生物柴油分子結構對燃油噴射特性及發(fā)動機性能的影響研究.pdf

1、人類社會日益增長的石化燃料需求造成了世界范圍內的能源短缺、環(huán)境污染問題，為了解決這一日益加劇的矛盾，積極開發(fā)和利用綠色、清潔、高效的可再生能源，持續(xù)降低內燃機排放成為當前能源與環(huán)境領域的一個重要的課題，生物柴油在柴油機上的應用研究日趨重要。由于生物柴油中脂肪酸甲酯的分子結構，如碳鏈長度、雙鍵數(shù)目、飽和程度等對燃料的十六烷值、粘度、低溫流動性和氧化安定性等性能起著決定作用，進而影響柴油機的噴射霧化、燃燒和排放特性，因此本文從生物柴油微觀分

2、子結構方面入手，開展了柴油機燃用生物柴油的噴射過程、燃燒和性能研究。
　　首先針對電控高壓共軌系統(tǒng)，利用AVL-HYDSIM軟件搭建了噴射過程模型，研究了石化柴油、月桂酸甲酯（C12:0）、硬脂酸甲酯（C18:0）、油酸甲酯（C18:1M）和油酸乙酯（C18:1E）等不同分子結構的脂肪酸甲酯的噴射過程，主要包括碳鏈長度、雙鍵個數(shù)和飽和程度等對噴射過程的影響。研究結果表明，利用模型計算的值與試驗值相吻合。石化柴油、月桂酸甲酯和硬脂酸

3、甲酯三種燃料的噴油速率曲線形狀相似，噴油始點差別不大，三種燃料的噴油終點依次延后；最大噴油速率依次增大；循環(huán)噴油量依次增加；循環(huán)噴射能量先減小再增加。短碳鏈的月桂酸甲酯的循環(huán)噴油量和循環(huán)噴射能量均低于長碳鏈的硬脂酸甲酯。硬脂酸甲酯、油酸甲酯和油酸乙酯三種燃料的最大噴油速率曲線波動形狀也相似，噴油始點和噴油終點依次提前；噴油終點差別更明顯；最大噴油速率、循環(huán)噴油量均先降低再增加；循環(huán)噴射能量依次降低。
　　在燃油噴射過程的研究基礎上

4、，進一步利用AVL-BOOST軟件建立了直列六缸增壓中冷柴油機的整機計算模型，分別對發(fā)動機燃用月桂油酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯和油酸乙酯燃料進行了研究。研究結果表明，當碳鏈長度由12增加為18時，硬脂酸甲酯的缸內壓力曲線、溫度曲線相位均比月桂酸甲酯提前，壓力峰值升高，石化柴油的缸內壓力曲線相位最后，壓力峰值最高。月桂酸甲酯和硬脂酸甲酯的壓力升高率曲線最大幅值相近，均明顯小于石化柴油的最大幅值，燃燒柔和。石化柴油、月桂酸甲酯和硬脂酸甲酯

5、的最高缸內溫度依次升高，隨著曲軸轉角的變化，差別變得明顯。與月桂酸甲酯相比，碳鏈長度增加，硬脂酸甲酯的燃燒持續(xù)期變長，燃燒靠后，后燃增加，排氣溫度增加，排氣壓力降低，有效燃油消耗率增加，NOx排放降低。月桂酸甲酯的NOx排放均高于石化柴油，而硬酯酸甲酯的NOx排放略低于石化柴油。與包含一個雙鍵的油酸甲酯相比，分子結構中不包含雙鍵的硬脂酸甲酯的缸內壓力曲線相位略早，兩者的峰值相近，油酸乙酯的相位略早，缸內壓力峰值較低。硬酯酸甲酯、油酸甲酯

6、和油酸乙酯的壓力升高率最大幅值相近，燃燒粗暴程度相似；三者的缸內溫度曲線相位依次延后，最高缸內溫度依次降低，隨著曲軸轉角的變化，差別變得明顯。硬脂酸甲酯、油酸甲酯和油酸乙酯的燃燒持續(xù)期依次縮短，后燃減少，排氣溫度降低，排氣壓力均依次增加，有效燃油消耗降低。對于三種燃料而言，油酸甲酯的NOx排放最高，其次為硬酯酸甲酯，油酸乙酯的NOx排放最低。
　　進一步將脂肪酸甲酯碳鏈長度較長、不飽和程度高的菜籽油生物柴油RME，碳鏈長度較短、不

7、飽和程度較低的棕櫚油生物柴油PME和碳鏈長度居中、不飽和程度較高的大豆油生物柴油SME分別與石化柴油混合，進行發(fā)動機性能研究，考察混合比例、發(fā)動機工況、生物柴油種類等對發(fā)動機缸內燃燒特性、有效燃油消耗率、排氣溫度和NOx排放特性的影響規(guī)律，并與燃用石化柴油的發(fā)動機性能進行了對比。研究結果表明，隨著混合燃料中菜籽油比例的增加，缸內壓力峰值依次降低，峰值相位依次提前；最高缸內溫度略降低，壓力升高率最大幅值逐漸變小，燃燒變柔和；而有效燃油消耗

8、率、排氣溫度和NOx排放均依次增加。石化柴油中分別摻混大豆油和棕櫚油，摻混比例對缸內燃燒、油耗率、排溫和NOx排放等性能的影響與摻混菜籽油的影響規(guī)律相似，但影響的程度不同。缸內壓力峰值和壓力升高率最大幅值由高到低依次為石化柴油、RME40、SME40和PME40；而最高缸內溫度由高到低卻依次為石化柴油、PME40、RME40和SME40。無論在石化柴油中摻混菜籽油、大豆油還是棕櫚油，摻混后有效燃油消耗率、排氣溫度均增加，而且摻混大豆油時