烧的稳定性,同时,其高含氧量有助于改善大负荷时局部混合气过浓导致的缺氧燃烧,因此大负荷下燃用BD50的HC排放低于BD0。与BD50相比,掺混乙醇后HC排放逐渐升高,尤其是小负荷时HC排放增加幅度更大。这主要是因为乙醇的汽化潜热较大,掺混乙醇会降低缸内温度,使得壁面淬冷效应增加,HC排放升高,小负荷时缸内温度较低,乙醇汽化潜热的影响更大,因此小负荷时HC排放增加更明显。

加入CA-074后WTLPS组及TLR4-/-LPS组的组织蛋白酶B水平变化无统计学差异,caspase-1及NLRP3蛋白水平稍降低。表明CA-074对组织蛋白酶B的蛋白水平无显著影响,但可以降低LPS引起的NLRP3炎症水平增高。

b) 不同转速和负荷条件下,与柴油相比,燃用BD50的NOx排放平均升高了5.44%,炭烟排放平均下降了27.67%;在BD50中添加乙醇后,随着乙醇掺混比的增大,HC排放略有升高,尤其是小负荷工况下,乙醇的高汽化潜热导致HC排放增幅较大,而NOx,CO和炭烟排放明显下降,其中燃用BD50E20的降幅最大,与柴油相比,燃用BD50E20的NOx,CO和炭烟排放分别下降了11.28%,36.15%和68.40%。

参考文献

近年来,甘肃省会宁县委县政府提出了这样的战略思想:“打红色牌,把会宁建成全国红色旅游名城;打绿色牌,把会宁建成陇中绿色产业基地;打金色牌,把会宁建成西北教育名县。”这三张牌,不仅是会宁的三张名片,而且是会宁的三种文化,它传达的是会宁人的一种浓郁的爱乡情怀,它展示出会宁人泥土般的厚重、自然、淳朴而又不乏温情的生存姿态,对会宁人具有重要的聚合价值。我们在班级文化建设中,引导学生深度感知这种文化的内涵,从培养学生的爱乡之情切入,培养学生的爱国情怀和核心素养。

生物柴油和乙醇的热值均比柴油低,燃料热值降低不仅会引起燃油消耗增加,还会导致发动机的动力性下降。图4示出1 400 r/min和2 000 r/min转速下,发动机燃用BD0,BD50,BD50E10和BD50E20时所发出的最大功率。从图中可以看出,与BD0相比,1 400 r/min和2 000 r/min时燃用BD50的最大功率分别下降了5.18%和5.40%,而燃用BD50E20的最大功率分别下降了18.72%和11.08%,说明乙醇的热值较低导致其掺混比越大,发动机动力性下降程度越大。

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为了对混合动力汽车做进一步的阐述,笔者参考了国际能源组织(IEA)的有关文献对混合动力车辆的定义,能量与功率传递路线具有如下特点的车辆称为混合动力车辆。

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调整模型参数,相当于得到不同的模型。合适的参数对于算法结果至关重要。因此,需要调整参数来获得最佳模型。由于本问题“自由变量”比较多,“联合调整”的时间成本比较大。因此,笔者只针对随机森林的“深度”和“子树个数”进行最佳参数的选取(其中深度选取范围是25~32,子树个数选取范围是10~100)。我们采用留一交叉验证算法结果,取平均F-score作为参考值。得到的结果如图1与图2所示。

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比如美国。2015年9月5日举行了第15届国家阅读节,主题是“我的生活里不能没有书”,国会图书馆邀请175位作家、诗人与读者共襄盛举。除了阅读节,美国还把儿童文学作家苏斯(Dr.Seuss)的生日3月2日定为全美诵读日,每年都有数千万人参与阅读与朗诵的活动。

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将发动机的转速分别稳定在1 400 r/min和2 000 r/min,由小到大逐渐增大发动机的负荷,负荷率调节范围在25%~100%之间,在上述两个不同转速下测定了发动机燃用BD0,BD50,BD50E10和BD50E20的负荷特性曲线,对比分析乙醇掺混比对发动机经济性、动力性和排放特性的影响。

泸州航空航天产业园区管委会主任钟华贵告诉《中国经济周刊》记者,四川区域经济板块特征突出,就单一城市而言,目前还未形成真正意义上的经济副中心城市。泸州航空航天产业园区采取主动走出去,与行业内具有世界领先水平的德国、俄罗斯等国家,以及清华大学、北京航空航天大学等国内一流高校合作,进行产学研并进、政军民融合的探索。

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在国内尚无同类专业烟囱软件情况下,本程序可以为设计人员进行整体悬挂式钢内筒烟囱的设计提供便利,同时可以满足现在设计人员对于工程设计智能化计算的要求,该软件还需后续优化完成自动绘图模块,并需要足够的理论支撑才能完成更加合理的软件设计。

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在河套灌区播种期为4月5日时,红花花丝产量和籽实产量均最高,随着播种期推迟花丝和籽实产量降低。种植密度与红花花丝产量和籽实产量之间呈较好的二次抛物线相关关系,获得最高花丝产量和籽实产量的种植密度分别为9.13万株/hm2和9.28万株/hm2。从利润率来看,4月5日播种的利润最高,种植密度为9.20万株/hm2时的利润最高,为35 406元/hm2。可见,在河套灌区以4月5日种植,种植密度9.20万株/hm2为最佳。

耿莉敏,李士杰,李慧梅,陈阳,程清波
《车用发动机》 2018年第2期
《车用发动机》2018年第2期文献

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