摻混生物柴油對(duì)相繼增壓柴油機(jī)燃燒性能的影響

高占斌 ，王彬彬 ，高敬博 ，李水榮 ，鄭志峰 ,4,5,6

（1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021；2.集美大學(xué)福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門361021；3.廈門大學(xué)福建省生物質(zhì)高值化技術(shù)工程研究中心，福建 廈門, 361102；4.廈門大學(xué)福建省新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)基地，福建 廈門，361102；5.廈門大學(xué)廈門市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物質(zhì)高值化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門，361102；6.廈門大學(xué)能源學(xué)院，福建 廈門，361102）

隨著世界經(jīng)濟(jì)飛速的發(fā)展，航空、船舶等運(yùn)輸工業(yè)發(fā)展迅猛，導(dǎo)致能源消耗日益增長，我國是世界最大的發(fā)展中國家，同時(shí)，也是世界最大的原油進(jìn)口國，我國燃油的消耗與開發(fā)儲(chǔ)備嚴(yán)重失衡.世界各國排放法規(guī)的要求越來越高，對(duì)柴油機(jī)的排放管控也越來越嚴(yán)峻[1-2].因此，發(fā)展可再生的新型燃料和提高燃燒技術(shù)變得十分重要[3].

生物質(zhì)能源是一種可再生的綠色能源，應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)上，能大幅地降低CO、HC 和炭煙的排放，可以緩解環(huán)境污染問題.世界上常用的生物質(zhì)燃料主要有甲醇乙醇等醇類燃料[4-5]、乙醚等醚類燃料、生物柴油等酯類燃料[6-7].因生物柴油原料來源廣泛、燃燒和排放性能較好、優(yōu)越的可再生性和安全性等優(yōu)勢被世界各國所青睞，認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)的柴油代替品.但生物柴油與柴油相比其熱值較低，氧元素含量高，因而摻混生物柴油燃燒后，缸內(nèi)氧含量會(huì)升高，燃燒時(shí)有利于NOx的生成，NOx排放高于純柴油燃燒[8-10].

相繼增壓技術(shù)是利用柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣能量提升進(jìn)氣壓力，使缸內(nèi)空燃比上升油氣混合更充分，燃油消耗率下降，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性大幅提高[11-12]，在放熱率不變的前提下，缸內(nèi)溫度下降，NOx與碳煙排放降低.結(jié)合相繼增壓技術(shù)，可以改善摻混生物柴油燃燒后帶來動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的下降及NOx排放量升高的問題[13].

本文以某相繼增壓柴油機(jī)進(jìn)行摻混生物柴油燃燒.通過實(shí)驗(yàn)分析摻混生物柴油燃燒對(duì)相繼增壓船用柴油機(jī)的性能影響.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用TBD234型V列、四沖程、6缸相繼增壓系統(tǒng)柴油機(jī)，其主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示.其測試設(shè)備有NCK2010自動(dòng)測控系統(tǒng)、DW440電渦流測功器等.對(duì)柴油機(jī)工作狀況實(shí)時(shí)測控，主要測試設(shè)備如表2所示.

表1 TBD234柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of TBD234 diesel engine

表2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備Tab.2 Main test equipments

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

選用不同配比例的生物柴油進(jìn)行燃燒，考慮到生物柴油運(yùn)動(dòng)黏度大，較大生物柴油配比會(huì)使柴油機(jī)出現(xiàn)噴油霧化不良、啟動(dòng)困難及扭矩大幅震蕩而無法正常工作，NOx排放會(huì)隨著生物柴油配比例的增加而上升，故擬定生物柴油摻混率為0%、5%、10%、15%、20%和 2 5% ，其中，B0為相繼增壓柴油機(jī)純柴油燃燒狀態(tài)，具體方案如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Experimental schemes

如表3，在推進(jìn)特性下測試相繼增壓柴油機(jī)最高燃燒壓力、燃油消耗率、soot（碳煙）和NOx排放情況.取NOx和soot累積排放量趨于穩(wěn)定后的點(diǎn)，進(jìn)行缸內(nèi)NOx和soot 濃度場對(duì)比分析.利用灰色理論的多目標(biāo)決策法尋求滿足節(jié)能、降排的最優(yōu)配比例.

2 結(jié)果分析

2.1 經(jīng)濟(jì)性的分析

圖1為25%負(fù)荷時(shí),不同柴油配比對(duì)燃油消耗率的影響情況.由圖1可知：在25%負(fù)荷時(shí)，燃油消耗率隨著生物柴油配比增大而上升；在同負(fù)荷下，生物柴油-柴油的混合燃油消耗量要高于純柴油；在配比為B25時(shí)混合燃油消耗率相較于B0升高了9.2%，與原機(jī)相比燃油消耗率升高了6.3%.

圖1 不同配比下的燃油消耗率Fig.1 Fuel consumption rate under different ratios

由于生物柴油的黏性高于柴油，摻混生物柴油后會(huì)造成燃油霧化不良，油氣混合不充分，導(dǎo)致燃燒不充分.生物柴油的熱值性低，燃燒等量燃油時(shí)，柴油釋放熱量要高于生物柴油，因此，摻混生物柴油燃燒想要達(dá)到相同的工作效率，生物柴油-柴油的混合燃油消耗量會(huì)更多.

2.2 動(dòng)力性的分析

圖2為25%負(fù)荷時(shí)，相繼增壓柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力隨生物柴油配比的變化情況.由圖2可知：在25%負(fù)荷時(shí)，隨著生物柴油配比增大缸內(nèi)最高燃燒壓力降低，在配比為B25時(shí)其最高燃燒壓力相較于B0降低了6.5%，與原機(jī)相比其最高燃燒壓力高出5.2%.

圖2 不同配比下的最高燃燒壓力Fig.2 Maximum combustion pressure under different ratios

2.3 排放性的分析

圖3為25%負(fù)荷時(shí)，相繼增壓柴油機(jī)在不同摻混率下的NOx排放量情況.由圖3可知：在25%負(fù)荷時(shí)，NOx排放量隨著生物柴油配比的增加而上升，在配比為B10時(shí)NOx排放量相較于B0升高了10.5%，與原機(jī)相比其NOx排放量減少11.9%.

圖3 不同配比下的NOx排放Fig.3 NOx emission under different ratios

由于生物柴油富含氧元素，摻混生物柴油后的混合燃油其缸內(nèi)氧含量升高，富氧的環(huán)境有利于NOx的生成.

圖4為25%負(fù)荷時(shí)，相繼增壓柴油機(jī)在不同配比下soot排放率的情況.由圖4可知：在25%負(fù)荷時(shí)，soot排放率隨著生物柴油配比的增加而下降，在配比為B25時(shí)其soot排放比例相較于B0降低了76.7%，與原機(jī)相比其soot排放比例降低了81.0%.

圖4 不同配比下的soot排放Fig.4 Soot emission under different ratios

碳煙是不完全燃燒時(shí)的產(chǎn)物，缸內(nèi)氧含量過低或者油氣混合不充分都會(huì)造成燃油燃燒不完全，導(dǎo)致碳煙的生成.由于生物柴油富含氧元素，摻混生物柴油燃燒后，其缸內(nèi)氧含量升高，使燃燒愈加充分，因此碳煙的排放量會(huì)隨著生物柴油配比的增加而降低.

3 灰色理論決策分析

船舶柴油機(jī)在海上低負(fù)荷航運(yùn)時(shí)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性較差，soot排放較高，故需在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究不同負(fù)荷下生物柴油的最優(yōu)配比，使綜合性能得到最優(yōu).灰色決策理論在解決多目標(biāo)最優(yōu)問題上具有弱化人為因素干擾、降低過程主觀性的優(yōu)勢，其模型包含局勢集、決策目標(biāo)以及各目標(biāo)相應(yīng)的效果樣本矩陣、效果測度矩陣和綜合效果測度矩陣，其中，綜合效果測度矩陣最能體現(xiàn)出綜合性能優(yōu)化結(jié)果，因此，本節(jié)使用灰色決策理論[14]，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算同負(fù)荷下，不同生物柴油配比對(duì)應(yīng)的綜合優(yōu)化效果值，找到最優(yōu)生物柴油配比.

3.1 多目標(biāo)灰色決策模型的建立

首先針對(duì)事件集A={ai}，i=1，2,···，n和對(duì)策集建立局勢集S，S={si}，si=（ai，bj）.

本文的事件為相繼增壓船用柴油機(jī)摻混生物柴油燃燒，對(duì)策值為不同生物柴油配比；依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將缸內(nèi)壓力、油耗、NOx及soot排放量設(shè)為決策目標(biāo)k，k=1～j；設(shè)為局勢集在決策目標(biāo)k下的效果值；為不同生物柴油摻混率下，決策目標(biāo)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值.

由于本次實(shí)驗(yàn)有多個(gè)決策目標(biāo)，因而無法直接進(jìn)行對(duì)比，需要將決策目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行規(guī)范化處理[15].本節(jié)用的規(guī)范化處理方法有兩種：

1） 上限效果測度，如樣本值偏離越大越好，則選上限效果測度，規(guī)范過程為式（1），其中，Xij為i行j列的樣本數(shù)據(jù).

2） 下限效果測度，如樣本值偏離越小越好，則選下限效果測度，規(guī)范過程為

3.2 決策目標(biāo)決策權(quán)的賦值方法

在對(duì)決策目標(biāo)賦權(quán)時(shí)，需要與實(shí)際情況相結(jié)合.由于柴油機(jī)在低工況時(shí)動(dòng)力性較差，所以將缸內(nèi)壓力作為核心決策目標(biāo)，油耗、NOx及soot排放量為從屬?zèng)Q策目標(biāo)；對(duì)核心決策目標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，取最高燃燒壓力權(quán)重 η1=0.35.將缸內(nèi)壓力作為母序列，油耗、NOx和soot排放量作為子序列.

使用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算從屬?zèng)Q策目標(biāo)與核心決策目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度 φ12、φ13、φ14，使用式（3）求出各從屬?zèng)Q策目標(biāo)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù) ?12、?13、?14，從而求出從屬?zèng)Q策目標(biāo)的權(quán)重值建立初始權(quán)重序列ai（i=1,2,3,4）.

求出初始權(quán)重值后，使用熵權(quán)法消除對(duì)核心決策目標(biāo)主觀賦權(quán)所帶來的人為因素，并利用式（4）求解每個(gè)決策目標(biāo)最終權(quán)重 ηi.

式中：βi為客觀權(quán)重.

3.3 25%負(fù)荷下生物柴油最佳摻混率的確定

根據(jù)原機(jī)和5% ～ 25%共5組不同生物柴油配比下相繼增壓柴油機(jī)燃燒數(shù)據(jù)構(gòu)建的原始效果矩陣為

柴油機(jī)的最高燃燒壓力在限制范圍內(nèi)越高代表柴油機(jī)的動(dòng)力性能越好，因而使用上限效果測度法對(duì)柴油機(jī)的最高燃燒壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.而NOx排放量、燃油消耗率和soot排放量越低，柴油機(jī)的性能越好，因此，使用下限規(guī)范法對(duì)這3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.最終得到效果統(tǒng)一的矩陣為

使用灰色關(guān)聯(lián)分析法求出從屬?zèng)Q策目標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為 φ12=0.403、φ13=0.255、φ14=0.326.已給定25%負(fù)荷時(shí)核心決策目標(biāo)的權(quán)重賦值為a1=0.35，求出從屬?zèng)Q策目標(biāo)的初始權(quán)重為

利用熵權(quán)法消除主觀人為賦值因素求得最終權(quán) 重 值 η1=0.0988、η2=0.3361、η3=0.2648、η4=0.3003，將決策目標(biāo)的最終權(quán)重值 ηi與標(biāo)準(zhǔn)化后的效果測度矩陣相乘，可得25%負(fù)荷下柴油機(jī)的綜合性能優(yōu)化效果矩陣為

綜合性能優(yōu)化結(jié)果表明：25%負(fù)荷時(shí)，不同生物柴油配比的相繼增壓船用柴油機(jī)綜合性能高于原機(jī)性能；生物柴油配比為25%時(shí)，對(duì)應(yīng)綜合性能優(yōu)化值最高，相繼增壓船用柴油機(jī)的性能更好；與原機(jī)相比，相繼增壓柴油機(jī)在生物柴油最佳配比燃燒時(shí)，燃油消耗率增加了6.3%，最高燃燒壓力高出5.2%，NOx排放量降低了11.9%，其soot排放降低了81.0%.

相繼增壓柴油機(jī)摻混生物柴油燃燒時(shí)，經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性會(huì)下降，NOx排放量上升，soot排放量大幅降低.但與原機(jī)相比，相繼增壓柴油機(jī)在生物柴油最佳配比燃燒時(shí)，其動(dòng)力性及排放性均優(yōu)于原機(jī).

4 結(jié) 論

1） 隨著生物柴油配比增大，柴油機(jī)最高燃燒壓力與純柴油相比呈下降趨勢，為保證柴油機(jī)的工作效率，隨著生物柴油配比的不斷增加其燃油耗油量上升，soot排放量下降，NOx排放量逐漸上升.

2） 基于灰色決策理論，建立多目標(biāo)灰色決策模型，通過主客觀賦權(quán)得出25%負(fù)荷時(shí)生物柴油最佳摻混率為25%.與原機(jī)相比，相繼增壓柴油機(jī)在生物柴油最佳配比燃燒時(shí)，燃油消耗率增加了6.3%，最高燃燒壓力高出5.2%，NOx排放量降低了11.9%，其soot排放比例降低了81.0%.

3） 經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及優(yōu)化分析，摻混生物柴油燃燒結(jié)合相繼增壓技術(shù)，其動(dòng)力性及排放性均高于原機(jī)，彌補(bǔ)了柴油機(jī)摻混生物柴油燃燒時(shí)帶來的不足，為生物柴油代替化石能源提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).