2-甲基呋喃與生物柴油、柴油混合燃料的熱平衡與?平衡分析

侯獻軍，程財，盧俊宇，王友恒

2-甲基呋喃與生物柴油、柴油混合燃料的熱平衡與?平衡分析

侯獻軍1,2,3，程財1,2,3，盧俊宇1,2,3，王友恒1,2,3

（1.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學湖北省新能源與智能網聯車工程技術研究中心，湖北 武漢 430070）

基于某款缸內直噴柴油發動機，將2-甲基呋喃（MF）分別與生物柴油，柴油燃料混合，研究不同燃料的熱效率與?效率。試驗結果表明，柴油-MF混合燃料隨著MF質量分數的增加，熱效率與?效率先增加后減小，熱效率在純柴油90%負荷工作時取得最大值為41.2%，?效率在MF質量比例為20%的混合燃料70%負荷工作時取得最大值為38.64%。而在生物柴油-MF混合燃料中，隨著MF質量分數的增加，混合燃料的熱效率與?效率一直減小，其排氣氣體的能量效率與?效率反而增加。在摻混同等低質量分數（10%）的MF下，生物柴油混合燃料比柴油混合燃料具有更高的熱效率和?效率，而在摻混同等較高質量分數的MF（30%）下，生物柴油混合燃料的熱效率和?效率比柴油混合燃料低。

2-甲基呋喃；柴油發動機；生物柴油；能量；?

柴油發動機廣泛用于卡車、輪船和鐵路機車等交通設備[1]。但是目前由于石油能源的短缺和日益嚴格的排放法規，尋找環境友好的替代燃料迫在眉睫。生物柴油燃料是一種可再生的“綠色能源”，其排放量通常較柴油燃料低，同時物理性質與柴油相似，可用于柴油發動機[2]。2－甲基呋喃（Methyl Furan，MF）同樣是一種環境友好的生物燃料，可通過批量生產方法直接獲得，與乙醇相比，其具有更高的能量密度，在相同條件下具有更低的燃料消耗量[3]。

熱力學第一定律和第二定律是評估燃料熱效率和?效率的重要理論[4]。因此，熱力學第一定律分析和第二定律分析已被廣泛用于評估發動機性能。Liu等[5]研究了轉速和負載對柴油發動機?效率的影響，結果表明在高速、高負荷條件下，排氣效率要高于冷卻水效率，在低速、低負荷條件下，排氣效率低于冷卻水效率。Khoobbakht等[6]研究了生物柴油－乙醇混合燃料的熱效率與?效率，結果表明，混合燃料的?效率隨著生物乙醇比例的增加而增大。Jafarmadar S等[7]研究了以不同比例混合柴油與生物柴油的燃料在均質壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）發動機燃燒的?效率，結果表明，燃料的?效率隨生物柴油的比例增加而增加。韓國鵬[8]研究了柴油、甲醇雙燃料對發動機熱平衡性能的影響，并提出摻混甲醇能有效提高柴油的熱效率與?效率，達到節能目的。

綜上所述，許多學者已經探究了其他替代燃料在柴油機燃燒的能量平衡與?平衡，然而很少有學者研究過以生物柴油－MF混合物、柴油－MF混合物為動力的柴油發動機的能量平衡和?平衡。因此，本文旨在研究以生物柴油－MF混合物、柴油－MF混合物為燃料的柴油發動機的能量分布和?分布。

1 試驗裝置和程序

1.1 發動機及試驗裝置

本文以某直噴壓燃（Direct Injection Compression Ignition，DICI）發動機為對象進行試驗，試驗裝置示意圖1所示，該發動機的詳細參數如表1。試驗過程中使用的主要設備儀器有：AVL動態電力測功機、AVL測控控制系統、AVL IndiSet燃燒分析儀及Kistler 6115B型缸壓傳感器等。

表1 發動機基本參數

排氣氣體溫度和冷卻水的溫度通過K型熱電偶測量，每次添加新燃料后，為確保試驗的正確性，發動機運轉15 min后采集數據，以確保當前試驗條件下沒有燃料殘留物，并取3次試驗結果的平均值作為最終結果。

1.2 發動機燃燒能量流動分析

將發動機視為控制單元體，燃燒前后各部分能量流動如圖2所示。為簡化第一定律和第二定律的計算，采用文獻[8]中假設。

總的燃料燃燒反應為：

式中：CH為碳氫化合物，g/mol；C5H6O為二甲基呋喃，g/mol；O2為氧氣，g/mol；N2為氮氣，g/mol；CO為一氧化碳，g/mol；CO2為二氧化碳，g/mol；NO2為二氧化氮，g/mol；H2O為水，g/mol；、、為質量系數。

圖1 發動機臺架試驗示意圖

圖2 系統能量平衡圖

使用AVL氣體分析儀測量排氣𝑎、𝑏、及的質量系數，再通過對C、H及N應用質量守恒原理，確定式（1）中其他未知系數。

教師可以通過以學生為中心的翻譯工作坊的教學形式，把一些代表性的錯誤作為教學素材，在課堂上和學生一起探討、分析，集體糾正。同時，教師還可以讓學生們互評翻譯習題，讓他們發現彼此的錯誤，從而警醒自己和別人的一些常犯語言錯誤。此外，也可以選擇部分學生把自己的翻譯錯誤整理、歸類然后制作成課件，進行集體訂正，并提出合理的修改建議。

1.3 能量平衡及?平衡分析

對于定的開放系統，能量平衡為[9]：

式中：Q為進入缸內的空氣能量，kW；為燃料能量，kW；W為有效輸出能，kW；Q量為排氣氣體總能量，kW；Q為通過冷卻水散熱的能量，kW；Q為通過缸體散熱的能量，kW。

?平衡可由下式計算[10]：

式中：X為空氣流入發動機的?，kW；為燃料?，kW；X為排氣?，kW；X為缸體向環境傳遞的?，kW；X為有效輸出?，與輸出功率相同，kW；為整個發動機系統的?損失，kW。

發動機的熱效率為：

式中：W為有效功，kW；為燃料能量，kW。

2 能量平衡分析

2.1 不同燃料對熱效率的影響

將能量平衡分析應用于柴油發動機，可計算得出七種燃料在發動機燃燒時各部分能量，結果如表2所示，其中D90-MF10、D80-MF20、D70－MF30代表MF質量分數為10%、20%、30%的柴油－MF混合物，B90-MF10、B80-MF20、B70-MF20代表MF質量分數為10%、20%、30%的生物柴油－MF混合物，B100代表純柴油。

由表2可知七種燃料各部分能量均隨發動機負荷的增加而增大，這是由于發動機負荷增大，氣缸溫度和排氣溫度同時升高，從而導致排氣能量與散熱能量均增大。

七種燃料隨負荷變化的熱效率如圖3所示，可以看出柴油－MF混合物的有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）均低于生物柴油－MF混合物。生物柴油－MF混合物和柴油－MF混合物的有效燃油消耗率均隨MF的比例增加而增大，這是由于MF的低熱值均比生物柴油、柴油低。在10%負荷與70%負荷之間，B90-MF10熱效率高于D90-MF10，由于生物柴油具有較高的含氧量和辛烷值，提高了燃料的熱效率[11]。

然而，隨著MF比例的提高，在相同負荷下，生物柴油－MF混合物的熱效率比柴油－MF混合物低，這是因為MF粘度較低，增大MF的比例會降低混合燃料粘度，阻礙混合燃料的噴射過程，導致燃燒惡化，熱效率降低。從圖3還可看出柴油混合燃料最大熱效率出現在90%負荷（D90-MF10），為41.4%，而生物柴油混合燃料最大熱效率出現在70%負荷（B80-MF20），為42.2%，這可能是因為本文發動機最初是針對柴油進行標定校準，使其在較高負荷下熱效率也較高。

表2 發動機各部分能量分布

圖3 燃油消耗率與熱效率隨負荷的變化

2.2 不同燃料對排氣能量比例的影響

不同混合燃料的排氣能量比例如圖4所示，可以看出排氣能量比例隨發動機負荷增加而增加，這是因為在較高的負荷下排氣溫度較高。混合燃料的排氣能量比例隨MF的比例增大而增大，例如，在50%負荷時，柴油混合物D90-MF10、D80-MF20、D70-MF30的輸入能量通過排氣傳遞到環境中的比例分別為28.29%、29.12%、30.33%；生物柴油混合物B90-MF10、B80-MF20、B70-MF30的輸入能量通過排氣傳遞到環境中的比例分別為26.42%、27.58%、28.12%，這是由于MF的十六烷值較低，發動機著火延遲時間變長，預混合燃燒的持續時間以及燃燒速率增加，導致較高的排氣溫度[12]。還看出在同等負荷下，柴油－MF混合物的排氣能量比例要高于生物柴油－MF混合物，這是由于生物柴油中的氧含量高于柴油，導致燃燒時刻更早且排氣溫度更低[13]。因此在七種燃料類型中，純生物柴油的排氣能量比例最小。

圖4 不同燃料的排氣能量隨負荷變化比例

2.3 不同燃料隨負荷變化對散熱能量比例的影響

圖5表示不同燃料的總散熱能量比例隨負荷的變化。

圖5 不同燃料隨負荷變化的散熱能量比例

可以看出七種燃料總散熱能量比例隨著負荷的增大而降低，這是因為在較低負荷下功率損耗的比例較大，更多的能量通過傳熱的方式流出氣缸，例如，在低負荷（10%負荷）下七種燃料的平均散熱能量損失占比為39.98%，而在高負荷（70%負荷）時，該值為31.96%。Hoseinpour[14]等也得出了類似的結論，并提出燃料在發動機的總散熱能量取決于進氣混合物、燃燒產物的比焓、焓變以及進氣燃料的摩爾分數等因素，因此很難預測明顯的能量變化趨勢，盡管在柴油－MF混合物中沒發現明顯的變化規律趨勢，但在生物柴油－MF混合中，冷卻水散熱的能量和環境損失散熱能量的總比例隨MF的增加而增加。

3 平衡分析

3.1 不同燃料對?效率的影響

不同燃料隨負荷變化的?效率如圖6所示，可以看出燃料的?效率略低于熱效率，這是由于燃料能量低于燃料的?。在生物柴油－MF混合燃料中，在70%負荷B100?效率最高，為39.29%，在柴油－MF混合物中，在90%負荷D80-MF20?效率最高，為38.64%。

圖6 不同燃料隨負荷變化的?效率

3.2 不同燃料對排氣?比例的影響

圖7表示燃料的排氣?比例相對于負荷的變化，可以看出較高的發動機負荷會導致排氣?比例增大。原因在于更多的輸入能量流入發動機中，排氣溫度升高，導致排氣?百分比增加[15]。發動機中排氣?比例隨MF質量分數的增大而增大，這是由于MF使排氣溫度升高。比較柴油-MF混合物和生物柴油－MF混合物，可發現在MF相同的質量分數混合燃料中。柴油混合物的排氣?比例更低，平均約低2.33%。

3.3 不同燃料對散熱?比例的影響

圖8表示缸內傳遞給冷卻水、環境的?比例。由圖可知，總傳熱?比例隨負荷的增加而減小。通過冷卻水和傳遞到環境的總?比例額要低于排氣的?比例，這是由于排氣溫度比發動機冷卻水溫度高得多，而?主要取決于溫度[5]，比較圖4與圖5，可知總散熱能量比例高于排氣的能量比例，而比較圖7與圖8，可知總散熱?比例小于排氣，這表明排氣能量的回收潛力高于散熱能量。

圖7 不同燃料隨負荷變化的排氣?比例

圖8 不同燃料隨負荷變化的散熱?比例

3.4 不同燃料對?損失比例的影響

圖9表示不同負荷下燃料的?損失比例，可看出隨著負荷的增加，燃料?損失減少，生物柴油－MF混合物的?損失比例隨MF的質量分數增加而增大，而柴油－MF混合物?損失比例隨MF比例增大時的變化規律并不明顯，B70-MF30在30%負荷時?損失比例最大為54.26%。

4 結論

（1）在所有測試工況下，柴油－MF混合物的有效燃油消耗率（BSFC）均低于生物柴油－MF混合物，且生物柴油－MF混合物和柴油－MF混合物的有效燃油消耗率隨MF的比例增加而增加。

（2）生物柴油－MF混合燃料的熱效率與?效率隨著MF質量分數的增加，一直減小，排氣氣體的能量效率與?效率反而增加。對于柴油混合物，熱效率首先隨MF的質量分數增加而增加，然后降低，其?效率與熱效率的變化顯示出相似的趨勢。

（3）在同等工況下，柴油混合物排氣中的能量比例和?比例比柴油混合物低，平均約低2.33%。MF可提高柴油和生物柴油燃料的排氣能量比例（效率），平均提高3.48%。

圖9 不同燃料隨負荷變化的?損失比例

（4）大多數工況下，生物柴油－MF混合物的傳熱比例隨MF質量分數的增加而降低，?損失比例隨MF質量分數的增加而增加，B70-MF30在30%負荷時?損失比例最大為54.26%。

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Thermal Balance and Exergy Balance Analyses of a Diesel Engine Fueled with 2-Methylfuran-Diesel and 2-Methylfuran-Biodiesel Blends

HOU Xianjun1,2,3，CHENG Cai1,2,3，LU Junyu1,2,3，WANG Youheng1,2,3

( 1.Hubei Provincial Key Laboratory of Modern Auto Parts Technology,Wuhan University of Technology, Wuhan430070,China;2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3. Hubei Research Center for New Energy & Intelligent Connected Vehicle, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China )

Based on a direct injection engine, different mass fractions of 2-methylfuran（MF）were blended with biodiesel or diesel to study the thermal efficiency and exergy efficiency of different fuels. The results show that as the mass fraction of MF increases, the thermal efficiency and exergy efficiency of the MF-diesel blended fuel first increase and then decrease. The maximum thermal efficiency is 41.2% when the pure diesel is working at 90% load, and the maximum exergy efficiency is 38.64% when working with 20% mixed fuel at 70% load. In case of the MF-biodiesel blended fuel, with the increase of MF mass fraction, the thermal efficiency and exergy efficiency have been decreasing, and the energy efficiency and exergy efficiency of the exhaust gas increases instead. When blended with the same low mass fraction (10%) of MF, the biodiesel blended fuel has higher thermal efficiency and exergy efficiency than the diesel blended fuel. When blended with the same higher mass fraction of MF (30%), the thermal efficiency and exergy efficiency of biodiesel blended fuel are higher than that of diesel blended fuel.

2-methylfuran；diesel engine；biodiesel；energy；exergy

TK412

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.001

1006－0316 (2021) 04－0001－07

2020－10－14

國家重點研發計劃項目（2018YFB0106401）

侯獻軍（1973－），男，河南新鄉人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為汽車及發動機CAD/CAE技術，E-mail：houxj@whut.edu.cn。