不同氣壓下燃用混合燃料對柴油機(jī)性能的影響*

陸修進(jìn) 張昆顏 文勝習(xí) 文輝

（昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院云南昆明650500）

不同氣壓下燃用混合燃料對柴油機(jī)性能的影響*

陸修進(jìn) 張昆顏 文勝習(xí) 文輝

（昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院云南昆明650500）

為了研究不同氣壓下B50混合燃料對柴油機(jī)性能的影響，對B50與B0燃料，在不同氣壓下做了臺架試驗(yàn)，對燃燒特性、負(fù)荷特性、外特性等的試驗(yàn)進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明：相同氣壓下與燃用B0相比，燃用B50的輸出扭矩、爆發(fā)壓力、壓升率和放熱率等降低但峰值提前，其輸出扭矩降低5%～7.06%，比油耗升高4.7%～6.9%；HC、CO和煙度分別下降31.4%、23.7%和27%，NOx排放升高8.7%。大氣壓力升高后燃用B0輸出扭矩約升高19.5%，比油耗約降低7.5%；燃用B50輸出扭矩約升高15.7%，比油耗約降低5.5%，在低速下尤為明顯。結(jié)果表明B50的燃用性能不是太理想。

B50大氣壓力生物柴油柴油機(jī)燃燒特性

引言

隨著全球石化柴油儲量減少、供求矛盾以及排放物污染嚴(yán)重等問題的突出，對代用燃料的探索已成為全球各國發(fā)展能源的新方向。生物柴油是一種可再生、環(huán)境效益良好的清潔代用燃料，它是植物油以及動物脂肪經(jīng)過不同的化學(xué)反應(yīng)制備出來的一種生物質(zhì)燃料，目前在歐美等國家已得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

Md.Nurun等人[2，3]研究了在柴油機(jī)上燃用生物柴油與純柴油的混合燃料時(shí)噴油提前角的變化規(guī)律。P.Tamil Porai[4]研究分析了生物柴油含氧量高使燃料得到更加充分燃燒的特點(diǎn)，減少了有害污染物的排放。Schwab等[5]在對大豆油熱裂解分析中，發(fā)現(xiàn)了烷烴和烯烴在生物柴油中的分量。重慶交通大學(xué)吳卓鍵[6]利用GT-POWER建立了柴油機(jī)模型，進(jìn)行了柴油機(jī)燃用生物柴油混合燃料的仿真和對比性試驗(yàn)，研究了柴油發(fā)動機(jī)燃用生物柴油的燃燒特性與排放特性。郭猛超，王憲成等人[7]研究模擬大氣環(huán)境對增壓柴油機(jī)輸出性能和燃燒特性的影響。吉林大學(xué)張珂[8]通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，研究了不同比例的生物柴油混合燃料對發(fā)動機(jī)的燃燒特性以及動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響規(guī)律。

在社會突飛猛進(jìn)的發(fā)展過程中，人們不僅是出于燃油危機(jī)還是環(huán)境惡化的考慮，不斷在尋求一種能夠替代甚至超越0#柴油（同于B0）且很有潛力的燃料，所以研究者通常以0#柴油作為研究其他燃料的參考標(biāo)準(zhǔn)。本文亦是如此，在臺架上進(jìn)行了不同氣壓下0#柴油與B50（摻比為50%生物柴油的混合燃料）的對比試驗(yàn)研究，以獲取燃用B50混合燃料在不同大氣壓下對柴油機(jī)性能影響的更全面認(rèn)識。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 測試設(shè)備

本次試驗(yàn)以某股份有限公司生產(chǎn)的YN30系列高壓共軌柴油機(jī)為試驗(yàn)研究發(fā)動機(jī)，該柴油機(jī)的主要性能參數(shù)為：

壓縮比18∶1；

最大轉(zhuǎn)矩280 N·m（2200 r/min）；

標(biāo)定功率80 kW（3200 r/min）；

最低燃油消耗率224 g/（kW·h）（2000 r/min）；

增壓器比22；

排量2.79L。

試驗(yàn)所用到的測控儀器和設(shè)備如下：奧地利AVL公司生產(chǎn)的電力測功機(jī)、連續(xù)油耗儀、AVL Diga4000排氣分析儀和進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。ECU接口模塊為ETAS 590，石英壓電型傳感器，數(shù)據(jù)采集卡型號AT-MIO-16E-2。燃油恒溫系統(tǒng)為RWK01，機(jī)油恒溫系統(tǒng)為JWK02，濕溫度計(jì)為HM233，全自動排氣煙度計(jì)為FBY-201等，試驗(yàn)設(shè)備布置方案如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)所用生物柴油和0#柴油理化特性如表1所示[9]。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備布置

表1 生物柴油和0#柴油理化特性

1.2 試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)前要先啟動試驗(yàn)發(fā)動機(jī)并預(yù)熱一段時(shí)間，等到冷卻水溫、機(jī)油溫度等參數(shù)滿足狀態(tài)要求時(shí)再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以確保這些輔助參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)變動。

本論文采用AVL公司ACS1300/300發(fā)動機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)對氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別在81kPa和100kPa兩種氣壓下反復(fù)試驗(yàn)。

1）外特性試驗(yàn)，當(dāng)油門位置全開，1200 r/min～3200 r/min范圍內(nèi)以200 r/min為轉(zhuǎn)速測試間隔，測試不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)動力性的變化值。

2）負(fù)荷特性試驗(yàn)，保持轉(zhuǎn)速不變，調(diào)整發(fā)動機(jī)負(fù)荷，測定有效燃油消耗率等參數(shù)。測試范圍：1200 r/ min～3200 r/min范圍內(nèi)，以200 r/min為轉(zhuǎn)速測試間隔。

3）燃燒特性試驗(yàn)，將發(fā)動機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定在一定值，測取不同氣壓下燃用B0、B50混合燃料時(shí)缸內(nèi)壓力的變化曲線，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1200 r/min、2200 r/min和3200 r/min。

試驗(yàn)過程全部依據(jù)GB/T18297-2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試[10]，確保了結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外特性和負(fù)荷特性分析

圖2為不同氣壓下B0與B50混合燃料外特性對比曲線，隨著轉(zhuǎn)速的升高，輸出扭矩先升高后減小，比油耗先下降后升高，這是因?yàn)榈退俚拓?fù)荷時(shí)噴油量大，進(jìn)氣流速不快，每循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣少，充量系數(shù)低，燃燒不完全，放熱量低，所以輸出的扭矩很小，比油耗較高。

隨著轉(zhuǎn)速增大，增壓器的效率變大，每循環(huán)進(jìn)氣量增加，噴油量不變，充量系數(shù)改善，所以扭矩變大而比油耗有所下降。在相同氣壓下，燃用B50混合燃料與燃用B0燃料相比，在81 kPa和100 kPa下發(fā)動機(jī)輸出最大扭矩分別降低6.55%、7.06%，標(biāo)定功率下比油耗分別升高4.7%、5.6%。

氣壓從81 kPa變?yōu)?00 kPa后，在中低轉(zhuǎn)速下，B50混合燃料平均輸出扭矩升高13.6%，比油耗平均下降5.7%；燃用B0的輸出扭矩平均升高18.6%，比油耗平均下降8.3%。在高轉(zhuǎn)速下，燃用B50混合燃料的輸出扭矩平均升高3.6%，比油耗平均下降1.8%～2.8%；燃用B0的輸出扭矩平均升高1.3%～3.9%，比油耗平均下降1.6%～2.7%。試驗(yàn)分析了高壓共軌柴油機(jī)混合燃料在不同工況下的動力性。

綜合分析認(rèn)為：相對于0#柴油燃用B50混合燃料的輸出扭矩降低，比油耗升高。這是因?yàn)樯锊裼偷臒嶂档?、粘度和密度大?dǎo)致放熱率低、霧化性差，每次噴射單位體積油量的質(zhì)量大等。

氣壓變大B50混合燃料與B0相比扭矩升高，比油耗下降，中低轉(zhuǎn)速尤為明顯。氣壓升高后，氣缸的新鮮空氣增多，燃燒性能改善。此外，低速增壓器的效率低，氣壓升高后提高了過量空氣系數(shù)；高轉(zhuǎn)速下增壓器的效率高，大氣壓力對其作用減小。所以研究不同氣壓下的燃料特性對如何最有效地燃用燃油是很有必要的，此外采用增壓技術(shù)是高原柴油機(jī)一項(xiàng)必備技術(shù)。

圖2燃用B0與B50外特性對比曲線

圖3 為不同工況下燃用燃料B0與B50混合燃料負(fù)荷特性比油耗差異曲線。對比燃用B50混合燃料與燃用B0燃料后發(fā)現(xiàn)，B50混合燃料比油耗總比B0的大，生物柴油熱值低是比油耗上升的重要原因，并且變化明顯程度順序?yàn)榈退伲咀畲笈ぞ剞D(zhuǎn)速＞標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速。氣壓升高后，燃用B50混合燃料和B0的經(jīng)濟(jì)性在低速比高速改善程度較為明顯，B0與B50混合燃料的比油耗差距減小。所以發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該改善增壓器在低速下的效率。

綜合分析認(rèn)為：在相同的負(fù)荷點(diǎn)下，氣壓變大比油耗隨之下降，燃用B0比油耗平均下降2.3%，燃用B50混合燃料平均下降0.7%。對同一種燃料，在小扭矩范圍比油耗下降的幅度小，大約為1.2%～2%；在大扭矩低轉(zhuǎn)速范圍下降幅度較大，大約為5.3%～6.2%。在小負(fù)荷范圍下，過量空氣系數(shù)較大，燃料燃燒效率已經(jīng)很高，增大氣壓對它的影響??；而在大負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)小，增大氣壓后充量系數(shù)變大，燃料能更充分燃燒。

圖32200 r/min比油耗曲線

2.2 燃燒特性分析

2.2.1 缸內(nèi)壓力

圖4為分別燃用燃料B0和B50混合燃料在燃燒過程中的缸內(nèi)壓力（平均指示壓力，下同）曲線圖。平均指示壓力是反映發(fā)動機(jī)氣缸工作容積利用效率高低的一個參數(shù)，是衡量發(fā)動機(jī)實(shí)際循環(huán)動力性能的一個重要指標(biāo)。最大爆發(fā)壓力是發(fā)動機(jī)每循環(huán)所發(fā)出的缸內(nèi)最高壓力，它與噴油提前角、壓縮比有關(guān)，最大爆發(fā)壓力越大說明輸出扭矩越大。所以研究混合燃料的性能，缸內(nèi)壓力和最大爆發(fā)壓力也是其中的一個重要參數(shù)。

圖42200 r/min缸內(nèi)壓力曲線

如圖4所示燃用B0與B50混合燃料的缸內(nèi)壓力變化趨勢基本一致。與燃用燃料B0相比，從低速到高速燃用B50混合燃料的缸內(nèi)壓力在81 kPa降低幅度為7.2%～11.46%，在100 kPa降低幅度為4.5%～8%，在低速較為明顯。

缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力在81 kPa和100 kPa降低幅度分別為5%～7.1%、7.8%～11%。氣壓變大后，燃用B50混合燃料的缸內(nèi)壓力升高幅度為2.2%～13.3%，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力升高幅度為2.4%～12.7%；燃用B0的缸內(nèi)壓力升高幅度為3.3%～6.53%，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力升高幅度為3%～6.1%；并且在低速下變化最為明顯、最大扭矩轉(zhuǎn)速下最低。

不同工況下的最大爆發(fā)壓力和對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角如表2所示。

表2 最大爆發(fā)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系

綜合分析認(rèn)為：燃用B50混合燃料與B0的缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變大而增加，在6°CA左右達(dá)到最大，之后隨之下降。這與柴油機(jī)的燃燒過程和工作循環(huán)有密切聯(lián)系。在同一工況和一定噴油量下，燃用B50混合燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力和最大爆發(fā)壓力都比B0低，但達(dá)到峰值提前。因?yàn)樯锊裼偷臒嶂当燃儾裼偷筒⑶颐芏雀摺㈧F化性能差、單位質(zhì)量熱量小、燃燒不完全，所以釋放能量低。隨著轉(zhuǎn)速的升高，最大爆發(fā)壓力先升高后減小，低速下大氣壓力對缸內(nèi)壓力和最大爆發(fā)壓力的影響較明顯，這與增壓器的效率有關(guān)。

2.2.2 缸內(nèi)壓升率

缸內(nèi)壓升率反應(yīng)了內(nèi)燃機(jī)工作的柔和性和振動噪聲程度，它與壓縮行程終了的缸內(nèi)壓力、溫度有關(guān)。圖5為燃用燃料B0和B50混合燃料的壓升率對比曲線。

圖5 2200r/min壓升率曲線

在1200 r/min轉(zhuǎn)速下，與燃用B0相比，B50混合燃料的壓升率在81kPa降低13.8%，100 kPa降低14%。氣壓變大后，燃用B50混合燃料的壓升率升高2.2%，燃用B0壓升率升高1.6%。在2200 r/min轉(zhuǎn)速下，與燃用B0相比，B50混合燃料的壓升率在81 kPa降低29.2%，在100 kPa降低22.6%。氣壓變大后，燃用B50壓升率升高1%，燃用B0壓升率升高8.6%。在3200 r/min轉(zhuǎn)速下與燃用B0相比，B50混合燃料的壓升率在81kPa降低33.3%，100 kPa下大約低42%。氣壓變大后，燃用B50混合燃料的壓升率大約升高31%，燃用B0壓升率大約升高20.8%。研究表明燃用B50混合燃料比燃用B0時(shí)發(fā)動機(jī)工作更柔和。

綜合分析認(rèn)為：燃用B0的最大壓力升高率比B50的高，但到達(dá)最大壓力升高率對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，B50混合燃料要提前。最大壓力升高率的大小主要取決于著火滯燃期內(nèi)缸內(nèi)可燃混合氣的能量，混合燃料的十六烷值比純柴油的高、著火滯燃期短，而且粘度大、霧化性不好等，所以在著火滯燃期內(nèi)所發(fā)出的的能量小，最大壓力升高率小。但十六烷值高，燃料自燃性好，燃料提前燃燒，達(dá)到最大壓力升高率所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角?。ㄌ崆埃鈮鹤兇蠛?，過量空氣系數(shù)變大，燃燒性能改善，所以兩種燃料的壓升率呈上升趨勢，且燃用B50混合燃料的變化很快，B0的較為緩慢，壓力升高率峰值也相對提高。

2.2.3 缸內(nèi)放熱率

缸內(nèi)放熱率是由缸內(nèi)的燃燒速率決定，而對于柴油機(jī)來講，燃料的燃燒大部分是處于一邊與空氣混合、一邊燃燒的情況。由于混合過程比反應(yīng)過程慢，因此混合速率決定了燃燒速率[11]。圖6為燃用燃料B0與B50在不同大氣壓下的放熱率對比曲線。

圖62200 r/min放熱率曲線

在中低速范圍內(nèi)，81 kPa大氣壓下，燃用B50混合燃料的峰值降低5.3%，燃用B0降低1.4%；100 kPa大氣壓下，B50峰值降低5.9%，B0降低3.9%。在中高速范圍內(nèi)，81 kPa大氣壓下，B50混合燃料的放熱率降低16.3%，B0降低18.7%；100 kPa大氣壓下，B50降低低21.3%，B0降低25.2%。氣壓變大后，燃用B50混合燃料的放熱率升高幅度為2.1%～5.9%，燃用B0放熱率升高幅度為1.1%～4.1%。

綜合分析認(rèn)為：燃用B0的放熱率要比燃用B50混合燃料的要略高，隨著大氣壓力變大放熱率也略有升高。與燃用B0相比，燃用B50混合燃料達(dá)到最大燃燒率提前、最大瞬時(shí)放熱率明顯降低，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。

隨著轉(zhuǎn)速的升高，放熱率峰值逐漸降低。在81kPa大氣壓下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，燃用B50混合燃料的放熱率與燃用B0的放熱率差距越來越小。而100 kPa的放熱率隨著轉(zhuǎn)速的升高，與燃用B0柴油的差距越大，但是100 kPa的放熱率都比81 kPa的高。綜上燃燒特性所述，壓升率和放熱率的變化趨勢與缸內(nèi)壓力有直接關(guān)系。

2.3 排放特性分析

燃用燃料B50與B0的CO、HC、NOx和碳煙排放量對比如圖7、8、9、10所示。

圖7CO排放對比圖

圖8HC排放對比圖

圖9NOx排放對比圖

圖10 碳煙排放對比圖

燃用B0與B50混合燃料時(shí)，CO、NOx、HC和碳煙的排放量隨著轉(zhuǎn)速的變化出現(xiàn)了明顯的差異，但是B50混合燃料的排放性能隨著轉(zhuǎn)速增加比B0越來越好。

在整個工況內(nèi)，燃用B50燃料與燃用B0燃料相比，在81 kPa CO排放量降幅為17.7%～27.4%、HC排放量降幅為27.3%～35.3%、NOx排放量升幅為3.5%～8.7%、碳煙排放量降幅為16%～47%；在100 kPa下CO排放量降幅為4.2%～29.5%、HC排放量降幅為56.7%～67.7%、NOx排放量升幅為7.8%～21.5%、碳煙排放量降幅為15.5%～53.8%。

總體上與燃料B0相比，B50排放的CO、HC和碳煙都比較低，排放物改善程度順序?yàn)镠C、碳煙、CO，尤其是HC改善幅度最大，但NOx排放量略有升高。這是因?yàn)樯锊裼褪呛跞剂希兄甲饔?燃料濃度高的區(qū)域克服了柴油機(jī)混合不均、局部缺氧的缺點(diǎn)。且自身含氧使CO2被還原為CO的機(jī)會減少，但是燃料中大量的氧元素，在高溫高壓處對NOx的形成起到促進(jìn)作用。生物柴油雙環(huán)芳香烴、硫含量小、蒸發(fā)性能好和十六烷值高等直接抑制了HC、煙度和CO的形成，改善了排放特性[12]。

對于同一種燃料氣壓升高后，燃用B50混合燃料時(shí)，CO的排放量升幅為3.5%～49%、HC的排放量升幅為13.3%～36.8%、NOx的排放量升幅為21.1%～36.8%、碳煙的排放量降幅為3%～15.7%；燃用B0時(shí)，CO排放量升幅為13.8%～32%、HC排放量升幅為21.1%～67.3%、NOx排放量升幅為6%～24%、碳煙排放量降幅為3.6%～5.2%。所以氣壓升高后，CO、HC、NOx的排放惡化，燃料B0排放的CO、HC惡化幅度比B50大。而燃料B50排放的NOx惡化更大，碳煙的排放特性改善，兩者相差較小。這是因?yàn)闅鈮荷吆?，在高溫高壓下，促進(jìn)了CO的形成；HC排放因?yàn)闇囟群蜐舛冗^高，導(dǎo)致猝熄從而HC排放升高。

關(guān)于NOx的排放，隨著氣壓的升高，進(jìn)入氣缸的氧越多，燃燒溫度和壓力同時(shí)升高等導(dǎo)致NOx排放的升高。碳煙的排放，大氣壓增大有利于提高過量空氣系數(shù)，增加掃氣，降低缸內(nèi)的溫度，降低了燃油的裂解反應(yīng)，改善了燃料的燃燒過程。

3 結(jié)論

通過臺架試驗(yàn)，對燃料B50與B0做了不同氣壓下燃燒特性、負(fù)荷特性、外特性的試驗(yàn)研究，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。結(jié)果分析表明：

1）燃料的燃用性能與其自身的物理特征有緊密聯(lián)系。

2）B50混合燃料的動力性和經(jīng)濟(jì)性都比較差，HC、CO和煙度的排放量降低，環(huán)境效益好。而燃料B0相對來說，排放特性較差，但NOx排放少二次污染不嚴(yán)重；動力性和經(jīng)濟(jì)性較好，且生物柴油成本高等。依據(jù)分析結(jié)果，顯然50%混合摻燒性能不是太理想，接下來應(yīng)該進(jìn)行更多的摻燒比進(jìn)行研究，以得到更好的摻燒燃用效果。

3）鑒于氣壓對燃料燃燒性能的影響，下一步工作除了對摻燒比的研究外，還可以對平原和高原柴油發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行探究。

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The Influence of Mixed Fuel on Diesel Engine Performance under Different Pressures

Lu Xiujin,Zhang Kun,Yan Wensheng,Xi Wenhui
Faculty of Transportation Engineering,Kunming University of Science and Technology（Kunming,Yunan，650500，China）

In order to study the main effect of different pressure of B50 mixed fuel for diesel engine performance，bench test for B50 and B0 was carried out under different pressures.Then the combustion characteristics，load characteristics and external characteristics experiment are analyzed.Analysis results show that compared with B0 under the same pressure，the output torque,explosion pressure，rate of pressure rise and rate of heat release of B50 decreased，but the peak was in advance,while a reduction of 5%～7.06%for the output torque,an increase of 4.7%～6.9%for the rate of fuel consumption occurred；the emissions of HC,CO and smoke emission decreased by 31.4%，23.7%and 27%respectively，while the emission of NOxincreased by 8.7%.When the atmospheric pressure increased，an increase about 19.5%for the output torque of B0，an increase about 7.5%for rate of feul consumption of B0，an increase about 15.7%for the output torque of B50，and an increase about 5.5%for rate of feul consumption of B50 occured，especially in the low speed.It is shown that the B50 combustion performance is not too ideal.

B50,Atmospheric pressures，Biodiesel，Diesel engine，Characteristic of combustion

TK46+4

A

2095-8234（2014）06-0007-06

2014-11-03）

校人才培養(yǎng)基金（KKZ320130200）資助項(xiàng)目。

陸修進(jìn)（1987-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榕艢庀暺鲃恿W(xué)及聲學(xué)特性。

張昆（1965-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槠囌駝优c噪聲。