高原缺氧環(huán)境下生物柴油-柴油混合燃料對柴油機(jī)燃燒特性的影響

劉少華，柴麗田，申立中，畢玉華

(昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，開發(fā)新的替代能源迫在眉睫。其中，生物柴油因具有如下特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注：原料來源廣泛，可再生；生物降解率高，揮發(fā)性低，無毒，安全性好；不含芳香烴，含硫量低，具有良好的環(huán)保性。與柴油相比，生物柴油含氧量高，十六烷值高，具有良好的燃燒性能。生物柴油能以任何比例與柴油相溶，是目前公認(rèn)比較合適的可替代柴油的可再生清潔燃料。

國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開展了生物柴油-柴油混合燃料對發(fā)動機(jī)工作特性影響的研究。研究結(jié)果表明，隨著燃料中生物柴油含量的增加，燃燒始點(diǎn)提前，滯燃期縮短，發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)最高燃燒壓力和放熱率峰值逐漸降低，達(dá)到峰值時(shí)刻提前。目前大部分研究工作都是基于平原環(huán)境開展的，針對高原缺氧環(huán)境下生物柴油的適用性研究相對較少。

我國高海拔地區(qū)面積廣，海拔差異較大。汽車的運(yùn)行受大氣壓力、空氣密度和大氣氧濃度等關(guān)鍵大氣參數(shù)的影響極大。隨著海拔的上升，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣含氧量下降，從而影響其燃燒過程。生物柴油的自含氧特性會對高原地區(qū)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣缺氧進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，從而改善燃燒過程。因此，在模擬高原環(huán)境(81 kPa大氣壓力)下，針對一臺電控高壓共軌柴油機(jī)開展了生物柴油-柴油混合燃料對發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響研究，以期為不同海拔地區(qū)，尤其是高海拔缺氧環(huán)境下柴油機(jī)燃燒過程的改善提供一定的研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了確保試驗(yàn)的安全性，在試驗(yàn)過程中嚴(yán)格遵守試驗(yàn)臺架操作規(guī)范?？紤]到大氣壓力的調(diào)控方便性和控制實(shí)現(xiàn)方式一致性，應(yīng)用自主開發(fā)的“微機(jī)化內(nèi)燃機(jī)大氣模擬綜合測控系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)臺架上不同海拔下大氣壓力的模擬。試驗(yàn)臺架如圖1所示。大氣模擬裝置的工作原理如下：當(dāng)模擬的大氣壓力高于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)，通過進(jìn)氣增壓和排氣節(jié)流來實(shí)現(xiàn)所需進(jìn)氣和排氣壓力；當(dāng)模擬的大氣壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)，通過進(jìn)氣節(jié)流和減小排氣背壓來實(shí)現(xiàn)所需進(jìn)氣和排氣壓力。微機(jī)化內(nèi)燃機(jī)大氣模擬綜合測控系統(tǒng)示意如圖2所示，可以準(zhǔn)確模擬80～110 kPa的大氣壓力，主要由測功機(jī)、進(jìn)排氣模擬裝置、控制器以及壓力、溫度和流量傳感器組成。在試驗(yàn)中，研究海拔2 000 m(大氣壓力為81 kPa)的高原缺氧環(huán)境下，柴油機(jī)燃用生物柴油-柴油混合燃料的性能和燃燒特性。海拔與大氣壓力和含氧量的關(guān)系如表1所示。柴油機(jī)主要參數(shù)如表2所示。主要測試設(shè)備包括AVL 622燃燒分析儀、EIM609測控儀、FCMA瞬態(tài)油耗儀、WE31水力測功機(jī)等。

圖1 試驗(yàn)臺架

圖2 微機(jī)化內(nèi)燃機(jī)大氣模擬綜合測控系統(tǒng)示意

表1 海拔與大氣壓力和含氧量的關(guān)系

表2 柴油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

將地溝油制成的生物柴油和0號柴油按一定體積比例混合配制成B20(20%體積比生物柴油和80%體積比柴油混合而成)和B50(50%體積比生物柴油和50%體積比柴油混合而成)混合燃料，不同燃料的主要理化性質(zhì)見表3。發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不作調(diào)整和變動。選取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min和2 200 r/min，負(fù)荷分別為20%，60%，90%和100%共8個(gè)工況，開展了B0，B20和B50對發(fā)動機(jī)燃燒特性影響的試驗(yàn)研究，分析生物柴油-柴油混合燃料在高原地區(qū)對柴油機(jī)燃燒特性的影響。

表3 燃料的主要理化指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 缸壓分析

圖3和圖4分別示出發(fā)動機(jī)在1 200 r/min，2 200 r/min下，燃用B0，B20和B50的缸內(nèi)燃燒壓力對比。

由圖3可見，在1 200 r/min下，生物柴油-柴油混合燃料的燃燒壓力低于純柴油，達(dá)到缸壓峰值時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角提前1°～2°。在20%和60%負(fù)荷下，燃用B20和B50混合燃料的缸壓差別不大。在90%負(fù)荷和全負(fù)荷下，隨著生物柴油摻混比例的增加，缸壓逐漸降低。90%負(fù)荷時(shí)，燃用B20和B50混合燃料的缸壓比燃用純柴油分別平均降低5%和6%，全負(fù)荷時(shí)分別降低7.3%和10.6%。

與純柴油相比，生物柴油熱值低，運(yùn)動黏度大。當(dāng)噴入相同體積的燃料后，生物柴油-柴油混合燃料熱值降低，是導(dǎo)致缸內(nèi)最大燃燒壓力下降的主要原因。在1 200 r/min較低轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)壓力和溫度較低，生物柴油的高黏度導(dǎo)致生物柴油-柴油混合燃料流動性差，與空氣的混合霧化效果變差。盡管生物柴油的含氧特性能夠在一定程度上改善燃燒過程，但是低轉(zhuǎn)速下過量空氣系數(shù)較大，缺氧狀況并不突出。因此，從整體上來看，柴油機(jī)燃用B20和B50后，燃燒效果受到了一定程度的負(fù)面影響。另外，生物柴油十六烷值高，著火性能比純柴油好。生物柴油中脂肪酸甲酯的碳鏈長度要長于純柴油組分碳鏈長度，該特殊結(jié)構(gòu)特性使得其CN值要比純柴油高，自燃特性得到改善。生物柴油的摻燒促使 OH 活性自由基的峰值提前到達(dá)，致使滯燃期縮短，著火提前，燃燒速度加快。因此，加入生物柴油后，缸內(nèi)最大燃燒壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。

圖3 1 200 r/min下燃用不同燃料的氣缸壓力

由圖4可見，在2 200 r/min下，20%負(fù)荷時(shí)，B20和B50混合燃料的缸壓差別不大，均低于柴油。隨著負(fù)荷的增加，燃用B50混合燃料缸壓出現(xiàn)上升趨勢，在60%負(fù)荷時(shí)甚至高于純柴油，峰值增加幅度為5%。隨著負(fù)荷的進(jìn)一步增加，燃用B50混合燃料缸壓上升趨勢減緩，在90%負(fù)荷和全負(fù)荷下低于純柴油。燃用B20混合燃料缸壓在各負(fù)荷點(diǎn)均低于柴油。與低轉(zhuǎn)速相比，在2 200 r/min下，缸內(nèi)壓力和溫度都有一定程度的提升，從而有利于加速生物柴油與空氣的混合。低負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)較大，缺氧狀況不明顯；隨著負(fù)荷的增加，缺氧狀況變得突出，生物柴油的含氧特性發(fā)揮主導(dǎo)作用，使燃燒過程得到改善。隨著負(fù)荷進(jìn)一步增加至全負(fù)荷，生物柴油較低的熱值限制了燃燒總熱量的釋放，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力下降。與B50相比，B20含氧量較低，對缸壓的提升作用不如B50明顯。

圖4 2 200 r/min下燃用不同燃料的氣缸壓力

2.2 放熱率分析

圖5和圖6分別示出發(fā)動機(jī)在1 200 r/min，2 200 r/min下，燃用B0，B20和B50的燃燒放熱率對比。

由圖5可見，在1 200 r/min下，隨著混合燃料中生物柴油比例的增加，放熱率峰值基本呈現(xiàn)降低的趨勢，B20和B50混合燃料的放熱率峰值平均下降4.9%和5.6%，峰值時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角提前1°～2°。分析認(rèn)為，隨著生物柴油-柴油混合燃料中生物柴油比例的增加，混合燃料的熱值降低，是導(dǎo)致放熱率峰值下降的主要原因。生物柴油的高密度和高運(yùn)動黏度使得混合燃料流動性較差；在1 200 r/min較低轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)壓力和溫度較低，氣流運(yùn)動較弱，因此混合燃料與空氣的混合速度變慢，從而影響了放熱速度。隨著生物柴油比例的增加，混合燃料含氧量和十六烷值升高，著火性能提高，從而使得發(fā)動機(jī)滯燃期縮短，著火提前，進(jìn)而導(dǎo)致放熱提前，放熱率峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。

圖5 1 200 r/min下燃用不同燃料的放熱率

由圖6可見，在2 200 r/min下，20%，90%和100%負(fù)荷時(shí)，隨著生物柴油摻混比例的增加，放熱率峰值逐漸降低。20%負(fù)荷時(shí)，燃用B20和B50混合燃料的放熱率峰值平均下降8%和12%，90%負(fù)荷時(shí)平均下降4.5%和5.4%，全負(fù)荷時(shí)平均下降4.4%和8.2%。隨著負(fù)荷的增加，燃用B50混合燃料的放熱率出現(xiàn)上升趨勢，在60%負(fù)荷時(shí)甚至高于純柴油，峰值增加幅度為2.6%。隨著負(fù)荷的進(jìn)一步增加，燃用B50混合燃料的放熱率上升趨勢減緩，在90%負(fù)荷和全負(fù)荷下低于純柴油。

圖6 2 200 r/min下燃用不同燃料放熱率對比

與低轉(zhuǎn)速相比，在2 200 r/min下，缸內(nèi)壓力和溫度升高，氣流運(yùn)動加強(qiáng)，從而有利于加速生物柴油與空氣的混合，進(jìn)而提高放熱速度。低負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)較大，缺氧狀況不明顯，相對較低的缸內(nèi)壓力和溫度限制了混合氣的形成速度，加上混合燃料熱值的降低，從而導(dǎo)致放熱率峰值下降。隨著負(fù)荷的增加，缺氧狀況變得突出，生物柴油的含氧特性發(fā)揮主導(dǎo)作用，在一定程度上改善了局部缺氧區(qū)域的燃燒過程，提高了放熱率峰值。隨著負(fù)荷進(jìn)一步增加至全負(fù)荷，生物柴油較低的熱值限制了燃燒總熱量的釋放，導(dǎo)致放熱率峰值再次呈現(xiàn)下降趨勢。與B50相比，B20含氧量較低，對放熱率峰值的提升作用不如B50明顯。

2.3 氣缸溫度分析

圖7和圖8分別示出發(fā)動機(jī)在1 200 r/min，2 200 r/min下，燃用B0，B20和B50的氣缸溫度對比。

由圖7可見，隨著負(fù)荷增加，燃用B0，B20和B50的氣缸溫度均增加。在1 200 r/min下，與燃用B0相比，燃用B20和B50混合燃料的缸內(nèi)溫度均降低，4個(gè)工況點(diǎn)下燃用B20混合燃料平均降低幅度為2.3%，燃用B50混合燃料平均降低幅度為0.9%。由圖8可見，在2 200 r/min下，20%，60%，90%負(fù)荷時(shí)，燃用B50混合燃料的缸內(nèi)溫度比純柴油高，升高幅度分別為1.4%，1%，0.3%，燃用B20混合燃料的缸內(nèi)溫度比純柴油低，降幅分別為2%，1%，1.5%。隨著負(fù)荷的增加，燃用B50混合燃料的缸內(nèi)溫度上升趨勢減緩，在全負(fù)荷下低于純柴油，而燃用B20混合燃料的缸內(nèi)溫度上升趨勢加快，在全負(fù)荷下高于純柴油。

隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加，缸內(nèi)壓力升高，3種燃料的油氣混合過程都得到改善，從而改善了缸內(nèi)燃燒過程，同時(shí)噴入缸內(nèi)的燃油量增加，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率增大，缸內(nèi)溫度上升。在1 200 r/min下，燃油噴射量少，噴射壓力小，生物柴油密度和黏度大，揮發(fā)性差，不利于燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低。相比于B20，B50含氧量更高，能夠改善局部缺氧區(qū)域的燃燒狀況，從而提高燃燒溫度。因此，燃用B50后，缸內(nèi)溫度基本高于燃用B20。

圖7 1 200 r/min下燃用不同燃料的氣缸溫度

圖8 2 200 r/min下燃用不同燃料的氣缸溫度對比

隨著轉(zhuǎn)速的增加，噴入氣缸的燃油量增加，缸內(nèi)壓力提升，為燃燒提供了更好的初始條件。在2 200 r/min下，燃用B50混合燃料后，一方面，其較高的十六烷值和含氧量改善了著火性能，使著火提前，滯燃期縮短，另一方面，生物柴油中的氧起到助燃作用，使燃料燃燒更完全。因此，燃用B50混合燃料后，缸內(nèi)溫度基本呈現(xiàn)上升趨勢。B20混合燃料的含氧量較低，對于缸內(nèi)溫度的提升作用不如B50明顯，僅在全負(fù)荷下超出燃用純柴油時(shí)的缸內(nèi)溫度。

2.4 燃油經(jīng)濟(jì)性和熱效率分析

對比發(fā)現(xiàn)，在較高轉(zhuǎn)速2 200 r/min下，更能發(fā)揮生物柴油-柴油混合燃料的含氧優(yōu)勢，在一定程度上改善柴油機(jī)在高原缺氧環(huán)境下的燃燒過程。因此，在2 200 r/min下，進(jìn)一步開展生物柴油-柴油混合燃料對柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響研究。圖9示出在2 200 r/min下，燃用B0，B20和B50后，柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和熱效率對比。

由圖9可見，隨著負(fù)荷的增加，燃用純柴油、B20和B50燃料時(shí)，柴油機(jī)燃油消耗率和熱效率的變化規(guī)律是一致的。在中低負(fù)荷下，隨著生物柴油摻混比的增大，燃油消耗率上升，熱效率下降。隨著負(fù)荷的上升，燃用生物柴油-柴油混合燃料后，柴油機(jī)燃油消耗率上升趨勢和熱效率下降趨勢減緩，燃用B20的柴油機(jī)燃油消耗率與燃用柴油差別不大，熱效率與燃用純柴油時(shí)相當(dāng)。

圖9 2 200 r/min下燃用不同燃料的經(jīng)濟(jì)性和熱效率

燃用生物柴油-柴油混合燃料后，熱值的下降是造成柴油機(jī)燃油消耗率上升和熱效率下降的主要原因。由于試驗(yàn)過程中沒有進(jìn)行噴油量的調(diào)整，因此，在燃用熱值較低的生物柴油-柴油混合燃料時(shí)，達(dá)到同樣負(fù)荷點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的燃油消耗率上升。隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)壓力和溫度升高，有利于生物柴油與空氣的混合，加上生物柴油的自含氧特性，使燃燒更為充分；燃用B20燃料時(shí)，生物柴油摻混比較低，對混合燃料的噴霧特性影響不大，且混合燃料質(zhì)量熱值與純柴油接近，因此，燃油消耗率和熱效率與燃用純柴油相當(dāng)。隨著生物柴油摻混比例的增大，混合燃料的熱值下降，密度和黏度增加，使其在霧化過程中由于油滴表面張力增大而不易破裂，加之混合燃料揮發(fā)性不佳，使柴油機(jī)燃用B50燃料時(shí)燃油消耗率上升，熱效率下降。

因此，為了更好地發(fā)揮生物柴油燃料的自含氧優(yōu)勢，一方面，可以通過適當(dāng)增加噴油量彌補(bǔ)動力性方面的不足，另一方面，通過在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷區(qū)域采用變摻混比例來實(shí)現(xiàn)燃料與工況的適配。

3 結(jié)論

a)與燃用純柴油相比，在1 200 r/min下燃用B20，B50混合燃料，柴油機(jī)缸壓、放熱率和氣缸溫度均降低；在2 200 r/min下，燃用B20后缸內(nèi)燃燒壓力、放熱率和氣缸溫度基本呈現(xiàn)降低趨勢，而燃用B50后，氣缸壓力、放熱率基本呈現(xiàn)下降趨勢，僅在60%負(fù)荷下缸壓和放熱率峰值高于燃用純柴油，氣缸溫度基本呈現(xiàn)上升趨勢；

b)與燃用B0相比，燃用B20和B50混合燃料的缸內(nèi)燃燒壓力、放熱率和氣缸溫度達(dá)到峰值的時(shí)刻提前1°～2°曲軸轉(zhuǎn)角；

c)與燃用純柴油相比，在2 200 r/min下，燃用B20、B50后柴油機(jī)燃油消耗率上升，熱效率下降；高負(fù)荷時(shí)燃用B20，燃油消耗率和熱效率與燃用純柴油時(shí)相當(dāng)。