共軌柴油機(jī)燃燒純生物柴油的試驗(yàn)研究

石來(lái)華，曹文明，劉　波

共軌柴油機(jī)燃燒純生物柴油的試驗(yàn)研究

石來(lái)華，曹文明，劉波

（重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122）

對(duì)一臺(tái)國(guó)產(chǎn)渦輪增壓直噴柴油機(jī)燃燒0#柴油和純生物柴油的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在柴油機(jī)不進(jìn)行任何調(diào)整的情況下，燃燒純生物柴油會(huì)降低其動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，但可大幅度改善CO、HC和PM的排放性能。

柴油機(jī)；生物柴油；動(dòng)力性；排放性；經(jīng)濟(jì)性

隨著石油資源的日漸枯竭，以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)雀咚侔l(fā)展對(duì)能源需求的日益增加，尋找替代燃料已迫在眉睫。生物柴油因原料來(lái)源廣［1］，具有可降解性，無(wú)毒性。作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料能降低有害物排放，且能直接或與柴油混合后用于現(xiàn)有柴油機(jī)而備受關(guān)注［2］，已在歐洲和美國(guó)得到廣泛應(yīng)用［3］。

由于我國(guó)生物柴油原料供應(yīng)不足，量少價(jià)高，再加上人們對(duì)生物柴油的認(rèn)識(shí)不足等，與國(guó)外相比還有不小的差距。目前生物柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用還處于試驗(yàn)研究階段［4-6］。本文對(duì)一臺(tái)國(guó)產(chǎn)渦輪增壓直噴柴油機(jī)燃燒市售0#柴油和純生物柴油的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比分析兩者在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能的區(qū)別。

1　試驗(yàn)條件

1.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。在其結(jié)構(gòu)和參數(shù)不作改動(dòng)和調(diào)整的前提下，分別在燃燒市售0#柴油和以續(xù)隨子為原料生產(chǎn)的純生物柴油時(shí)進(jìn)行了凈功率［7］、全負(fù)荷煙度試驗(yàn)及［8］十三工況穩(wěn)態(tài)（ESC）［9］排放試驗(yàn)，測(cè)量燃燒不同燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

表1　試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2試驗(yàn)用主要設(shè)備

試驗(yàn)在國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心重型發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)用主要設(shè)備如表2所示。

表2　試驗(yàn)用主要設(shè)備

1.3試驗(yàn)用油

市售0#柴油和生物柴油的理化指標(biāo)如表3所示。

表3　0#柴油和生物柴油的理化指標(biāo)

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性

圖1為柴油機(jī)在全負(fù)荷工況下，燃燒0#柴油和純生物柴油時(shí)功率和扭矩對(duì)比。由圖1可知，柴油機(jī)燃燒純生物柴油時(shí)，功率、扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的總體規(guī)律與燃燒0#柴油時(shí)一致，但在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃燒純生物柴油時(shí)的功率、扭矩曲線(xiàn)均在相應(yīng)的0#柴油曲線(xiàn)之下。整個(gè)外特性上，功率、扭矩的平均降幅為9.5%；最大功率由225.0 kW降到205.6 kW，降幅為8.6%；最大扭矩由1 432.4 N·m降到1 305.4 N·m，降幅為8.9%。這與文獻(xiàn)［10-11］里研究結(jié)果相一致，柴油機(jī)燃燒純生物柴油動(dòng)力性會(huì)下降5%～10%，主要是由于純生物柴油的質(zhì)量熱值比柴油低約13%（其體積熱值比柴油低約10%）。在對(duì)柴油機(jī)不做任何調(diào)整的情況下，單位體積供油量保持不變，而在同體積內(nèi)，純生物柴油燃燒釋放的能量少，導(dǎo)致功率、扭矩下降。

圖2為該柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 432 r/min（ESC試驗(yàn)的B轉(zhuǎn)速）時(shí)部分負(fù)荷扭矩對(duì)比。由圖2可知，部分負(fù)荷工況下，燃燒純生物柴油時(shí)，扭矩曲線(xiàn)均在相應(yīng)的0#柴油曲線(xiàn)之下，其主要原因同樣是由于純生物柴油的熱值比柴油低。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性

燃油的比重、粘度、熱值等特性會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性［12］。圖3和圖4分別為燃燒不同燃料時(shí)外特性和轉(zhuǎn)速為1 432 r/min時(shí)負(fù)荷特性下的燃油消耗量和燃油消耗率的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3和圖4可知，燃燒純生物柴油時(shí)，燃油消耗量和燃油消耗率隨扭矩變化的總體規(guī)律與燃燒0#柴油一致，即相同負(fù)荷時(shí)燃油消耗量隨轉(zhuǎn)速增加而增大，燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速增加先減小后增加；相同轉(zhuǎn)速下燃油消耗量隨扭矩增加而增大，燃油消耗率隨扭矩增加先減小后增加。但相同工況條件下，燃燒純生物柴油時(shí)的燃油消耗量和燃油消耗率比燃燒0#柴油時(shí)大，全負(fù)荷工況時(shí)，燃油消耗量平均增加1.5%。由于燃燒純生物柴油的功率下降較多，燃油消耗率平均增幅達(dá)到了12.7%，在轉(zhuǎn)速1 432 r/min時(shí)部分負(fù)荷下，燃油消耗率平均增幅為14.6%。這與理論相符，理論上柴油機(jī)燃燒純生物柴油時(shí)，燃油消耗率會(huì)增加14%左右［13］，主要是由于純生物柴油的密度大。在噴油壓力、噴油脈寬相同的情況下，噴入氣缸內(nèi)的燃料體積相同，實(shí)際噴入氣缸內(nèi)燃料的質(zhì)量多，燃油消耗量增大；其次純生物柴油的熱值低，燃燒純生物柴油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降，導(dǎo)致燃油消耗率高［14］。

2.3發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能

表4為相同工況下，燃燒0#柴油和純生物柴油時(shí)ESC的排放試驗(yàn)結(jié)果。從表4中可以看出，燃燒純生物柴油可有效降低CO、HC、PM的比排放量，但NOx比排量會(huì)略有增加。

表4　燃燒不同燃料的十三工況穩(wěn)態(tài)排放試驗(yàn)結(jié)果g/（kW·h）

1）CO、HC排放。CO、HC是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，主要受燃料類(lèi)型、霧化速率、噴油時(shí)刻、噴油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等的影響［15］。由表4的十三工況穩(wěn)態(tài)排放試驗(yàn)結(jié)果可知，燃燒純生物柴油時(shí)，CO、HC的比排放量比燃燒0#柴油時(shí)分別降低了28.3%、59.7%。圖5和圖6為1 423 r/min時(shí)的部分負(fù)荷工況下，燃燒不同燃料時(shí)的CO、HC的排放特性。由此可知，燃燒生物柴油時(shí)，CO、HC的排放都有顯著降低。這主要是由于純生物柴油是含氧燃料，且十六值較高，燃料的著火性好，滯燃期縮短，缸內(nèi)高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有助于燃料的完全燃燒。

2）煙度及顆粒排放。降低微粒和煙塵排放是生物柴油一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)。由表4的十三工況穩(wěn)態(tài)排放試驗(yàn)結(jié)果可知，ESC排放時(shí)，PM降低幅度達(dá)到了12.6%。由圖7柴油機(jī)燃燒不同燃料時(shí)外特性上的煙度排放可知，燃燒純生物柴油時(shí)外特性上煙度大幅度降低。其主要原因：生物柴油為含氧燃料，有助于混合氣更加充分地燃燒；生物柴油中芳香烴和硫化合物的含量較少，降低了碳煙及顆粒成核的速率；生物柴油十六值較高，燃料的著火性好，致使滯燃期縮短，缸內(nèi)高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有助于燃料的完全燃燒，減少了碳煙及顆粒的排放。

3）NOX排放。NOX的形成高度依賴(lài)于缸內(nèi)溫度、氧氣濃度和反應(yīng)發(fā)生的持續(xù)時(shí)間。由圖8 1 423 r/min時(shí)部分負(fù)荷工況下，柴油機(jī)燃燒不同燃料時(shí)的NOX的排放特性可知，燃燒純生物柴油時(shí)，NOX比排放量隨負(fù)荷變化的規(guī)律與燃燒0#柴油時(shí)一致，即NOX比排放量隨負(fù)荷增大先增大后減小。小負(fù)荷時(shí)，燃燒純生物柴油與燃燒0#柴油的NOX比排放量基本相同，但中高負(fù)荷時(shí)，燃燒純生物柴油時(shí)的NOX比排放量略有增加。這主要是因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)，柴油機(jī)氣缸內(nèi)溫度較低，不利于NOX的產(chǎn)生。當(dāng)在中高負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)溫度升高，適合NOX的產(chǎn)生，再加上生物柴油為含氧燃料，有助于NOX的生成，使得在中高負(fù)荷時(shí)燃燒純生物柴油的NOX比排放量比燃燒0#柴油時(shí)略有增加，但很不明顯［16］。

2.4改善措施

改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生物柴油的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的措施主要有：

1）由于生物柴油的熱值比0#柴油低，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，可通過(guò)重新標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中的噴油參數(shù)來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

2）由于生物柴油的十六烷值高，抗暴性能好，所以可通過(guò)提高壓縮比來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，該方法可充分發(fā)揮生物柴油的特性?xún)?yōu)勢(shì)。

3　結(jié)論

1）純生物柴油熱值低，燃燒純生物柴油會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，全負(fù)荷工況平均降低幅度達(dá)9.5%。

2）燃燒純生物柴油時(shí)，燃油消耗率比燃燒0#柴油時(shí)高，外特性上平均增大幅度為12.7%；轉(zhuǎn)速1 432 r/min時(shí)，部分負(fù)荷下平均增大幅度為14.6%。

3）純生物柴油是含氧燃料，燃燒純生物柴油能有效地降低CO、HC和PM比排放量，但可能會(huì)略微增加NOX的比排放量。ESC排放試驗(yàn)時(shí)，CO、HC和PM比排放量降低幅度分別為28.3%、59.7%、12.6%，NOX比排放量增加幅度為2.4%。

4）可通過(guò)重新標(biāo)定或提高壓縮比來(lái)改善燃燒生物柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

［1］Syed Ameer Basha，K.Raja Gopal，S.Jebaraj.A Review on Biodiesel Production，Combustion，Emissions and Performance ［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13:1628.

［2］ChengCH，CheungCS，Chan TL，et al.Comparison ofEmissions of a Direct Injection Diesel Engine Operating on Biodiesel with Emulsified and Fumigated Methanol［J］.Fuel，2008，87（10 -11）:1870-1879.

［3］Kahraman Bozbas.Biodiesel as an Alternative Motor Fuel:Production and Policies in the European Union.Renew Sust Energ Rev2008；12（2）:542-552.

［4］袁銀南，江清陽(yáng)，孫平，等.柴油機(jī)燃燒純生物柴油的排放特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003，26（1）：424-427.

［5］王忠，袁銀南，歷寶錄，等.純生物柴油的排放特性試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，（7）：77-80.

［6］鞏利平.ZS1110TD型柴油機(jī)燃燒生物柴油的性能試驗(yàn)研究［J］.車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2010，（3）:28-40.

［7］GB 17692-1999，汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率測(cè)試方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［8］GB3847-2005，車(chē)用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)排氣煙度排放限值及測(cè)量方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［9］GB 17691-2005，車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方式（中國(guó)III、IV、V階段）［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［10］Kaplan C，Arslan R，Surmen A.Performance Characteristics of Sunflower Methyl Esters as Biodiesel［J］.Energy Sources 2006，28（Part A）:751-5.

［11］Ekrem Buyukkaya.Effects of Biodiesel on a DI Diesel Engine Performance，Emission and Combustion Characteristics［J］.Fuel，2010，89:3101.

［12］Mustafa Canakci，Ahmet Erdil，Erol Arcaklioglu.Performance and Exhaust Emissions of a Biodiesel Engine［J］.Applied Energy 2006，83:594-605.

［13］Lapuerta M，Armas O，Rodriguez-Fernández J.Effect of Biodiesel Fuels on Diesel Engine Emissions［J］.Energy and Combustion Science［J］.2008，34（2）:198-223.

［14］Qi DH，Geng LM，Chen H，Bian YZH，Liu J，Ren XCH. Combustion and Performance Evaluation of a Diesel Engine Fueled with Biodiesel Produced from Soybean Crude Oil.Renew Energ2009，34:2706-13.

［15］Gumus M，Sayin C，Canakci M.the Impact of Fuel Injection Pressure on the Exhaust Emissions of a Direct Injection Diesel Engine Fueled with Biodiesel-Diesel Fuel Blends［J］.Fuel 2012，95:486-94.

［16］劉曉亮.輕型柴油車(chē)燃用純生物柴油排放試驗(yàn)研究［J］.公路與汽運(yùn)，2014，（4）

修改稿日期：2014-11-18

Experimental Study on Common Rail Diesel Fueled with Biodiesel

Shi Laihua，CaoWenming，Liu Bo
（ChongqingVehicle Test&Research Institute，National Coach QualitySupervision&TestingCenter，Chongqing401122，China）

An experimental studyis conducted on turbocharged direct-injection diesel engine made in China with 0#diesel and pure biodiesel.The engine fuel power，economy and emissions have been measured and analyzed.The experimental results showthat the engine power performance and economy fueled with the pure biodiesel are worse than those with fueled 0#diesel，but CO，HCand PMemissions are better.

diesel engine；biodiesel；power；emissions；economy

TK429

B

1006-3331（2015）01-0058-04

石來(lái)華（1980-），男，工程師；主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬計(jì)算及優(yōu)化工作。