柴油機循環(huán)變動與燃燒參數(shù)的相關(guān)性分析

張鵬

(太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024)

近年來，隨著國家對節(jié)能低碳生活的倡導(dǎo)以及排放法規(guī)的逐漸加嚴，清潔代用燃料的開發(fā)研究成為熱點課題。通過間接液化制取的F-T煤制油，具有燃油質(zhì)量高，生產(chǎn)過程污染小的優(yōu)良特點[1]，本研究所用的F-T煤制油通過間接液化制取。

現(xiàn)有研究表明：F-T柴油十六烷值高，滯燃期短[2-3]，相比于0號柴油，能夠大幅降低SO2、THC、CO和PM排放，并降低油耗量[4-6]。Lapuerta等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)燃油，F(xiàn)-T在開始階段就表現(xiàn)出不同的燃燒特性，預(yù)混燃燒和擴散燃燒均開始較早。Sajjad等[9]發(fā)現(xiàn)，燃用F-T煤制油時，隨著EGR率的增大燃燒過程推后，燃燒階段放熱增多。Gill和Torregrosa等[10-11]分析了燃油特性與燃燒之間的參數(shù)，結(jié)果表明提高燃油霧化能力會增加混合氣的形成量，進而導(dǎo)致放熱率增高、燃燒噪聲增大。李文杰[21]發(fā)現(xiàn)適當增大噴油提前角、縮短噴油持續(xù)期可以提高燃用F-T柴油時的缸內(nèi)壓力，改善動力性不足的問題。王忠等[22]發(fā)現(xiàn)，引入EGR使F-T柴油滯燃期延長，燃燒重心后移，最高燃燒壓力和缸內(nèi)平均燃燒溫度降低。Pastor等[23]發(fā)現(xiàn)F-T煤制油在不同載荷下，比普通柴油產(chǎn)生的炭煙更少，炭煙氧化速度更快。Jiao yufei等[24]研究發(fā)現(xiàn)，采用F-T煤制油柴油機的氣缸壓力、升壓率、放熱率均低于普通柴油機。F-T煤制油作為一種性能優(yōu)良的柴油機代用燃料，具備提升柴油機性能的潛能，但現(xiàn)有的研究主要集中在F-T煤制油在柴油機上的燃燒和排放特性控制方面，對F-T煤制油循環(huán)變動方面的研究成果較少，而降低F-T煤制油柴油機燃燒循環(huán)變動為提高柴油機性能提供了途徑和方法。

循環(huán)變動會導(dǎo)致柴油機熱效率降低、輸出功率下降以及有害排放物增加[12-13]，目前F-T煤制油的研究中缺乏對循環(huán)變動的研究，鑒于此，本研究在辨識燃燒參數(shù)的基礎(chǔ)上，對F-T煤制油的循環(huán)變動特性進行分析，并研究了循環(huán)變動與燃燒參數(shù)間的相關(guān)性。

1 燃料特性及試驗裝置

1.1 測試油樣

試驗采用F-T煤制油和國六標準柴油，主要特性參數(shù)見表1。F-T煤制油作為一種工業(yè)化工液體燃料，相比于0號柴油具有低密度、餾程溫度低、熱值高、十六烷值高、不含硫和芳烴含量低的特點。

1.2 試驗裝置

試驗采用增壓中冷電控柴油機，使用獨立的外部循環(huán)水對其進行冷卻，通過ET測控系統(tǒng)和電渦流測功機實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)的調(diào)節(jié)和測量，缸內(nèi)壓力通過Kistler傳感器和燃燒分析儀進行采集和分析。發(fā)動機性能指標見表2，發(fā)動機臺架見圖1。整個試驗過程中控制進氣溫度為50±3 ℃，冷卻水溫度為80±5 ℃，柴油機穩(wěn)定運行后開始采集數(shù)據(jù)。

表2 發(fā)動機性能指標

圖1 試驗系統(tǒng)布置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 缸內(nèi)壓力分析

滯燃期和燃燒持續(xù)期是燃燒過程的直接體現(xiàn)，通過分析燃燒缸壓峰值、滯燃期、燃燒持續(xù)期之間相關(guān)性，可以對燃燒現(xiàn)象和燃燒過程進行充分的研究，也可為柴油機燃燒循環(huán)變動方面的研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

使用兩種油樣時缸內(nèi)壓力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律見圖2。由圖可知，在相同的工況下，F(xiàn)-T煤制油相比于0號柴油缸壓較小，缸壓峰值對應(yīng)的相位提前。這主要是由燃油特性決定的，F(xiàn)-T煤制油十六烷值高，滯燃期短，形成的混合氣量較少。在一定程度內(nèi)，兩種燃料的缸內(nèi)壓力均隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，當轉(zhuǎn)速達到2 800 r/min時，循環(huán)時間減少，缸內(nèi)的殘余廢氣率增加，對混合氣的稀釋作用開始變得顯著，缸內(nèi)壓力開始下降，相應(yīng)的峰值延后出現(xiàn)。

圖2 不同工況下的缸內(nèi)壓力

2.2 放熱率分析

放熱率是一個重要的燃燒指標，本研究參考文獻[14-16]基于第一熱效率的單區(qū)模型進行計算：

(1)

(2)

式中：k為絕熱系數(shù)；A為燃燒室容積；h為傳熱率；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；Tg為燃氣溫度；Tw為氣缸壁溫度。

不同工況下的放熱率見圖3。放熱率與缸內(nèi)壓力的變化規(guī)律基本一致，當轉(zhuǎn)速為2 800 r/min時柴油機只有主噴，沒有預(yù)噴，放熱率由雙峰變?yōu)閱畏?。F-T煤制油主要是直鏈烷烴，十六烷值高、燃燒速度快，預(yù)混合氣少，放熱少，峰值相位提前。

圖3 不同工況下的放熱率

2.3 壓力升高率分析

壓力升高率對柴油機噪聲具有重要影響，隨著壓力升高率的增加，柴油機會產(chǎn)生刺耳的噪聲，甚至造成損害[17]。

測試油樣在不同工況下的壓力升高率變化見圖4。從圖中可以看出，相比于0號柴油，F(xiàn)-T煤制油的壓力升高率較低，壓力升高率峰值相位稍有提前。主要的原因是F-T煤制油滯燃期短，燃油混合過程較短，混合氣溫度和缸內(nèi)溫度較低，燃燒等容度低。隨著轉(zhuǎn)速的升高，缸內(nèi)殘余廢氣率增加，混合氣質(zhì)量下降，壓力升高率下降。隨著轉(zhuǎn)速的進一步增高，缸內(nèi)殘余廢氣率為主要影響因素，壓力升高率基本保持相對恒定。

圖4 不同工況下的壓力升高率

2.4 燃燒參數(shù)分析

燃燒始點為第一個火核形成時刻對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，本研究取放熱率明顯上升的第一個極小值點為著火點。定義噴油始點至燃燒始點間的曲軸轉(zhuǎn)角為滯燃期。CA10、CA50和CA90分別為10%，50%和90%燃燒過程對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角[18]。

不同工況下的燃燒參數(shù)見圖5。由圖5a可以看出，相比于0號柴油，F(xiàn)-T煤制油的燃燒始點稍有提前，在1 200，2 000，2 800 r/min的轉(zhuǎn)速下，F(xiàn)-T煤制油的滯燃期分別縮短1.2°，0.9°，0.7°曲軸轉(zhuǎn)角。由于F-T柴油十六烷值高、餾程溫度低，燃油蒸發(fā)速度快，CA50提前約2°曲軸轉(zhuǎn)角。隨著轉(zhuǎn)速的升高，燃燒滯后、滯燃期延長，空氣燃油混合均勻度提高，燃燒過程得到改善，燃油特性對燃燒過程的影響降低。

燃燒持續(xù)期定義為CA10至CA90之間的曲軸轉(zhuǎn)角，有效熱效率為燃油轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)，這兩個參數(shù)在不同工況下的變化規(guī)律見圖5b。

F-T煤制油具有較長的燃燒持續(xù)期，相比于0號柴油增大6°曲軸轉(zhuǎn)角，這是因為F-T煤制油滯燃期短，預(yù)混合時間長，因此燃燒持續(xù)期長。隨著轉(zhuǎn)速的升高，燃油混合過程加快，燃燒速度提高，兩種油樣的燃燒持續(xù)期均降低。相比于0號柴油，F(xiàn)-T煤制油的有效熱效率分別提高1.5%，1.4%和0.7%。有效熱效率與CA50具有較大的關(guān)聯(lián)度，CA50越提前，燃燒等容度越高，缸壁的熱泄漏、循環(huán)水的熱交換越少，有效熱效率越高。

圖5 不同工況下的燃燒參數(shù)

2.5 循環(huán)變動分析

缸壓具有易測量且對燃燒穩(wěn)定性敏感的特性，本研究采用缸壓的循環(huán)變動來表征多個循環(huán)的一致性[19-20]。循環(huán)變動系數(shù)和標準差以及峰值缸壓和燃燒參數(shù)之間的相關(guān)性定義如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

圖6示出兩種測試油樣在不同工況下的循環(huán)變動特性，圖中給出了每個工況下100個循環(huán)的缸壓峰值和變動率。由圖可見，在不同的工況下，F(xiàn)-T煤制油變動率分別為1.72%，1.32%和2.02%，小于0號柴油的2.49%，2.16%和4.01%。原因在于：F-T煤制油十六烷值高、密度低、燃油霧化能力強，混合氣質(zhì)量得到改善，在火焰形成過程的氣流湍流強度低，這些因素使得F-T煤制油燃燒穩(wěn)定，循環(huán)變動低。兩種油樣均在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下循環(huán)變動最小，2 800 r/min轉(zhuǎn)速下循環(huán)變動最大。這主要在于當轉(zhuǎn)速在一定程度提高時，缸內(nèi)溫度和氣流運動增強，混合氣質(zhì)量得到改善；而當轉(zhuǎn)速進一步提高時，燃燒過程縮短，缸內(nèi)殘余廢氣率變大，更易導(dǎo)致不穩(wěn)定燃燒，循環(huán)變動增大。

圖6 不同工況下的循環(huán)變動

缸壓峰值與滯燃期的相關(guān)性見圖7。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種油樣在不同工況下的缸壓峰值均可以用滯燃期的線性關(guān)系式表達，隨著滯燃期的延長而增大。當轉(zhuǎn)速為1 200，2 000和2 800 r/min時，F(xiàn)-T煤制油的相關(guān)系數(shù)分別是0.75，0.78和0.73，低于0號柴油的0.81，0.86和0.83。滯燃期對缸壓峰值存在較強的關(guān)聯(lián)作用，F(xiàn)-T煤制油的滯燃期與缸壓峰值的相關(guān)性小于0號柴油。

缸壓峰值與燃燒持續(xù)期的相關(guān)性見圖8。燃燒持續(xù)期對缸壓峰值的作用與滯燃期相反，缸壓峰值隨著燃燒持續(xù)期的延長線性減小。燃燒持續(xù)期越長，燃燒等容度越低，循環(huán)變動的傾向增大，缸壓峰值降低。

當轉(zhuǎn)速為1 200，2 000和2 800 r/min時，F(xiàn)-T煤制油的相關(guān)系數(shù)分別是0.61，0.67和0.65，低于0號柴油的0.73，0.79和0.75。F-T煤制油的燃燒持續(xù)期對缸壓峰值的影響較小，相關(guān)性系數(shù)較低。兩種油樣均在2 000 r/min時關(guān)聯(lián)度取得最高值，這與循環(huán)變動的變化規(guī)律是一致的，在一定范圍內(nèi)增高轉(zhuǎn)速有助于降低循環(huán)變動；當轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時，燃燒循環(huán)變動增大，相關(guān)度降低。

圖7 缸壓峰值與滯燃期相關(guān)性

圖8 缸壓峰值與燃燒持續(xù)期相關(guān)性

3 結(jié)論

a) 相比于0號柴油，F(xiàn)-T煤制油燃燒較早、滯燃期短、燃燒持續(xù)期長、缸壓和放熱率低、CA50提前、有效熱效率高；

b) F-T煤制油火核形成過程中氣體湍流強度低，燃燒循環(huán)變動低；

c) 燃燒參數(shù)與循環(huán)變動具有較強的關(guān)系，滯燃期越長、燃燒持續(xù)期越短，燃燒穩(wěn)定性越高；

d) F-T煤制油可以在柴油機上穩(wěn)定運行，能夠通過改善燃燒過程來降低柴油機的燃燒循環(huán)變動。