BED混合燃料穩(wěn)定性及對(duì)高原地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究*

劉少華，申立中，張生斌，畢玉華，雷基林

(昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650224)

前言

乙醇和生物柴油均為生物質(zhì)燃料，不含硫，均含氧，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，降低排放。乙醇與柴油互溶性較差，其黏度、沸點(diǎn)和十六烷值都較低，導(dǎo)致乙醇柴油混合燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用困難。生物柴油具有長(zhǎng)的碳鏈結(jié)構(gòu)、烯鍵與酯基官能團(tuán)，是乙醇柴油混合燃料的天然助溶劑，并且具有較高的十六烷值和黏度，混溶到乙醇柴油混合燃料中能夠改善燃料的互溶性和理化特性。因此生物柴油-乙醇-柴油(簡(jiǎn)稱BED)混合燃料成為熱門的替代燃料，引起了各國(guó)的熱切關(guān)注。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)BED混合燃料的研究主要集中在混合燃料的物化性質(zhì)、溶解性和穩(wěn)定性以及柴油機(jī)燃用混合燃料的性能研究等［1-5］。對(duì)于高壓共軌柴油機(jī)燃用BED混合燃料的高原特性研究甚少。我國(guó)地域65%以上為高原，高原地區(qū)大氣壓力低，空氣密度小，勢(shì)必對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)發(fā)生相應(yīng)變化，而乙醇和生物柴油的含氧特性能夠彌補(bǔ)高原地區(qū)空氣密度的不足，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能［6-7］。因此選用技術(shù)先進(jìn)的高壓共軌柴油機(jī)，深入研究在高原地區(qū)燃用BED混合燃料的性能變化和影響關(guān)系，具有重要意義。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

混合燃料穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置包括:QTH-2P-B可編程恒溫恒濕試驗(yàn)箱、密度計(jì)、平行光源、天平和各種玻璃儀器等。試驗(yàn)采用YN30CR高壓共軌柴油機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)臺(tái)架采用WE31型水渦流測(cè)功機(jī)，50～200型容積式油耗測(cè)量裝置，BOSCH濾紙式煙度儀。

表1 YN30CR技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法及環(huán)境條件

采用0#柴油、無水乙醇(濃度99.5%)和生物柴油混配成不同比例的 BED混合燃料，靜置在QTH-2P-B可編程恒溫恒濕試驗(yàn)箱設(shè)定的不同環(huán)境溫度條件下60天，考核其物理穩(wěn)定性。

配置了6種BED混合燃料:B10E3(表示混合燃料中含有體積比為10%的生物柴油，3%的無水乙醇和 87%的石化柴油，以下類似)、B15E3、B25E3、B10E5、B15E5、B25E5。在高壓共軌柴油機(jī)上，燃用純柴油和6種BED混合燃料，比較其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和碳煙排放，并進(jìn)行噴油提前角特性分析。試驗(yàn)地點(diǎn)海拔高度為1912m，大氣壓力81kPa，氣溫18～21℃。試驗(yàn)中未對(duì)高壓共軌柴油機(jī)做任何調(diào)整。

2 BED混合燃料相溶性與穩(wěn)定性測(cè)試

配置了不同比例的BED混合燃料，將其靜置在恒溫箱設(shè)定的不同溫度條件下60天，得出了不同環(huán)境溫度下BED混合燃料的互溶性三相圖［8］，如圖1所示。

由圖1可見:BED混合燃料具有良好的三相互溶性，在10℃以上的環(huán)境溫度中，BED混合燃料的互溶性較好，非共溶區(qū)較小;隨著溫度的降低，非共溶區(qū)逐漸擴(kuò)大，在0℃時(shí)甚至出現(xiàn)了非共溶區(qū)Ⅱ，說明溫度是影響B(tài)ED混合燃料互溶性的重要因素。從圖1(c)還可看出，低溫下當(dāng)生物柴油組份比例較高時(shí)，BED混合燃料的物理穩(wěn)定性較差，會(huì)發(fā)生相分離，隨著乙醇比例的增加，互溶性變好。

分析認(rèn)為，隨著溫度的下降，分子布朗運(yùn)動(dòng)減弱，表面張力增大，互溶性變差。溫度降低到0℃時(shí)，由于生物柴油的凝點(diǎn)約為7℃，0#柴油和無水乙醇的凝點(diǎn)分別為-2℃和-117℃，所以生物柴油先行凝結(jié)，導(dǎo)致BED混合燃料穩(wěn)定性變差，發(fā)生相分離。因此，生物柴油比例較高時(shí)，出現(xiàn)了非共溶區(qū)Ⅱ。柴油和無水乙醇的凝點(diǎn)比較低，能夠從整體上降低BED混合燃料的凝點(diǎn)，當(dāng)三者比例適當(dāng)時(shí)，仍能形成穩(wěn)定的混合燃料。乙醇的凝點(diǎn)比柴油低，防止BED混合燃料發(fā)生分離的作用更為明顯，隨著乙醇比例的增加，互溶性會(huì)變好。

3 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

在不進(jìn)行任何調(diào)整的YN30CR高壓共軌柴油機(jī)上分別燃用純柴油和6種 BED混合燃料，在1000～3200r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，每間隔200r/min選擇一個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，每個(gè)轉(zhuǎn)速下大、中、小至少6個(gè)特征工況點(diǎn)進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)研究。由于乙醇和生物柴油的熱值均低于純柴油，為了準(zhǔn)確地表征等熱值下BED混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性，以便和普通柴油機(jī)進(jìn)行比較，采用式(1)將BED混合燃料實(shí)測(cè)的有效燃油消耗率換算為當(dāng)量燃油消耗率:

式中:be為當(dāng)量燃油消耗率，g/(kW·h);be-BED為BED混合燃料實(shí)測(cè)的有效燃油消耗率，g/(kW·h);ρBED為生物柴油-乙醇-柴油 20℃ 密度，g/cm3;VE、VB、VD分別為乙醇、生物柴油、柴油體積分?jǐn)?shù)，%;HVE、HVB、HVD分別為乙醇、生物柴油、柴油體積熱值，MJ/cm3;HMD為柴油質(zhì)量熱值，MJ/g。

3.1 BED混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的影響

3.1.1 外特性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為燃用純柴油和6種BED混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見:在未對(duì)噴油系統(tǒng)做任何調(diào)整的情況下，噴入氣缸內(nèi)的混合燃料體積與柴油相同，BED混合燃料的動(dòng)力性低于純柴油，隨著乙醇、生物柴油比例的增加，BED混合燃料動(dòng)力性逐漸下降，B25E5動(dòng)力性最大降幅可達(dá)19.9%;BED混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率均低于純柴油，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于純柴油，其中B15E5當(dāng)量燃油消耗率最大降幅可達(dá)9.4%。

分析認(rèn)為，噴入氣缸內(nèi)的BED混合燃料體積與純柴油相同，乙醇、生物柴油的熱值均低于純柴油，導(dǎo)致循環(huán)放熱量減少，造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有所下降。經(jīng)濟(jì)性改善的主要原因是高原地區(qū)大氣壓力較低，空氣密度較小，進(jìn)氣相對(duì)不足，乙醇和生物柴油均為含氧燃料，其中乙醇含氧34.8%，生物柴油含氧約為10%，BED混合燃料在燃燒過程中具有自供氧能力，使燃燒過程得到改善;同時(shí)，生物柴油具有高的十六烷值，可彌補(bǔ)乙醇較低的十六烷值，從而使得BED混合燃料的著火過程得到改善，提高了熱效率，經(jīng)濟(jì)性得到改善。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

分別在3200和2200r/min轉(zhuǎn)速下對(duì)燃用純柴油和6種BED混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了部分工況點(diǎn)的有效燃油消耗率對(duì)比試驗(yàn)，將有效燃油消耗率按照式(1)轉(zhuǎn)換成當(dāng)量燃油消耗率。圖3表示純柴油和BED混合燃料的燃油消耗率對(duì)比。

由圖3可見:各比例的BED混合燃料在2200和3200r/min的各工況點(diǎn)當(dāng)量燃油消耗率均低于純柴油，3200r/min時(shí)經(jīng)濟(jì)性改善情況比2200r/min時(shí)更好;當(dāng)量燃油消耗率并不隨乙醇和生物柴油比例的增加而降低，在生物柴油比例不超過25%時(shí)，當(dāng)量燃油消耗率隨BED混合燃料中乙醇和生物柴油比例的增加而降低，即隨BED混合燃料含氧量的增加而逐漸降低;生物柴油比例為25%時(shí)有上升趨勢(shì)，但仍低于純柴油。

分析認(rèn)為，乙醇和生物柴油都含氧，乙醇的黏度和沸點(diǎn)都較低，生物柴油十六烷值較高，這些因素綜合作用的結(jié)果是促進(jìn)了BED混合燃料的著火、燃燒過程，熱效率提高，經(jīng)濟(jì)性得到改善。高速時(shí)，缸內(nèi)溫度壓力升高，乙醇的低黏度促進(jìn)混合燃料的霧化，生物柴油高十六烷值改善著火過程，同時(shí)BED混合燃料的含氧助燃功能能夠改善濃混合氣區(qū)域燃燒不完全的狀況，使BED混合燃料經(jīng)濟(jì)性改善幅度增大。在生物柴油比例不超過25%時(shí)，當(dāng)量燃油消耗率隨BED混合燃料含氧量的增加而逐漸降低，主要是因?yàn)榛旌先剂系淖怨┭豕δ芨纳屏巳紵^程，含氧量發(fā)揮了主導(dǎo)作用。當(dāng)生物柴油比例達(dá)到25%時(shí)，生物柴油的高黏度導(dǎo)致BED混合燃料霧化變差，燃燒相對(duì)惡化，使燃油消耗率又呈上升趨勢(shì);與純柴油相比，混合燃料含氧優(yōu)勢(shì)仍發(fā)揮作用，經(jīng)濟(jì)性仍優(yōu)于純柴油。

3.2 BED混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放的影響

分別在3200和2200r/min轉(zhuǎn)速下對(duì)燃用純柴油和6種BED混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行部分工況點(diǎn)的碳煙排放對(duì)比試驗(yàn)，圖4為純柴油和BED混合燃料碳煙排放對(duì)比。

由圖4可見:在2200和3200r/min轉(zhuǎn)速下的各工況點(diǎn)，BED混合燃料的碳煙排放均低于純柴油，低負(fù)荷時(shí)下降幅度較小，高負(fù)荷時(shí)下降幅度較大;生物柴油比例不超過25%時(shí)，隨著BED混合燃料中氧含量的增加，碳煙排放逐漸降低;生物柴油比例達(dá)到25%時(shí)有上升趨勢(shì)，但仍低于純柴油。

在低負(fù)荷時(shí)，供油量不多，過量空氣系數(shù)較大，缸內(nèi)燃燒溫度也相對(duì)不高，BED混合燃料與純柴油的碳煙排放都較少，差距不大。隨著負(fù)荷的增大，供油量增大，空燃比減小，缺氧導(dǎo)致燃燒不完全的區(qū)域增大，此時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度也大幅升高，BED混合燃料的含氧特性能改善缺氧區(qū)域的燃燒過程，有效降低碳煙排放。另外，BED混合燃料中的氧原子始終與碳原子相連，沒有基元反應(yīng)能斷裂C-O鍵，使得該碳原子不能參加生成不飽和產(chǎn)物，最終導(dǎo)致芳香烴和碳粒生成的反應(yīng)，因此當(dāng)生物柴油比例不超過25%時(shí)，碳煙排放隨著BED混合燃料中氧含量的增加而降低。當(dāng)生物柴油比例達(dá)到25%時(shí)，生物柴油的高黏度影響了混合燃料的霧化過程，加上含氧特性的正面影響，綜合作用的結(jié)果導(dǎo)致 B25E3和B25E5兩種BED混合燃料碳煙排放比其它比例的BED混合燃料有上升趨勢(shì)，但仍低于純柴油。

3.3 BED混合燃料噴油提前角特性分析

在2800r/min下，燃用6種BED混合燃料進(jìn)行等小時(shí)油耗試驗(yàn)(小時(shí)油耗為14.29kg/h)，圖5和圖6分別為6種BED混合燃料噴油提前角特性和最佳噴油提前角的對(duì)比。

從圖5和圖6可以看出，6種BED混合燃料在燃燒過程中，都存在一個(gè)最佳的噴油提前角，噴油提前角特性曲線走向與純柴油的相似。當(dāng)生物柴油比例保持不變時(shí)，隨著乙醇比例的增加，BED混合燃料的最佳噴油提前角增大;當(dāng)乙醇比例保持不變時(shí)，隨著生物柴油比例的增加，BED混合燃料的最佳噴油提前角減小。這主要是由于乙醇和生物柴油的十六烷值特性不同所致。乙醇的十六烷值為8，生物柴油十六烷值為56，十六烷值主要表征燃料的自燃能力，十六烷值高，自燃溫度低，滯燃期短，相對(duì)應(yīng)的最佳噴油提前角則小。因此，BED混合燃料的最佳噴油提前角隨乙醇比例的增加而增大，隨生物柴油比例的增加而減小。

4 結(jié)論

(1)BED混合燃料具有良好的三相互溶性，隨著溫度的降低，互溶性變差。

(2)當(dāng)噴入氣缸內(nèi)燃料體積相同時(shí)，BED混合燃料的動(dòng)力性低于純柴油，隨著乙醇、生物柴油比例的增加，BED混合燃料的動(dòng)力性逐漸下降;BED混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率均低于純柴油，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于純柴油。

(3)各比例BED混合燃料在3200r/min時(shí)經(jīng)濟(jì)性的改善情況比2200r/min時(shí)更好。生物柴油比例不超過25%時(shí)，BED混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率隨其含氧量的增加而逐漸降低;生物柴油比例為25%時(shí)有上升趨勢(shì)，但仍低于純柴油。

(4)BED混合燃料的碳煙排放均低于純柴油，低負(fù)荷時(shí)下降幅度較小，高負(fù)荷時(shí)下降幅度較大。生物柴油比例不超過25%時(shí)，隨著BED混合燃料中氧含量的增加，碳煙排放逐漸降低;生物柴油比例達(dá)到25%時(shí)，碳煙排放有上升趨勢(shì)，但仍低于純柴油。

(5)BED混合燃料的噴油提前角特性曲線走向與純柴油的相似。BED混合燃料的最佳噴油提前角隨乙醇比例的增加而增大，隨生物柴油比例的增加而減小。

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