噴射壓力及混合比例對生物柴油噴油特性的影響

侯軍興，張華陽，安曉東，宗曉晶

(鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程學院，鄭州 450046)

生物柴油是一種性能優(yōu)異、可再生的清潔代用燃料，可直接應(yīng)用于壓燃發(fā)動機而不用對發(fā)動機做任何改造。燃用生物柴油可以減少對石化柴油的依賴，中外對生物柴油發(fā)動機進行了廣泛研究，主要集中在發(fā)動機燃燒和排放特性方面[1-4]。研究發(fā)現(xiàn)，燃用生物柴油能大幅降低除NOx排放以外的其他排放。但也有一些缺點：與石化柴油相比，生物柴油黏度高，流動性差，限制了其在低溫場合的應(yīng)用，而且燃用生物柴油會導致發(fā)動機的NOx排放升高[5]。二甲醚也是一種壓燃發(fā)動機清潔代用燃料，其黏度低、NOx排放低，可實現(xiàn)零碳煙排放[6]。在生物柴油中摻混二甲醚，可以促進生物柴油的流動性，改善生物柴油的霧化，降低生物柴油發(fā)動機的NOx排放[7-8]。

生物柴油與二甲醚的理化特性差別較大，因此其噴油始點、終點、噴油持續(xù)期以及循環(huán)噴油量等特征均與二甲醚不同[9-10]。目前純生物柴油與生物柴油-二甲醚混合燃料的噴油特性差別尚不清楚。因此，在不同噴射壓力、不同噴射脈寬下，現(xiàn)對純生物柴油、高比例生物柴油混合燃料、低比例生物柴油混合燃料的噴油速率、循環(huán)噴油量進行試驗研究，確定噴射壓力和混合比例對生物柴油噴油速率、循環(huán)噴油量及其循環(huán)變動的影響規(guī)律，為下一步發(fā)動機燃燒優(yōu)化提供參考。

1 試驗裝置和試驗燃料

在油泵試驗臺上搭建生物柴油及其混合燃料共軌系統(tǒng)噴油測試裝置，噴油測試裝置如圖1所示。燃料罐中的生物柴油或混合燃料經(jīng)過濾清器過濾、低壓泵加壓，輸送到高壓泵，再經(jīng)高壓泵二次加壓后進入共軌管，輸送到噴油器進行噴油測試。噴油器安裝在長管法噴油速率儀上，噴油器規(guī)格：噴孔數(shù)量為7個，噴孔直徑為0.17 mm，啟噴壓力為17 MPa。長管內(nèi)的燃油壓力波經(jīng)壓力傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀采集，采樣頻率為50 kHz。

試驗基礎(chǔ)燃料為生物柴油，摻混燃料為二甲醚，生物柴油和二甲醚的主要物性參數(shù)如表1所示。試驗燃料有三種：純生物柴油、高比例生物柴油混合燃料和低比例生物柴油混合燃料，燃料中生物柴油所占的質(zhì)量分數(shù)分別為100%、70%和30%，記為BD100、BD70、BD30。試驗時，噴射壓力分別為40、60 MPa，噴射脈寬分別為1.2、1.6 ms。

圖1 噴油測試裝置Fig.1 Injection measurement apparatus

表1 試驗燃料主要物性參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 生物柴油及其混合燃料噴油速率比較

圖2為噴射壓力和混合比例對BD100、BD70、BD30三種燃料30個循環(huán)的平均噴油速率的影響，其中噴射脈寬為1.6 ms，噴射壓力分別為40、60 MPa。由圖2(a)可知，40 MPa噴射壓力下，BD100、BD70和BD30三種燃料的噴油始點一致，初期噴油速率上升一致；隨著燃料中生物柴油比例的減少和二甲醚比例的增加，噴油持續(xù)期明顯延長，噴油終點延后。與燃料BD100相比，混合燃料BD70和BD30在噴油器針閥完全開啟階段的噴油速率略升高。

由圖2(b)可知，與40 MPa噴射壓力相比，60 MPa噴射壓力下噴油初期噴油速率上升曲線和噴油末期噴油速率下降曲線均變陡，針閥完全開啟階段的噴油速率升高。三種燃料在不同的噴射壓力下呈現(xiàn)不同的特性：40 MPa噴射壓力下，高比例混合燃料BD70在噴油末期噴油速率下降曲線與純生物柴油BD100的噴油速率下降曲線接近，BD70的噴油持續(xù)期和噴油終點均與BD100接近。60 MPa噴射壓力下，高比例混合燃料BD70在噴油末期的噴油速率下降曲線與低比例混合燃料BD30的噴油速率下降曲線接近，BD70的噴油持續(xù)期和噴油終點均與BD30接近。

圖2 噴射壓力和混合比例對平均噴油速率的影響Fig.2 Effect of injection pressure and blend ratio on the mean injection rate

圖3 40 MPa噴射壓力BD100、BD70和BD30的噴油速率比較Fig.3 Comparison of injection rate for BD100, BD70 and BD30 at 40 MPa injection pressure

圖3為40 MPa噴射壓力，BD100、BD70和BD30三種燃料最大循環(huán)噴油量、最小循環(huán)噴油量的噴油速率比較。由圖3(a)可知，對燃料BD100而言，最大循環(huán)噴油量和最小循環(huán)噴油量對應(yīng)的噴油始點、噴油持續(xù)期和噴油終點均一致。最大循環(huán)噴油量、最小循環(huán)噴油量在噴油初期噴油速率上升曲線和噴油末期噴油速率下降曲線基本重合；在針閥完全開啟階段的噴油速率輕微波動，幅值較小。

由圖3(b)可知，燃料BD70兩個循環(huán)噴油速率的噴油始點、噴油終點均接近一致。與BD100不同的是，BD70的最大循環(huán)噴油量、最小循環(huán)噴油量在噴油初期噴油速率上升曲線出現(xiàn)明顯波動，在針閥完全開啟階段噴油速率曲線波動幅值變大，噴油末期噴油速率下降曲線略不同。

由圖3(c)可知，燃料BD30兩個循環(huán)噴油速率的噴油始點一致，而噴油持續(xù)期和噴油終點明顯不同。最大循環(huán)噴油量與最小循環(huán)噴油量的噴油速率在噴油初期噴油速率上升曲線波動、噴油持續(xù)階段的噴油速率曲線波動、噴油末期噴油速率下降曲線波動的幅值均變大。綜上，40 MPa噴射壓力下，燃料BD100的最大噴油量循環(huán)與最小噴油量循環(huán)差別主要是噴油速率在針閥完全開啟階段的波動所致，噴油初期和噴油末期的噴油速率波動影響較小。BD70的最大噴油量循環(huán)與最小噴油量循環(huán)差別主要由噴油初期、針閥完全開啟階段和噴油末期整個噴油階段的噴油速率波動所致，噴油持續(xù)期影響不明顯；而燃料BD30的最大噴油量循環(huán)與最小噴油量循環(huán)差別主要由于兩個循環(huán)的噴油持續(xù)期不同以及整個噴油階段的噴油速率波動所致。

圖4 60 MPa噴射壓力BD100、BD70和BD30的噴油速率比較Fig.4 Comparison of injection rate for BD100, BD70 and BD30 at 60 MPa injection pressure

圖4為60 MPa噴射壓力，BD100、BD70、BD30三種燃料最大噴油量循環(huán)、最小噴油量循環(huán)的噴油速率比較。由圖3和圖4比較可知，60 MPa噴射壓力下，三種燃料在針閥完全開啟階段的噴油速率及其波動幅值均比40 MPa噴射壓力下對應(yīng)值大。圖4(a)中，燃料BD100在60 MPa噴射壓力下，兩個循環(huán)噴油速率對應(yīng)的噴油始點、噴油持續(xù)期和噴油終點均一致，最大噴油量循環(huán)與最小噴油量循環(huán)差別也主要由針閥完全開啟階段的噴油速率波動所致。

圖4(b)中，燃料BD70兩個循環(huán)噴油速率的噴油始點一致，噴油持續(xù)期和噴油終點不同。最大噴油量循環(huán)、最小噴油量循環(huán)在針閥完全開啟階段的噴油速率曲線波動和噴油末期噴油速率下降曲線波動均比燃料BD100大。

圖4(c)中，燃料BD30兩個循環(huán)噴油速率的噴油始點一致，噴油持續(xù)期和噴油終點不同。與BD70相比，BD30的最大噴油量循環(huán)與最小噴油量循環(huán)在針閥完全開啟階段的噴油速率曲線波動進一步增大。燃料BD70和BD30最大噴油量循環(huán)與最小噴油量循環(huán)差別均主要由噴油持續(xù)期不同以及整個噴油階段的噴油速率波動所致。

2.2 生物柴油及其混合燃料噴油循環(huán)變動

圖5為三種燃料BD100、BD70和BD30連續(xù)30個循環(huán)的噴油量。由圖5可知，對三種燃料而言，均為60 MPa-1.6 ms工況的循環(huán)噴油量最大，40 MPa-1.6 ms工況循環(huán)噴油量次之，40 MPa-1.2 ms工況循環(huán)噴油量最小。

圖5 BD100、BD70和BD30連續(xù)30個循環(huán)的噴油量比較Fig.5 Comparison of cycle injection quantity at different injection conditions for BD100, BD70 and BD30

使用循環(huán)變動率來評價BD100、BD70、BD30連續(xù)30個循環(huán)的噴油量變化程度，循環(huán)變動率定義為30個循環(huán)噴油量的標準偏差與平均循環(huán)噴油量之比值。圖6為連續(xù)30個循環(huán)BD100、BD70和BD30的噴油量循環(huán)變動率比較。由圖6可知，燃料BD100三個工況的循環(huán)變動率COV均小于1%，分別為0.5%、0.4%、0.7%。隨著燃料中生物柴油比例的減少，燃料BD70的COV增大，三個工況的COV接近1%，分別為1.2%、0.7%、1.1%。BD30的COV比BD70對應(yīng)工況的COV進一步增大，三個工況的COV分別為1.3%、2.1%、1.6%。

圖6 BD100、BD70和BD30噴油量循環(huán)變動率比較Fig.6 Comparison of variation coefficient of the cycle injection quantity for BD100, BD70 and BD30

3 結(jié)論

試驗研究了生物柴油及其混合燃料的噴油過程，確定了噴射壓力和混合比例對噴油速率、循環(huán)噴油量及其循環(huán)變動的影響，得到如下結(jié)論。

(1) 三種燃料BD100、BD70、BD30的噴油始點一致，隨著燃料中生物柴油比例的減少，噴油持續(xù)期明顯延長，噴油終點延后。噴射壓力升高，噴油初期噴油速率上升曲線和噴油末期噴油速率下降曲線均變陡，針閥完全開啟階段的噴油速率升高。

(2) 燃料BD100的噴油量循環(huán)差別主要由針閥完全開啟階段的噴油速率波動所致。燃料BD70和BD30的噴油量循環(huán)差別主要由各循環(huán)的噴油持續(xù)期不同以及噴油持續(xù)期內(nèi)的噴油速率波動所致，尤其是燃料BD30。

(3) 隨著燃料中生物柴油比例的減少，燃料BD100、BD70、BD30的循環(huán)變動率逐漸增大。