臺(tái)架試驗(yàn)的生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用特性

劉玉梅，張敬師，崔麗，熊明燁，宋捷，李夢(mèng)

(1.吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022;2.北京大學(xué)工學(xué)院，北京100871;3.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，山西長(zhǎng)治046000)

我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，特別是隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，能源消耗量越來(lái)越大，環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，因此尋求一種綠色環(huán)保的可替代能源對(duì)于保證國(guó)家能源安全、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)有積極的意義［1-2］。

生物柴油作為清潔能源成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，生物柴油的推廣與使用對(duì)于未來(lái)世界能源穩(wěn)定有非常重要的意義［3］。其中在生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用特性研究方面，清華大學(xué)的陳文淼等人實(shí)現(xiàn)了生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架燃燒的可視化［4-7］，直觀研究生物柴油的燃燒特性，對(duì)一種生物柴油與石油柴油的混合燃料B20進(jìn)行了測(cè)試和分析，得到了B20燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能以及缸內(nèi)燃燒火焰結(jié)構(gòu)、溫度和炭煙濃度分布等信息;吉林大學(xué)的譚滿志等人在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不作變動(dòng)和調(diào)整的條件下，研究了B0、B10、B20和 B30 4種不同低十六烷值大豆油甲酯生物柴油體積分?jǐn)?shù)的混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放和燃燒特性的影響［8］;江蘇大學(xué)的袁銀南，陳漢玉等人采用相位多普勒粒子分析儀，從索特平均直徑、噴霧錐角和噴霧貫穿距等方面對(duì)生物柴油和0#柴油的噴霧特性進(jìn)行了對(duì)比研究［9］。這些研究均采用一種或幾種小比例的生物柴油混合燃料，且基本都是大豆甲酯生物柴油。本文采用由地溝油、泔水油提煉出的生物柴油混合成8種不同比例的混合燃料，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了不同混合比的生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果為生物柴油混合燃料混合比的合理選擇提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用直列4缸、增壓中冷、3.168 L排量的電控高壓共軌柴油機(jī)，裝有BOSCH公司的燃油噴射系統(tǒng)和上海聯(lián)信公司的渦輪增壓器。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Themain technical parameters of the engine

1.2 試驗(yàn)主要儀器設(shè)備

試驗(yàn)用主要儀器設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用主要儀器設(shè)備Table 2 The main equipment of the test

1.3 試驗(yàn)條件

1)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài):試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不帶消聲器和空氣濾清器，節(jié)溫器處于全開(kāi)位置。

首先，健全法律體系。憲法和法律是依法治國(guó)的重要依據(jù)，立法是落實(shí)依法治國(guó)基本方略，建設(shè)社會(huì)主義法治國(guó)家的根本環(huán)節(jié)。因此要堅(jiān)持從國(guó)情出發(fā)，在政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)等諸多領(lǐng)域建立健全法律、法規(guī)，完善社會(huì)主義法律體系，使社會(huì)主義各項(xiàng)事業(yè)有法可依。為了保證國(guó)家政權(quán)專政職能的發(fā)揮，必須有一套法律法規(guī)作保障。這就要求進(jìn)一步完善刑事立法和打擊各種犯罪的法律法規(guī)，善于借鑒西方法律制度，使社會(huì)治安方面的法律法規(guī)更加健全，為依法行使專政職能提供法律依據(jù)和保障，穩(wěn)、準(zhǔn)、狠的打擊刑事犯罪，維護(hù)社會(huì)秩序，鞏固人民民主專政。

圖5為8種不同混合比混合燃料的CO、NOx排放對(duì)比曲線，圖6為8種不同混合比混合燃料的HC、PM、SOF、DS排放對(duì)比曲線，圖7為8種不同混合比混合燃料的煙度排放對(duì)比曲線。

最后，設(shè)計(jì)解決方案。確定核心目標(biāo)后，我們就要從核心目標(biāo)的達(dá)成出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)解決方案了。解決方案必須是基于幫助學(xué)生成長(zhǎng)的愿景而設(shè)計(jì)，具有“準(zhǔn)”“遠(yuǎn)”“系”三個(gè)特點(diǎn)。準(zhǔn)，就是準(zhǔn)確找到根源性問(wèn)題；遠(yuǎn)，就是要盡可能往前看學(xué)生的經(jīng)歷，盡可能往后看學(xué)生的未來(lái)；系，就是解決方案不是單一的，而是持續(xù)的系統(tǒng)方案。

從圖5～7可以看出，與0#柴油相比:

1.4 試驗(yàn)工況及方法

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)，比較了8種不同混合比的生物柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，為確定車用生物柴油最佳混合比和生物柴油專用發(fā)動(dòng)機(jī)匹配提供數(shù)據(jù)參考，本文進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下的全負(fù)荷功率試驗(yàn)。

對(duì)于地表覆蓋分類數(shù)據(jù)的更新，通常利用本年度符合時(shí)相要求的最新影像資料，與往期影像進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)變化，必要時(shí)應(yīng)結(jié)合外業(yè)核查，對(duì)種植土地、林草覆蓋、房屋建筑（區(qū)）、道路、構(gòu)筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表和水體等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測(cè)更新。在成果數(shù)據(jù)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下幾類質(zhì)量問(wèn)題。

從圖1、圖2中可觀察到:不同混合比的混合燃料的轉(zhuǎn)矩和功率隨著轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)大致相同，但隨著生物柴油混合比的增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率分別有所下降。從圖3和圖4可以觀察到:不同混合比的生物柴油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率隨著轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)大致相同，但隨著生物柴油混合比的增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率均有所下降。由表5可以得到:B5 與 B0 的標(biāo)定功率相當(dāng)，B10、B20、B40、B50、B80、B100與B0相比，標(biāo)定功率分別下降了0.5%、1.5%、2.4%、2.8%、3.7%、5.3%;B5、B10、B20、B40、B50、B80、B100與 B0相比最大扭矩分別下降了0.9%、1.2%、1.6%、2.7%、3.8%、5.0%、5.9%。B5、B10、B20、B40、B50、B80、B100 與 B0 相比，標(biāo)定功率點(diǎn)的燃油消耗量分別增加了8.7%、2.8%、4.1%、5.8%、7.6%、9.8%、11.2%。最大扭矩點(diǎn)的燃油消耗量分別增加了 0.1%、1.0%、1.7%、3.1%、4.3%、6.7%、8%。標(biāo)定功率點(diǎn)的燃油消耗率分別增加了1.6%、2.9%、3.8%、5.0%、6.6%、8.3%、9.1%，最大扭矩點(diǎn)的燃油消耗率分別增加了1.0%、2.1%、2.6%、4.5%、5.3%、6.3%、7.8%。

通過(guò)高中課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠有意識(shí)地用數(shù)學(xué)表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界，發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題，感悟數(shù)學(xué)與現(xiàn)實(shí)之間的關(guān)聯(lián)，學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)模型解決實(shí)際問(wèn)題，積累數(shù)學(xué)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)．?dāng)?shù)學(xué)應(yīng)用題是一類重要的考試題型，它以實(shí)際問(wèn)題為背景，學(xué)生要能夠發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題，建立和求解模型，進(jìn)而檢驗(yàn)和完善模型，分析并解決問(wèn)題．這類題可以對(duì)數(shù)學(xué)建模素養(yǎng)進(jìn)行全面考查．

2)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn):燃用8種不同混合比的混合燃料進(jìn)行部分負(fù)荷功率油耗試驗(yàn)。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性試驗(yàn):燃用8種不同混合比的混合燃料進(jìn)行十三工況穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷煙度排放試驗(yàn)(ELR)，十三工況循環(huán)工況點(diǎn)如表3所示［10］。

1.5 試驗(yàn)燃料

解剖高頻關(guān)鍵詞，可直觀讀懂該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)化處理138篇文獻(xiàn)共得關(guān)鍵詞573個(gè)。將高頻數(shù)界定為≥3，獲22個(gè)高頻關(guān)鍵詞，其累計(jì)占比58.59%，符合知識(shí)圖譜規(guī)定的27%，適宜進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。22個(gè)高頻關(guān)鍵詞見(jiàn)表1。

表3 十三工況循環(huán)工況點(diǎn)Table 3 Thirteen conditions loop operating point

表4 多種混合比的生物柴油混合燃料理化性能數(shù)據(jù)Table 4 The physical and chem ical performance data of multiple mixing ratios of biodiesel mixture fuel

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)分析

依據(jù)GB18297-2001《發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》、GB3847-2005《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣煙度排放限值及測(cè)量方法》和GB17961-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段》，確定試驗(yàn)工況和方法如下:

試驗(yàn)用的0#柴油為符合DB11/239-2004標(biāo)準(zhǔn)的低硫柴油，生物柴油選用北京凱藍(lán)森貿(mào)易有限責(zé)任公司生產(chǎn)的生物柴油?；旌先剂弦?#柴油為基礎(chǔ)油，分別加入體積分?jǐn)?shù)為0%、5%、10%、20%、40%、50%、80%和100%的生物柴油，配制不同體積分?jǐn)?shù)的生物柴油混合燃料，簡(jiǎn)稱為 B0、B5、B10、B20、B40、B50、B80和B100，試驗(yàn)燃料的理化特性見(jiàn)表4。

表5為燃用8種不同混合比的混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。燃用8種不同混合比生物柴油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)總功率特性對(duì)比曲線如下:圖1和圖2為8種不同混合比的生物柴油混合燃料的扭矩、功率對(duì)比曲線，圖3和圖4為8種不同混合比生物柴油混合燃料的燃油消耗量和燃油消耗率對(duì)比曲線。

圖1 8種混合比混合燃料的扭矩對(duì)比曲線Fig.1 The torque comparison curve of eight kinds of mixing ratios of biodiesel

圖2 8種混合比混合燃料的功率對(duì)比曲線Fig.2 The power comparison curve of eight kinds of mixing ratios of biodiesel

圖3 8種混合比混合燃油的燃料消耗量對(duì)比曲線Fig.3 The fuel consumption comparison curve of eight kinds of mixing ratios of biodiesel

圖4 8種混合比混合燃料的燃油消耗率對(duì)比曲線Fig.4 The fuel consumption rate comparison curve of eight kinds of mixing ratios of biodiesel

1)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性試驗(yàn):燃用8種不同混合比的混合燃料進(jìn)行全負(fù)荷功率試驗(yàn)。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能試驗(yàn)分析

2)發(fā)動(dòng)機(jī)條件控制:冷卻液的出口溫度為85±5℃;機(jī)油溫度為 100±5℃;柴油溫度為:35±5℃;中冷后進(jìn)氣溫度為:40±5℃。

圖5 8種混合比混合燃料CO、NO x排放對(duì)比曲線Fig.5 The emitting concentration of CO and NO x comparison curve of eight kinds of mixing ratios of biodiesel

圖6 8種混合比混合燃料HC、PM、SOF、DS排放對(duì)比曲線Fig.6 The emitting concentration of HC，PM，SOF and DS comparison curve of eight kinds of mixing ratios of biodiesel

圖7 8種混合比混合燃料煙度排放對(duì)比曲線Fig.7 The emitting concentration of soot comparison curve of eight kinds of mixing ratios of biodiesel

表5 不同混合比的混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 The external characteristics test data of different mixing ratios of blended

續(xù)表5

3)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油:中石化潤(rùn)滑油分公司產(chǎn)長(zhǎng)城牌CH-4機(jī)油，粘度等級(jí)15W-40。

1)CO排放濃度隨混合比的增加呈現(xiàn)不同的變化，B5、B10、B20混合燃料排放濃度分別降低了3%、3.6%、3%，B40、B50、B80、B100混合燃料排放濃度分別增加了6.5%、7.7%、10.7%、14.3%。

2)HC 排放濃度大幅降低，B5、B10、B20、B40、B50、B80、B100混合燃料HC排放濃度分別降低了25.5%、13.7%、7.8%、9.8%、11.8%、9.8%、17.6%。

“忽聞教堂鐘聲、工廠汽笛聲，以及廠外歡呼聲與歌唱聲同時(shí)并作，余輩驚向何故？始知休戰(zhàn)條約已簽訂，戰(zhàn)爭(zhēng)從此可以終止矣！此何日也？記之永久不忘之，1918年11月11日也。是日，各種工作各地戰(zhàn)事自11點(diǎn)起一律停止……”

3)NOx排放濃度略有增加，B5、B10、B20、B40、B50、B80、B100混合燃料NOx排放濃度分別增加了3.2%、0.69%、4.8%、2.3%、4.1%、3%、3.4%。

4)微粒 PM 排放濃度降低，B5、B10、B20、B40、B50、B80、B100混合燃料的PM排放濃度分別降低了5.2%、6.3%、8.3%、7.3%、8.3%、9.4%、9.4%。

5)SOF(可溶性有機(jī)成分)排放降低，B40、B50排放與 B0 一致;B5、B10、B20、B80、B100 混合燃料的SOF排放濃度分別降低了5.7%、5.7%、3.8%、3.8%、5.7%。

6)DS(二氧化硫)排放大幅降低，B5、B10、B20、B40、B50、B80、B100 混合燃料的 DS 排放濃度分別降低了 4.7%、7%、11.6%、18.6%、20.9%、25.6%、27.9%。

7)煙度排放明顯降低，隨著混合比的增大煙度大幅降低，B5、B10、B20、B40、B50、B80、B100 混合燃料的煙度分別降低了21.4%、28.6%、35.7%、42.9%、47.1%、49.3%、53.6%。

由以上結(jié)果可看出，燃用生物柴油可以很好的改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。

在農(nóng)業(yè)推廣中，推廣人員發(fā)揮著十分重要的作用，提高推廣人員的專業(yè)化水平，能夠達(dá)到更好的推廣效果，有利于促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。并且，農(nóng)業(yè)推廣人員肩負(fù)著宣傳農(nóng)業(yè)技術(shù)信息的重任，農(nóng)民所了解的農(nóng)業(yè)新技術(shù)基本來(lái)源于農(nóng)業(yè)推廣人員。要促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，就需要提高農(nóng)業(yè)推廣人員的業(yè)務(wù)能力和專業(yè)化水平。例如，有關(guān)部門(mén)應(yīng)將農(nóng)業(yè)推廣人員組織起來(lái)，進(jìn)行系統(tǒng)性地培訓(xùn)。在培訓(xùn)過(guò)程中，要讓每一位推廣人員熟悉我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，全面了解每一項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù)。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)推廣的過(guò)程中，推廣人員才能夠?qū)r(nóng)民進(jìn)行正確的指導(dǎo)，使廣大農(nóng)民愿意主動(dòng)使用新技術(shù)。只有增加農(nóng)民的收益，才能提高其運(yùn)用新技術(shù)的積極性，從而促進(jìn)該地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

與0#石化柴油相比，燃用生物柴油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性有所下降，但幅度不大。當(dāng)混合比小于20%時(shí)標(biāo)定功率和最大扭矩降幅在2%左右，因此當(dāng)混合比小于20%時(shí)摻燒生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性影響很小。燃用生物柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性與燃用石化柴油相差不大，在最大扭矩點(diǎn)不同燃料的能量消耗率基本相當(dāng)，在標(biāo)定功率點(diǎn)不同燃料的能量消耗率略有增加。燃用生物柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能得到明顯改善，CO、HC、PM、SOF、DS以及碳煙的排放濃度大幅降低，NOx的排放濃度略有增加。

［1］Energy Information Administration.International energy outlook 2008 DOE/EIA，0484(2008)［R］.Washington DC:Department of Energy，2008

［2］景曉軍，馮于久，田冬蓮，等.摻燒不同比例生物柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究［J］.汽車工程，2009，32(2):132-136.JING Xiaojun，F(xiàn)ENG Yongjiu，TIAN Donglian，et al.A research on the performance of diesel engine fueled with different blending ratio of bio-diesels［J］.Automotive Engineering，2009，32(2):132-136.

［3］PUHAN S，VEDARAMANN，SANKARANARAYANAN G，et al.Performance and emission study of Mahuaoil(madhuca indica oil)ethyl ester in a 4-stroke natural aspirated direct injection diesel engine［J］.Renewable Energy，2005，30:1269-1278.

［4］U.S.Department of Energy(DOE).Diesel emission controlsulfur effects project(DECSE)，NREL/P-540-31600［R］.［S.l.］:National Renewable Energy Laboratory(NREL)，2002

［5］SALVATORE A，MADDALEENA A.The effect of methyl ester of rapeseed oil on combustion and emissions of D.I.diesel engines［J］.SAE Paper No.932801，1993.

［6］CHOIC Y.Effect of bio-diesel blended fuels and multiple injections on D.I.diesel engines［J］.SAE Paper No.970218，1997:388-407.

［7］陳文淼，陳虎.B20生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能及燃燒可視化［C］//2006代用燃料汽車國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.［S.l.］，2006.CHEN Wenmiao，CHEN Hu.Engine performance and combustion visualization of B20 biodiesel engine［C］//Cars International Conference Proceedings of Alternative fuels.［S.l.］，2006.

［8］譚滿志，郭英男.直噴柴油機(jī)燃用大豆油甲酯生物柴油的排放和燃燒特性［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2010，40(5):1183-1187.TAN Manzhi，GUO Yingnan.Exhaust emission and combustion characteristics of direct injection diesel engine fueled with soybean-oil-methyl-ester biodiesel［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2010，40(5):1183-1187.

［9］袁銀南，陳漢玉，張春豐.生物柴油和石化柴油噴霧特性的對(duì)比研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29(4):16-18.YUAN Yinnan，CHEN Hanyu，ZHANG Chunfeng.Comparative research on spray characteristics of bio-diesel oil and fossil diesel oil［J］.Internal Combustion Engine，2008，29(4):16-18.

［10］崔麗.車用生物柴油理化性能和最佳混合比的試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2011:37-53.CUILi.Study on experiment of physical and chemical properties and optimal mixing rate for vehicle biodiesel［D］.Changchun:Jilin University，2011:37-53