第42卷第2期小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車VoL 42 No. 22013年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2013生物柴油熱重分析及柴油機(jī)試驗(yàn)研究肖淑梅·2孫平梅德清張銳(1-江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江2120132-揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)汽車與電氣系)摘要:利用熱重分析儀在氮?dú)饧把鯕鈿夥障?對(duì)生物柴油和0#柴油進(jìn)行熱分析,考查了樣品的揮發(fā)熱解及氧化特性,并計(jì)算熱分析特性參數(shù)。對(duì)兩種燃料進(jìn)行了柴油機(jī)臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn),并對(duì)燃燒特性數(shù)椐進(jìn)行分析。結(jié)果表明:生物柴油有良好的替代性;生物柴油的燃燒性能更加優(yōu)越,使用在柴油機(jī)上時(shí),較為提前的著火延遲期可以使柴油機(jī)工作柔和,不粗暴。熱重法對(duì)燃料蒸發(fā)性能的硏究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)霧化蒸發(fā)和燃燒過(guò)程有著指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:生物柴油熱重分析臺(tái)架試驗(yàn)柴油機(jī)中圖分類號(hào):S216.4;F325.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-0630(2013)02-007-05The Study on Thermo-Gravimetric analysis andDiesel Engine Test of BiodieselXiao Shumei, Sun Ping, Mei Deqing,Zhang RuiI-School of Automobile Engineering, Jiangsu University( Zhenjiang, Jiangsu, 212013, China)2-Department of Automobile and Electrical Engineering, Yangzhou Polytechnic CollegeAbstract: The thermo-gravimetric analyses of biodiesel and 0# diesel were carried out in N, and O2 atmos-phere. The volatility, pyrolysis and combustion characteristics were determined, and the parameters of thethermo-gravimetric analysis were calculated. The two kinds of fuel were tested on engine test bench and the re-sults were analyzed. The results indicated that the biodiesel shows good substitutable significance; its combus-tion is better: Earlier ignition delay makes diesel engine work softly, not crudely. The thermo-gravimetric analysis methods on fuel evaporation performance have the guiding significance for spray mixing and burningprocess in a diesel engine.Keywords: Biodiesel, Thermo-gravimetric analyses, Bench test, Diesel engine引言用已經(jīng)得到了較大的發(fā)展。生物柴油所含的雙鍵數(shù)目在石油資源日益耗竭和油價(jià)不斷攀升的今天,積少,分子中含氧量較高,含碳支鏈數(shù)目少或沒有使得極尋求可再生的清潔替代能源,具有非常重大的意義。生物柴油有較好的燃燒特性。生物柴油技術(shù)是近十年來(lái)新能源研制和開發(fā)的熱點(diǎn)。目前對(duì)生物柴油能提高柴油機(jī)熱效率,減少尾氣作為一種優(yōu)質(zhì)的代用燃料,生物柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)中煙塵顆粒N中國(guó)煤化工點(diǎn)已經(jīng)達(dá)成共CNMHG*甚金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50976051);揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)科研基金項(xiàng)目(1la07)。作者簡(jiǎn)介:肖淑梅(1975-),女博士研究生,主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料及排放控制。小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車第42卷識(shí),但因其組成的復(fù)雜性,生物柴油的物理化學(xué)特性及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響機(jī)理尚未完全清楚,研究方向限于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒與排放測(cè)試。生物柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)各沖程階段的詳細(xì)機(jī)理,尤其是早期的蒸發(fā)和熱解性能,尚少涉及。柴油機(jī)內(nèi)燃料油膜很薄,鋪展在壁面上,受熱近似均勻,升溫迅速,實(shí)際情況非常接近熱重分析儀的狀態(tài)和環(huán)境,所以,本研究采用熱重分析法并結(jié)合AVL臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng),比對(duì)一般市售石化柴油,深入分析生物柴油的蒸發(fā)、熱解和其在柴油機(jī)內(nèi)燃燒圖2 TGA/DSC1型熱重分析儀爐體的性能本質(zhì)特征。1熱重試驗(yàn)設(shè)備與方法量過(guò)程中的熱流變化規(guī)律。試驗(yàn)中天平室必須處于恒試驗(yàn)采用了瑞士 METTLER公司的 TGA/DSCI型溫狀態(tài)以保證信號(hào)的重復(fù)性,必須使用外接恒溫浴槽。采用熱重分析法對(duì)柴油機(jī)用燃油進(jìn)行分析時(shí),燃熱重分析儀。圖1是其結(jié)構(gòu)示意圖。儀器包含天平油樣品質(zhì)量?jī)H為數(shù)毫克至數(shù)十毫克,在坩堝內(nèi)以非常室加熱爐(見圖2)和儀器室三大裝置,與終端智能顯薄的油膜形式存在。在柴油機(jī)冷起動(dòng)工況,直噴柴油示屏相連。系統(tǒng)內(nèi)一臺(tái)高精度的梅特勒-托利多天機(jī)活塞頂表面的最大油膜厚度會(huì)大于200μm。試平,用來(lái)測(cè)量樣品重量變化信號(hào);熱傳感器直接安裝在驗(yàn)前,可以根據(jù)鉗渦底面尺寸和燃油樣品質(zhì)量及密度測(cè)量單元中,能同時(shí)提供差式掃描量熱信號(hào)(DSC),測(cè)等參數(shù),計(jì)算出油膜厚度,從而精確模擬一般冷啟動(dòng)工測(cè)量線路單元況下,燃油的蒸發(fā)和熱解狀態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程中的升溫速檢測(cè)器率能夠精確控制在0.1℃/min至300℃/min之間,多顯示系統(tǒng)項(xiàng)研究結(jié)果表明,100℃/min的加熱速率與冷起動(dòng)過(guò)程中活塞溫度的升高速率相近似3,所以,試驗(yàn)中將測(cè)溫系統(tǒng)電熱爐采用100℃/min的加熱速率。程序控制單元本試驗(yàn)采用的生物柴油原料為地溝油,經(jīng)酯交換反應(yīng)處理后轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯,由恒順達(dá)生物柴油有氣氛控制單元限公司提供,其結(jié)構(gòu)為R-COOR。石化柴油為中石圖1熱重分析儀結(jié)構(gòu)示意圖化市售0號(hào)柴油。兩者的理化性質(zhì)參數(shù)見表1。表1柴油、生物柴油理化性質(zhì)密度(20℃)/運(yùn)動(dòng)粘度(40℃)汽化熱含氧量/低熱值項(xiàng)目沸點(diǎn)/℃閃點(diǎn)/℃十六烷值(kg·L-1)(kJ·kg)(%)(M·kg2)柴油0.82-0.86180-37065~88生物柴油0.8964.972624101412.12熱重試驗(yàn)結(jié)果與分析(dM/dT其中揮發(fā)指數(shù):V圖3和圖4分別為試驗(yàn)所得到的柴油和生物柴油T·W2燃燒指數(shù):V在不同氣氛下的TG(失重)、DTG(失重率)曲線,表2(dM/dr)中國(guó)煤化工T·W,的DTG曲線峰CNMHG為試驗(yàn)和計(jì)算所得柴油與生物柴油的熱重特性參數(shù)。值對(duì)應(yīng)的最大失重速率,速率為正,單位為mg/s;W第2期肖淑梅等:生物柴油熱重分析及柴油機(jī)試驗(yàn)研究為DTG曲線峰值寬度的一半,K;T為樣品起始失重比較由圖3可知,生物柴油在245℃時(shí)才開始失溫度,K;Te為樣品起始燃燒溫度,K。重,遠(yuǎn)高于柴油的110℃,參看表1得知,生物柴油的密度、運(yùn)動(dòng)粘度、沸點(diǎn)和汽化熱均大于柴油,即生物柴10油中高碳碳鏈數(shù)目多于柴油,分子質(zhì)量大,受熱后在低0.02-0.04溫區(qū)難以較快蒸發(fā);運(yùn)動(dòng)粘度是流體內(nèi)部阻礙其相對(duì)-0.08運(yùn)動(dòng)的一種特性,是衡量燃料流動(dòng)性能及霧化性能的柴油TG重要指標(biāo),在熱重分析儀中,燃料以油膜態(tài)制備,生物B1OOTG柴油DTG-02E柴油較大的運(yùn)動(dòng)粘度顯然阻礙了大分子長(zhǎng)鏈酯類物質(zhì)--BEOODTG0.16-0.的汽化性能,導(dǎo)致蒸發(fā)慣性降低;要形成良好的霧化,117163208254300346392必須吸收更多的汽化熱量,使得生物柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)起溫度/℃圖3柴油、生物柴油在N2氣氛下的TG、DG曲線動(dòng)階段早期,綜合性能不如石化柴油,柴油機(jī)使用生物柴油,需要采用種種措施提高起動(dòng)溫度,改善低溫起動(dòng)性能。部分文獻(xiàn)也證明了,與降低油膜厚度相比,提高10升溫速率對(duì)縮短油膜蒸發(fā)時(shí)間的作用更加明顯。02比較圖3,可知生物柴油的最大失重速率接近為石化柴油的兩倍,失重半峰寬極窄,揮發(fā)指數(shù)為柴油的柴油TGBoOT三倍左右,說(shuō)明生物柴油一旦開始蒸發(fā)失重,即在較短---B1OODTG時(shí)間內(nèi)揮發(fā)完畢,圖4的O2氣氛下,生物柴油陡峭的-0.82571117163208254300346392失重線,也同時(shí)證明了這一點(diǎn)。分析原因,本試驗(yàn)所用溫度/℃生物柴油來(lái)源于地溝油,經(jīng)酯交換反應(yīng)處理后,形成圖4柴油、生物柴油在O2氣氛下的TG、DTG曲線種由多種脂肪酸甲酯( fatty acid methylester)構(gòu)成的復(fù)表2柴油與生物柴油的熱重特性參數(shù)比較雜混合物S,其成分可由氣質(zhì)聯(lián)用儀分析色譜柱得燃料到。見下表3。柴油生物柴油特性參數(shù)不難發(fā)現(xiàn)其中占主要成分的是油酸甲酯(C1s1)、亞油酸甲酯(C1a)、棕櫚酸甲酯(C16a)以及硬脂酸起始失重溫度℃110245甲酯(C180),它們占據(jù)了整個(gè)成分的86.41%,這四終了失重溫度℃263者的摩爾質(zhì)量分別為296.49g/mol、294.48g/mol揮發(fā)最大失重速率270.45g/mol、298.5lg/mol,根據(jù)結(jié)晶理論,摩爾質(zhì)參數(shù)(dM(d)=)/(mg·s")/0.0g特性量影響分子間作用力,對(duì)同系物而言,摩爾質(zhì)量越大,分子間作用力越大。即相同摩爾質(zhì)量的同系物失重半峰寬(Wn)/K其分子間作用力接近相同。上述四種脂肪酸甲酯的揮發(fā)指數(shù)(V)287×106744×106摩爾質(zhì)量非常接近,因此在熱重分析儀環(huán)境下,當(dāng)溫起始失重溫度/℃240度達(dá)到某個(gè)值時(shí)(受不同氣氛、不同加熱速率的影起始氧化溫度/℃響,此溫度值是不同的),本試驗(yàn)的生物柴油的主要氧化成分將幾乎同時(shí)發(fā)生克服分子間作用力,發(fā)生汽化特性最大失重速率參數(shù)(dM/dr)=)/(mg·s-)0.03失重,故而表現(xiàn)為失重速率的迅速增大和失重帶寬的大幅度減V凵中國(guó)煤化工摩爾質(zhì)量分布失重半峰寬(Wa)/K19較廣,所以CNMHG時(shí)說(shuō)明,對(duì)于由燃燒指數(shù)(V)108×012×0單一來(lái)源制成的生物柴油,如菜籽油生物柴油、玉米10小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車第42卷油生物柴油、大豆油生物柴油、棕櫚油生物柴油、花281℃,這表示本試驗(yàn)的生物柴油,在極短的時(shí)間內(nèi),完生油生物柴油等,應(yīng)該同樣具有較大的失重速率和成揮發(fā)與氧化,這兩個(gè)過(guò)程交疊存在。生物柴油重質(zhì)狹窄的失重帶寬,而來(lái)源混合夾雜的生物柴油,則與成分多,反應(yīng)較復(fù)雜,熱分解階段物理和化學(xué)反應(yīng)是合石化柴油一樣,不具備此性能。這種性能對(duì)于生物在一起的。短暫的失重時(shí)段也體現(xiàn)了生物柴油比石化柴油的很高的失重起始溫度而言,其實(shí)是個(gè)補(bǔ)償,能柴油更加優(yōu)良的燃燒特性,從表2燃燒指數(shù)的比較也形成良好的混合氣。能得到這一結(jié)論。3發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)表3本試驗(yàn)用生物柴油成分試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為YZ402QF直噴式柴油機(jī)。其主組分名稱%要技術(shù)參數(shù)如表4所示。試驗(yàn)時(shí)沿用原機(jī)的供油系羊脂酸甲酯(Co0)0.15統(tǒng),為保持原機(jī)的動(dòng)力性,適當(dāng)增加了循環(huán)供油量。試月桂酸甲酯(C20)0.28驗(yàn)用儀器設(shè)備見表5。豆蔻酸甲酯(C140)1.72表4柴油機(jī)主要參數(shù)十五烷酸甲酯(C15。o)0.1型號(hào)YZA102QF棕櫚酸甲酯(C50)型式直噴式、四沖程十七烷酸甲酯(C10)氣缸數(shù)硬脂酸甲酯(Co)8.70氣缸直徑/mm102花生酸甲酯(C20)0.49活塞行程/mm118棕櫚油酸甲酯(Cs)3.14壓縮比17.5:1油酸甲酯(C1s)36.80總排量/L3.857二十碳烯酸甲酯(Ca,)0.70額定功率/kW70.6芥酸甲酯(C21)0.31最大扭矩/(N·m)245亞油酸甲酯(C12)21.18表5發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備二十碳二烯酸甲酯(C202)0.16設(shè)備名稱型號(hào)亞麻酸甲酯(C1s3)氣缸壓力采集系統(tǒng)DEWE-2010 DAQ山崳酸甲酯(C20)0.40測(cè)功機(jī)AVLAlpha 335觀察圖4的DCT圖線,可以看出石化柴油在氧氣煙度計(jì)AVL 435氣氛下可分為兩個(gè)失重階段,1)初始階段的失重為主油耗儀AVL 73要成分的揮發(fā)過(guò)程,此階段對(duì)應(yīng)溫度段為95~227℃尾氣分析系統(tǒng)Honba meXA-7200D最大失重速率出現(xiàn)在210℃,整個(gè)過(guò)程失重76%,2)第二階段發(fā)生氧化燃燒,在245℃達(dá)到最大失重速率,此研究采用對(duì)比試驗(yàn)的方法深人研究石化柴油和生階段溫度段為227~264℃,整個(gè)過(guò)程失重24%。兩個(gè)物柴油的缸內(nèi)燃燒和排放特性。本文僅對(duì)兩者的燃燒階段間隙失重速率有輕微下降,這是因?yàn)樵诎l(fā)生氧化特性做比較。中國(guó)煤化工燃燒的預(yù)備期,需要大量吸熱造成的。4試驗(yàn)結(jié)從1 CNMHG然而生物柴油只有一個(gè)明顯的失重區(qū),為266圖5為n=2000/min、p=0.782MPa時(shí)生物柴油第2期肖淑梅等:生物柴油熱重分析及柴油機(jī)試驗(yàn)研究與0#柴油燃燒特性的比較。由缸內(nèi)壓力圖可知,柴油非常容易燃燒,在柴油機(jī)著火延遲期,剛噴出少量生物與生物柴油的缸壓曲線接近相同;但瞬間壓力升高率柴油時(shí),即發(fā)生燃燒,所以著火提前,且最大壓升率低,圖表明:生物柴油比柴油的著火延遲期早約2°CA,且對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)表現(xiàn)工作柔和不粗暴。對(duì)應(yīng)的最大壓力升高率低。這個(gè)現(xiàn)象可以用熱重試驗(yàn)放熱率曲線表明:生物柴油比石化柴油的初期放解釋:在高溫區(qū),生物柴油很高的失重速率和狹窄的失熱量少,瞬時(shí)放熱率低。這是因?yàn)樯锊裼徒M分的重重帶寬顯示出其燃燒性能優(yōu)越于普通石化柴油,因此質(zhì)成分多,造成裂解汽化熱大,見表1。所以在升溫的過(guò)程中需吸收更多的熱量,因而造成這一現(xiàn)象。1005結(jié)論80柴油1)熱重試驗(yàn)表明,低溫階段,生物柴油的霧化和蒸發(fā)性能不如石化柴油。但在高溫區(qū),生物柴油能在較短時(shí)段內(nèi)揮發(fā)完畢。2)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和放熱規(guī)律表明,生物柴油對(duì)40-20020406080100120140q/°CA于普通石化柴油有良好的替代性。在相同的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷下,生物柴油的著火延遲期比石化柴油短;初始階段生物柴油的放熱率較低;生物柴油開始放熱時(shí)刻較早。129生物3)熱重法研究燃料的蒸發(fā)性能,其結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)一致。參考文獻(xiàn)I Stanton WD, Rutland JC. 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