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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)
外 文 翻 譯
原 文 標(biāo) 題
PERFORMANCE EVALUATION
OF DIESEL ENGINE WITH
OXYGENATED BIO-FUEL BLENDS
譯 文 標(biāo) 題
柴油機(jī)燃用含氧的生物燃料共混物的性能評(píng)價(jià)
作者所在系別
機(jī)械工程系
作者所在專業(yè)
車輛工程
作者所在班級(jí)
B13141
作 者 姓 名
楊國(guó)明
作 者 學(xué) 號(hào)
201322195
指導(dǎo)教師姓名
臧繼嵩
指導(dǎo)教師職稱
實(shí)驗(yàn)師
完 成 時(shí) 間
2017
年
3
月
北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制
— 0 —
柴油機(jī)燃用含氧的生物燃料共混物的性能評(píng)價(jià)
摘要：使用氧化生物燃料如生物柴油和乙醇與柴油組合是替代可再生燃料和減少來自使用中的柴油車輛的顆粒物質(zhì)（PM）的有效措施。為了研究燃料性能，形成包含體積為15％的乙醇和十六烷改進(jìn)劑添加劑，10％的乙醇與10％的生物柴油和15％的乙醇與20％的生物柴油的三個(gè)充氧混合燃料設(shè)計(jì)。研究了乙醇柴油混合物的物理穩(wěn)定性，并通過加入助溶劑如四氫呋喃和生物柴油來防止相分離。為了滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配有后處理裝置。本文描述了上述混合燃料在裝有柴油氧化催化劑的4氣缸自然吸氣輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)和排放特性。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用這些混合物是可行的：由混合物燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率與由柴油燃料的熱效率相當(dāng)，燃料消耗的增加小，這是由于乙醇的較低的熱值和生物柴油。由于增加的氧含量，由混合物加燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的煙霧排放量低于由柴油燃料的排放量。在更高的負(fù)載下減少更多。由于乙醇的十六烷值較低，發(fā)現(xiàn)HC和CO排放在較低負(fù)荷下較高。然而，NO排放取決于負(fù)載條件和混合物含量。
關(guān)鍵詞︰ 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，排放，生物燃料，可再生燃料。
1.引言
在更高的原油價(jià)格和車輛污染的背景下，尋找可再生能源和清潔技術(shù)已變得重要。減少二氧化碳排放的協(xié)議對(duì)汽車行業(yè)有很大的影響。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供重要的運(yùn)輸動(dòng)力源，由于其優(yōu)異的燃料經(jīng)濟(jì)性和更低的溫室氣體排放，其受到額外的關(guān)注。然而，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有由于其非均勻燃燒而排放更多量的顆粒物質(zhì)（PM）的問題。柴油排放控制是燃燒改進(jìn)，燃料配方和后處理裝置的功能[1]。燃料配方和添加后處理裝置的組合對(duì)于控制來自使用中的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放是有效的。
通常，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，將氧化共混物組分添加到柴油燃料中將在許多操作條件下導(dǎo)致較低的顆粒排放。由于乙醇（35％的氧含量）是廣泛可用的含氧化合物，在汽油共混物中具有長(zhǎng)的使用歷史，它也被認(rèn)為是與柴油燃料的潛在含氧化合物。顆粒物質(zhì)減少似乎與燃料共混物中的氧含量有關(guān)[2,3,4]。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用乙醇是最容易的方法，將高達(dá)15％（vol）的乙醇與柴油混合。但乙醇在柴油中的溶解度是在其中使用乙醇的困難之一。可以通過加入共溶劑或乳化劑以產(chǎn)生均勻的共混物來提高溶解度。研究人員發(fā)現(xiàn)共溶劑類似四氫呋喃，乳化劑如生物柴油可用于保存柴油乙醇混合物[5,6]。乙醇具有非常低的十六烷值，其降低了十六烷
乙醇 - 柴油混合物的數(shù)量。因此，需要十六烷改進(jìn)劑來增加柴油 - 乙醇共混物的燃燒行為。硝酸辛酯（2-EHN）用作石油精煉廠中用于柴油燃料的十六烷改進(jìn)添加劑。同樣可以用于提高乙醇 - 柴油混合物的十六烷值。
生物柴油是通過酯交換方法由廣泛范圍的植物油，動(dòng)物脂肪和用過的烹飪油制成的脂肪酸的烷基酯。生物柴油可直接用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，或與任何比例的礦物柴油混合[7]。將生物柴油和乙醇混合到常規(guī)柴油燃料中在大范圍的操作溫度下顯著提高乙醇在柴油燃料中的溶解度。生物柴油的高粘度還可補(bǔ)償由乙醇 - 柴油混合物中存在的乙醇引起的降低的粘度。向柴油中添加乙醇和生物柴油提高了共混燃料中的總氧含量。
隨著柴油燃料中乙醇的增加，煙霧和顆粒物質(zhì)減少，總碳?xì)浠衔铮珻O和NOx的增加可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類型和操作條件而增加或減少[8]。安裝在車輛排氣系統(tǒng)上的柴油氧化催化劑將CO，HC和顆粒物的可溶性有機(jī)部分氧化成二氧化碳和水。在發(fā)展中國(guó)家的柴油氧化催化劑的開發(fā)中所取得的進(jìn)步，其可以在高硫燃料下操作而沒有顯著的SO 2形成和低起燃溫度在發(fā)展中國(guó)家提供了具有成本效益，低維護(hù)和排放控制的普通柴油燃料（高硫含量）[9 ，10]。基于這一背景，本研究的主要目的是比較裝有柴油氧化催化劑的柴油機(jī)用含氧生物燃料混合物燃料時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性。
2.印度的ETHANOL資源
印度是世界上第二大甘蔗生產(chǎn)國(guó)，乙醇主要來自甘蔗糖蜜，甘蔗糖蜜是將甘蔗轉(zhuǎn)化為糖的副產(chǎn)品。因此，乙醇在印度的糧食安全方面不會(huì)妥協(xié)。關(guān)于印度的總甘蔗產(chǎn)量，60％用于糖廠的糖生產(chǎn)。在目前的條件下，25-30％的甘蔗被加工用于生產(chǎn)未精制的糖[11]。平均來說，一噸甘蔗產(chǎn)生100kg糖和45kg糖蜜。這種糖蜜可以在發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生11升乙醇。當(dāng)在家庭工業(yè)中生產(chǎn)未精制的糖時(shí)，產(chǎn)生大量的糖蜜作為副產(chǎn)物，并且大多作為廢物傾倒。這些糖蜜可用于生物乙醇生產(chǎn)。
實(shí)驗(yàn)程序
實(shí)驗(yàn)部分在兩個(gè)階段中進(jìn)行。在第一階段中，測(cè)試生物燃料共混物的相穩(wěn)定性。然后將燃料混合物用于運(yùn)行柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，以用作為后處理裝置的柴油氧化催化劑測(cè)試其性能和排放特性。
3.1混合穩(wěn)定性研究
各種共混物的相穩(wěn)定性顯示在圖1中。在溫暖的環(huán)境溫度（?30℃）下，直到無水乙醇含量達(dá)到10％體積，容易與柴油混合。當(dāng)乙醇含量超過10％體積時(shí)，共混物開始分離。在該研究中，添加體積為1-2％的共溶劑四氫呋喃產(chǎn)生單相，均勻透明液體，其中在柴油中具有15-20％體積的乙醇含量。在柴油乙醇混合物中添加5％體積的生物柴油還產(chǎn)生單相均勻的液體。由此可以得出結(jié)論，通過使用共溶劑或生物柴油可以滿足柴油燃料的均勻性要求。
3.2測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料
所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)是四缸，自然吸氣柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要規(guī)格如表1所示。將市售的柴油氧化催化劑改裝到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)連接到施加負(fù)載的渦流發(fā)電機(jī)。使用AVL Di氣體444發(fā)射分析儀測(cè)量NO，HC，CO的濃度，并使用AVL煙度計(jì)測(cè)量煙霧不透明度。用熱電偶測(cè)量排氣溫度。
在該試驗(yàn)中使用常規(guī)柴油燃料和分析級(jí)無水乙醇（99.5％純度）。考慮到資源的可用性，選擇來自印度的海參樹（其植物名稱為Pungamia pinnata）的不可食用和未充分利用的植物油用于生物柴油轉(zhuǎn)化[11]。表2顯示了柴油，乙醇和生物柴油的重要性質(zhì)。在本研究中，三種生物燃料共混物包含體積為15％乙醇與0.75％2-EHN作為十六烷值改進(jìn)劑（表示為E15 + CI），10％乙醇與10％生物柴油（表示為E10B10）和15％乙醇形成20％生物柴油（表示為E15B20）。柴油 - 乙醇混合物的粘度與柴油相比更小。在混合燃料中增加乙醇和生物柴油百分比還增加了燃料的氧含量并降低了燃料的熱值。在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行任何修改的情況下，當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用含氧柴油混合燃料供給燃料時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000rpm的不同負(fù)載條件下測(cè)量制動(dòng)比燃料消耗，包括煙不透明度的CO，NO和HC的廢氣排放，基準(zhǔn)柴油燃料。
4.結(jié)果和討論
4.1燃油消耗和熱效率
圖2和圖3示出了具有十六烷改進(jìn)劑，乙醇 - 生物柴油 - 柴油混合物和純柴油燃料的乙醇 - 柴油混合物的制動(dòng)比燃料消耗率（BSFC）和制動(dòng)比能耗（BSEC）。 制動(dòng)比能量消耗的比較代表制動(dòng)熱效率。 從圖中可以清楚地看出，隨著負(fù)載增加，BSFC減小，并且制動(dòng)器熱效率對(duì)于所有燃料增加。 同時(shí)，可以看出，用于E15 + CI，E10B10和E15B20混合燃料的BSFC略高，但是制動(dòng)比能量消耗與柴油的能量消耗非常相似。 這些行為是合理的，因?yàn)楹豕不煳锞哂信c柴油燃料相比低的熱值。 能量消耗的改善是由于氧富集導(dǎo)致的更好的燃燒。
4.2廢氣溫度
圖4顯示了用于各種負(fù)載的純柴油燃料，乙醇 - 柴油混合燃料和乙醇 - 生物柴油 - 柴油混合燃料的排氣溫度。 觀察到對(duì)于所有生物燃料共混物，溫度比純柴油操作的溫度略低。 這是因?yàn)榕c柴油燃料相比，乙醇混合物的蒸發(fā)潛熱更高。 這將在低負(fù)載操作條件下對(duì)柴油氧化催化劑的轉(zhuǎn)化效率具有一些影響。
4.3排放特性
圖5示出了在排氣系統(tǒng)中具有柴油氧化催化劑的發(fā)動(dòng)機(jī)的各種負(fù)載下的煙排放。 可以看出，煙霧排放隨著負(fù)載的增加而增加。 與柴油燃料相比，含氧混合燃料的煙霧排放顯著降低，E15B20混合燃料的減少更高。 還原是由于E15B20的氧含量增加至7.38％。 由于重要的是控制來自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的較高負(fù)載下的煙排放，氧化生物燃料混合物在這方面是有效的。 這是因?yàn)樵谝掖己蜕锊裼椭屑词乖诰植扛蝗紵齾^(qū)域中燃料結(jié)合氧的可用性。 添加后處理裝置的柴油氧化催化劑也是減少煙霧排放的原因。 這是由于碳煙顆粒被氧化催化劑氧化。圖6示出了純柴油，E15 + CI，E10B10和E15B20燃料的一氧化碳（CO）排放相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。 對(duì)于混合燃料，CO排放量與柴油排放量略有增加。 引起燃燒惡化的因素如乙醇蒸發(fā)的高潛熱可能是增加的CO排放的原因。發(fā)現(xiàn)在較低負(fù)載條件下，與基礎(chǔ)柴油燃料相比，乙醇混合燃料的HC排放增加，如圖-7所示。 但在較高的負(fù)載條件下，HC排放對(duì)于乙醇 - 生物柴油 - 柴油混合燃料是相同的。 還注意到，混合燃料中乙醇含量的增加增加了HC排放。 這是由于與柴油相比乙醇的十六烷值較低。
用于各種負(fù)載條件的用乙醇 - 柴油混合物和乙醇 - 生物柴油 - 柴油混合燃料燃料的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NO排放在圖8中給出。 NO排放隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增加，并且當(dāng)將乙醇添加到柴油燃料中時(shí)，NO排放趨于減少。 NO排放取決于空氣 - 燃料混合物中的峰值燃燒溫度，高溫持續(xù)時(shí)間和氧濃度。 這些因素的綜合作用影響用含氧混合物燃料的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NO排放。 將乙醇加入到柴油中有助于同時(shí)控制來自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的一氧化氮和煙排放。5。結(jié)論
研究了將生物乙醇和生物柴油添加到柴油燃料中對(duì)四缸輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性的影響，并與基準(zhǔn)柴油燃料進(jìn)行比較。主要研究結(jié)果如下：
a）乙醇 - 生物柴油 - 柴油混合物具有與柴油相似的粘度和良好的相穩(wěn)定性，比乙醇 - 柴油混合物;
b）由于乙醇的能量含量較低，且基礎(chǔ)柴油的制動(dòng)熱效率提高，BSFC略有增加;
c）當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用含氧柴油混合物時(shí)，煙和NO的排放同時(shí)減少;
d）與柴油相比，較低負(fù)荷下的CO排放和HC排放略有增加;
e）具有含氧生物燃料的柴油燃料制劑可以減少在用車輛的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放;和
f）可再生燃料與柴油燃料的混合有助于實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的低碳排放。
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原文：
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