柴油机燃用二乙醚的性能研究-2018国际工程科学与技术期刊

工程科学与技术，国际期刊21（2018）1024完整文章柴油机燃用二乙醚的试验研究阿姆鲁·易卜拉欣贝鲁特阿拉伯大学机械工程系，黎巴嫩贝鲁特阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年12月20日收到2018年6月25日修订2018年7月8日接受在线发售2018年8月10日关键词：柴油生物柴油二乙醚发动机燃烧A B S T R A C T虽然生物柴油具有作为压燃式发动机替代燃料的潜力，但其使用可能会使发动机性能恶化。本研究的目的是提高压燃式发动机的性能与柴油-生物柴油混合使用乙醚（DEE）。在一台柴油机上对四种燃料进行了试验，以评价其性能并分析其燃烧过程。这些燃料是柴油、生物柴油-柴油混合物以及生物柴油-柴油- DEE的两种混合物，其中DEE比例为5%和10%（体积）。结果表明，与柴油相比，柴油-生物柴油混合燃料的最小制动油耗率（bsfc）提高了8.1%，最大热效率降低了6.8%然而，与所有燃料相比，在柴油-生物柴油混合物中使用5% DEE改变燃料类型对燃烧开始时刻没有显著影响。然而，在较高的发动机负荷下，与其他燃料相比，柴油的放热速率较低，燃烧持续时间较长。使用DEE对发动机稳定性没有显著影响。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍由于化石燃料的枯竭和石油燃料燃烧对环境的有害影响，世界各地都建议柴油发动机使用替代可再生燃料[1此外，使用可再生燃料可以使许多国家减少对进口石油的依赖[9]。生物柴油是最有前途的可再生燃料之一，可用于柴油发动机而无需对发动机进行改造[10，11]。生物柴油是一种含氧燃料，具有提高燃烧效率和降低发动机排放的潜力然而，大多数研究[12]表明，在柴油发动机中使用生物柴油作为柴油燃料的替代品而不对发动机进行改造可能会导致发动机性能的某些恶化，例如功率和热效率降低，因为生物柴油的特性（例如粘度、密度、热值等）与相应的柴油特性不同。因此，生物柴油通常与柴油以不同的比例混合，使得燃料混合物性质与柴油燃料性质更具有可比性此外，可以将燃料例如，生物柴油的粘度比柴油的粘度稍高增加电子邮件地址：amralihi@yahoo.com。由Karabuk大学负责进行同行审查在燃料喷射过程中，燃料粘度会增加雾化的燃料液滴另一方面，醇具有低粘度。因此，向柴油-生物柴油混合物中添加醇以降低燃料混合物粘度，使其变得与柴油粘度更接近。醇类是含氧可再生燃料，可由生物质生产。醇基燃料包括甲醇、乙醇、丁醇、乙醚（DEE）等。表1比较了不同醇基燃料的性质与柴油和生物柴油燃料的相关性质尽管在文献中发现的大多数先前研究使用丁醇或乙醇作为柴油发动机的醇添加剂，但表1表明DEE具有成为压燃式发动机的最合适的燃料补充剂的潜力，因为其十六烷值和热值高于乙醇和丁醇。此外，DEE与柴油和生物柴油燃料混溶[13]。DEE的组成为C4H10O，氧含量为21.6质量%.使用DEE作为燃料添加剂仅在有限数量的研究中进行了研究。Kaimal和Vijayabalan[14]发现，将DEE与废塑料油以高达15% 的 不 同 比 例 混 合 可 提 高 热 效 率 。 此 外 ， 烟 尘 和 氮 氧 化 物（NOx）排放量也大幅减少。Venu和Madhavan[15]研究了向柴油-生物柴油-乙醇和柴油-生物柴油-甲醇混合物中添加DEE（高达10%）。结果表明，在柴油-生物柴油-乙醇混合燃料中添加DEE，燃烧持续期、缸内压力和制动燃油消耗率均有所增加，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.07.0042215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchA. 易卜拉欣/工程科学与技术，国际期刊21（2018）10241025表1燃料特性[16，17]。燃料低热值（MJ/kg）密度@20 °C（kg/m3）粘度@40 °C（mPas）闪点（oC）十六烷值柴油44.88152.957052植物油40.491634.227437生物柴油40.58554.5712652Dee33.97140.22-45125丁醇33.18082.633525乙醇28.67901.1136甲醇19.87920.5911<5减少NOx和烟雾排放。另一方面，添加DEE柴油-生物柴油-甲醇混合燃料的bsfc，气缸压力，和燃烧持续时间下降。然而，烟雾排放量增加了。Lee和Kim[16]证明，以不同比例（高达50%质量）将DEE添加到柴油中不会显著改变发动机热效率。结果还表明，碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的排放量下降，而NOx的排放量增加。Patil和Thibians[13]研究了以2%至25%体积的不同比例将DEE添加到柴油结果表明，最佳比例为15%时，发动机性能最佳还表明，使用DEE减少了颗粒物（PM）和NOx排放之间的权衡DEE也被Tudu及其同事用作轮胎衍生燃料（40%）和柴油（60%）混合物的补充剂（高达4%）[17]。结果表明，与柴油机全负荷工况相比，柴油机燃烧效率降低了6%，NO排放降低了25%Barik和Muru-gan[18]研究了通过利用DEE作为补充（高达6%）来改善以生物柴油-沼气为燃料的柴油发动机的性能作者表明，使用DEE提高了2.3%的热效率和降低了5.8%的 bsfc双燃料运行在满负荷条件下相比。CO、HC和烟度排放分别下降了12.2%、10.6%和5.7% ，而NO 排放增加了12.7%。Devaraj及其同事[19]表明，利用DEE（高达10%）作为由废塑料油作为燃料的柴油发动机的补充，在发动机高负荷条件下将热效率从28%提高到29%，并减少NOx排放。虽然大多数以前的研究表明，使用DEE作为一个虽然柴油发动机的补充剂具有提高发动机性能和降低排放的巨大潜力，但只有有限数量的研究调查了在以柴油-生物柴油混合物为燃料的柴油发动机中使用DEE。这些研究不足以就使用DEE对柴油机性能、排放和燃烧特性的影响得出可靠的结论需要进行进一步的研究，发动机气缸盖安装了压力传感器。进气在环境条件下供应到发动机气缸。发动机规格见表3。试验台包含一个液压测力计，如图1所示。采用DVF 1型容积式燃油传感器检测燃油流量，采用孔板测量进气流量。分别使用热电偶和压力传感器测量流过孔口的空气的温度和压力。使用测力传感器检测发动机扭矩。提供了一个光学转速传感器来检测曲轴转速。提供仪器模块，以数字显示测量参数，如流速、速度、扭矩等。此外 ， 所 有 测 量 数 据 均 通 过 TecQuip- ment 多 功 能 数 据 采 集 系 统（VDAS）准确监测并记录在计算机上。发动机的负荷和速度都是通过机械调速器控制的。分别使用压电压力传感器（ECA 101）和轴编码器（ECA 102）同时测量气缸压力和发动机曲柄角，如图1所示。循环分析仪（ECA100）由TecQuipment提供，用于显示和记录气缸压力数据。ECA 100是一个由两部分组成的产品，即接口和软件。 ECA100接口连接压力传感器、TDC位置传感器和轴角编码器.每次活塞到达上止点时，上止点位置传感器产生一个信号;此时曲轴转角被分配为零值。该接口包含电荷放大器和信号调理电路，可将传感器信号转换为适合ECA 100软件的格式。该软件实现了压力曲轴转角图、压力容积图的显示、指示功率和指示平均有效压力的计算。ECA 100软件还能够使用测试结果和用户控制的动画来可视化地模拟发动机热动力循环以及发动机曲柄、活塞和气门的相对位置。软件使用以下公式计算气缸容积作为测量的曲柄角V¼Vp B2y 1发动机设计参数和操作条件的范围C4本研究旨在比较发动机性能和四种不同燃料的燃烧参数如表2所示。发动机转速固定为1500rpm，而发动机负载从小负载运行模式变为全负载运行模式。2. 试验台使用单缸、直喷、四冲程、TecQuipment TD 212压缩点火发动机进行所有测试。表2检查燃料类型。燃料缩写柴油D10070%柴油+30%生物柴油（体积%）D70B3070%柴油+25%生物柴油+5% DEE（体积百分比）D70B25DEE5 70%柴油+20%生物柴油+10% DEE（体积百分比）D70B20DEE10式中，B为气缸内径，Vc为余隙容积，y计算如下：你是我的朋友。acoshql2-a2sin2h2表3引擎规格。项目值号气缸1最大功率，kW 3.5（3600 rpm）压缩比22孔径，mm 69行程，mm 62连杆长度，mm 104发动机容量，cm3232喷油正时，度bTDC 101026A. 易卜拉欣/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1024DH¼Fig. 1. 实验装置。其中a是曲柄半径，l是连杆长度，h是曲柄角。发动机进气歧管中的压力使用表5检查燃料特性。燃料类型总热值，MJ/kg密度@15 °C，kg/m3一个普通的压力传感器，然后用作参考压力，确保压电压力传感器修改压力柴油机（D100）D70B3045.545.2849861数据表4总结的不确定在所测量D70B25DEE544.9852变量D70B20DEE1044.6843在这项研究中描述的燃烧特性是基于计算五个连续热力学循环测量的平均气缸压力数据来估计在实验中用作混合燃料的废食用油生物柴油和DEE由商业供应商提供如表2所示，在试验中使用了四种不同的燃料。这些燃料的密度和总热值是由一家石油公司的化学实验室使用ASTM标准程序测量的。这些性质示于表5中。放热率dQ随缸内压力p、容积V、曲柄角h和比热比c而变化，通过该方程[20]：DQRDV1DPdh¼r-1pdhr- 1Vdh3V根据气瓶压力数据估计的变异系数（COV）用于评估循环变异性，计算如下[20]：其中Imep是对于一定数量的热力学循环N估计的平均指示平均有效压力，而Rimep是指示平均有效压力的标准偏差。3. 结果讨论本节比较了在1500 rpm和不同发动机负载下使用四种燃料的压燃式发动机的效率、油耗、3.1. BSFC和效率图图2和图3分别显示了四种被测发动机的BSFC和制动器热效率随发动机制动功率的变化COVrimepimep表4测量的不确定性气缸压力±0.01 bar ±1曲柄角±0.01度±1ð4Þ燃料. 图图2和图3表明，当柴油-生物柴油混合燃料（D 70 B30）用作柴油的替代物时，对于大多数发动机负荷，bsfc增加而热效率降低。最低燃料消耗量从柴油的0.246 kg/ kWh增加到柴油-生物柴油混合物的0.266 kg/kWh，增加了8.1%。此外，最大制动热效率从柴油的32.2%下降到柴油-生物柴油混合燃料的30%，下降了6.8%。这是因为与柴油相比，柴油-生物柴油混合物的热值较低。因此，需要燃烧更多的燃料来产生相同的此外，与柴油相比，生物柴油具有更高的粘度和密度。柴油-生物柴油混合燃料较高的粘度和密度会影响燃油的雾化质量，项目不确定最大不确定性，%速度±40 rpm±2.7扭矩±0.02 Nm±2燃油体积流量±0.04 ml/min（最大值）±1.6空气流速±0.05× 10-3 kg/s（最大值）±1.8A. 易卜拉欣/工程科学与技术，国际期刊21（2018）10241027图二. BSFC随发动机制动功率的变化。图3.第三章。制动器热效率随发动机制动功率的变化产生较大的燃料液滴，导致燃料-空气混合较差和燃烧效率降低[12]。图图2和图3表明，当将5%的DEE添加到柴油-生物柴油混合物（D 70 B25 DEE 5）中时，对于大多数发动机负荷，发动机bsfc和效率有显著提高。在柴油-生物柴油混合燃料中添加5%的DEE，降低了BSFC，提高了热效率大部分发动机都用柴油虽然与柴油和生物柴油相比，DEE的热值较Lee和Kim[16]发现，DEE的较高挥发性促进了空气-燃料混合，并有助于形成更稀薄和更均匀的燃料-空气混合物，从而提高了燃料转化效率。的1028A. 易卜拉欣/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1024如图4所示，燃烧效率的提高需要燃烧更少的燃料来产生相同的功率，图4示出了对于所有测试燃料，发动机操作空气燃料比相对于制动功率的变化。图4表明，当使用D70B25DEE5作为所有试验燃料的替代品然而，当柴油-生物柴油混合物中的DEE比例增加到10%（D 70 B20DEE 10）时，对于大多数发动机负荷，bsfc增加并且热效率降低。 尽管DEE是一种含氧燃料，可以导致更完全的燃烧，从而提高发动机热效率并降低燃料消耗，但与柴油相比，DEE具有较低的热值和较高的汽化潜热，这可能导致发动机效率降低和燃料消耗增加[9，16]。因此，DEE在需要优化燃料混合物以获得最佳发动机性能，因为将燃料混合物中DEE的比例增加到一定限度会更显著地降低燃料混合物的热值，从而导致发动机性能的恶化。巴里克和穆鲁甘[18]研究了使用具有2%、4%和6%的三个比例的DEE作为添加剂燃料来改善以生物柴油-沼气双燃料模式操作的柴油发动机性能作者得出结论，最佳DEE比例为4%，因为它导致更高的效率和更低的bsfc。此外，以前的研究[9]表明，将DEE的比例增加到一定限度会导致发动机不稳定，因为DEE的高挥发性会导致连接到燃油泵的燃油管路中的汽锁。当DEE百分比提高到10%时，混合热值下降更明显，这导致热效率降低和燃料消耗增加可以得出结论，在所测试的燃料中，最佳燃料是D70B25DEE5，因为与包括柴油燃料在内的所有测试燃料相比，该混合物使发动机在大多数发动机负荷下产生最低的bsfc和最高的热效率另一方面，使用柴油-生物柴油混合物（D 70 B30）导致在与所有测试燃料相同的大多数发动机负荷下较高的bsfc和较低的热效率3.2. 比热比重要的是估计气缸燃烧内容的比热比（c）的准确值，因为该比热比用于根据等式（1）估计放热率。（三）、大多数先前的研究通常假设c的固定值在1.3到1.35之间[20，21]，以估计热释放速率。然而，c是缸内成分和温度的函数[20]。如果假设c值不准确，则在估计热释放速率时可能会产生重大错误[21]。此外，如果为所有发动机运行模式和检查的燃料指定固定值，则可能产生不准确的燃烧特性结果[21]。虽然c随发动机曲轴转角的变化而瞬时变化，燃烧，表明通过将c指定为可接受的平均值，可以获得令人满意的热释放率结果[21]。然而，该c值应是发动机操作特性的函数。Abbaszadehmosayebi及其同事[21]描述的方法建议使用测量的气缸压力数据来估计燃烧期间的平均比热比。pVcu的等熵关系 =常数&pVcb =常数在发动机压缩和膨胀过程中分别使用[20]。cu和cb分别表示气缸气体通过压缩和膨胀过程的比热比。因此，可以通过计算两条近似直线的斜率来估计cu和cb，这两条近似直线是通过分别绘制压缩和膨胀过程中的log p-log V关系而创建的[20]。Abbaszadehmosayebi[21]证明了c的适当值可以估计为cu和cb的平均值。在当前的研究中利用所述策略来估计c作为发动机指示的函数功率和类型的测试燃料使用测得的气缸压力，如图所示。 五、图5表明比热比c随着温度的升高而降低，所有受检燃料的指示功率均增加。燃烧燃料质量随发动机功率增加而增加，如图所示见图4。 发动机空燃比随制动功率的变化。A. 易卜拉欣/工程科学与技术，国际期刊21（2018）10241029图五. c对幂的变化见图6。 不同燃料的最大气缸压力增加。在图4中，导致缸内压力增加，如图4所示。 6，和温度，这导致了c的减少。3.3. 热释放速率图7至图9显示了所有试验燃料在小、中、满负荷时随发动机曲轴转角的放热变化率。载荷，分别。小、中和满负荷分别对应于0.8、1.4和2.1 kW的指示功率。相应的制动功率分别为0.3、0.8和1.6 kW。尽管所有燃料在活塞到达上止点（350度）之前约10度喷射，但由于燃料点火延迟期，热释放速率在几度之后开始迅速增加。这种快速增加的热释放速率1030A. 易卜拉欣/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1024见图7。小负荷时放热率随曲轴转角的变化。见图8。 在中等负荷时，放热率随曲轴转角的变化。表明燃烧开始的瞬间。在燃烧开始后，由于在延迟期间内燃烧室内积聚的燃料的燃烧，热释放速率迅速增加在低负荷条件下，燃烧开始的瞬间保持不变，当燃料类型是不同的，因为燃烧开始几乎在355度为所有检查的燃料。虽然十六烷由于DEE的十六烷值（CN）远高于柴油和生物柴油燃料，柴油-生物柴油-DEE共混物的十六烷值可保持接近柴油CN。先前的研究[22]表明，将DEE与柴油混合会降低混合物的十六烷值，并变得小于柴油CN，因为DEE与柴油芳烃相互作用，延迟了点火开始。然而，在快速过程中获得的最大热释放速率A. 易卜拉欣/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1024103120151050−5340 350 360 370 380 390 400 410 420曲柄角，度见图9。满负荷时随曲柄转角变化的放热率。燃烧阶段是显着更高的柴油相比，与其他测试燃料，如图所示。7.第一次会议。尽管所有燃料的延迟时间都相当，但如图4所示，在小负荷发动机运行期间，发动机在明显更高的空燃比下运行。在非常稀薄的燃料-空气混合物中存在含氧燃料可能会降低最大放热率[20]。在低负荷条件下，所有燃料的快速然而，在混合控制燃烧阶段，当从喷射器流出的燃料与缸内空气混合并燃烧时，燃烧以较低的放热率继续。随着发动机负荷的增加，所有试验燃料的燃烧开始时刻都提前。当负荷从小负荷变为满负荷时，所有燃料的燃烧开始提前几乎一度。随着发动机负荷的增加，燃烧的燃料质量增加，缸内压力和温度升高，导致点火延迟期缩短。Rakopoulos及其同事[23]也指出了类似的趋势，他们研究了纯棉籽植物油、纯棉籽生物柴油及其与20% DEE或20%正丁醇的混合物的不同燃料的点火延迟随柴油发动机负荷的变化。作者表明，点火延迟期从发动机制动平均有效压力（bmep）为1 bar时的几乎4.5-6度的范围降低当负荷增加时，由于燃烧开始较早，快速燃烧阶段结束的曲轴转角更提前。然而，如图9所示，在较高的发动机负荷操作下，柴油的放热速率显著低于其他测试燃料。这导致柴油燃烧结束时间与其他受检燃料相比略有延迟。当负荷增加时，发动机以较浓的混合气工作。因此，含氧燃料的存在，DEE的挥发性提高，促进了空气-燃料的混合，导致燃烧速率略有增加。随着负载的增加而增加燃烧燃料的质量导致在较高发动机负载操作下的混合受控燃烧阶段期间放热速率的显著增加，如通过比较图7与图9可以注意到的。此外，在较高的发动机负荷下喷射燃料质量的增加延长了燃烧过程的持续时间。燃烧持续期增加了11个曲轴转角度的平均值，从小负荷到全负荷的所有检查燃料。3.4. 发动机稳定性通过计算变化系数（COV）估算了指示平均有效压力（IMEP）的循环间波动，以评估所有试验燃料的发动机稳定性。气缸压力-曲柄角数据从一个热力循环到另一个热力循环不同，主要是由于相关的变化在燃烧过程中[20]。Heywood[20]举例说明，当COV增加到10%以上时，发动机稳定性恶化。然而，不同的研究表明，将COV增加到5%以上可能会严重影响发动机稳定性[12]。所有被检查燃料的COV随负荷的变化如图所示。 10个。该图表明，对于大多数发动机操作条件，COV低于因此，可以得出结论，将DEE（高达10%）与柴油-生物柴油混合物混合图10还示出了COV通常随着负载的增加而减小，表明发动机稳定性更好。这可以解释为发动机在更高的负载条件下消耗更浓的空气燃料混合物降低运行空燃比可以降低发动机循环变化【20】。Rakopoulos及其同事[23]也获得了类似的结果，他们比较了柴油发动机的COVHRR，D100D70B30D70B25DEE5D70B20DEE101032A. 易卜拉欣/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1024见图10。 发动机COV随指示功率变化。由纯棉籽植物油、纯棉籽生物柴油及其与20% DEE或20%正丁醇的混合物的不同燃料提供燃料。作者发现，COV的范围从8%到10%不等。在发动机高负荷工况下，柴油机燃油中的氧含量显著降低，为1.5%图图10示出了在较高发动机负荷条件下，与柴油相比，将比例高达10%的DEE添加到柴油-生物柴油共混物中通常降低了COV。Lee和Kim[16]也获得了类似的结果，他们发现在柴油中添加25%的DEE会在较高的发动机负荷条件下降低COV此外，Uyumaz[24]证明，在所有发动机负荷条件下，将芥子油生物柴油以10%、20%和30%的比例添加到柴油中，导致COV显著降低作者解释说，由于在柴油中加入含氧燃料，在整个发动机循环中燃烧更完全，从而减少了循环间的变化。如图10所示，对于大多数发动机负载，本研究计算的D100 COV约为3%。与其他柴油发动机相比，这可以被认为略高，因为空气流速是使用孔板流量计测量的，孔板流量计是一种流量限制装置，其可以引起入口压力和空气流速的相对较高的波动。然而，根据发动机规格、操作条件和燃料特性，COV可以在发动机与发动机之间显著变化[25]。Uyumaz[24]发现，D100在imep中的COV范围从轻负载（3.75 Nm的制动扭矩）的11.62%到高负载（18.75 Nm的制动扭矩）的约6.5%。4. 结论在1500 rpm恒转速、不同负荷条件下，对四种燃料在柴油机上的性能和稳定性进行了评价，并分析了燃烧过程这些燃料是柴油、生物柴油-柴油混合物以及生物柴油-柴油- DEE的两种混合物，其中DEE比例为5%和10%（体积）。发现了以下结果生物柴油混合燃料的粘度较高，热值较低，当柴油-生物柴油混合燃料替代柴油时，发动机性能有所下降，最低燃烧效率提高8.1%，最高热效率降低6.8%。尽管DEE的高挥发性和低粘度以及其氧含量可以增强燃烧过程，但其低热值和较高的汽化潜热会使发动机性能恶化。结果表明，与柴油相比，柴油-生物柴油混合物中掺混5%DEE可显著改善发动机性能，在大多数负荷下，柴油-生物柴油混合物的bsfc降低，热效率提高，最佳掺混比例为5%但当DEE比例增加到10%时，热效率反而下降在空燃比最高的轻负荷工况下，含氧燃料的氧含量降低了混合燃料的最大放热速率。但在高负荷条件下，柴油的放热速率较低，燃烧持续期较长。高十六烷值的DEE没有显着影响混合燃料的燃烧开始定时。COV随着发动机负荷的增加而降低，这是由于在较高的发动机负荷条件下更富的燃料-空气混合物操作。在较高的发动机负荷条件下，与柴油相比，含氧燃料的使用通常降低了COV。在大多数负荷下，所有检查燃料的COV均低于5%，表明发动机运行稳定。引用[1] K.V. 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