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《浙江大学》 2015年
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生物柴油制备、喷雾、燃烧及非常规排放的试验研究

马林才  
【摘要】:面对日益严重的石油安全问题和环境污染问题,开发高效清洁的柴油替代燃料是世界各国应对这些问题的有效手段之一。生物柴油作为传统柴油的替代燃料,具有清洁、可再生、燃烧特性和排放特性优良等优点,受到越来越多的关注。本文研究了基于产率最高的大豆油生物柴油的最优制备工艺,并分析了各个因素的重要度、交互作用及其机理;从燃料设计角度研究了生物柴油的理化特性和喷雾特性;同时研究生物柴油混合燃料在内燃机上的燃烧与排放特性。具体研究内容及相关结论如下:1.生物柴油制备工艺优化研究。选取大豆油作为生物柴油制备原料,按U12(46)的均匀设计试验方案试验,以甲醇,催化剂,反应温度和反应时间等4个因素作为研究对象。通过BP神经网络、有约束优化、小波分析等方法处理,确定了大豆油生物柴油的最优制备工艺。在因素的作用机理研究时,根据“数据先小波消噪-后回归分析”得到的函数关系进行分析,结果表明,上述4个因素对生物柴油产率具有重要的影响,且甲醇和催化剂,甲醇和反应温度,催化剂和反应时间之间存在对抗效应。甲醇和反应时间,反应温度和反应时间之间存在协同效应。2.生物柴油的物性影响到其燃烧过程及排放。本文根据燃料设计概念,选用生物柴油和柴油以不同比例互溶互混,研究了混合燃料理化特性参数,并给出了这些参数与生物柴油体积分数的拟合函数关系。研究发现,混合燃料绝大多数理化特性与生物柴油体积分数呈线性关系。生物柴油的粘度比矿物柴油大,生物柴油混合燃料的粘度随生物柴油含量的增加而直线增加,其粘温曲线与石化柴油相似,按双曲线函数变化。混合燃料的表面张力随着生物柴油含量的增加而直线增加,随着温度升高而下降。生物柴油的润滑性能明显优于矿物柴油,但生物柴油中残存的甲醇、甘油等物质会导致其极限承载能力下降。生物柴油对丁腈橡胶有溶胀作用,对铜管及含铜金属部件有腐蚀作用。3.生物柴油的喷雾特性也是其燃烧过程及排放的重要因素。通过对生物柴油和石化柴油的喷雾特性研究发现:在相同压力条件下,由于生物柴油密度较大,导致质量流量比石化柴油高;并且由于其较大的粘度使临界空穴条件更严格,空穴强度低于石化柴油,从而使得其雾化比石化柴油差。喷油器开始喷雾后,由于生物柴油密度、粘度和表面张力均高于柴油,导致生物柴油的喷雾细长,喷雾贯穿距离较大。而柴油的喷雾较宽,喷雾贯穿距离较小。在喷雾宏观特性上,生物柴油与柴油差别十分明显。在相同背压下,随着混合燃料中生物柴油含量的增加,喷雾贯穿距离变大,喷雾锥角变小,雾化质量变差。在高喷射压力下,随着喷射压力的增加,各种混合燃料的喷雾锥角差别不大。4.在研究了生物柴油制备、物性及喷雾特性后,重点研究了生物柴油及其混合燃料在内燃机上的燃烧与排放特性。(1)采用DEWE-800发动机多通道燃烧分析仪测取了490B柴油机缸内瞬时燃烧压力及其相位,并计算了放热规律。结果显示,随着混合燃料中生物柴油含量的增加,缸内燃烧压力峰值和压力升高率峰值均降低。与柴油相比,混合燃料的缸内燃烧压力峰值相位提前1-2°CA,瞬时放热率的峰值降低且相位提前2-3°CA。低负荷时,混合燃料的燃烧始点晚于柴油6-8°CA,燃烧终点比柴油延后29-38°CA左右,燃烧持续期比柴油增加21-32°CA左右。高负荷时,混合燃料的燃烧始点略微提前约0.3-0.9°CA,燃烧终点比柴油延后5-8°CA左右,燃烧持续期比柴油增加6-8°CA左右。低负荷时,B100的燃烧始点与柴油接近,燃烧终点比柴油提前23°CA,燃烧持续期比柴油缩短22°CA左右。高负荷时,B100的燃烧始点与柴油接近,燃烧终点比柴油延后0.7°CA左右,燃烧持续期比柴油增加1.6°CA左右。(2)采用Y380S型测功器测取了490B柴油机的扭矩、功率、及燃油消耗率等参数来评价内燃机的工作性能。结果显示,生物柴油混合燃料的有效功率和有效扭矩整体低于柴油(B20的有效功率和扭矩相对较高)。混合燃料的燃油消耗量及燃油消耗率均大于柴油,且其差距随发动机转速的升高而加剧。有效热效率明显低于柴油(外特性试验时规律相反)。混合燃料的排气温度低于柴油,且其差距随发动机负荷的增加而加大。(3)采用AVL SESAM-FTIR多组分分析仪和NHT-6型不透光度计测取了490B柴油机的常规及非常规排放。结果显示,B100的甲醛(HCHO)、乙醛(MECHO)、1,3-丁二烯(C4H6)排放相对高于柴油,高负荷下,甲酸(HCOOH)排放也相对较高。B100的芳香烃(AHC)、 NO、NOx、CO2、SO2、异氰酸(HNCO)、甲烷(CH4)和碳烟排放相对较低。与柴油相比,混合燃料的各类碳氢化合物(HC)排放较低,且以B20、B50和B75的降低幅度最为明显。但是,在高负荷高转速下,B100的各类碳氢化合物(HC)排放比柴油高。随着生物柴油含量的增加,混合燃料的NO、NOX、CO2、SO2、碳烟、甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、乙醛(MECHO)、乙炔(C2H2)、甲腈(HCN)和芳香烃(AHC)排放随之降低。混合燃料中,B20的乙醛(MECHO)、甲腈(HCN)、甲酸(HCOOH)、异氰酸(HNCO)及各类碳氢化合物(HC)排放量基本为最低。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TE667

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