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生物乙醇和汽油预混合对生物柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性的

生物乙醇和汽油预混合对生物柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性的

本研究的目的是研究生物乙醇和汽油作为预混合喷射源对双燃料内燃机的燃烧性能和排气排放特性的影响。大豆油的生物柴油是双燃料燃烧的点火源。预混合比在0.2到0.8之间,并且是在总输出能量下计算得到的。使用具有凹入几何形状燃烧室的单缸柴油发动机进行实验。

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  • 详细描述

    生物乙醇和汽油预混合对生物柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性的影响
    摘要
    本研究的目的是研究生物乙醇和汽油作为预混合喷射源对双燃料内燃机的燃烧性能和排气排放特性的影响。大豆油的生物柴油是双燃料燃烧的点火源。预混合比在0.2到0.8之间,并且是在总输出能量下计算得到的。使用具有凹入几何形状燃烧室的单缸柴油发动机进行实验。
    实验结果表明,双燃料燃烧具有更高的最大燃烧压力(Pmax),更短的点火延迟,有着更低的Nox和烟尘的排放这些优点。但是和单燃料燃烧相比它具有更高的HC和CO排放。在双燃料燃烧期间生物乙醇和汽油的比较中,生物柴油 - 生物乙醇双燃料燃烧显示出具有比生物柴油 - 汽油双燃料燃烧更低的Pmax,更长的点火延迟和更高的IMEP。两种双燃料燃烧模式的预混合比的增加不仅增加了点火延迟和IMEP,并降低了Pmax。随着预混比的增加,燃料消耗在生物柴油 - 汽油双燃料燃烧期间增加,但在生物柴油 - 生物乙醇双燃料燃烧期间减少。在生物柴油 - 生物乙醇双燃料燃烧期间Nox显著降低,然而,生物柴油 - 汽油双燃料燃烧对NOx还原具有有限的影响。生物乙醇和汽油预混增加了HC和CO排放。生物柴油 - 生物乙醇双燃料燃烧模式显示出比生物柴油 - 汽油双燃料燃烧模式具有更高的HC排放,并且CO排放水平在两种燃烧模式中相似。
    关键词:生物柴油,生物乙醇,双燃料燃烧,汽油,预混注射比,废气排放。

    在生物乙醇和汽油对生物柴油燃料CI发动机影响的研究中。 双燃料燃烧比单燃料燃烧具有更低的NOx和烟灰。
    生物乙醇预混燃烧显示更长的点火延迟,和更高的IMEP。 生物乙醇或汽油预混合导致HC和CO排放的增加。
    汽油预混燃烧具有比生物乙醇预混燃烧低的HC。

    1. 前言
    我们已经研究了使用替代燃料减少来自机动车辆的污染的方法,以满足强化排放法规; 替代燃料包括常规的生物柴油,二甲醚(DME),沼气和生物乙醇。
    在传统改进的内燃机[1-6]中。 各种先进燃烧技术也得到了发展。改善燃料消耗, 低温燃烧[7,8],均质充量压缩点火(HCCI)燃烧策略[9,10]和双燃料燃烧[11,12]先进的燃烧技术被许多研究组调查,同时NOx和烟粒排放,并且或改善燃料消耗特性。
    ⇑ Corresponding author. Tel.: +82 2 2220 0427; fax: +82 2 2281 5286.
    E-mail address: cslee@hanyang.ac.kr (C.S. Lee).
    http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.08.056
    0306-2619/_ 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    汉森等人 [13]和Kokjohn等人 [14]在柴油双燃料燃烧特性实验和在重型柴油发动机中数值上。 他们观察到可以通过优化来最小化燃料消耗汽油与柴油的比例和燃烧定相为最大53%。许多汽油柴油双燃料燃烧研究显示NOx和烟尘排放的显著减少[15-17]。Yang et al。 [16]比较燃烧和汽油和柴油的直接混合物的排放特性,对于两种燃烧模式:直接混合汽油/柴油和通过预混合汽油喷射进行缸内混合。在他们的实验,他们得出结论,最低的NOx排放通过缸内掺杂与注入柴油,最低的HC通过直接共混物排放。 Curran et al。 [17]透露NOx和烟灰排放同时减少90%,热效率明显提高,汽油/柴油双燃料燃烧在具有单缸的实验中,分析研究柴油机和数值。然而,他们观察到一个多气缸的热效率基于建模和单缸,发动机低于预期结果。他们建议改善周期和双燃料发动机系统优化。 Ryu [18]调查了生物柴油-CCNG双燃料发动机的燃烧和排放特性。 在他的研究中,生物柴油被用作缸内喷射燃料,CNG用作进气道喷射燃料。他专注于学习双燃料燃烧缸内喷射正时影响燃烧和排放特性。他的主要结果是烟雾和NOx可以在生物柴油-CCNG中显著降低双燃料燃烧,与单燃料燃烧的柴油相比,减少了二氧化碳排放。 除了研究汽油柴油双燃料燃烧策略,还有更多双燃料燃烧技术研究,使用沼气,生物柴油,和DME [19-22]。
    在双燃料内燃机系统中,低十六烷值燃料、汽油或沼气通常作为预混合喷射引入燃料,因为它具有高挥发性。这导致混合良好的预混合电荷可以快速蒸发。生物乙醇也可以是良好的预混合燃料,由于其低十六烷值和高氧含量。在使用柴油/生物乙醇混合物中,生物乙醇可用于压缩点火柴油发动机减少颗粒物和NOx排放[23-26]。然而,关于使用生物乙醇作为预混合物的研究中,使用生物乙醇和汽油在作为预混合喷射源的双燃料燃烧系统,并相互比较。在双燃料燃烧中,生物柴油可以用作气缸中预混合燃料的点火源,因为生物柴油燃料比常规柴油具有更高的十六烷值和更高氧含量(约11%)比常规柴油,因此可以相当大减少烟尘排放[27,28]。
    因此,本研究的目的是理解和分析双燃料发动机系统的燃烧性能,点火延迟特性和废气排放特性,使用生物乙醇和汽油作为进气口喷射源。此外,生物乙醇预混合注射的实验结果与汽油预混合注射的各种预混比相比较。 为了控制燃烧相,具有高十六烷值的生物柴油被用作点火源,并将其直接注入燃烧中腔室。
    1. 实验装置
    在本研究中,如图所示使用单缸柴油发动机。 1.测试发动机具有共轨喷射系统,位移体积为373.3cm ,压缩比为17.8,和a凹入的活塞碗形状。发动机转速和喷射正时/数量由DC测力计(55kW)和a定时脉冲发生器(Blue Planet,TPG-28MP)/喷射器驱动器(TEMS,TDA-3300A)。压电换能器(Kistler 6057A80)安装在该位置的气缸盖上以获得缸内压力,其中,用于计算放热速率(ROHR)压力升高(ROPR)和指示的平均有效压力(IMEP)。对于缸内注入生物柴油,博世六孔喷射角度为156°使用喷嘴孔径为0.128mm。为燃烧提供高压生物柴油。为燃烧提供高压生物柴油生物柴油注射系统由a组成共轨,压力控制器,高压泵,燃料过滤器和燃油箱。 列出了详细的发动机规格在表1中。为了将进气与预混燃料(生物乙醇或汽油),单缸柴油机的进气系统如图1所示。 加入预混合室到进气管,以便充分混合进气和预混燃料(生物乙醇或汽油)。 在本研究中,预混燃料是指生物乙醇或汽油燃料,因为生物乙醇和汽油注入预混合室,然后完全与进气混合。 另一方面,生物柴油被命名为本研究中的缸内喷射燃料。 预混燃料通过具有六个孔的直接注射喷射器注射,并由喷射器驱动器(TEMS,TDA-3300A)控制。使用氮气调节预混合燃料的喷射压力气体和压力调节器。 进气流量为使用质量流量控制器(Aalborg GFC-67)。                                   

    研究柴油单燃烧排放双燃料燃烧的测量和分析HC,CO和NO x分析仪(Horiba,MEXA-554JKNOx)。 另外,通过烟灰分析仪(AVL,415-S)测量烟灰发射,使用过滤式烟雾计测量烟灰含量。 测量值显示为过滤器烟雾编号(FSN)。 发射分析仪的详细规格见表表2。
    1. 实验条件和方法
    本研究的目的是调查受生物乙醇的影响和汽油对燃烧和废气排放特性的影响的生物柴油双燃料发动机系统。 生物乙醇(99.9%纯度)和用作预混合注射源的汽油注入预混合室中以进行充分混合与进气。 生物柴油,其衍生自大豆油和直接注入燃烧室,用作点火资源。 生物柴油,生物乙醇,和本研究中使用的汽油列于表3。固定生物柴油和预混燃料的注入压力120MPa和3MPa。
    在预定的曲柄角期间注入预混合的燃料进气冲程和生物柴油的缸内喷射正时控制在BTDC 25︒和TDC因为的燃烧室的几何形状。 燃烧在本研究中使用的具有凹入几何形状的腔室,注射喷雾可以瞄准活塞唇缘,当它围绕BTDC 20触发时[29]。 毫无疑问,喷射目标的精确定时和位置大大取决于发动机运行速度和喷射压力。因此,生物柴油的缸内喷射正时有限从BTDC 25︒ 到TDC以形成充分混合的混合物在活塞碗中。为了研究双燃料燃烧和发射特性,将预混合比(rp)确定为预混合燃料(Qpr)的能量输入到总能量输入(Qt),其可以从以下等式获得:
    在等式 (1),mpr为预混燃料的质量,mDI为质量直接喷射柴油燃料,Hpr是预热的较低热值燃料,HDI是直接注入的生物柴油的较低的热值燃料,并且下标pr和DI是指预混合的和直接喷射燃料。 在本研究中,预混比选择0.2至0.8,步长为0.2,以便进行研究预混比对燃烧和排气的影响发射特性宽预混范围。 此外,总供应燃料能量约为330J /循环。 维护这个总燃料能量,预混合的能量比定向喷射燃料被改变。
    在结果分析中,使用的发射指数(EI)单位烟灰和NOx的分析是基于标准化的排放速率对燃料流量,其可以使用等式 (2)。 的指示的比(IS)单位是污染物的质量流率单位功率输出,如公式 (3)[30]。 在等式 (3),n是发动机转速(rpm)。 发动机转速和进气温度分别为1200rev / min和320±5K。 详细实验条件列于表4。
      
    2. 结果和讨论
    图2描述了预混合的生物乙醇比对的影响燃烧压力,ROHR和ROPR特性生物乙醇被注入到两个缸内的进气口,生物柴油的注入时间(SOEBD =BTDC5α和BTDC20α),生物乙醇预混比与生物柴油的单燃料燃烧结果进行比较(绿色实线)。 如图1所示。 生物乙醇增加比率降低最大燃烧压力(Pmax),并且引起点火延迟,并造成显着在两个生物柴油的ROHR和ROPR的峰值的减少喷射定时。 此外,延长燃烧持续时间可以在ROHR和ROPR的图中容易地观察到提高了预混合生物乙醇的比例。 点火的增加由于预混合生物乙醇比的变化引起的延迟对于生物柴油的高级喷射定时更明显(SOEBD =BTDC20︒)
    点火正时的延迟(延长的点火延迟)由于预混合生物乙醇的增加比率是由高辛烷值燃料(生物乙醇)的增加引起的,其禁止点燃,以及通过生物柴油减少点火源。 延长的点火延迟延迟了点火定时,因此Pmax下降。 此外,燃烧膨胀期间双燃料燃烧模式的压力行程略高于生物柴油中的燃烧压力单燃烧模式由于点火的延迟定时和燃烧持续时间的延长。 这个现象在SOEBD = BTDC 20︒时更清楚。 在比较中ROHR和ROPR,在SOEBD = BTDC 20时的峰值较高
    比那些在SOEBD = BTDC 5︒因为案件先进喷射正时(SOEBD = BTDC20)具有足够的时间来混合直接注入的生物柴油,进气和生物乙醇由于延长的点火延迟通过进气口。另外,直接喷射喷射在BTDC 20︒形式滚动在该测试发动机中沿着活塞壁流动[29]。流动使得空气,生物乙醇和生物柴油的混合物更均匀。因此,在室中发生同时燃烧,这导致较高的峰值ROHR和ROPR。然而,生物柴油喷雾在BTDC 5︒朝向活塞碗,并且分为两个方向[29]。因为显着减少在撞击活塞碗之后的流速,相对不均匀混合物在燃烧筒中形成。这些混合物形成特性被认为影响ROHR和ROPR特性。另一方面,很难见分离的两个燃烧阶段,如预混燃烧部分和混合限制燃烧部分,因为高的注入本研究采用共轨压力系统。因为高压喷射产生良好雾化的燃料 - 空气混合物(预混混合物),它产生短的点火延迟,时间长预混燃烧和减少的混合控制燃烧相。此外,生物柴油具有比常规高的十六烷值柴油燃料,它减少点火延迟和产生快速增加预混燃烧相。汽油的影响预混合比对燃烧压力,ROHR和ROPR如图1所示。 3。与生物乙醇预混的情况不同难以看到预混合对点火延迟的影响。虽然汽油具有高辛烷值和低十六烷值,它具有非常低的自燃温度和潜热与生物乙醇(自燃温度:生物乙醇-423℃,汽油257℃,蒸发潜热:生物乙醇= 854kJ / kg,汽油= 289kJ / kg)。此外,本研究在相同的供应能量下进行条件在所有测试。因此,汽油的喷射量小于生物乙醇,因为较低的加热汽油的值,其具有几乎相同的喷射量的生物柴油(LHV:汽油 - 43.0MJ / kg,生物乙醇 - 27.0MJ /公斤)。在比较喷射量和的特性生物乙醇和汽油中的蒸发潜热,生物乙醇被显示为消耗更多的能量以便蒸发燃烧室;因此,缸内温度由于冷却,减少远远大于汽油情况生物乙醇的影响。缸内温度后汽油的汽化高于汽化后的汽化生物乙醇。因为缸内温度足够高以点燃在燃烧中与空气分布的汽油汽油双燃料燃烧的点火延迟短于生物乙醇双燃料燃烧。此外,小汽油喷射量也是原因比生物乙醇双燃料更短的点火延迟燃烧。
    当生物柴油直接注入BTDC 5时,如图所示图。 如图3(a)所示,燃烧的开始比生物柴油略快单一燃烧。 据推测,压缩汽油混合物与空气预先开始燃烧提前到其低自燃温度。 ROHR和ROPR曲线也显示出类似的模式,以及燃烧持续时间不管预混合汽油比率如何,显示相似的趋势。在BTDC 20的生物柴油注入的情况下,如图所示图。

    5。结论
    在本研究中,生物乙醇和汽油作为预混料的作用注射源对燃烧和排气的排放特性在双燃料中进行了实验研究和分析内燃机系统采用生物柴油作为点火资源。 得出以下结论。
    1.在使用生物乙醇的双燃料燃烧模式下汽油,最大燃烧压力较高,点火延迟比单次燃烧时短模式。 在IMEP分析中,生物柴油 - 生物乙醇双燃料燃烧模式显示比单一燃烧更高的IMEP模式。 然而,生物柴油汽油的比较双燃料燃烧和单燃烧不清楚,而且取决于预混比和缸内喷射正时。另一方面,与单燃烧模式相比,两者的NOx和烟尘排放都显着减少双燃料燃烧模式,而HC和CO排放增加。
    2. 在生物柴油 - 生物乙醇双燃料燃烧模式下,最大燃烧压力随着预混物的增加而降低比。 但是,预混比的增加生物柴油 - 汽油双燃料燃烧诱发类似或轻微增加最大燃烧压力。 同样点火正时,预混燃料源影响不大对最大燃烧压力。
    3. 生物柴油 - 生物乙醇燃烧模式的点火延迟是长于生物柴油 - 汽油燃烧模式。 的增加生物乙醇和汽油的预混比一般点火延迟的增加。 基于点火延迟特性,双燃料燃烧中的净IMEP模式随着预混比的增加而增加。
    4. 当生物乙醇作为预混来源使用时,NOx显着减少到几乎零,然而,汽油预混双燃料燃烧模式对减少的限制的NOx。 在烟尘排放中,双燃料燃烧模式可以降低到超低水平。 另外,HC和CO生物乙醇或汽油预混合产生的排放量增加。 生物柴油 - 生物乙醇双燃料燃烧模式显示较高HC排放比生物柴油 - 汽油双燃料燃烧模式,二氧化碳排放水平在燃烧时相似模式。
    致谢
    这项工作得到了基础科学研究的支持通过韩国国家研究基金会计划(NRF)由教育科学技术部资助(号2013026608和201-0025295)
    附录A
    见图一个
    参考文献
     
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