雙通道鑲塊渦流室柴油機摻燒生物柴油綜合性能研究

袁文華，李紅，吳浩，馬傳武，馬儀

(邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

雙通道鑲塊渦流室柴油機摻燒生物柴油綜合性能研究

袁文華，李紅，吳浩，馬傳武，馬儀

(邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

雙通道鑲塊結構在一定程度上提升了渦流室柴油機的性能，在該結構基礎上摻燒生物柴油，探究雙通道鑲塊渦流室柴油機摻燒生物柴油的綜合性能。通過發(fā)動機臺架試驗得到了雙通道鑲塊渦流室柴油機摻燒生物柴油時的各項性能指標，分析生物柴油摻燒比對雙通道鑲塊渦流室柴油機性能的影響規(guī)律。試驗得出：摻燒生物柴油會降低發(fā)動機的最大輸出功率，降幅隨摻燒比增加而增大，摻燒比低于30%時對發(fā)動機動力性能影響較?。簱綗锊裼蜁黾尤加拖穆?，但部分工況下的等效燃油消耗率有所降低：摻燒生物柴油有利于碳煙、HC、CO的排放控制，但摻燒比大于20%時會導致NOX排放增加。

雙通道鑲塊；生物柴油；摻燒比；等效燃油消耗率；碳煙

目前，小型風冷渦流室式柴油機在農機、小型工程機械、小型船舶等領域均具有廣泛應用，針對其性能的研究主要集中在燃燒系統(tǒng)結構改進上，現(xiàn)有研究表明[1-4]：連接通道對渦流室燃燒系統(tǒng)的改善具有重要影響。日本的小松原一通過三維模擬計算的方法進行了渦流室內空氣流場分析，初次認識到連接通道對渦流室內的空氣流場具有重大影響[1]。三菱公司提出了不同角度兩段連接通道相結合的設計，使通道流量和氣流運動得到了改善[2]。唐智、熊銳等人研究了不同角度連接通道對燃燒系統(tǒng)的影響[3]。朱廣圣結合了連接通道的位置和角度進行了相關研究[4]。馬儀、袁文華對小型風冷柴油機鑲塊雙通道傾角對渦流特性的影響進行了相關研究[5]，提出了一種雙通道鑲塊結構，將渦流室式發(fā)動內燃料分布的均勻性,使發(fā)動機各項性能均得到一定程度的改善[6]。然而，單純從燃燒室結構方面對小型風冷柴油機的性能的改善作用畢竟有限，考慮到作為發(fā)動機主要燃料來源的石油資源已經日漸枯竭，“酸雨”、“溫室效應”、“光化學煙霧”等環(huán)保問題也越來越嚴重，因此，本文提出將新型替代能源與雙通道鑲塊結構相結合來進一步改善發(fā)動機性能的研究思路。

目前，生物柴油在柴油機上的應用主要以摻燒為主，國內外就柴油機摻燒生物柴油進行了大量研究[7,8,13,21]，研究發(fā)現(xiàn)，生物柴油摻燒比對于柴油機性能具有重要影響，當生物柴油摻燒比較高時會導致發(fā)動機功率降低及燃油消耗率的升高，當摻燒比不超過40%時柴油機具有較好的性能表現(xiàn)，因此，目前對于生物柴油的應用與研究都以小摻燒比為主，本研究在設定試驗組時也以小摻燒比為主。

綜合以上，確定了基于雙通道鑲塊渦流室式柴油機結構摻燒生物柴油的研究方向，通過研究雙通道鑲塊渦流室式柴油機摻燒生物柴油的綜合性能，探究摻燒特性并確定摻燒方案。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

試驗所用發(fā)動機技術參數(shù)見表1，燃燒室結構為雙通道鑲塊渦流室，鑲塊材料為耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦的細結構模壓石墨，以40°傾斜角為基礎，將雙通道設計為擴張角為10°的縮口通道A和擴張角為5°的擴口通道B[6],具體結構特征見圖1、2。

該雙通道結構有利于加強渦流室與主燃燒室之間的氣流運動，在壓縮行程時，氣流從主燃燒室壓入渦流室，縮口通道B可增大氣體的流速，擴口通道A可保證氣體流通量并增大渦流強度。在做功行程時，氣體膨脹做功，從渦流室進入主燃燒室，縮口通道A可增大氣流速度，擴口通道B起輔助流通的作用[6]。馬儀等通過數(shù)值仿真與試驗的方法驗證了該雙通道鑲塊結構對發(fā)動機綜合性能均有所改善。

研究涉及其他試驗設備包括：FC2000發(fā)動機測控系統(tǒng)、油耗-轉速測量儀、測功機、NHT-6型不透光度計、廢氣分析儀。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

1.主燃燒室 2.缸蓋 3.噴油器 4.渦流室 5.連接通道A 6.連接通道B 7.啟動孔圖1 雙通道鑲塊渦流式燃燒室結構Fig.1 The structure of two-channel insert block swirl chamber

5.啟動孔 6.連接通道B 7.連接通道A圖2 雙通道鑲塊結構Fig.2 Schematic diagram of the two-channel insert block

1.2 試驗燃料

試驗所用石化柴油為國Ⅲ的0#柴油，生物柴油是以地溝油為原料所加工生產，其主要性能指標如表2所示。生物柴油具有近似于石化柴油的理化特性，兩者具有較好的互溶性，可實現(xiàn)任意比例的混合。根據(jù)現(xiàn)有研究了解，在對發(fā)動機結構不做任何改變的條件下，發(fā)動機在小范圍摻燒生物柴油時具有更好的性能表現(xiàn)，故試驗確定了B0、B10、B20、B30、B40、B100(B后面的數(shù)字表示生物柴油在混合燃油中的百分數(shù)比例)六個試驗組。

1.3 試驗方案

按照體積比將石化柴油和生物柴油按試驗組所需進行混合,充分攪拌15min使其混合均勻，試驗前先將發(fā)動機預熱30min，為減小試驗誤差，每組試驗均進行五次，對試驗結果進行格拉布斯檢驗后剔除異常值，并對剩余數(shù)據(jù)取平均值，當異常數(shù)據(jù)超過2個時，對試驗儀器進行校正后重新測量。在變換試驗組時,先排空發(fā)動機及油管余油,清洗油路，再加入新一組試驗燃油，避免出現(xiàn)摻混，影響試驗結果。

表2 生物柴油與石化柴油理化性能指標

2 試驗結果及分析

2.1 摻燒比對發(fā)動機動力性影響

在雙通道鑲塊渦流室式柴油機上摻燒生物柴油時的功率外特性曲線見圖3。

圖3 發(fā)動機功率外特性曲線Fig.3 The external characteristic cure of power

試驗結果顯示,摻燒生物柴油會導致發(fā)動機輸出功率有所降低，且降幅隨摻燒比的增加逐漸明顯。在低摻燒比范圍時(B10、B20、B30)發(fā)動機輸出功率相比于B0在各轉速下的降幅均較小,整體范圍不超過2.6%，在發(fā)動機較低時，B10的發(fā)動機輸出功率略高于B0。當生物柴油摻燒比超過30%時，發(fā)動機輸出功率在各轉速下的降幅都較為顯著,B40、B100相較于B0的發(fā)動機輸出功率最大降幅分別為4.8%、9.7%。

在發(fā)動機低轉速時，燃燒室內的渦流強度較低，燃料混合質量下降，當燃料燃燒不充分時，發(fā)動機功率受燃料低熱值的影響很小，且生物柴油中的氧元素有一定的燃燒改善作用[9]，因此，在轉速低于1200r/min時，摻燒生物柴油時的發(fā)動機功率與燃燒純柴油時相當，B10的發(fā)動機功率略高于B0。

2.2 摻燒比對發(fā)動機經濟性影響

在雙通道鑲塊渦流室式柴油機上摻燒生物柴油時的有效燃油消耗率外特性曲線、等效燃油消耗率外特性曲線見圖4、5。

圖4 發(fā)動機有效燃油消耗率外特性曲線Fig.4 The external characteristic cure of effective specific fuel consumption

試驗結果顯示，隨著轉速的變化，發(fā)動機燃用各摻燒比燃料的有效燃油消耗率變化趨勢基本一致，都隨著轉速的升高先降低再增加。摻燒生物柴油會導致發(fā)動機有效燃油消耗率升高，摻燒比對有效燃油消耗率的影響主要反應在發(fā)動機中高轉速區(qū)，在標定轉速時B10、B20、B30、B40、B100相較于B0的有效燃油消耗率增幅分別為2.44%、4.99%、5.46%、6.81%、18.75%。低轉速區(qū)時，各組摻燒比燃料的有效燃油消耗率差異較小，摻燒生物柴油時的有效燃油消耗率增加幅度不超過5%，在轉速低于1200r/min時，B10的有效燃油消耗率略低于B0。整體上看，只有當摻燒比超過40%時，才會導致發(fā)動機有效燃油消耗率有明顯的增加。

摻燒生物柴油導致有效燃油消耗率的增加主要是由生物柴油理化特性決定的,生物柴油的密度大于石化柴油而其低熱值卻更小,所以在輸出相同功率時需要消耗的燃料更多。但是，生物柴油中有10%左右的氧含量，會在一定程度上起到改善燃燒的作用，所以低摻燒比混合燃料在某些工況下的有效燃油消耗率反而低于石化柴油[10]。

比較發(fā)動機的有效燃油消耗率只單一的反應了燃油量的消耗情況，對于評定燃料的綜合應用性效果并不佳。目前,替代能源評定的一項有效手段是燃料生命周期評定[11]，胡志遠、譚丕強等已經做了重要研究，該評定方法過于復雜，本研究從能量消耗的角度進行燃料性能評定，利用燃料低熱值將燃油消耗率轉換為等效燃油消耗率，即表征了生物柴油摻燒比對燃料消耗的影響情況，又間接反應了燃料燃燒的熱效率。轉換公式如下：

等效燃油消耗率=燃油消耗率×

圖5 發(fā)動機等效燃油消耗率外特性曲線Fig.5 The external characteristic cure of equivalent fuel consumption

由圖5可知，在整個轉速范圍內，摻燒生物柴油時的等效燃油油耗率相較于有效燃油消耗率更接近于B0，當摻燒比低于40%時，有效燃油消耗率變化范圍在-1%～5%，在低轉速區(qū)，摻燒生物柴油時的等效燃油消耗率低于B0。這是因為低轉速時發(fā)動機缸內溫度低,混合氣空燃比較小，燃燒效率差，生物柴油的自供氧能力對發(fā)動機的燃燒的改善作用顯著[12]，所以摻燒生物柴油時的等效燃油消耗率更低。隨著發(fā)動機轉速的升高，燃料的混合時間也逐漸縮短。由于生物柴油的十六烷值較高，芳香烴含量低，其燃燒前的物理和化學準備時間較短，從而使得可燃混合氣的形成量減少[13]，M.Pilch的臨界weber數(shù)經驗公式表明，較高的粘度及表面張力會導致燃料的滴液難以破碎，從而使得燃料的蒸發(fā)性下降，生物柴油較高的粘度計表明張力使得其燃料霧化蒸發(fā)的效果較差，燃燒放熱率低，因此摻燒生物柴油時的等效燃油消耗率高于比純柴油[14、21、22]。

2.3 摻燒比對發(fā)動機排放性影響

2.3.1 煙度

在標定轉速2600r/min時，雙通道鑲塊渦流室式柴油機上摻燒生物柴油的排放煙度負荷特性見圖6，試驗采用NHT-6型不透光煙度計進行排氣煙度的測量，并且以排氣的吸光系數(shù)K作為排放煙度的評定指標。

圖6 發(fā)動機排放煙度負荷特性曲線Fig.6 The load characteristic cure of smoke emission

試驗結果顯示,在中低負荷時各摻燒比燃料燃燒時的排放煙度都較低，B0的排放煙度略高于摻燒生物柴油的混合燃料。隨著負荷的增加，各組燃料燃燒時的排放煙度均逐漸升高，摻燒生物柴油對于排放煙度的控制作用逐漸明顯。在大負荷工況時,摻燒生物柴油時的發(fā)動機排放煙度顯著降低，摻燒比越大排放煙度值的降幅越明顯，B100相較于B0的排放煙度降幅超過50%。

發(fā)動機排氣碳煙主要在燃燒溫度高于500K，過量空氣系數(shù)小于0.6的高溫缺氧環(huán)境下產生，F(xiàn)renklach和Wang的理論認為，PAH是碳煙soot生成的先導物，而富氧狀態(tài)下大量生成的乙炔C2H2則是PAH生成的先導物[15]，所以燃料中的C/H值越小，燃燒產生排放煙度越低。生物柴油是一種芳香烴含量極低而烷烴含量較高的燃料，相較于石化柴油，生物柴油的C/H值要低得多，所以生物柴油的燃料化學成分更有利于碳煙的排放控制[16]。此外，生物柴油的自供氧能力對于局部缺氧的緩解[17]，以及高汽化潛熱對于燃燒溫度的降低，都有利于生物柴油的排放煙度控制。

2.3.2 NOX排放

在標定轉速2600r/min時，雙通道鑲塊渦流室式柴油機上摻燒生物柴油的NOX排放負荷特性見圖7。

圖7 發(fā)動機NOX排放負荷特性Fig.7 The load characteristic cure of NOX emission

試驗結果顯示，發(fā)動機在中小負荷時的NOX排放量均處于較低水平，NOX的排放量隨負荷的增大逐漸升高，摻燒生物柴油對發(fā)動機NOX排放影響主要反應在中高負荷范圍。當小摻燒比小于20%時，發(fā)動機的NOX排放量與B0基本相當，在某些工況甚至有小幅度的降低，B10、B20相比較于B0的NOX排放量變化范圍為-3%～4%。當摻燒比范圍超過20%時，NOX排放在各工況下均高于B0，但整體增幅在10%以內。

NOX產生于燃燒溫度高于2300k的富氧環(huán)境，主要集中在大負荷工況，負荷越大，NOX排放量越高。在小范圍摻燒時，受生物柴油高汽化潛熱的影響，燃燒時的缸內平均溫度降低，根據(jù)擴展的Zeldovitch機理[18],NOX的生成量隨溫度呈指數(shù)遞增，所以小摻燒比在某些工況下的NOX排放量甚至低于B0[19]。在大范圍摻燒時，生物柴油的自供氧能力會促進NOX的產生，此外，生物柴油的高十六烷值會使著火時刻提前，著火落后期縮短，更早達到NOX的觸發(fā)溫度[20]，進一步導致?lián)綗锊裼蜁r發(fā)動機的NOX排放量升高。

2.3.3 CO排放

在標定轉速2600r/min時，雙通道鑲塊渦流室式柴油機上摻燒生物柴油的CO排放情況見圖8。

圖8 發(fā)動機CO排放負荷特性Fig.8 The load characteristic cure of CO emission

CO的生成主要是由于碳氫燃料的不完全燃燒。試驗結果表明，在小負荷時，摻燒生物柴油時的CO排放量較B0有小幅度的增加,隨著負荷的進一步增加，CO排放量會逐漸低于B0，CO的最高降幅可達40%。在小負荷工況時，發(fā)動機的燃燒溫度較低，生物柴油較高的汽化潛熱，會在燃料霧化蒸發(fā)時吸收大量的熱，造成燃燒室內淬冷層加厚[21],同時，高黏度導致燃油噴射時大量生物柴油堆積在燃燒室壁面，影響燃油蒸發(fā)效果，最終導致CO排量略高于B0[22]。在大負荷工作狀況時,發(fā)動機氣缸內的工作溫度逐漸升高，受汽化潛熱的影響逐漸減弱，生物柴油中含氧燃料的優(yōu)點開始占據(jù)主要影響，氧元素對燃燒產生正向推動作用，從而降低了CO的排放量，所以大負荷時摻燒生物柴油的CO低于B0。

2.3.4 HC排放

在標定轉速2600r/min時，雙通道鑲塊渦流室式柴油機上摻燒生物柴油的HC排放量如圖9所示。

圖9 發(fā)動機的HC排放負荷特性Fig.9The load characteristic cure of HC emission

從試驗結果可以看出，摻燒生物柴油時的發(fā)動機HC排放量有所降低。發(fā)動機尾氣排放中的HC主要由燃料中未燃的碳氫化合物以及部分氧化的碳氫化合物組成，其產生的原因是燃氣的不充分燃燒[23]。由于生物柴油中的芳香烴含量極低，燃料燃燒時的滯燃期較短，有利于降低發(fā)動機的HC排放量[24]。同時，生物柴油的十六烷值較高燃料著火性好，燃燒更充分，促進了HC的燃燒與裂解，因此，在摻燒生物柴油時發(fā)動機的HC排放量降低。

3 結論

1)摻燒生物柴油會在一定程度上降低發(fā)動機的最大輸出功率，摻燒比越大,功率降低越明顯。在生物柴油摻燒比超過30%時，才會造成發(fā)動機輸出功率降低導致動力不足的現(xiàn)象，因此，從發(fā)動機動力性考慮，可摻燒不超過30%的生物柴油。

2)摻燒生物柴油時的有效燃油消耗率有所升高,當摻燒比不超過40%時，有效燃油消耗率的增幅在7%以內。摻燒生物柴油時的等效燃油消耗率與B0較為接近，當摻燒比低于40%時，有效燃油消耗率變化范圍在-1%～5%，在低轉速時低于B0,高轉速的略高于B0。從經濟性考慮，可摻燒不超過40%生物柴油。

3)摻燒生物柴油會導致NOX排放量升高，當摻燒比低于20%時，增幅不超過10%。摻燒生物柴油對于發(fā)動機的煙度、CO排放控制具有顯著效果，煙度的降幅可達50%，CO的降幅可達40%。此外，摻燒生物柴油對于發(fā)動機的HC排放控制也具有一定作用。從發(fā)動機的排放性能考慮，摻燒20%以下的生物柴油對于發(fā)動機排放控制具有正面作用。

4)綜合考慮以上各項因素，生物柴油的摻燒比低于20% 時對雙通道鑲塊渦流燃燒室柴油發(fā)動機的綜合性能提升具有推動作用，具有推廣應用價值。

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The comprehensive performance research on the two-channel insert block swirl chamber diesel engine with blending combustion of biodiesel

YUAN Wenhua,LI Hong,WU Hao,MA Chuanwu,MA Yi

(Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

The structure of two-channel insert block have an improvement on the performance of swirl chamber diesel engine. Do biodiesel blending test based on that structure, to get the performance on power,BSFC,smoke emission,NOXemission and HC emission, analysis the influence laws of blending ratio on the performance. The results show that the blending combustion makes the power reduce, and the degree increase with the blend ratio. When the blending ratio is under 30 percent, the effects on the engine power is weak. the blending combustion makes the effective fuel consumption increase, but the equivalent fuel consumption is decreased. The blending combustion have a positive effect on the control of smoke,HC and CO emission. When the blending ratio is no more than 20 percent, the NOXemission is close to the NOXemission when engine use pure diesel fuel .

two-channel insert block;biodiesel;blend ratio;equivalent consumption;smoke

1672-7010(2017)02-0061-08

2017-03-01

邵陽學院研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015Y030);國家自然科學基金資助項目(91541121)；邵陽市科技計劃項目(2016GX01)。

袁文華(1963-),男，湖南新邵人，教授、博士，從事發(fā)動機燃燒技術研究，E-mail：ywh6308@163.com

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