基于新能源燃料特性的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)研究

姜敏慧，孟凱寧，舒畇溦

基于新能源燃料特性的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)研究

姜敏慧，孟凱寧，舒畇溦

（西華大學(xué)，成都 610039）

為緩解能源短缺與環(huán)境污染雙重危機(jī)，設(shè)計(jì)一款基于植物油基微乳化燃料、適合多場(chǎng)景應(yīng)用的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備。通過(guò)熱力學(xué)燃燒定律與能量轉(zhuǎn)換定律分析植物油基微乳化燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并總結(jié)其燃燒特性與潛在問(wèn)題；針對(duì)上述特性與問(wèn)題設(shè)計(jì)一款可有效將該燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備。植物油基微乳化燃料的“微爆效應(yīng)”與燃燒過(guò)程中分解自身氧的特性都對(duì)燃燒過(guò)程具有促進(jìn)效果，作為替代燃料可行性較強(qiáng)，針對(duì)其冷啟動(dòng)困難、易積碳等問(wèn)題，可通過(guò)設(shè)置提前預(yù)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化其噴霧質(zhì)量，達(dá)到從結(jié)構(gòu)上解決上述問(wèn)題并能有效提供動(dòng)力的目的，將其與發(fā)電機(jī)結(jié)合形成的生態(tài)發(fā)電系統(tǒng)能夠解決野外露營(yíng)、工廠(chǎng)停電等特殊情況下的短期供電問(wèn)題。在保證動(dòng)力輸出與生態(tài)性的前提下提出的動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)方法，有針對(duì)性地解決了植物油基微乳化燃料在應(yīng)用過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，也為特殊情況下解決短期供電問(wèn)題提供了有效參考。

新能源燃料特性；燃料燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)試；生態(tài)設(shè)計(jì)；動(dòng)力設(shè)備；工業(yè)設(shè)計(jì)

世界經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化發(fā)展與人類(lèi)廣泛地應(yīng)用化石能源有密不可分的聯(lián)系，而工業(yè)高度發(fā)展所帶來(lái)的負(fù)面影響也是顯而易見(jiàn)的——資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)破壞，這些都會(huì)直接且顯著地影響生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)正常的生產(chǎn)生活環(huán)境。國(guó)務(wù)院早在2014年就發(fā)布了《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，包括堅(jiān)持立足國(guó)內(nèi)、將國(guó)內(nèi)供應(yīng)作為保障能源安全的主渠道且著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、將發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向。黨的十八大以來(lái)，我國(guó)在國(guó)家治理方面愈加重視出臺(tái)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策或措施，對(duì)碳排放強(qiáng)度的削減幅度也在不斷提高，致力于從多方面推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型[1]。因此，以生態(tài)設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)研究基于新能源燃料特性的多場(chǎng)景應(yīng)用輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備既能助力碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也符合我國(guó)向節(jié)能型社會(huì)轉(zhuǎn)化的基本國(guó)情，更體現(xiàn)了深遠(yuǎn)的社會(huì)意義和戰(zhàn)略意義。

1 研究背景

在當(dāng)代工業(yè)文明社會(huì)，化石能源仍是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的最大動(dòng)力。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年化石能源仍處于我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的比重為84.7%[2]。同時(shí)，我國(guó)作為世界上最大的制造業(yè)國(guó)家，也是世界上最大的石油進(jìn)口國(guó)，近年來(lái)對(duì)外的石油依存度都保持在70%左右。工業(yè)消耗能源所帶來(lái)的問(wèn)題除了枯竭隱患之外，污染問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)，其排放出的有害物加重了對(duì)環(huán)境和人體健康的危害，其中最主要的就是廢水污染、廢氣污染與廢渣污染。在能源危機(jī)與生態(tài)污染的雙重威脅下，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)學(xué)者和科研人員立足設(shè)計(jì)領(lǐng)域直面全球工業(yè)化進(jìn)程中出現(xiàn)的物質(zhì)資源浪費(fèi)與環(huán)境生態(tài)破壞問(wèn)題，致力于探索與開(kāi)發(fā)新的替代能源[3]。研究人員一方面開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保且可再生的清潔能源，如風(fēng)能、生物能、潮汐能等[4]，另一方面通過(guò)改變機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)上述能量的應(yīng)用，以達(dá)到節(jié)約資源與降低污染的目的[5]。在尋找清潔能源的過(guò)程中，有研究發(fā)現(xiàn)植物油不僅可再生、來(lái)源廣泛[6]，而且其成分特性可使燃燒后排出的有害污染物大大減少，是天然的環(huán)境友好型燃料。在石油危機(jī)嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，將植物油作為替代燃料能夠在很大程度上緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來(lái)的能源危機(jī)，因此它被認(rèn)為是有潛力替代化石能源的代用燃料之一。

2 植物油基微乳化燃料與生態(tài)發(fā)電裝置

2.1 植物油基微乳化燃料

植物油被認(rèn)為是可替代化石燃料的潛在能源，不僅是因?yàn)樗哂信c柴油相當(dāng)?shù)奶匦?，也因?yàn)樗哂休^高的十六烷值和閃點(diǎn)、更優(yōu)良的抗爆性能、運(yùn)輸與儲(chǔ)藏安全且便捷，而且它幾乎不含硫和易造成環(huán)境污染的芳香族環(huán)烴[7]。早在二戰(zhàn)時(shí)期，日本等其他國(guó)家就已經(jīng)將桐油等一些植物油偶爾應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)上。雖然它是一種可再生綠色能源，但其黏度高、揮發(fā)性差等特性，在柴油機(jī)中燃燒時(shí)會(huì)顯現(xiàn)燃燒室積碳、燃燒不完全等問(wèn)題，這也導(dǎo)致它難以被直接用作柴油機(jī)的替代燃料[8]。為解決此類(lèi)問(wèn)題，研究人員通常采用物理方法或化學(xué)方法改善其理化特性，使其能夠滿(mǎn)足柴油機(jī)的應(yīng)用條件。在眾多降低植物油黏度的技術(shù)中微乳化是一種經(jīng)濟(jì)且有效的方法，因?yàn)樗撞僮?、成本低，能夠以較低的經(jīng)濟(jì)投入達(dá)到有效降低植物油的黏度、改善其霧化質(zhì)量與燃燒狀況的目的[9]。微乳化法的核心是在微乳化劑的作用下將乙醇與植物油混合配制成微乳化液，此法能有效降低植物油的黏度。在此類(lèi)油包水型（W/O）乳化液中，水的沸點(diǎn)低于油，隨著環(huán)境溫度的升高，水先沸騰，體積瞬間增大會(huì)形成一次極小的爆炸[10]。當(dāng)燃燒持續(xù)進(jìn)行，水蒸氣的壓力繼續(xù)增加會(huì)將油滴分子分成更細(xì)小的液滴，即產(chǎn)生“二次霧化”，更加增大了燃料與空氣的接觸面積，原理如圖1所示，這種微爆可以提高燃燒效率并且減少?gòu)U氣排放。

植物油基微乳化燃料的應(yīng)用價(jià)值如表1所示，首先，它的應(yīng)用豐富了能源結(jié)構(gòu)，為緩解化石燃料能源危機(jī)發(fā)揮了一定的作用，且我國(guó)植被物種豐富，植物油種類(lèi)多樣，為微乳化燃料的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)、有力的物質(zhì)保障。其次，植物油中不含硫與芳香烴，排放物中無(wú)致癌物質(zhì)，也降低了誘發(fā)酸雨的可能性，且它自身含氧，可使燃燒更加充分，進(jìn)而降低了排放物中碳?xì)浠衔?、一氧化碳及顆粒物的含量，對(duì)環(huán)境友好。最后，它的應(yīng)用可增加油料作物的種植面積，有利于緩解土地荒漠化、減少水土流失、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

表1 植物油基微乳化燃料應(yīng)用價(jià)值

Tab.1 Application value of plant oil-based microemulsified fuel

2.2 生態(tài)發(fā)電裝置

電能是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究和人民生活等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的主要能源之一，其具有便于傳輸、利用率高、轉(zhuǎn)換方式多樣，在通信、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域不可或缺等優(yōu)勢(shì)。目前占比最大的火力發(fā)電方式所產(chǎn)生的粉塵、二氧化硫、氮氧化物、粉煤灰等物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染最大[11]。因此，探索生態(tài)發(fā)電方式也成為了時(shí)代課題，除了可以應(yīng)用水力、風(fēng)力、核能、太陽(yáng)能、生物能等清潔能源之外，也可采用復(fù)合發(fā)電裝置[12]，如柴油機(jī)+光伏混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，可利用太陽(yáng)能輔助發(fā)電；高溫燃料電池-發(fā)動(dòng)機(jī)混合發(fā)電，將二者耦合組成聯(lián)合發(fā)電設(shè)備，可達(dá)到能量梯級(jí)利用的目的；燃煤耦合垃圾發(fā)電，有助于節(jié)約化石能源，同時(shí)提高垃圾能源化利用效率[13]。以上幾類(lèi)都是大型發(fā)電裝置，適用于城市區(qū)域性供電，對(duì)于小范圍短時(shí)供電的情況，有研究表明可將自行車(chē)動(dòng)力作為動(dòng)力源[14]，通過(guò)鏈條與齒輪間的摩擦、車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輪胎的摩擦或是利用騎行時(shí)后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電花鼓產(chǎn)生電能。但這幾種方式的缺點(diǎn)也比較明顯，如摩擦力帶來(lái)的阻力對(duì)零件損耗較大、接觸面遇水、油、泥時(shí)打滑會(huì)影響發(fā)電穩(wěn)定性、發(fā)電方式的轉(zhuǎn)化效率等。因此，希望設(shè)計(jì)出燃燒植物油基微乳化燃料的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備并將其與發(fā)電機(jī)結(jié)合組成生態(tài)發(fā)電系統(tǒng)，以達(dá)到提供穩(wěn)定動(dòng)力輸出、提高發(fā)電效率、拓寬應(yīng)用范圍的目的。

3 植物油基微乳化燃料的燃燒特性研究

首先介紹了實(shí)驗(yàn)所用植物油基微乳化燃料的制備方式，并測(cè)定、分析了各原料及微乳化燃料的主要理化性質(zhì)，其次介紹了實(shí)驗(yàn)條件、設(shè)備參數(shù)與設(shè)備連接方式以及噴射策略，最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與應(yīng)用熱力學(xué)燃燒定律、能量轉(zhuǎn)換定律所得計(jì)算公式，得出不同種類(lèi)燃料在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下的滯燃期、燃燒壓力以及瞬時(shí)放熱率變化圖像，對(duì)比得到植物油基微乳化燃料的燃燒特性。

3.1 植物油基微乳化燃料的制備

以柴油與棕櫚油的混合液為基礎(chǔ)油，在乳化劑（油酸與正丁醇體積比按8∶2配置）的作用下將基礎(chǔ)油與乙醇混合制備油包水型微乳化燃料[15]。試驗(yàn)所用試劑包括無(wú)水乙醇、油酸、正丁醇，試驗(yàn)中所用實(shí)驗(yàn)儀器包括試管、滴管、燒杯及量筒等。

在20℃室溫下，將棕櫚油與柴油混合制成兩種體積比的基礎(chǔ)油，分別是3∶7與5∶5，簡(jiǎn)稱(chēng)PD30和PD50。將PD30與PD50分別與乙醇按體積比9∶1、7∶3制備兩組混合燃料。在配置時(shí)，向油桶中逐漸加入微乳化劑，并振蕩油桶，直至溶液由渾濁逐漸變?yōu)槌吻逋该?，最后，將配置好的燃料靜置一周，若不發(fā)生分層現(xiàn)象即可用作實(shí)驗(yàn)使用。各原料及不同配比燃料的理化特性如表2所示，其中乳化劑用量為配置45 ml混合燃料的用量。

表2 各原料及微乳化燃料的主要理化性質(zhì)

Tab.2 Main physicochemical properties of each raw material and microemulsified fuel

3.2 實(shí)驗(yàn)條件與設(shè)備

植物油基微乳化燃料的燃燒測(cè)試在一臺(tái)直列、六缸CRDI柴油機(jī)上進(jìn)行，配套的是電磁閥控制、噴射壓力高達(dá)160 MPa的噴油器，其具體參數(shù)如表3所示。該柴油機(jī)在不同負(fù)荷下的噴射策略為：中、小負(fù)荷下采用預(yù)噴射與主噴射相結(jié)合的兩階段噴射策略，大負(fù)荷下僅采用主噴射的單次噴射策略（如圖2所示）。實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，在六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的第一個(gè)氣缸上安裝壓電式壓力傳感器，缸內(nèi)的壓力經(jīng)過(guò)電荷放大器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的KiBox燃燒分析儀，尾氣采用AVL DISMOKE 4000不透光煙度計(jì)和AVL DIGAS 4000尾氣分析儀進(jìn)行收集，可測(cè)出尾氣中的煙度、一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物含量，?為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息，實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖如圖3所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究植物油基微乳化燃料的燃燒特性，因此需要采集的數(shù)據(jù)主要有滯燃期、缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率。滯燃期是指主噴時(shí)刻噴油始點(diǎn)與燃燒始點(diǎn)之間的曲軸轉(zhuǎn)角，是評(píng)價(jià)燃燒過(guò)程好壞的重要指標(biāo)，其數(shù)據(jù)信息由曲軸轉(zhuǎn)角適配器傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行分析。缸內(nèi)壓力變化能夠反映燃料霧化質(zhì)量和燃燒狀況，缸壓信號(hào)由壓電式壓力傳感器采集并輸送給電荷放大器，然后由12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器把信號(hào)轉(zhuǎn)換成微數(shù)字信號(hào)，燃燒分析儀會(huì)對(duì)微數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接收、分析和計(jì)算。瞬時(shí)放熱率是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)燃料燃燒所釋放的能量，其圖形能夠更直觀地反映不同燃油在缸內(nèi)燃燒的特征，因此不同微乳化燃料在柴油機(jī)中的放熱規(guī)律計(jì)算為研究其工作過(guò)程、性能特征提供了一種有效的研究方法。其計(jì)算方法推導(dǎo)過(guò)程如下：

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

Tab.3 Parameters of engine

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)噴射策略圖

表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Tab.4 Experimental equipment

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖

由實(shí)際的示功圖出發(fā)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律與能量轉(zhuǎn)換定律計(jì)算得出放熱規(guī)律。基本假設(shè)如下：

1）將燃燒室內(nèi)視為溫度均勻分布且周?chē)慵臏囟仁蔷鶆虺氐摹?/p>

2）將缸內(nèi)的散熱過(guò)程視為穩(wěn)定狀態(tài)的對(duì)流換熱過(guò)程，并用對(duì)流換熱公式進(jìn)行計(jì)算，燃燒室內(nèi)的輻射傳熱和燃油的蒸發(fā)吸熱等熱交換過(guò)程都放在傳熱系數(shù)中統(tǒng)一進(jìn)行考慮。

3）將工質(zhì)視為理想氣體，其變化服從狀態(tài)方程式。

4）忽略燃料本身的焓值。

5）將缸內(nèi)壓縮與燃燒過(guò)程視為無(wú)工質(zhì)泄漏即完全封閉的狀態(tài)。

6）燃料完全燃燒，僅排放完全燃燒產(chǎn)物和剩余的O2與N2，不考慮燃油高溫裂解反應(yīng)。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律能量守恒方程：

式中：Q是瞬時(shí)放熱量；是工質(zhì)對(duì)外做功量；Q是氣缸周壁的瞬時(shí)傳熱量；是氣缸內(nèi)瞬時(shí)內(nèi)能。

根據(jù)燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿挠^點(diǎn)：

式中：H是燃料的低熱值；m是發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)供油量；η是燃燒效率，一般取1；是燃料燃燒的累積放熱百分比。

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工質(zhì)做的功：

氣缸瞬時(shí)容積及其隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率：

式中：V是氣缸工作容積；是發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比；λ是曲柄連桿比。

氣缸周壁的瞬時(shí)傳熱量：

式中：是瞬時(shí)平均換熱系數(shù)；A是換熱面積；是氣缸內(nèi)工質(zhì)瞬時(shí)溫度；T是壁面平均溫度；是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

氣缸內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)能為：

式中：是工質(zhì)總內(nèi)能；是單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能；是工質(zhì)的質(zhì)量；a是廣義過(guò)量空氣系數(shù)。

則放熱率為：

3.4 燃燒特性總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)在兩階段噴射控制策略下，研究了各燃油在不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷下的燃燒特性，對(duì)滯燃期、燃燒壓力以及瞬時(shí)放熱率進(jìn)行對(duì)比分析。綜上，將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制成如圖4—8所示的柱狀圖與帶平滑線(xiàn)的散點(diǎn)圖。

3.4.1 滯燃期

如圖4所示，微乳化燃料十六烷值低于柴油，使其相較于柴油具有更長(zhǎng)的滯燃期。在相同負(fù)荷下轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，因?yàn)槲⑷榛剂洗嬖诿芏却?、黏度大的?wèn)題，且乙醇具有的冷效應(yīng)會(huì)降低缸內(nèi)溫度，雖然轉(zhuǎn)速增加會(huì)改善缸內(nèi)熱力狀況，但也會(huì)增加缸內(nèi)噴油量，所以整體呈現(xiàn)滯燃期延長(zhǎng)的結(jié)果。相同轉(zhuǎn)速下負(fù)荷增大導(dǎo)致缸內(nèi)循環(huán)供油量增加，改善了缸內(nèi)熱力狀況，優(yōu)化了燃料的霧化質(zhì)量，因此呈現(xiàn)滯燃期縮短的結(jié)果。

圖4 轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和1 400 r/min時(shí)的滯燃期

3.4.2 缸內(nèi)壓力

如圖5—6所示，中、小負(fù)荷下的缸內(nèi)壓力總體低于大負(fù)荷下的缸內(nèi)壓力，采用的主噴射和預(yù)噴射相結(jié)合的噴射策略使缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)在上止點(diǎn)前出現(xiàn)凸起，因?yàn)樵谪?fù)荷較小時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)溫度較低、熱力狀況差，微乳化燃料黏度大且乙醇具有冷效應(yīng)，造成燃料在缸內(nèi)霧化質(zhì)量和燃燒狀況都較差，這也導(dǎo)致隨著棕櫚油和乙醇占比的增加，凸起逐漸減小。PD50組實(shí)驗(yàn)燃料呈現(xiàn)出的缸內(nèi)壓力峰值這一指標(biāo)基本高于PD30組實(shí)驗(yàn)燃料，這是因?yàn)殡S著棕櫚油與乙醇在微乳化燃料中含量的增加，提高了燃油總的含氧量，加劇了“微爆效應(yīng)”的發(fā)生，對(duì)燃燒過(guò)程起到促進(jìn)作用。大負(fù)荷下缸內(nèi)壓力更高主要是因?yàn)榇穗A段只有主噴射，加強(qiáng)了燃料的湍流強(qiáng)度，優(yōu)化了霧化質(zhì)量，進(jìn)而改善了缸內(nèi)熱力狀態(tài)。

3.4.3 瞬時(shí)放熱率

如圖7—8所示，瞬時(shí)放熱率曲線(xiàn)出現(xiàn)兩個(gè)波峰是由于采用了主噴射與預(yù)噴射相結(jié)合的二次噴射策略。預(yù)噴射階段柴油的瞬時(shí)放熱率峰值均高于微乳化燃料的峰值，是因?yàn)樾∝?fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度較低，且柴油黏度更小，因此霧化質(zhì)量與燃燒狀況均優(yōu)于微乳化燃料。主噴射階段微乳化燃料的瞬時(shí)放熱率峰值均高于柴油的峰值，且隨著棕櫚油和乙醇含量的增加而變大，因?yàn)橐掖己妥貦坝妥陨砗?，且二者結(jié)合形成的微爆效應(yīng)可進(jìn)一步改善燃料的霧化效果，雖增長(zhǎng)了滯燃期，但其更好的揮發(fā)性形成了更均勻的混合氣。

圖5 中、小負(fù)荷下的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)

圖6 大負(fù)荷下的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)

圖7 中、小負(fù)荷下的瞬時(shí)放熱率

圖8 大負(fù)荷下的瞬時(shí)放熱率

綜上所述，將植物油基微乳化燃料用作柴油的替代燃料可行性較強(qiáng)，但由于其本身存在冷效應(yīng)強(qiáng)、黏度大的特性會(huì)導(dǎo)致霧化質(zhì)量與初始熱力狀況差、冷啟動(dòng)困難的問(wèn)題，因此可在噴油系統(tǒng)中設(shè)置提前預(yù)熱結(jié)構(gòu)或增加保溫措施，利用適當(dāng)提高的溫度降低其黏度，進(jìn)而優(yōu)化噴霧質(zhì)量，達(dá)到改善初始熱力狀況的目的。在設(shè)計(jì)基于植物油基微乳化燃料的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備時(shí)，可借鑒內(nèi)燃機(jī)的工作方式，其主要工作原理就是接收較低速的啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)力帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，直至將燃燒室內(nèi)可燃混合氣壓縮至燃燒溫度，即可正常工作并輸出高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)更高效率的電能轉(zhuǎn)化，使其不僅可以成為健身房、露天影院等地的小范圍環(huán)保供電裝置，也可以為工廠(chǎng)等地提供短時(shí)供電保障。

4 基于新能源燃料特性的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)

4.1 輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)策略

現(xiàn)有自行車(chē)環(huán)保發(fā)電系統(tǒng)按動(dòng)力來(lái)源主要分為三類(lèi)[16]，各類(lèi)特征如表5所示。其中實(shí)用性最強(qiáng)的車(chē)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成按功能原理可分為三個(gè)部分：發(fā)電模塊、充電模塊與逆變器。如圖9所示，發(fā)電模塊由自行車(chē)、橡膠傳送帶、發(fā)電機(jī)組成，充電模塊由對(duì)應(yīng)的控制電路與充電電池組成，逆變器是指將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，以滿(mǎn)足供電需求[17]。系統(tǒng)在工作過(guò)程中，人體內(nèi)的化學(xué)能通過(guò)機(jī)械做功，由橡膠傳送帶將車(chē)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力傳遞給發(fā)電機(jī)帶動(dòng)其發(fā)電，產(chǎn)生的電能最終儲(chǔ)存于充電電池中，由逆變器將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電傳遞給用電設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)生態(tài)供電的目標(biāo)。

表5 自行車(chē)發(fā)電系統(tǒng)分類(lèi)

Tab.5 Classification of bicycle power generation systems

圖9 車(chē)輪發(fā)電系統(tǒng)模塊組成

在設(shè)計(jì)基于植物油基微乳化燃料的生態(tài)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，可借鑒車(chē)輪發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，但發(fā)電模塊部分以植物油基微乳化燃料為動(dòng)力來(lái)源，利用輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生電能，如圖10所示。其中燃燒植物油基微乳化燃料的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備的動(dòng)力輸出方式與車(chē)輪相似，即通過(guò)旋轉(zhuǎn)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作實(shí)現(xiàn)發(fā)電，其工作原理如圖11所示。

圖10 植物油基微乳化燃料的生態(tài)發(fā)電模塊組成

圖11 輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備工作原理

在設(shè)計(jì)燃燒植物油基微乳化燃料的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備時(shí)，綜合植物油基微乳化燃料的燃燒特性和設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景需求可得出以下四個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1）噴油預(yù)熱結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知植物油基微乳化燃料作為動(dòng)力來(lái)源能保證動(dòng)力輸出并且具有極大的生態(tài)性，但其冷效應(yīng)強(qiáng)、黏度大等特性導(dǎo)致其被噴射入燃燒室時(shí)霧化質(zhì)量差。但升高初始溫度能夠降低其黏度，進(jìn)而優(yōu)化噴霧質(zhì)量、改善初始熱力狀況。因此，在輸油管周?chē)稍O(shè)置四根加熱管并用矩形外殼將其隔離為封閉空間，在打開(kāi)油路開(kāi)關(guān)時(shí)開(kāi)始升溫，最高升至50 ℃，外殼營(yíng)造的封閉空間有助于其在停止工作之后為輸油管保溫。

2）簡(jiǎn)化啟動(dòng)方式。該設(shè)備的啟動(dòng)條件為短時(shí)間內(nèi)輸入持續(xù)性的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，可使用手搖式啟動(dòng)方式。在啟動(dòng)時(shí)將外接搖把與啟動(dòng)軸端部的槽口結(jié)合，用力搖動(dòng)搖把帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活塞在燃燒室內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓縮升溫，直至燃料與空氣組成的可燃混合氣開(kāi)始燃燒，啟動(dòng)完成。在這一過(guò)程中，采用手搖式啟動(dòng)方式既可以減小設(shè)備體積和重量，使其便于運(yùn)輸與攜帶，也可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和操作方式。

3）工作狀態(tài)高效穩(wěn)定。基于植物油基微乳化燃料的輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備在使用時(shí)僅需將其放置于通風(fēng)良好處，開(kāi)啟與關(guān)閉方式便捷，啟動(dòng)后通過(guò)持續(xù)添加新能源燃料即可維持正常工作狀態(tài)。作為原理類(lèi)似的生態(tài)發(fā)電裝置系統(tǒng)，該輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備與傳統(tǒng)自行車(chē)相比具有更小的體積、更少的體能要求，并且殼體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連接支架處設(shè)有減震裝置，能夠在工作時(shí)提供更高且更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。

4）設(shè)備機(jī)身輕量。為便于運(yùn)輸和搬運(yùn)，選取鋁合金作為輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備的主要材料，因其具有重量輕、散熱好的特點(diǎn)，雖然與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)常用的鑄鐵材質(zhì)相比吸收震動(dòng)能力較弱，但外殼與主要功能組件之間設(shè)置有緩沖減震結(jié)構(gòu)，因此可以很好地彌補(bǔ)這一缺陷。內(nèi)部其余小部件采用鑄鐵、碳鋼、橡膠等材料。

4.2 外觀結(jié)構(gòu)展示及系統(tǒng)功能模塊

該產(chǎn)品外觀造型如圖12所示，考慮到運(yùn)輸及應(yīng)用場(chǎng)景等因素，其設(shè)計(jì)尺寸擬定為800 mm×300 mm×450 mm。其結(jié)構(gòu)展示如圖13所示，為更清楚地展示設(shè)備結(jié)構(gòu)，除外殼之外的內(nèi)部主要功能組件結(jié)構(gòu)如圖14所示。設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)將外接搖把插入啟動(dòng)端槽口中，當(dāng)搖把開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)存于油箱內(nèi)的植物油基微乳化燃料經(jīng)輸油管通過(guò)預(yù)熱裝置略升溫后由噴油泵噴入燃燒室內(nèi)，與經(jīng)過(guò)空氣濾清器過(guò)濾的潔凈空氣混合為可燃混合氣，當(dāng)燃燒室內(nèi)的活塞不斷進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)直至將可燃混合氣壓縮至燃燒溫度時(shí)設(shè)備即開(kāi)始工作，活塞的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)內(nèi)部曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)束設(shè)備工作時(shí)只需將油門(mén)開(kāi)關(guān)關(guān)閉（斷油），設(shè)備即可停止工作。

圖12 輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備外觀造型圖

圖13 輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備結(jié)構(gòu)展示圖

以該動(dòng)力設(shè)備為動(dòng)力來(lái)源的生態(tài)發(fā)電系統(tǒng)總體布置方式如圖15所示。該系統(tǒng)功能模塊如圖16所示，主要分為動(dòng)力輸入模塊、充電模塊和放電模塊三部分。當(dāng)輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備開(kāi)始工作時(shí)，飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)通過(guò)傳送帶傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)接收旋轉(zhuǎn)力開(kāi)始運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，進(jìn)而開(kāi)始發(fā)電，其產(chǎn)生的電能通過(guò)充電電路儲(chǔ)存于電池中，電池的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電提供給用電設(shè)備。

圖14 輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖15 系統(tǒng)總體連接布置方式結(jié)構(gòu)圖

圖16 系統(tǒng)功能模塊組成

4.3 基于新能源燃料特性的生態(tài)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

4.3.1 健身房、露天影院等場(chǎng)合

這類(lèi)場(chǎng)合的特點(diǎn)是可多系統(tǒng)聯(lián)合使用、用電需求小，例如健身房本身的特點(diǎn)決定它可以將健身設(shè)備與自行車(chē)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，露天影院的主要用電設(shè)備是投影儀，用電需求較小。因此在這類(lèi)場(chǎng)合下，可以選擇性地應(yīng)用原有自行車(chē)發(fā)電系統(tǒng)或是增加輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備的發(fā)電系統(tǒng)，均可滿(mǎn)足使用要求。

4.3.2 野營(yíng)、戶(hù)外活動(dòng)等場(chǎng)合

這類(lèi)場(chǎng)合的特點(diǎn)是具有穩(wěn)定且持續(xù)的用電需求，若使用原有自行車(chē)發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)體能消耗與電池容量有一定要求，因此可以選擇采用輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備，提供穩(wěn)定的電能輸出，滿(mǎn)足野外生存、生活需要。

4.3.3 工廠(chǎng)、教學(xué)樓等場(chǎng)合

這類(lèi)場(chǎng)合的特點(diǎn)是用電設(shè)備較多、范圍較大，若出現(xiàn)停電狀況，原有自行車(chē)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足其需求，只有采用輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備才可能提供穩(wěn)定持久的電能輸出。還應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，例如更換效率更高的發(fā)電機(jī)、容量更大的電池（擴(kuò)大電能的儲(chǔ)存量），或?qū)⒍鄠€(gè)系統(tǒng)并聯(lián)同時(shí)供電（提高發(fā)電量）等。

5 結(jié)語(yǔ)

能源枯竭與環(huán)境污染問(wèn)題的出現(xiàn)，使人們開(kāi)始思考改變現(xiàn)有的能源利用方式，以更加生態(tài)的方式進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化與生產(chǎn)生活。本文從新能源燃料特性入手，基于生態(tài)設(shè)計(jì)理念，結(jié)合熱力學(xué)定律提出輔助發(fā)電動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)方法，并將其與自行車(chē)生態(tài)發(fā)電裝置相結(jié)合。設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)能在多種生產(chǎn)生活場(chǎng)景下有效提供電能保障，有針對(duì)性地解決了植物油基微乳化燃料在應(yīng)用過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，也為特殊情況下解決短期供電問(wèn)題提供了有效參考。

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Design and Research of Auxiliary Power Generation Equipment Based on New Energy Fuel Characteristics

JIANG Min-hui, MENG Kai-ning, SHU Yun-wei

(Xihua University, Chengdu 610039, China)

The work aims to design a kind of auxiliary power generation equipment based on plant oil-based microemulsified fuel and multi-scene application, in order to alleviate the double crisis of energy shortage and environmental pollution. The engine bench test data of plant oil-based microemulsified fuel were analyzed by thermodynamic combustion law and energy conversion law, and the combustion characteristics and potential problems were summarized. According to the above characteristics and problems, the auxiliary power generation equipment which could effectively transform the chemical energy of the fuel to mechanical energy was designed. The "microburst effect" of plant oil-based microemulsified fuel and the characteristics of oxygen decomposition during combustion both promoted the combustion process, so the feasibility of it as an alternative fuel was stronger. For the problems such as cold start difficulty and carbon deposition, the preheating structure was set to optimize the spray quality to achieve the purpose of relieving the above problems from the structure and effectively providing power.The ecological power generation system formed by combining it with the generator could solve the problem of short- term power supply in special situations such as camping in the wild and power failure in the factory.On the premise of ensuring poweroutput and ecology, the design method of power equipment can alleviate the problems in the application process of plant oil-based microemulsified fuel, and also provide an effective reference for solving the short-term power supply problem in special situations.

new energy fuel characteristics; fuel combustion test; ecological design; power equipment; industrial design

TB472

A

1001-3563(2023)04-0413-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.04.052

2022–10–26

四川省教育廳人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地（ZDQ2022-16）；四川省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地（SR22A07）；四川省社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地（LY22-36）；四川省社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地（YZWH2203）；四川省社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地（XJLL2022012）；四川省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地（2022QXYB003）

姜敏慧（1996—），女，碩士生，主攻工業(yè)設(shè)計(jì)。

孟凱寧（1977—），男，教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、生態(tài)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法與應(yīng)用等。

責(zé)任編輯：馬夢(mèng)遙