改性生物基燃油對車用柴油機NO排放影響的研究

發(fā)布時間：2020-04-15 08:04

【摘要】：生物基燃油作為車用柴油機替代燃料,對緩解石化能源危機有重要意義,對降低碳煙、一氧化碳等排放有明顯效果,但對氮氧化物(NO)的排放控制始終是重點和難點。本文在組分分析、特征燃油構(gòu)建研究的基礎(chǔ)上,通過化學動力學計算與試驗相結(jié)合的方法,深入研究了組分特征及組分構(gòu)成對生物基燃油NO排放特性的影響,為生物基燃油推廣中降低NO排放提供理論及試驗依據(jù),對類似生物燃料的NO排放特性研究也有重要參考價值。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:1、開展了大豆油脂快速熱裂解生物基燃油(SPBF)的替代組分研究,構(gòu)建了SPBF替代燃油模型。通過GC-MS分析,指出短鏈脂肪酸甲酯含量的上升和不飽和組分比重的下降是SPBF區(qū)別與生物柴油的典型組分特征。在六種典型組分基礎(chǔ)上,確定了SPBF的五種替代組分,葵酸甲酯(MD)、9-葵烯酸甲酯(MD9D)、5-葵烯酸甲酯(MD5D)、辛酸甲酯(MO)、正庚烷(n-heptane)。通過引入不飽和組分(MD9D)和短碳鏈組分(MO),分別構(gòu)建了具有顯著不飽和度特征和顯著短碳鏈特征的生物燃油,MD blend A和MD blend B。根據(jù)SPBF的含氧量特征和不飽和度特征,確定了五種替代組分的摻混比,構(gòu)建了SPBF的替代燃油模型MD blend C。2、開展了SPBF替代組分及特征油的NO排放特性仿真計算研究,驗證了替代燃油模型在NO生成量方面對SPBF具有良好的替代性。基于零維封閉均質(zhì)燃燒模型,在溫度及當量比可變的燃燒初始條件下,對比研究了飽和組分(MD)與不飽和組分(MD9D)、MD blend A和MD blend B的NO排放特性;以及各替代組分和特征摻混油的燃燒滯燃期變化規(guī)律,研究結(jié)論可作為構(gòu)建SPBF替代方案的理論基礎(chǔ),即MD blend C的構(gòu)建,基于內(nèi)燃機(HCCI)模型,從NO生成量和著火延遲期方面驗證了MD blend C對SPBF具有良好的替代性。3、進行了單組份和多組分摻混的生物質(zhì)燃料油的試驗研究,為SPBF的車用柴油機排放特性分析提供了數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)六種典型組分,選定短鏈組分辛酸甲酯(MO)、飽和長鏈組分棕櫚酸甲酯(C_(17)H_(34)O_2)、不飽和組分油酸甲酯(C_(19)H_(36)O_2)以及0~#國五柴油作為試驗用油,與替代組分對應一致。按照含氧量與SPBF等同的原則,構(gòu)建了表示不同飽和度特征和碳鏈長度特征的混合油,CBD-2和CBD-3,以及生物質(zhì)均等摻混的CBD-1。試驗數(shù)據(jù)量化了分子結(jié)構(gòu)特征差異對NO排放影響,為SPBF的車用柴油機排放特性分析提供了數(shù)據(jù)支撐。特定工況下CBD-2和CBD-3表現(xiàn)出的高放熱率、高放熱量、高NO排放量,表明了含有特定比例的棕櫚酸甲酯和油酸甲酯對燃燒有著特殊的促進作用。CBD-1的燃燒特征表明了組分之間存在抑制燃燒化學反應效率的可能。中低轉(zhuǎn)速及低負荷下單一生物質(zhì)組分與柴油的摻混油能減少NO排放,短鏈組分含量的增加及不飽和度的下降有利于降低NO的排放。4、開展了SPBF發(fā)動機臺架試驗,驗證了本文構(gòu)建的SPBF替代燃油的有效性。由SPBF與柴油摻混生成B10、B20、B30,全負荷工況低轉(zhuǎn)速下,有效抑制了NO生成,與單組份的模擬計算結(jié)果和試驗結(jié)果相一致,減排效果依次是B10、B20、B30。轉(zhuǎn)速高于2000rpm時,增大了NO排放,依次是B10、B30、B20。試驗數(shù)據(jù)分別與MD blend C的模擬計算數(shù)據(jù)以及組分摻混燃油的試驗數(shù)據(jù)對比,表明NO排放規(guī)律基本一致。
【圖文】：

成分濃度,發(fā)動機性能,變化率,生物柴油

（J20）、20%的椰子生物柴油與80%的石化柴油混合（C20）、20%的棕櫚和椰子生物柴油與80%的石化柴油混合（PC20）、20%的麻風樹果、棕櫚和椰子生物柴油與80%的石化柴油混合（JPC20）。NOx排放規(guī)律如圖1-2所示，對比可以看出生物燃油原料的差異，對NOx排放影響并不一致。棕櫚生物柴油（PB）和含有棕櫚酸甲酯的摻混生物柴油（JPCB）在3000rpm以下減少了NO的排放，且在低轉(zhuǎn)速下效果更明顯，這一研究結(jié)論說明了棕櫚酸生物柴油的組分不同于其他原料的生物柴油。表1-2 試驗用發(fā)動機參數(shù)Tab1-2 Test engine parameters發(fā)動機參數(shù)指標試驗一用機試驗二用機類型直列四行程水冷柴油機直列四行程水冷柴油機汽缸數(shù) 4 4缸徑×行程（mm） 98×110 91.1×95排量（L） 3.32 2.477壓縮比 22.6 21.1燃燒系統(tǒng) Ε-TVCS 傳統(tǒng)泵油進氣系統(tǒng) 自然進氣渦輪增壓功率（KW/rpm） 50.7/2600 42KW/3500由于試驗用生物柴油的原料不同，，生物柴油的具體燃油成分也有差異，影響到發(fā)動機的性能和排放特性。對照石化柴油，各排放成分的變化率如圖1-2所示。兩項試驗的發(fā)動機參數(shù)見表1-2。實驗一用到的發(fā)動機為自然吸氣，節(jié)流式噴油器，噴油壓力為13.7MPa，噴油提前角為上止點前12度。試驗二用了進氣增壓發(fā)動機，噴油壓力為15.7MPa。通過對比發(fā)現(xiàn)兩者最主要的區(qū)別是進氣系統(tǒng)的增壓以及最高轉(zhuǎn)速

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