2-甲基呋喃与生物柴油、柴油混合燃料的热平衡与㶲平衡分析

侯献军，程财，卢俊宇，王友恒

2-甲基呋喃与生物柴油、柴油混合燃料的热平衡与㶲平衡分析

侯献军1,2,3，程财1,2,3，卢俊宇1,2,3，王友恒1,2,3

（1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070；3.武汉理工大学湖北省新能源与智能网联车工程技术研究中心，湖北 武汉 430070）

基于某款缸内直喷柴油发动机，将2-甲基呋喃（MF）分别与生物柴油，柴油燃料混合，研究不同燃料的热效率与㶲效率。试验结果表明，柴油-MF混合燃料随着MF质量分数的增加，热效率与㶲效率先增加后减小，热效率在纯柴油90%负荷工作时取得最大值为41.2%，㶲效率在MF质量比例为20%的混合燃料70%负荷工作时取得最大值为38.64%。而在生物柴油-MF混合燃料中，随着MF质量分数的增加，混合燃料的热效率与㶲效率一直减小，其排气气体的能量效率与㶲效率反而增加。在掺混同等低质量分数（10%）的MF下，生物柴油混合燃料比柴油混合燃料具有更高的热效率和㶲效率，而在掺混同等较高质量分数的MF（30%）下，生物柴油混合燃料的热效率和㶲效率比柴油混合燃料低。

2-甲基呋喃；柴油发动机；生物柴油；能量；㶲

柴油发动机广泛用于卡车、轮船和铁路机车等交通设备[1]。但是目前由于石油能源的短缺和日益严格的排放法规，寻找环境友好的替代燃料迫在眉睫。生物柴油燃料是一种可再生的“绿色能源”，其排放量通常较柴油燃料低，同时物理性质与柴油相似，可用于柴油发动机[2]。2－甲基呋喃（Methyl Furan，MF）同样是一种环境友好的生物燃料，可通过批量生产方法直接获得，与乙醇相比，其具有更高的能量密度，在相同条件下具有更低的燃料消耗量[3]。

热力学第一定律和第二定律是评估燃料热效率和㶲效率的重要理论[4]。因此，热力学第一定律分析和第二定律分析已被广泛用于评估发动机性能。Liu等[5]研究了转速和负载对柴油发动机㶲效率的影响，结果表明在高速、高负荷条件下，排气效率要高于冷却水效率，在低速、低负荷条件下，排气效率低于冷却水效率。Khoobbakht等[6]研究了生物柴油－乙醇混合燃料的热效率与㶲效率，结果表明，混合燃料的㶲效率随着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与生物柴油的燃料在均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）发动机燃烧的㶲效率，结果表明，燃料的㶲效率随生物柴油的比例增加而增加。韩国鹏[8]研究了柴油、甲醇双燃料对发动机热平衡性能的影响，并提出掺混甲醇能有效提高柴油的热效率与㶲效率，达到节能目的。

综上所述，许多学者已经探究了其他替代燃料在柴油机燃烧的能量平衡与㶲平衡，然而很少有学者研究过以生物柴油－MF混合物、柴油－MF混合物为动力的柴油发动机的能量平衡和㶲平衡。因此，本文旨在研究以生物柴油－MF混合物、柴油－MF混合物为燃料的柴油发动机的能量分布和㶲分布。

1 试验装置和程序

1.1 发动机及试验装置

本文以某直喷压燃（Direct Injection Compression Ignition，DICI）发动机为对象进行试验，试验装置示意图1所示，该发动机的详细参数如表1。试验过程中使用的主要设备仪器有：AVL动态电力测功机、AVL测控控制系统、AVL IndiSet燃烧分析仪及Kistler 6115B型缸压传感器等。

表1 发动机基本参数

排气气体温度和冷却水的温度通过K型热电偶测量，每次添加新燃料后，为确保试验的正确性，发动机运转15 min后采集数据，以确保当前试验条件下没有燃料残留物，并取3次试验结果的平均值作为最终结果。

1.2 发动机燃烧能量流动分析

将发动机视为控制单元体，燃烧前后各部分能量流动如图2所示。为简化第一定律和第二定律的计算，采用文献[8]中假设。

总的燃料燃烧反应为：

式中：CH为碳氢化合物，g/mol；C5H6O为二甲基呋喃，g/mol；O2为氧气，g/mol；N2为氮气，g/mol；CO为一氧化碳，g/mol；CO2为二氧化碳，g/mol；NO2为二氧化氮，g/mol；H2O为水，g/mol；、、为质量系数。

图1 发动机台架试验示意图

图2 系统能量平衡图

使用AVL气体分析仪测量排气𝑎、𝑏、及的质量系数，再通过对C、H及N应用质量守恒原理，确定式（1）中其他未知系数。

教师可以通过以学生为中心的翻译工作坊的教学形式，把一些代表性的错误作为教学素材，在课堂上和学生一起探讨、分析，集体纠正。同时，教师还可以让学生们互评翻译习题，让他们发现彼此的错误，从而警醒自己和别人的一些常犯语言错误。此外，也可以选择部分学生把自己的翻译错误整理、归类然后制作成课件，进行集体订正，并提出合理的修改建议。

1.3 能量平衡及㶲平衡分析

对于定的开放系统，能量平衡为[9]：

式中：Q为进入缸内的空气能量，kW；为燃料能量，kW；W为有效输出能，kW；Q量为排气气体总能量，kW；Q为通过冷却水散热的能量，kW；Q为通过缸体散热的能量，kW。

㶲平衡可由下式计算[10]：

式中：X为空气流入发动机的㶲，kW；为燃料㶲，kW；X为排气㶲，kW；X为缸体向环境传递的㶲，kW；X为有效输出㶲，与输出功率相同，kW；为整个发动机系统的㶲损失，kW。

发动机的热效率为：

式中：W为有效功，kW；为燃料能量，kW。

2 能量平衡分析

2.1 不同燃料对热效率的影响

将能量平衡分析应用于柴油发动机，可计算得出七种燃料在发动机燃烧时各部分能量，结果如表2所示，其中D90-MF10、D80-MF20、D70－MF30代表MF质量分数为10%、20%、30%的柴油－MF混合物，B90-MF10、B80-MF20、B70-MF20代表MF质量分数为10%、20%、30%的生物柴油－MF混合物，B100代表纯柴油。

由表2可知七种燃料各部分能量均随发动机负荷的增加而增大，这是由于发动机负荷增大，气缸温度和排气温度同时升高，从而导致排气能量与散热能量均增大。

七种燃料随负荷变化的热效率如图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随MF的比例增加而增大，这是由于MF的低热值均比生物柴油、柴油低。在10%负荷与70%负荷之间，B90-MF10热效率高于D90-MF10，由于生物柴油具有较高的含氧量和辛烷值，提高了燃料的热效率[11]。

然而，随着MF比例的提高，在相同负荷下，生物柴油－MF混合物的热效率比柴油－MF混合物低，这是因为MF粘度较低，增大MF的比例会降低混合燃料粘度，阻碍混合燃料的喷射过程，导致燃烧恶化，热效率降低。从图3还可看出柴油混合燃料最大热效率出现在90%负荷（D90-MF10），为41.4%，而生物柴油混合燃料最大热效率出现在70%负荷（B80-MF20），为42.2%，这可能是因为本文发动机最初是针对柴油进行标定校准，使其在较高负荷下热效率也较高。

表2 发动机各部分能量分布

图3 燃油消耗率与热效率随负荷的变化

2.2 不同燃料对排气能量比例的影响

不同混合燃料的排气能量比例如图4所示，可以看出排气能量比例随发动机负荷增加而增加，这是因为在较高的负荷下排气温度较高。混合燃料的排气能量比例随MF的比例增大而增大，例如，在50%负荷时，柴油混合物D90-MF10、D80-MF20、D70-MF30的输入能量通过排气传递到环境中的比例分别为28.29%、29.12%、30.33%；生物柴油混合物B90-MF10、B80-MF20、B70-MF30的输入能量通过排气传递到环境中的比例分别为26.42%、27.58%、28.12%，这是由于MF的十六烷值较低，发动机着火延迟时间变长，预混合燃烧的持续时间以及燃烧速率增加，导致较高的排气温度[12]。还看出在同等负荷下，柴油－MF混合物的排气能量比例要高于生物柴油－MF混合物，这是由于生物柴油中的氧含量高于柴油，导致燃烧时刻更早且排气温度更低[13]。因此在七种燃料类型中，纯生物柴油的排气能量比例最小。

图4 不同燃料的排气能量随负荷变化比例

2.3 不同燃料随负荷变化对散热能量比例的影响

图5表示不同燃料的总散热能量比例随负荷的变化。

图5 不同燃料随负荷变化的散热能量比例

可以看出七种燃料总散热能量比例随着负荷的增大而降低，这是因为在较低负荷下功率损耗的比例较大，更多的能量通过传热的方式流出气缸，例如，在低负荷（10%负荷）下七种燃料的平均散热能量损失占比为39.98%，而在高负荷（70%负荷）时，该值为31.96%。Hoseinpour[14]等也得出了类似的结论，并提出燃料在发动机的总散热能量取决于进气混合物、燃烧产物的比焓、焓变以及进气燃料的摩尔分数等因素，因此很难预测明显的能量变化趋势，尽管在柴油－MF混合物中没发现明显的变化规律趋势，但在生物柴油－MF混合中，冷却水散热的能量和环境损失散热能量的总比例随MF的增加而增加。

3 平衡分析

3.1 不同燃料对㶲效率的影响

不同燃料随负荷变化的㶲效率如图6所示，可以看出燃料的㶲效率略低于热效率，这是由于燃料能量低于燃料的㶲。在生物柴油－MF混合燃料中，在70%负荷B100㶲效率最高，为39.29%，在柴油－MF混合物中，在90%负荷D80-MF20㶲效率最高，为38.64%。

图6 不同燃料随负荷变化的㶲效率

3.2 不同燃料对排气㶲比例的影响

图7表示燃料的排气㶲比例相对于负荷的变化，可以看出较高的发动机负荷会导致排气㶲比例增大。原因在于更多的输入能量流入发动机中，排气温度升高，导致排气㶲百分比增加[15]。发动机中排气㶲比例随MF质量分数的增大而增大，这是由于MF使排气温度升高。比较柴油-MF混合物和生物柴油－MF混合物，可发现在MF相同的质量分数混合燃料中。柴油混合物的排气㶲比例更低，平均约低2.33%。

3.3 不同燃料对散热㶲比例的影响

图8表示缸内传递给冷却水、环境的㶲比例。由图可知，总传热㶲比例随负荷的增加而减小。通过冷却水和传递到环境的总㶲比例额要低于排气的㶲比例，这是由于排气温度比发动机冷却水温度高得多，而㶲主要取决于温度[5]，比较图4与图5，可知总散热能量比例高于排气的能量比例，而比较图7与图8，可知总散热㶲比例小于排气，这表明排气能量的回收潜力高于散热能量。

图7 不同燃料随负荷变化的排气㶲比例

图8 不同燃料随负荷变化的散热㶲比例

3.4 不同燃料对㶲损失比例的影响

图9表示不同负荷下燃料的㶲损失比例，可看出随着负荷的增加，燃料㶲损失减少，生物柴油－MF混合物的㶲损失比例随MF的质量分数增加而增大，而柴油－MF混合物㶲损失比例随MF比例增大时的变化规律并不明显，B70-MF30在30%负荷时㶲损失比例最大为54.26%。

4 结论

（1）在所有测试工况下，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随MF的比例增加而增加。

（2）生物柴油－MF混合燃料的热效率与㶲效率随着MF质量分数的增加，一直减小，排气气体的能量效率与㶲效率反而增加。对于柴油混合物，热效率首先随MF的质量分数增加而增加，然后降低，其㶲效率与热效率的变化显示出相似的趋势。

（3）在同等工况下，柴油混合物排气中的能量比例和㶲比例比柴油混合物低，平均约低2.33%。MF可提高柴油和生物柴油燃料的排气能量比例（效率），平均提高3.48%。

图9 不同燃料随负荷变化的㶲损失比例

（4）大多数工况下，生物柴油－MF混合物的传热比例随MF质量分数的增加而降低，㶲损失比例随MF质量分数的增加而增加，B70-MF30在30%负荷时㶲损失比例最大为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

国家重点研发计划项目（2018YFB0106401）

侯献军（1973－），男，河南新乡人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为汽车及发动机CAD/CAE技术，E-mail：houxj@whut.edu.cn。