電控高壓共軌柴油機(jī)燃用生物柴油-柴油混合燃料的燃燒特性

耿莉敏，程清波，陳陽，陳旭博，李慧梅

(1.長安大學(xué)陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點實驗室，陜西 西安 710064；2.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；3.軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津 300161)

電控高壓共軌柴油機(jī)燃用生物柴油-柴油混合燃料的燃燒特性

耿莉敏1，程清波2，陳陽1，陳旭博1，李慧梅3

(1.長安大學(xué)陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點實驗室，陜西 西安 710064；2.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；3.軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津 300161)

針對1臺6缸增壓中冷電控高壓共軌柴油機(jī)，在不改變原柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和噴油參數(shù)的條件下，研究了生物柴油的摻混比例對發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響。結(jié)果表明：小負(fù)荷時發(fā)動機(jī)有預(yù)噴射，隨著生物柴油摻混比的增大，生物柴油-柴油混合燃料的滯燃期縮短、缸內(nèi)最高燃燒壓力下降，預(yù)噴階段壓力升高率峰值和瞬時燃燒放熱率峰值減小，且對應(yīng)的相位提前；主噴階段壓力升高率峰值和瞬時燃燒放熱率峰值增大，且對應(yīng)的相位后移。隨著負(fù)荷的增大，發(fā)動機(jī)噴油策略改為單次噴射，隨著生物柴油摻混比的增大，缸內(nèi)最高燃燒壓力下降，燃燒持續(xù)期縮短，壓力升高率峰值略有增大，瞬時燃燒放熱率峰值逐漸減小且對應(yīng)的相位前移。兩種不同負(fù)荷條件下，隨著生物柴油摻混比的增大，混合燃料的指示熱效率逐漸下降。

柴油機(jī)；燃燒特性；生物柴油

近年來，隨著我國機(jī)動車保有量的快速增長，能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，生物質(zhì)替代燃料引起了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[1-5]。生物柴油是一種綠色環(huán)保、可再生的柴油替代燃料，它的原料來源非常廣泛，主要包括可食用和不可食用的植物油、動物脂肪、餐飲廢油和微藻油等[6-9]。與石油柴油相比，生物柴油具有含氧量高、綠色可再生、無毒、可生物降解、不含芳香烴和硫等特點，國內(nèi)外已有文獻(xiàn)報道，發(fā)動機(jī)燃用生物柴油時，其HC，CO，CO2和PM排放均比燃用柴油時更低，而NOx排放比柴油高[10-15]。生物柴油與石化柴油的生產(chǎn)原料不同，因此其理化性質(zhì)也有明顯差異，燃料的密度、黏度、蒸發(fā)性、十六烷值和熱值等理化指標(biāo)，對發(fā)動機(jī)的燃燒特性有重要影響。本研究在1臺6缸、增壓中冷、電控高壓共軌柴油機(jī)上測定了生物柴油摻混比對發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響，分析了BD0，BD25，BD50和BD100四種不同燃料(BD為生物柴油的英文縮寫，其后的數(shù)字代表生物柴油在混合燃料中所占的體積百分?jǐn)?shù))在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，不同負(fù)荷的氣缸壓力、壓力升高率和瞬時燃燒放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，為生物柴油在高壓共軌柴油機(jī)上的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗條件及方法

1.1試驗燃料

試驗使用以大豆毛油為原料制成的生物柴油，其含氧量為11.2%，分別與0號柴油以0%，25%，50%和100%四種不同比例調(diào)和，配置成BD0，BD25，BD50和BD100四種燃料。試驗用燃料的主要理化性質(zhì)見表1。

由表1可知，生物柴油的密度和運(yùn)動黏度比柴油大，閃點和50%餾程溫度比柴油高，說明生物柴油的霧化蒸發(fā)性比柴油差；生物柴油燃料的低熱值比柴油低9.65%，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃用生物柴油時的有效燃油消耗率升高；生物柴油的十六烷值比柴油高，其著火性更好，滯燃期短，發(fā)動機(jī)不容易產(chǎn)生工作粗暴。與純柴油相比，隨著生物柴油摻混比的增大，混合燃料BD25和BD50的密度、運(yùn)動黏度逐漸增大，閃點和餾程溫度逐漸升高，熱值逐漸降低，十六烷值也相應(yīng)增大。

表1 燃料的主要理化性質(zhì)

1.2試驗設(shè)備及方法

試驗用發(fā)動機(jī)為直列6缸、水冷、四沖程、增壓中冷、電控高壓共軌直噴式柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 柴油機(jī)主要參數(shù)

試驗采用凱邁CW260電渦流測功機(jī)，燃油消耗量采用龍騰ES100K電子天平測量，燃燒分析采用Kistler6052A缸壓傳感器、Kistler5019B電荷放大器、Kistler2619曲軸轉(zhuǎn)角適配器、KIBOX燃燒分析儀和計算機(jī)組成的動態(tài)測試系統(tǒng)測定。

在不改變原柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和電控參數(shù)的條件下，選取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，平均有效壓力分別為0.322 MPa的小負(fù)荷工況和0.805 MPa的中等負(fù)荷工況，測定BD0，BD25，BD50和BD100四種燃料在不同曲軸轉(zhuǎn)角下的氣缸壓力，并利用Fortran程序計算壓力升高率和瞬時燃燒放熱率。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1氣缸壓力與壓力升高率

圖1示出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、平均有效壓力為0.322 MPa時，發(fā)動機(jī)燃用BD0，BD25，BD50和BD100的氣缸壓力和壓力升高率曲線。

從氣缸壓力曲線來看，發(fā)動機(jī)燃用BD25，BD50和BD100的缸內(nèi)最高燃燒壓力比燃用柴油略有降低，且最高燃燒壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前了1°。生物柴油的十六烷值比柴油高，滯燃期短致使燃燒始點提前；含氧量高，燃燒速度快，致使生物柴油及其混合燃料的缸內(nèi)最高燃燒壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角比柴油提前。燃用生物柴油時滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量少，而且生物柴油的密度和黏度較大，霧化質(zhì)量較差，此外，生物柴油的熱值也比柴油低，這些因素導(dǎo)致燃用生物柴油時缸內(nèi)最高燃燒壓力比柴油低。

圖1 小負(fù)荷工況缸內(nèi)壓力和壓力升高率對比

發(fā)動機(jī)燃用BD0，BD25，BD50和BD100的壓力升高率曲線均呈現(xiàn)雙峰態(tài)勢。這是由于在該工況下電控高壓共軌發(fā)動機(jī)采用預(yù)噴射技術(shù)，預(yù)噴和主噴燃燒階段壓力升高率各出現(xiàn)一個峰值。預(yù)噴射燃燒階段壓力升高率峰值隨生物柴油摻混比的增大逐漸降低，且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角前移。這是由于生物柴油的十六烷值高、滯燃期短、滯燃期內(nèi)積聚的燃料量少，并且生物柴油的熱值比柴油低，因此生物柴油及其混合燃料的預(yù)噴射壓力升高率峰值比柴油低，且峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。主噴射燃燒階段壓力升高率峰值隨生物柴油摻混比的增大而逐漸升高，且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角后移。由于生物柴油的熱值比柴油低，同一工況下燃用不同燃料時，為保證發(fā)動機(jī)的輸出功率相同，燃用生物柴油時噴油持續(xù)期更長，噴油量更大。從噴油規(guī)律來看，發(fā)動機(jī)燃用不同摻混比的生物柴油-柴油混合燃料時，其噴油始點基本相同，而噴油終點隨生物柴油摻混比的增大明顯后移，主噴階段噴油持續(xù)期的延長使得生物柴油的主噴油量更大，因此生物柴油及其混合燃料主噴階段的壓力升高率峰值更大且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角后移。

圖2示出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、平均有效壓力為0.805 MPa時，燃用BD0，BD25，BD50和BD100的氣缸壓力和壓力升高率曲線。

圖2 中等負(fù)荷工況缸內(nèi)壓力和壓力升高率對比

由圖2可知，隨著生物柴油摻混比的增大，缸內(nèi)最高燃燒壓力略有下降。這是由于生物柴油的熱值比柴油低，而且密度和運(yùn)動黏度較大，霧化質(zhì)量不好，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力降低。由噴油規(guī)律可知，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、平均有效壓力為0.805 MPa時為單次噴射，該工況下的壓力升高率雖然呈現(xiàn)2個峰值，但2個峰值很接近，這是因為在壓縮行程上止點后，活塞下行使得缸內(nèi)容積增大，氣缸壓力上升速度放緩，導(dǎo)致在上止點附近壓力升高率出現(xiàn)波動。與BD0相比，隨著生物柴油摻混比的增大，壓力升高率峰值逐漸增大。這是由于生物柴油的含氧量高，燃燒速度快，并且該工況下生物柴油及其混合燃料每循環(huán)的噴油量大于柴油，因此BD25，BD50和BD100的壓力升高率峰值比柴油大。

2.2燃燒放熱率

圖3示出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、平均有效壓力為0.322 MPa時，柴油機(jī)燃用BD0，BD25，BD50和BD100的瞬時燃燒放熱率曲線。

圖3 小負(fù)荷工況瞬時燃燒放熱率比較

小負(fù)荷工況采用預(yù)噴和主噴多段噴油控制策略，燃用不同燃料的瞬時燃燒放熱率均出現(xiàn)2個峰值。隨生物柴油摻混比的增大，預(yù)噴射階段瞬時燃燒放熱率峰值逐漸減小，主噴射階段瞬時燃燒放熱率峰值逐漸增大。這是由于相同工況下預(yù)噴油量基本相同，BD100熱值最低，且霧化質(zhì)量最差，因此其放熱率峰值最小；主噴階段為保證發(fā)動機(jī)在相同工況下的輸出功率相同，熱值低的純生物柴油BD100噴油持續(xù)期明顯延長，主噴油量增大，且預(yù)噴燃燒過程使缸內(nèi)溫度升高，BD100的霧化質(zhì)量得到改善；生物柴油含氧，能夠促進(jìn)燃燒，加快燃燒速度，因此主噴階段BD100的瞬時放熱率峰值最高。隨著生物柴油摻混比的增大，預(yù)噴射放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，主噴射放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角推后。預(yù)噴階段燃料著火燃燒時刻受十六烷值的影響較大，生物柴油的十六烷值高，滯燃期短，所以生物柴油及其混合燃料的預(yù)噴放熱率峰值前移。主噴階段，缸內(nèi)熱力狀態(tài)提高，十六烷值對滯燃期的影響相對弱化，并且隨著生物柴油摻混比的增大，噴油持續(xù)期逐漸延長，主噴油量逐漸增大，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期延長，因此主噴瞬時放熱率峰值相位向后推遲[14-15]。

圖4示出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、平均有效壓力為0.805 MPa時，柴油機(jī)燃用BD0，BD25，BD50和BD100的瞬時燃燒放熱率曲線。

圖4 中等負(fù)荷工況瞬時燃燒放熱率比較

由圖4可知，BD0的瞬時放熱率峰值最大。發(fā)動機(jī)在該工況下采用單次噴射策略，純柴油的滯燃期最長，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣的量最多，且柴油的密度和黏度較小，霧化質(zhì)量好，因此柴油的瞬時放熱率峰值最高。生物柴油及其混合燃料的滯燃期短，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量少，且生物柴油的密度和運(yùn)動黏度較大，霧化質(zhì)量差，不易于與空氣形成均勻的混合氣，因此生物柴油及其混合燃料的瞬時放熱率峰值低于柴油。隨著生物柴油摻混比的增大，生物柴油及其混合燃料的瞬時燃燒放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角前移。這是由于生物柴油的燃燒速度快導(dǎo)致燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期縮短。

2.3指示熱效率與有效熱效率

表3示出轉(zhuǎn)速1 600 r/min，平均有效壓力分別為0.322 MPa和0.805 MPa時，4種不同摻混比生物柴油-柴油混合燃料的指示熱效率和有效熱效率。可以看出：負(fù)荷增大后，指示熱效率和有效熱效率均有所提高，這主要是由于負(fù)荷增大，缸內(nèi)溫度升高，氣流運(yùn)動加強(qiáng)，燃料霧化改善，燃燒更充分。不同負(fù)荷下，隨著生物柴油摻混比的增大，指示熱效率逐漸下降，這主要是因為生物柴油的密度和運(yùn)動黏度較大，霧化質(zhì)量相對較差，可燃混合氣燃燒不夠充分，從而降低了熱效率。生物柴油摻混比增大對有效熱效率影響不大，特別是平均有效壓力為0.805 MPa時，4種燃料的有效熱效率幾乎沒有差別，這主要是因為大負(fù)荷時，缸內(nèi)溫度升高，生物柴油黏度對霧化的影響減小，同時由于生物柴油的含氧量高，對燃燒具有促進(jìn)作用，所以4種燃料的有效熱效率差別不大。

表3 指示熱效率和有效熱效率

3 結(jié)論

a) 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，平均有效壓力為0.322 MPa時，噴油控制系統(tǒng)有預(yù)噴射，隨著生物柴油摻混比的增大，與純柴油BD0相比，BD25，BD50和BD100的滯燃期逐漸縮短，缸內(nèi)最高燃燒壓力逐漸下降；預(yù)噴階段壓力升高率峰值和瞬時燃燒放熱率峰值減小，且峰值對應(yīng)的相位提前；主噴階段壓力升高率峰值和瞬時燃燒放熱率峰值增大，且峰值對應(yīng)的相位后移；

b) 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，平均有效壓力為0.805 MPa時，噴油控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單次噴射，隨著生物柴油摻混比的增大，BD25，BD50和BD100的缸內(nèi)最高燃燒壓力逐漸下降，燃燒持續(xù)期縮短，壓力升高率峰值略有升高，瞬時燃燒放熱率峰值逐漸減小，且峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角前移；

c) 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600r/min時，負(fù)荷增大后，4種燃料的指示熱效率和有效熱效率均有所提高；隨著生物柴油摻混比的增大，BD25，BD50和BD100的指示熱效率逐漸下降；大負(fù)荷時，生物柴油摻混比對有效熱效率的影響不大。

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Keywords: diesel engine;combustion characteristic;biodiesel

CombustionCharacteristicsofElectronicallyControlledHighPressureCommonRailDieselEngineFueledwithBiodiesel-DieselBlendedFuel

GENG Limin1,CHENG Qingbo2,CHEN Yang1,CHEN Xubo1,LI Huimei3

(1.Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy, Chang’an University,Xi’an 710064,China;2.Great Wall Motor Company,Baoding 071000,China; 3.Department of Military Vehicle,Academy of Military Transportation,Tianjin 300161,China)

The influence of biodiesel mixing ratio on combustion characteristics was investigated on a 6-cylinder supercharged intercooled common rail diesel engine based on the original structure and injection parameters. The results show that the pre-injection of engine happens at low load. With the increase of biodiesel mixing ratio, the ignition delay period shortens and the maximum cylinder pressure decreases. In addition, the peak of pressure rise rate and instantaneous heat release rate decrease and their corresponding phase angles advance in the stage of pilot injection. While in the stage of main injection, the engine spray strategy changes to single injection when the load increases. With the increase of biodiesel mixing ratio, the maximum cylinder pressure decreases, the combustion duration shortens and the peak of pressure rise rate slightly increases. Besides, the peak of instantaneous heat release rate decreases and its corresponding phase angle advances. Moreover, the indicated thermal efficiency of biodiesel/diesel blended fuel decreased gradually.

2017-06-27；

2017-08-28

陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點實驗室開放課題資助項目基金項目(310822161121);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項目(310822172203)

耿莉敏(1978—)，女，副教授，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)代用燃料燃燒與排放；genglimin@chd.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.017

TK464；TK421.2

B

1001-2222(2017)05-0088-05

[編輯： 潘麗麗]