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劉紅梅，趙旭毅，李江，楊璐
）長安大學汽車學院，陜西西安710064）
摘要：為了研究油酸甲酯乙醇混合燃料在柴油機上的應用，在一臺單缸直噴柴油機上進行100%油酸甲酯（YSME）和5%無水乙醇+95%油酸甲酯（E5）燃燒特性、經濟性與排放特性對比試驗，分析了柴油機燃用兩種燃料時的燃燒壓力、放熱率、經濟性和排放特性。結果表明，與YSME相比，發動機轉速n為1500r/min、負荷Pme為0.531MPa時，E5最大燃燒壓力和最大燃燒放熱率均有所增加；在小負荷時，E5有效燃油消耗率和有效能量消耗率增加，在中等負荷時接近，在大負荷時略有減少；NOx與HC排放增加；碳煙與CO排放明顯降低。
隨著石油資源的日益枯竭，人們意識到應擴展對可再生能源的探索。生物柴油是指以種植或野生油料作物提煉的植物油脂及各類動物油脂、廢棄餐飲油等為原料油，通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料。由于生物柴油與普通礦物柴油的理化特性比較接近，大量試驗證明，可供內燃機使用。目前由于以價格為主的多方面原因，純生物柴油應用較少，大多是以一定的比例和礦物柴油混合形成生物柴油與礦物柴油的混合燃料。
目前國內外專家學者對各種原料生物柴油的燃燒特性和排放特性進行了深入研究。生物柴油是由各種脂肪酸甲酯組成的，一般生物柴油都含有棕櫚樹甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯等，其中油酸甲酯是各種原料生物柴油的主要組分之一。該文在油酸甲酯中摻入乙醇形成混合燃料，對比兩種燃料的燃燒特性、經濟性與排放特性，為豐富柴油機替代燃料提供一定的思路。
1試驗發動機與測試儀器
燃燒特性試驗所用發動機及相關測試儀器見表1和表2，兩種燃料的主要特性見表3。試驗用燃料分別為100%油酸甲酯（YSME）、5%無水乙醇+95%油酸甲酯（E5，為體積百分比)。
2試驗結果與性能研究
2.1燃燒特性
燃燒特性試驗在單缸柴油機上進行。在發動機轉速n為1500r/min、負荷Pme為0.531MPa條件下，YSME和E5的燃燒壓力對比和放熱率對比分別見圖1和圖2。
從圖1、圖2可看出：E5（95%油酸甲酯+5%乙醇)的壓力、壓力升高率和放熱率的變化趨勢與油酸甲酯（YSME）一致。與YSME相比，E5峰值燃燒壓力和峰值瞬時燃燒放熱率增加，分別增加3.91%和29.32%。這是因為乙醇含氧量高，導致混合燃料氧含量增加，進而加快了燃燒速度，改善了局部缺氧條件，使燃燒放熱更加集中；另一方面，乙醇汽化吸熱導致燃燒滯后，滯燃期延長，燃燒準備期內形成的可燃混合氣數量增加。兩方面的因素共同導致E5的相應指標全部增加。
2.2經濟性對比
圖3、圖4分別為n為1500r/min時，不同負荷下燃用E5和YSME的有效燃油消耗率對比和有效能量消耗率對比。
從圖3、圖4可看出：小負荷時，與燃用YSME時相比，燃用E5時的有效燃油消耗率明顯增加，這是由于一方面小負荷時氣缸內的熱力狀態差，乙醇著火性差的特點相對強化；另一方面乙醇熱值低，需要噴入更多的燃油以保證發出相同的功率。在中等負荷時，兩者的比油耗和比能耗接近，E5仍略高于YSME，這是因為缸內熱力狀態加強，乙醇著火性差的特點相對弱化，而乙醇含氧量高，促進燃燒完全的作用相對強化。在高負荷時，E5的比油耗和比能耗均略低于YSME，此時乙醇對燃燒的促進作用起到主導作用，放熱集中，熱功轉換效率高的優勢相對強化；乙醇熱值低的作用相對弱化。
2.3排放特性
2.3.1NOx排放
圖5為轉速n為1500r/min時的負荷特性NOx排放對比。
從圖5可以看出：相比于YSME，E5混合燃料的NOx排放明顯增加。這是因為乙醇含氧量為34.78%，提高了混合燃料的氧含量；另一方面，由燃燒特性可知，E5混合燃料燃燒放熱更加集中，有使缸內燃燒溫度增加的趨勢。兩方面的因素共同導致NOx排放在富氧條件下增多。
2.3.2碳煙排放
圖6為轉速n為1500r/min時的負荷特性碳煙排放對比。
從圖6可以看出：與燃用YSME時相比，燃用E5時的碳煙排放在整個負荷范圍內明顯降低。小負荷工況時，兩種燃料的碳煙排放基本相同，其絕對值都很低；在中、高負荷工況時，E5的碳煙排放大幅度降低。這主要是因為E5含氧量高，燃料中的氧原子在燃料燃燒過程中起到助燃作用。特別是在大負荷工況時，過量空氣系數較小，較濃的混合氣在燃燒過程中可以部分自給氧，克服了柴油燃燒過程中因缺氧而形成的大量碳煙排放。
2.3.3HC排放
圖7為轉速n為1500r/min時的負荷特性HC排放對比。
從圖7可以看出：在中、小負荷下，與YSME相比，E5的HC排放增加。這是因為中、小負荷時，混合氣稀，氣缸內溫度與壓力低，燃燒條件差；同時乙醇的十六烷值低，著火性能差，從而增加了局部熄火造成的HC排放。進入大負荷工況后，HC排放降低，這是因為大負荷下，柴油機噴油量增加，缸內溫度與壓力明顯增加，混合氣局部熄火的情況得以改善，燃燒相對充分，HC排放降低。
2.3.4CO排放
圖8為轉速n為1500r/min時的負荷特性CO排放對比。
尾氣中，有害氣體CO是一種不完全燃燒的產物，其生成主要受混合氣濃度的影響。從圖8可以看出：與YSME相比，E5的CO排放在整個負荷范圍內降低，其原因主要是乙醇含氧可以促進燃燒，從而使參與燃燒的燃料燃燒更加完全。
3結論
油酸甲酯作為生物柴油的主要組分，是柴油機潛在的替代燃料。與YSME相比，轉速n為1500r/min、負荷Pme為0.531MPa時，E5的峰值燃燒壓力和峰值燃燒放熱率有所增加；E5可有效降低CO和碳煙排放，但NOx排放和HC排放略有增加。通過在油酸甲酯中添加乙醇可使燃料燃燒更加完全，尤其在中、高負荷時，其降煙和降CO排放的效果明顯，但油耗和能耗在一定程度上有所增加。 |
