F-T柴油對增壓柴油機(jī)燃燒過程及振動特性的影響*

廖文蓉 王鐵 石晉宏 劉磊

（1-長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系湖北武漢4302122-太原理工大學(xué)車輛工程系）

F-T柴油對增壓柴油機(jī)燃燒過程及振動特性的影響*

廖文蓉1王鐵2石晉宏2劉磊2

（1-長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系湖北武漢4302122-太原理工大學(xué)車輛工程系）

在4100QBZL直列增壓中冷型柴油機(jī)上燃用F-T柴油，對比分析了F-T柴油與0#柴油的燃燒與振動特性。結(jié)果表明：燃用F-T柴油后，缸內(nèi)壓力略低于0#柴油，壓力升高率有較大程度的降低。低負(fù)荷下燃燒始點有較大提前，高負(fù)荷下稍有推后。F-T柴油放熱平緩，預(yù)混燃燒放熱峰值降低，擴(kuò)散燃燒放熱峰值有所升高。在不同工況下F-T柴油缸蓋振動加速度信號的幅值均低于0#柴油。振動加速度在200～8000 Hz范圍內(nèi)都有較大的幅值，高頻成分的能量較0#柴油少。

F-T柴油柴油機(jī)燃燒振動加速度

引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對石油的需求量越來越大?；谖覈嗝荷儆偷哪茉船F(xiàn)狀，在依賴于常規(guī)化石燃料的同時，開發(fā)、利用豐富的煤炭資源也是一條保障中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最為現(xiàn)實可行的途徑。

煤全部氣化成合成氣，然后以合成氣為原料，在一定溫度、壓力和催化劑下，通過F-T（Fischer-Tropsch）合成反應(yīng)便可得到F-T柴油[1]。

其優(yōu)點有：合成條件溫和，工藝成熟，轉(zhuǎn)化率高，煤種適應(yīng)性強(qiáng)，可以有效利用褐煤、煙煤等。雖然F-T柴油的生產(chǎn)成本較國際原油價格偏高，但由于煤炭資源儲量相對比較豐富。隨著國際油價的回升，煤制油項目的經(jīng)濟(jì)性將得到大幅度改善，煤制油產(chǎn)業(yè)前景預(yù)期良好。

同時，隨著對環(huán)境要求的不斷提高，內(nèi)燃機(jī)的振動噪聲問題越來越引起人們的注意。內(nèi)燃機(jī)表面振動和噪聲與缸內(nèi)燃燒狀態(tài)關(guān)系密切，利用振動信號和噪聲信號可對缸內(nèi)燃燒狀態(tài)進(jìn)行評估和故障診斷。

1 燃料的理化性質(zhì)及試驗設(shè)備

1.1 F-T柴油的理化性質(zhì)

表1給出了F-T柴油的理化特性

表1 F-T柴油與0#柴油特性對比

燃料品質(zhì)直接影響發(fā)動機(jī)的著火、燃燒和排放。影響燃燒排放特性的柴油品質(zhì)參數(shù)主要有硫含量、十六烷值、密度、蒸餾溫度、芳烴等[2]。由上表可知：對比0#柴油，F(xiàn)-T柴油十六烷值升高，密度降低，粘度降低，蒸餾溫度呈下降趨勢，芳烴含量減少。

已有研究表明，與0#柴油相比，F(xiàn)-T柴油有如下優(yōu)點：

1）具有較高的十六烷值，有利于縮短滯燃期，減少預(yù)混燃燒放熱量，降低柴油機(jī)的NOx、HC和CO排放[2]；

2）較低的密度意味著H/C比例的升高，可以使柴油機(jī)的PM和CO2排放降低[3]；

3）餾程溫度較低，燃油中難以燃燒的重餾分減少，對降低PM和HC的排放有利；

4）密度比0#柴油小，低熱值比0#柴油高，能和普通柴油以任意比例互溶[4]。

1.2 試驗用機(jī)及測試系統(tǒng)

試驗用發(fā)動機(jī)為云內(nèi)4100QBZL增壓中冷柴油發(fā)動機(jī)，主要參數(shù)如表2所示。發(fā)動機(jī)通過四川誠邦ET2000測控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，缸內(nèi)燃燒壓力的獲取采用型號Kistler 6125B和4618A2型缸壓傳感器及電荷放大器，發(fā)動機(jī)臺架試驗系統(tǒng)布置如圖1所示。

表2 4100QBZL柴油機(jī)參數(shù)

圖1 發(fā)動機(jī)臺架試驗系統(tǒng)圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 缸內(nèi)壓力與壓力升高率分析

圖2為2200r/min下兩種燃料缸內(nèi)壓力與壓力升高率曲線。由圖2a）可知：低負(fù)荷時，燃用F-T柴油后缸內(nèi)壓力峰值較0#柴油有所降低，著火時刻稍有提前，0#柴油和F-T柴油的缸內(nèi)最大壓力分別為5.83MPa，5.75MPa。由圖2b）可知：高負(fù)荷時，0#柴油和F-T柴油最大爆發(fā)壓力分別為10.29MPa，10.32MPa，且所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變化不大。F-T柴油的壓力升高率比較平緩，后燃期壓力較0#柴油稍高。其原因主要為：F-T柴油十六烷值高，滯燃期縮短，預(yù)混燃燒的放熱量少，缸壓值較低[5]。

壓力升高率反應(yīng)了燃燒速度的快慢和發(fā)動機(jī)工作性能。壓力升高率越高，而燃燒等容度越高，這對動力性和經(jīng)濟(jì)性是有益的。但會使燃燒噪聲及振動增加，及燃燒粗暴度增大[3]。

由圖2可知，較0#柴油而言，F(xiàn)-T柴油的壓力升高率均有降低，峰值大小均不超過0.4 MPa/°CA，而0#柴油壓力升高率峰值范圍在0.3～0.6MPa/°CA之間。由于壓力升高率對燃燒噪聲的影響很大，因而燃用F-T柴油可以降低柴油機(jī)的整體噪聲。

圖2 0#柴油與F-T柴油缸內(nèi)壓力與壓力升高率曲線

2.2 放熱率分析

圖3為轉(zhuǎn)速2200 r/min，平均有效壓力Pme=0.57 MPa時，兩種燃料的放熱率曲線。由圖可知，較0#柴油而言，F(xiàn)-T柴油放熱平緩，預(yù)混燃燒放熱峰值降低，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有所提前；擴(kuò)散燃燒放熱峰值有所升高。

圖3 0#柴油與F-T柴油放熱率曲線2200r/min Pme=0.57MPa

這是由于F-T柴油的十六烷值較高，滯燃期縮短，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣減少，因而參與預(yù)混燃燒的燃油量減少，預(yù)混燃燒放熱峰值也隨之降低。而在擴(kuò)散燃燒階段，由于F-T柴油餾程溫度較低，燃油中難以燃燒的重餾成分較少。其蒸發(fā)、擴(kuò)散和燃燒速率加快，從而導(dǎo)致擴(kuò)散燃燒階段的放熱率峰值有所升高。

2.3 燃燒始點分析

本文中將燃燒始點定義為燃料累積放熱率為5%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。圖4為2200 r/min下兩種燃料燃燒始點對比。由圖可知：低負(fù)荷下，燃用F-T柴油的始點有較大的提前，與0#柴油相比最大提前角為1.8°CA。這是因為F-T柴油的黏度和餾程均比0#柴油小，蒸發(fā)和霧化質(zhì)量好，容易混合均勻。在低負(fù)荷時缸內(nèi)溫度相對較低，燃燒始點受十六烷值的影響更大；高負(fù)荷下，F(xiàn)-T柴油的燃燒始點較0#柴油稍有推遲。這是因為高負(fù)荷時，在相同的柱塞行程下，由于F-T柴油密度比0#柴油小，燃油高壓產(chǎn)生得晚，在相同的供油提前角下，F(xiàn)-T柴油實際噴油時刻要晚于0#柴油，出現(xiàn)噴油延時，導(dǎo)致燃燒始點推后。

圖4 0#柴油與F-T柴油燃燒始點對比

2.4 對排氣溫度的影響

圖5 0#柴油與F-T柴油排氣溫度對比

圖5 為0#柴油與F-T柴油排氣溫度對比。由圖可知，燃用F-T柴油后，排氣溫度較0#柴油均有所下降，降幅均在2～10℃之間。這是因為F-T滯燃期短，預(yù)混燃燒峰值較低，因而預(yù)混燃燒量減少，導(dǎo)致總體燃燒溫度降低。從宏觀上分析，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，排氣溫度降低，柴油機(jī)的熱效率必有所提高，即提高了燃料的利用率，從而可以降低能耗，改善其經(jīng)濟(jì)性。

2.5 燃燒振動分析

對于試驗所用的4100QBZL型柴油機(jī)，其四個氣缸共用一個氣缸蓋，缸蓋振動加速度傳感器安裝在第四缸中間位置。在同一工況，由燃燒以外的其他因素對發(fā)動機(jī)振動效果影響相同，因此本文主要考慮燃燒引起的振動。

圖6為轉(zhuǎn)速2200 r/min、Pme=0.76 MPa工況下柴油機(jī)一個工作循環(huán)內(nèi)所采集到的缸蓋振動加速度的時域信號，采樣頻率為96 kHz。根據(jù)4100QBZL柴油機(jī)的發(fā)火順序（4-2-1-3）以及工作相位圖（排氣門開-進(jìn)氣門開-排氣門關(guān)-進(jìn)氣門關(guān)），可以很容易區(qū)分圖6中的各激勵力響應(yīng)信號。當(dāng)柴油機(jī)出現(xiàn)某種故障時，相應(yīng)的激勵力響應(yīng)信號在作用時間和能量強(qiáng)度等方面將發(fā)生改變[6]。由圖可知，燃用F-T柴油的氣缸蓋振幅均比燃用0#柴油要小。

圖6缸蓋振動加速度時域波形圖

圖7 為不同工況下燃用0#柴油與F-T柴油缸蓋振動加速度有效值對比。從總體看，缸蓋振動程度均隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增大。這是由于隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的提高，噴油速率提高，滯燃期內(nèi)可點燃混合油量增加，燃燒劇烈，振動增強(qiáng)。

圖7 燃用0#柴油與F-T柴油缸蓋振動加速度對比

對比燃用F-T柴油與0#柴油振動加速度的大小可知：由于F-T柴油的十六烷值高滯燃期縮短，壓力升高率和最高燃燒壓力下降，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒振動的降低。

對4100QBZL發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力進(jìn)行頻譜分析可知，發(fā)現(xiàn)其大部分能量都集中在700 Hz以下，并且燃用0#柴油缸壓頻譜峰值較高，波形集中。所以可知與燃燒有關(guān)的振動能量集中在0～700 Hz。圖8為轉(zhuǎn)速2200 r/min，Pme=0.57 Mpa下缸蓋振動加速度的頻域波形圖。由于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)是一個相當(dāng)復(fù)雜的多體振動系統(tǒng)，各零件的自振頻率不同，大多處于中高頻范圍[2]。由圖可知，缸蓋振動加速度頻帶較寬，振動在200～8000 Hz范圍內(nèi)都有較大的幅值，高頻成分的能量較燃用0#柴油少，說明缸內(nèi)壓力高頻振蕩幅值降低。在頻率段3000 Hz左右、4000～5000 Hz、6000～7000 Hz出現(xiàn)峰值，并且峰值均低于燃用0#柴油。

圖8 缸蓋振動加速度頻域波形圖

3 結(jié)論

1）燃用F-T柴油后，缸內(nèi)壓力略低于燃用0#柴油，壓力升高率有較大程度的降低，且峰值大小均不超過0.4 MPa/°CA。低負(fù)荷下燃燒始點有較大提前，高負(fù)荷下稍有推后。

2）燃用F-T柴油放熱平緩，預(yù)混燃燒放熱峰值降低，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有所提前；擴(kuò)散燃燒放熱峰值有所升高。排氣溫度降低，柴油機(jī)熱損失減少，熱效率有所提高。

3）對測得的柴油機(jī)缸蓋振動加速度信號時域波形進(jìn)行分析，可以確定各激勵力響應(yīng)信號，并且振幅均比燃用0#柴油要小。在頻域范圍內(nèi)，高頻成分的能量有所減少，F(xiàn)-T柴油在各頻率段的峰值均降低。

1S.S.Gill，A.Tsolakis，K.D.Dearn.Combustion characteristics and emissions of Fischer-Tropsch diesel fuels in IC engines [J].Progress in Energy and Combustion Science，2011，37（4）：505～523

2黃勇成，周龍保，潘克煜.直噴式柴油機(jī)燃用F-T柴油時燃燒特性的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2006，40（1）：6～9

3王建昕，帥石金.汽車發(fā)動機(jī)原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009

4黃勇成，周龍保，潘克煜，等.柴油機(jī)燃用F-T柴油與0號柴油混合燃料的燃燒特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2006，12（4）：329～334

5吳后吉，沈穎剛，畢克剛.內(nèi)燃機(jī)生物柴油摻燒比對表面輻射噪聲測試與研究[J].噪聲與振動控制，2010，2（1）：185～187

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Effects of Fischer-Tropsch Diesel Fuel on Combustion and Vibration Characteristics of Turbocharged Diesel Engine

Liao Wenrong1，Wang Tie2，Shi Jinhong2，Liu Lei2
1-Department of Mechanical Engineering，Changjiang Institute of Technology（Wuhan，Hubei，430212，China）2-Department of Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology

An experiment was undertaken on 4100QBZL turbocharged diesel engine to compare the combustion and vibration characteristics of diesel engine fueled with Fischer-Tropsch（F-T）diesel fuel and 0#diesel fuel.The result show that：when fueling with Fischer-Tropsch（F-T）diesel fuel，the cylinder pressure is slightly lower than 0#diesel oil，and the rate of pressure rise decreases greatly.Under low load the ignition timing advances，while under high load delays.F-T diesel fuel has smooth heat liberation，lower peak value of premixed burning rate and higher peak value of diffusion burning rate than 0#diesel fuel.In different cases，the vibration acceleration amplitude of cylinder head is less and mainly concentrated range 200Hz from 8000 Hz.High frequency energy is less than 0#diesel fuel.

Fischer-Tropsch diesel，Diesel engine，Combustion，Vibration acceleration

TK421

A

2095-8234（2014）05-0030-05

2014-07-09）

山西省科技重大專項（20111101035）。

廖文蓉（1989-），女，碩士，研究方向為車用清潔代用燃料。

通迅作者：王鐵（1957-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為車用清潔代用燃料。