改性生物基燃油对车用柴油机NO排放影响的研究

发布时间：2020-04-15 08:04

【摘要】：生物基燃油作为车用柴油机替代燃料,对缓解石化能源危机有重要意义,对降低碳烟、一氧化碳等排放有明显效果,但对氮氧化物(NO)的排放控制始终是重点和难点。本文在组分分析、特征燃油构建研究的基础上,通过化学动力学计算与试验相结合的方法,深入研究了组分特征及组分构成对生物基燃油NO排放特性的影响,为生物基燃油推广中降低NO排放提供理论及试验依据,对类似生物燃料的NO排放特性研究也有重要参考价值。主要研究内容及结论如下:1、开展了大豆油脂快速热裂解生物基燃油(SPBF)的替代组分研究,构建了SPBF替代燃油模型。通过GC-MS分析,指出短链脂肪酸甲酯含量的上升和不饱和组分比重的下降是SPBF区别与生物柴油的典型组分特征。在六种典型组分基础上,确定了SPBF的五种替代组分,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)。通过引入不饱和组分(MD9D)和短碳链组分(MO),分别构建了具有显著不饱和度特征和显著短碳链特征的生物燃油,MD blend A和MD blend B。根据SPBF的含氧量特征和不饱和度特征,确定了五种替代组分的掺混比,构建了SPBF的替代燃油模型MD blend C。2、开展了SPBF替代组分及特征油的NO排放特性仿真计算研究,验证了替代燃油模型在NO生成量方面对SPBF具有良好的替代性。基于零维封闭均质燃烧模型,在温度及当量比可变的燃烧初始条件下,对比研究了饱和组分(MD)与不饱和组分(MD9D)、MD blend A和MD blend B的NO排放特性;以及各替代组分和特征掺混油的燃烧滞燃期变化规律,研究结论可作为构建SPBF替代方案的理论基础,即MD blend C的构建,基于内燃机(HCCI)模型,从NO生成量和着火延迟期方面验证了MD blend C对SPBF具有良好的替代性。3、进行了单组份和多组分掺混的生物质燃料油的试验研究,为SPBF的车用柴油机排放特性分析提供了数据支撑。根据六种典型组分,选定短链组分辛酸甲酯(MO)、饱和长链组分棕榈酸甲酯(C_(17)H_(34)O_2)、不饱和组分油酸甲酯(C_(19)H_(36)O_2)以及0~#国五柴油作为试验用油,与替代组分对应一致。按照含氧量与SPBF等同的原则,构建了表示不同饱和度特征和碳链长度特征的混合油,CBD-2和CBD-3,以及生物质均等掺混的CBD-1。试验数据量化了分子结构特征差异对NO排放影响,为SPBF的车用柴油机排放特性分析提供了数据支撑。特定工况下CBD-2和CBD-3表现出的高放热率、高放热量、高NO排放量,表明了含有特定比例的棕榈酸甲酯和油酸甲酯对燃烧有着特殊的促进作用。CBD-1的燃烧特征表明了组分之间存在抑制燃烧化学反应效率的可能。中低转速及低负荷下单一生物质组分与柴油的掺混油能减少NO排放,短链组分含量的增加及不饱和度的下降有利于降低NO的排放。4、开展了SPBF发动机台架试验,验证了本文构建的SPBF替代燃油的有效性。由SPBF与柴油掺混生成B10、B20、B30,全负荷工况低转速下,有效抑制了NO生成,与单组份的模拟计算结果和试验结果相一致,减排效果依次是B10、B20、B30。转速高于2000rpm时,增大了NO排放,依次是B10、B30、B20。试验数据分别与MD blend C的模拟计算数据以及组分掺混燃油的试验数据对比,表明NO排放规律基本一致。
【图文】：

成分浓度,发动机性能,变化率,生物柴油

（J20）、20%的椰子生物柴油与80%的石化柴油混合（C20）、20%的棕榈和椰子生物柴油与80%的石化柴油混合（PC20）、20%的麻风树果、棕榈和椰子生物柴油与80%的石化柴油混合（JPC20）。NOx排放规律如图1-2所示，对比可以看出生物燃油原料的差异，对NOx排放影响并不一致。棕榈生物柴油（PB）和含有棕榈酸甲酯的掺混生物柴油（JPCB）在3000rpm以下减少了NO的排放，且在低转速下效果更明显，这一研究结论说明了棕榈酸生物柴油的组分不同于其他原料的生物柴油。表1-2 试验用发动机参数Tab1-2 Test engine parameters发动机参数指标试验一用机试验二用机类型直列四行程水冷柴油机直列四行程水冷柴油机汽缸数 4 4缸径×行程（mm） 98×110 91.1×95排量（L） 3.32 2.477压缩比 22.6 21.1燃烧系统 Ε-TVCS 传统泵油进气系统自然进气涡轮增压功率（KW/rpm） 50.7/2600 42KW/3500由于试验用生物柴油的原料不同，，生物柴油的具体燃油成分也有差异，影响到发动机的性能和排放特性。对照石化柴油，各排放成分的变化率如图1-2所示。两项试验的发动机参数见表1-2。实验一用到的发动机为自然吸气，节流式喷油器，喷油压力为13.7MPa，喷油提前角为上止点前12度。试验二用了进气增压发动机，喷油压力为15.7MPa。通过对比发现两者最主要的区别是进气系统的增压以及最高转速

技术路线图

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【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464.172

【参考文献】