發(fā)動機(jī)燃用生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的性能試驗(yàn)

耿莉敏，李士杰，李慧梅，陳陽，程清波

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.中國人民解放軍陸軍軍事交通學(xué)院投送裝備保障系，天津 300161；3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000)

為了應(yīng)對能源危機(jī)和日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，尋找清潔高效的代用燃料成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。生物柴油是發(fā)展時間最長、制備工藝最成熟的生物質(zhì)燃料，各國學(xué)者都針對生物柴油開展了大量試驗(yàn)研究[1-4]，已有研究發(fā)現(xiàn)燃用生物柴油可以有效降低炭煙、CO和HC的排放，但會使NOx排放略有增加[5-10]。由于生物柴油的密度和黏度較大、氧化安定性差，使用中高比例生物柴油-柴油混合燃料時，存在霧化質(zhì)量較差、易氧化等缺點(diǎn)[11-14]，因此開展中高比例生物柴油-柴油混合燃料的應(yīng)用研究具有重要意義。乙醇具有黏度低、蒸發(fā)性好、汽化潛熱大、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)在柴油中添加醇類燃料能夠改善柴油的霧化質(zhì)量，并且降低柴油機(jī)的顆粒物排放[15-16]。

為了改善中高比例生物柴油-柴油混合燃料的霧化質(zhì)量，從而降低柴油機(jī)污染物排放，在1臺4缸增壓中冷柴油上，將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在1 400 r/min和2 000 r/min，由小到大逐漸增大發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，測定了BD50，BD50E10和BD50E20(BD代表生物柴油，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比；E代表乙醇，其后的數(shù)字代表乙醇在混合燃料中所占的體積百分比)的經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放特性，并將其與純柴油(BD0)進(jìn)行對比。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)燃料

本研究使用以大豆油為原料制成的生物柴油，經(jīng)氣相色譜分析其脂肪酸甲酯含量為88.24%，根據(jù)化學(xué)分子式計(jì)算其含氧量為11.2%。將生物柴油與0號柴油按體積比1∶1摻混配成中等比例的生物柴油-柴油混合燃料BD50，然后在BD50中分別摻混10%和20%(體積比)的無水乙醇，配制成生物柴油-柴油-乙醇混合燃料BD50E10和BD50E20。采用國標(biāo)方法測定了試驗(yàn)用燃料的理化性質(zhì)(見表1)。由表1中數(shù)據(jù)可知,生物柴油-柴油混合燃料BD50的密度和運(yùn)動黏度比柴油大，熱值比柴油低，在BD50中添加乙醇，能夠有效降低燃料的密度和運(yùn)動黏度，但同時也會使混合燃料的熱值進(jìn)一步降低。

表1 燃料的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)及設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為直列4缸、增壓中冷柴油機(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)

發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。試驗(yàn)采用CW200電渦流測功機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，采用ES100K電子天平測量燃油消耗量，排放測試采用AVL4000五氣分析儀和AVL Dismoke4000不透光煙度計(jì)。

圖1 發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)示意

1.3 試驗(yàn)方法

將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在1 400 r/min和2 000 r/min，由小到大逐漸增大發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，負(fù)荷率調(diào)節(jié)范圍在25%～100%之間，在上述兩個不同轉(zhuǎn)速下測定了發(fā)動機(jī)燃用BD0，BD50，BD50E10和BD50E20的負(fù)荷特性曲線，對比分析乙醇摻混比對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放特性的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 經(jīng)濟(jì)性與動力性

燃油消耗率、有效熱效率是評價發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，圖2示出了1 400 r/min和2 000 r/min不同負(fù)荷條件下，發(fā)動機(jī)燃用BD0，BD50，BD50E10和BD50E20的有效燃油消耗率。由圖2可知，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時，小負(fù)荷和中等負(fù)荷時4種燃料的有效燃油消耗率隨負(fù)荷的增大而逐漸下降，當(dāng)負(fù)荷率超過85%之后，有效燃油消耗率略有上升。這是因?yàn)橹行∝?fù)荷時，增大負(fù)荷能夠提高缸內(nèi)溫度，促進(jìn)燃料的蒸發(fā)和霧化，提高燃燒質(zhì)量，因此有效燃油消耗率逐漸減小；而在大負(fù)荷時，噴油量增加導(dǎo)致過量空氣系數(shù)過小，燃燒惡化，因此有效燃油消耗率上升。不同負(fù)荷下，燃用BD50的有效燃油消耗率比BD0更大，而且隨著BD50中乙醇摻混比的增大，有效燃油消耗率進(jìn)一步增大。這主要是因?yàn)锽D50的熱值比柴油低，添加乙醇后導(dǎo)致燃料熱值進(jìn)一步降低。2 000 r/min時，4種燃料的有效燃油消耗率變化規(guī)律與1 400 r/min時基本相同，但是不同負(fù)荷下的有效燃油消耗率比1 400 r/min時明顯升高。這是由于轉(zhuǎn)速升高后，每循環(huán)噴油量增加引起的。

圖2 燃用不同燃料的有效燃油消耗率對比

圖3示出了1 400 r/min和2 000 r/min不同負(fù)荷條件下，發(fā)動機(jī)燃用不同燃料時的有效熱效率。由圖3可知，當(dāng)負(fù)荷率在25%～60%之間時，隨著負(fù)荷的增大，有效熱效率迅速提高；當(dāng)負(fù)荷率在60%～85%之間時，隨著負(fù)荷率的增大，有效熱效率變化不大；而當(dāng)負(fù)荷率超過85%以后，有效熱效率開始下降。這是由于隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大，混合氣由稀變濃，更接近理論空燃比，而且負(fù)荷增大后，缸內(nèi)溫度和壓力升高，熱力狀態(tài)改善，燃料燃燒更加充分，因此有效熱效率升高；而當(dāng)負(fù)荷率超過85%時，由于噴油量增大，導(dǎo)致過量空氣系數(shù)減小，局部混合氣過濃導(dǎo)致燃燒惡化，有效熱效率開始下降。由不同燃料之間的熱效率對比可知，當(dāng)負(fù)荷率小于等于40%時，添加乙醇會導(dǎo)致有效熱效率降低；而當(dāng)負(fù)荷率超過80%以后，添加乙醇能夠提高發(fā)動機(jī)的有效熱效率。這是由于小負(fù)荷時，缸內(nèi)溫度較低，乙醇的汽化潛熱大，會使得缸內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致燃燒質(zhì)量變差，有效熱效率降低。而大負(fù)荷時，缸內(nèi)燃燒溫度較高，乙醇汽化潛熱的影響被弱化，而乙醇的高含氧量能夠緩解大負(fù)荷時的缺氧燃燒，使燃料燃燒更加充分，因此大負(fù)荷時BD50E10和BD50E20的有效熱效率提高。

圖3 不同燃料的有效熱效率對比

生物柴油和乙醇的熱值均比柴油低，燃料熱值降低不僅會引起燃油消耗增加，還會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的動力性下降。圖4示出1 400 r/min和2 000 r/min轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)燃用BD0，BD50，BD50E10和BD50E20時所發(fā)出的最大功率。從圖中可以看出，與BD0相比，1 400 r/min和2 000 r/min時燃用BD50的最大功率分別下降了5.18%和5.40%，而燃用BD50E20的最大功率分別下降了18.72%和11.08%，說明乙醇的熱值較低導(dǎo)致其摻混比越大，發(fā)動機(jī)動力性下降程度越大。

圖4 發(fā)動機(jī)燃用不同燃料時的最大功率

2.2 NOx排放

圖5示出1 400 r/min和2 000 r/min時，發(fā)動機(jī)燃用不同燃料時的NOx排放特性。從圖中可以看出，在1 400 r/min時，NOx的比排放量隨負(fù)荷的增加逐漸減小，而在2 000 r/min時NOx的比排放量隨負(fù)荷的變化無明顯規(guī)律。柴油機(jī)熱力NOx排放主要受燃燒溫度、混合氣中的氧含量和高溫滯留時間的影響，小負(fù)荷時氧濃度較高、燃燒溫度較低、高溫燃燒帶內(nèi)的滯留時間較短；大負(fù)荷時氧濃度相對較低、燃燒溫度較高、高溫下的滯留時間相對較長，這些影響因素的綜合作用導(dǎo)致不同負(fù)荷下NOx排放呈現(xiàn)上述變化趨勢。不同負(fù)荷下，燃用BD50的NOx排放高于燃用BD0。這是由于生物柴油為含氧燃料，其含氧量為11.2%，燃燒過程中自供氧導(dǎo)致氧濃度升高；此外，生物柴油的十六烷值比柴油高，會引起燃燒相位提前，缸內(nèi)燃燒溫度升高，因此燃用BD50的NOx排放比柴油高。通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著混合燃料中乙醇摻混比的增大，NOx排放逐漸降低。4種燃料中，燃用BD50E20的NOx排放最低，1 400 r/min和2 000 r/min不同負(fù)荷下與燃用柴油相比平均降低了11.3%，與燃用BD50相比平均降低了15.8%。常溫常壓下乙醇的汽化潛熱為904 kJ/kg，柴油的汽化潛熱為270 kJ/kg，生物柴油的汽化潛熱比柴油更低，乙醇的高汽化潛熱有利于降低缸內(nèi)燃燒溫度，而且乙醇的熱值低，摻燒乙醇使混合燃料放熱量減小，進(jìn)一步降低了缸內(nèi)溫度；在生物柴油混合燃料中摻混乙醇還能夠改善燃料霧化質(zhì)量，提高含氧量，從而加快燃燒速度，縮短高溫滯留時間，因此燃用BD50E10和BD50E20的NOx排放降低。

圖5 NOx排放特性

2.3 炭煙排放

圖6示出了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min和2 000 r/min時炭煙排放特性曲線。由圖6可知，不同轉(zhuǎn)速下，燃用不同燃料時炭煙排放均隨負(fù)荷增大而增大，尤其是滿負(fù)荷工況下的炭煙排放，比中小負(fù)荷時的炭煙排放高出幾倍。這是因?yàn)殡S著負(fù)荷的增大，缸內(nèi)溫度逐漸升高，過量空氣系數(shù)減小，燃燒室內(nèi)局部高溫缺氧加劇，尤其是滿負(fù)荷工況下，缸內(nèi)燃燒急劇惡化，導(dǎo)致炭煙排放迅速增加。BD50的炭煙排放比BD0更低，這主要是因?yàn)樯锊裼蜑楹跞剂希剂先紵^程中自供氧，能夠緩解高溫條件下的缺氧燃燒，從而使炭煙排放下降。隨著乙醇摻混比的增大，生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的炭煙排放明顯下降，4種燃料中燃用BD50E20的炭煙排放最低，1 400 r/min和2 000 r/min不同負(fù)荷下與柴油相比平均降低了68.4%，與BD50相比平均降低了56.6%。這主要是因?yàn)橐掖嫉暮趿枯^高，對柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒階段炭煙微粒的成核過程有明顯的抑制作用；同時，乙醇中的含氧羥基會大大降低芳香烴先導(dǎo)物不飽和碳?xì)渌槠纳?，從而減少PAH(多環(huán)芳香族碳?xì)浠衔?等高分子有機(jī)物的生成，抑制炭煙顆粒物形成[17-19]；乙醇高溫下裂解形成大量自由基，對燃燒后期生成的炭煙具有氧化作用，有利于進(jìn)一步降低炭煙排放。另外，乙醇的十六烷值很低，與BD50相比，添加乙醇導(dǎo)致BD50E10和BD50E20的滯燃期延長，預(yù)混燃燒階段的放熱率增加，也有利于減少炭煙的生成。摻混乙醇還能夠降低混合燃料的密度、運(yùn)動黏度和表面張力，促進(jìn)噴霧的微?；瑴p弱局部混合氣過濃現(xiàn)象，從而降低炭煙排放。

圖6 炭煙排放特性

2.4 CO排放

柴油機(jī)中CO的排放主要是來源于烴類燃料的不完全燃燒。圖7示出1 400 r/min和2 000 r/min時，發(fā)動機(jī)燃用不同燃料時的CO排放特性。從圖中可以看出，高轉(zhuǎn)速下CO排放比低轉(zhuǎn)速下低得多，這是由于高轉(zhuǎn)速時進(jìn)氣量增加，進(jìn)氣渦流強(qiáng)度增強(qiáng)，有利于形成均勻的混合氣，減少局部不完全燃燒產(chǎn)生的CO排放。燃用BD50的CO排放略高于BD0。這是由于生物柴油的密度和黏度較大，霧化質(zhì)量較差，導(dǎo)致不完全燃燒傾向增大，因此燃用BD50的CO排放量高于BD0。與BD50相比，隨著乙醇摻混比的增大，CO排放逐漸減少。這主要是因?yàn)榛旌先剂现刑砑右掖寄軌蛱岣呷剂系难鹾?，同時改善燃料的霧化質(zhì)量，緩解局部混合氣過濃問題，有利于提高缸內(nèi)燃燒質(zhì)量；高含氧量還能夠抑制燃燒產(chǎn)物CO2的還原反應(yīng)，從而進(jìn)一步降低了CO排放。

圖7 CO排放特性

2.5 HC排放

混合氣過濃或過稀導(dǎo)致的不完全燃燒和缸內(nèi)失火、燃燒室縫隙內(nèi)的未燃噴油以及缸內(nèi)壁面淬冷效應(yīng)等都是導(dǎo)致柴油機(jī)HC排放物生成的重要因素。圖8示出了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min和2 000 r/min下燃用4種不同燃料的HC排放特性曲線。由圖可知，燃用4種燃料的HC排放隨負(fù)荷升高大多呈現(xiàn)降低趨勢，這主要是因?yàn)樨?fù)荷增加，缸內(nèi)溫度升高，燃料霧化改善，燃燒界限變寬，壁面淬冷效應(yīng)減弱，因此HC排放下降。1 400 r/min中小負(fù)荷時，燃用BD50的HC排放高于BD0，這是由于中小負(fù)荷時缸內(nèi)溫度和壓力較低，生物柴油運(yùn)動黏度較高，使BD50的霧化質(zhì)量變差，導(dǎo)致未燃HC排放升高；1 400 r/min大負(fù)荷條件下，燃用BD50的HC排放低于BD0，這是因?yàn)榇筘?fù)荷時缸內(nèi)溫度和壓力升高，燃料運(yùn)動黏度較高對霧化質(zhì)量的影響減弱，而生物柴油的高十六烷值能夠縮短滯燃期，提高燃燒的穩(wěn)定性，同時，其高含氧量有助于改善大負(fù)荷時局部混合氣過濃導(dǎo)致的缺氧燃燒，因此大負(fù)荷下燃用BD50的HC排放低于BD0。與BD50相比，摻混乙醇后HC排放逐漸升高，尤其是小負(fù)荷時HC排放增加幅度更大。這主要是因?yàn)橐掖嫉钠瘽摕彷^大，摻混乙醇會降低缸內(nèi)溫度，使得壁面淬冷效應(yīng)增加，HC排放升高，小負(fù)荷時缸內(nèi)溫度較低，乙醇汽化潛熱的影響更大，因此小負(fù)荷時HC排放增加更明顯。

圖8 HC排放特性

3 結(jié)論

a) 不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下，燃用BD50的有效燃油消耗率比柴油高，滿負(fù)荷時發(fā)動機(jī)的最大輸出功率下降；與柴油相比，燃用BD50E10和BD50E20使有效燃油消耗率進(jìn)一步升高，當(dāng)負(fù)荷率小于等于40%時，添加乙醇會導(dǎo)致有效熱效率下降，而當(dāng)負(fù)荷率大于80%時，混合燃料中添加乙醇能夠提高發(fā)動機(jī)的有效熱效率；

b) 不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下，與柴油相比，燃用BD50的NOx排放平均升高了5.44%，炭煙排放平均下降了27.67%；在BD50中添加乙醇后，隨著乙醇摻混比的增大，HC排放略有升高，尤其是小負(fù)荷工況下，乙醇的高汽化潛熱導(dǎo)致HC排放增幅較大，而NOx，CO和炭煙排放明顯下降，其中燃用BD50E20的降幅最大，與柴油相比，燃用BD50E20的NOx，CO和炭煙排放分別下降了11.28%，36.15%和68.40%。

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