供油提前角對生物柴油發(fā)動機(jī)性能的影響

胡 艷，李佳冀，吳 焱，陳偉國

(1.安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系，安徽 淮南 232007；2.皖江工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程技術(shù)研發(fā)總院，安徽 蕪湖 241006)

0 引言

由于將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動力的熱效率高，柴油機(jī)自發(fā)明以來就引起了人們的極大關(guān)注。然而，隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，化石燃料逐漸減少，尋找和開發(fā)新的替代燃料，滿足柴油機(jī)保持清潔燃燒和低排放的要求被提上議事日程[1-2]。生物柴油是一種含氧綠色能源，可以提高綜合性能，減少煙塵排放。

國內(nèi)外學(xué)者針對生物柴油發(fā)動機(jī)的性能和排放特性開展了廣泛而深入的研究。國內(nèi)學(xué)者王文慧等[3]和束海波等[4]對生物柴油發(fā)動機(jī)的排放進(jìn)行了仿真研究。方文等[5]對一臺燃用生物柴油的高壓共軌柴油機(jī)的燃燒與排放特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。戴廣林等[6]和朱佳隆等[7]進(jìn)行了含水乙醇/生物柴油雙燃料燃燒和排放特性的試驗(yàn)研究。學(xué)者們對以生物柴油為主的雙燃料混合摻燒發(fā)動機(jī)試驗(yàn)也進(jìn)行了廣泛的研究及其應(yīng)用[8-10]。國外方面，通過燃料混合策略[11-12]、特定噴油參數(shù)[13]以及應(yīng)用壓燃技術(shù)[14]對生物柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研究，改進(jìn)了生物柴油發(fā)動機(jī)的燃燒與排放特性。

鑒于生物柴油具有低熱值、十六烷值、黏度和密度等不同的物理化學(xué)特性，與純柴油相比，對其在柴油機(jī)上的應(yīng)用需要進(jìn)行了性能研究。因此，本文作者基于不同的供油提前角，對柴油機(jī)燃用生物柴油進(jìn)行了對比臺架試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

測試燃料為生物柴油，由廢棄的食用油制成。柴油機(jī)臺架試驗(yàn)設(shè)備：燃油表、Y40測功機(jī)、MEAX-411排氣分析儀和FBY-3過濾煙度計(jì)。試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為四沖程、水冷、電控柴油機(jī)，該發(fā)動機(jī)采用廢氣渦輪增壓增大進(jìn)氣密度，配合中冷器降低進(jìn)氣溫度，充分提升進(jìn)氣充量。柴油機(jī)主要參數(shù)見表1。

將生物柴油應(yīng)用于四缸柴油機(jī)，對發(fā)動機(jī)在不同供油提前角下的燃油消耗率，CO、NOx、HC和碳煙排放進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究。臺架試驗(yàn)是一種比較試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)不做修正。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 供油提前角對經(jīng)濟(jì)性的影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)以2 400 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，分別測量了發(fā)動機(jī)在14°CA BTDC、16°CA BTDC、18°CA BTDC和20°CA BTDC下的燃油消耗率。不同負(fù)荷點(diǎn)的對比結(jié)果如圖1所示。

表1 柴油機(jī)的主要參數(shù)

由圖1所示，可以得出可靠的結(jié)論，改變供油提前角對制動比油耗有顯著影響。當(dāng)柴油機(jī)以18°CA BTDC運(yùn)行時(shí)，燃油消耗率最低，具有最佳的經(jīng)濟(jì)性能。當(dāng)發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷下工作時(shí)，無論供油提前角減小還是增大，BSFC都在增大。發(fā)動機(jī)在中、大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，供油提前角減小，BSFC依次增大，供油提前角增大，BSFC變化不明顯。

圖1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)的BSFC比較

導(dǎo)致不同的供油提前角、不同負(fù)荷點(diǎn)上BSFC變化趨勢的機(jī)理分析：隨著供油提前角的減小，燃油噴射系統(tǒng)的空間霧化時(shí)間縮短，對預(yù)混燃燒階段可燃混合氣的形成產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致燃燒效率降低，最終導(dǎo)致BSFC惡化。同時(shí)，較小的供油提前角使燃燒起點(diǎn)推遲，燃燒持續(xù)時(shí)間提前，膨脹燃燒現(xiàn)象減弱，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降。因此，在所有測試操作點(diǎn)，隨著供油提前角的減小，BSFC呈現(xiàn)不同程度的惡化。此外，發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過量空氣比很大，溫度較低。隨著供油提前角的增大，燃油提前噴入氣缸，低溫限制了燃油的空間霧化，可能有一部分燃油進(jìn)入氣缸壁，影響混合過程，導(dǎo)致燃燒過程惡化，最終導(dǎo)致BSFC增加。發(fā)動機(jī)在中高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，氣缸溫度較高，有利于混合氣的形成，因此，供油提前角的變化對BSFC的影響很小。20°CA BTDC下的BSFC幾乎等于18°CA BTDC下的BSFC。

2.2 供油提前角對廢氣排放的影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)以2 400r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，分別測量了發(fā)動機(jī)在14°CA BTDC、16°CA BTDC、18°CA BTDC和20°CA BTDC下的CO、NOx、HC排放量，該排放量分別用ΦCO、ΦNOx、ΦHC表示。不同負(fù)荷點(diǎn)的結(jié)果如圖2。從圖2中可以看出，對于ΦCO，當(dāng)供油提前角為14°CA BTDC時(shí)，在所有測試點(diǎn)下，其排放量最大；發(fā)動機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)，供油提前角為16°CA BTDC、18°CA BTDC、20°CA BTDC時(shí)ΦCO相等；而發(fā)動機(jī)中、高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，隨著供油提前角的減小，ΦCO依次增加；在所有測試點(diǎn)下，ΦNOx隨燃油提前角的減小而減小，輕載時(shí)降低幅度較小，中、高載時(shí)降低幅度較大；ΦHC隨供油提前角和負(fù)荷變化呈現(xiàn)復(fù)雜的變化趨勢，但變化規(guī)律不明顯。

(a)CO排放

(b)NOx排放

(c)HC排放圖2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)的廢氣排放比較

從廢氣排放變化規(guī)律的分析可以得出結(jié)論：隨著柴油機(jī)供油提前角的減小，點(diǎn)火延遲期延長，燃燒過程在擴(kuò)散燃燒階段發(fā)生。雖然氣缸內(nèi)的平均溫度較高，但燃燒產(chǎn)物在混合氣中大量生成，使環(huán)境缺氧，導(dǎo)致燃燒不完全，阻礙CO氧化。因此，ΦCO增加，在14°CA BTDC處出現(xiàn)峰值。隨著供油提前角的增大，燃燒過程改善，同時(shí)在小負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)采用大過量空氣比運(yùn)行，CO氧化條件較好。供油提前角為16°CA BTDC、18°CA BTDC、20°CA BTDC時(shí)ΦCO基本相同。隨著供油提前角的增大、點(diǎn)火延遲期的延長，該階段混合氣的形成得到促進(jìn)和增加，預(yù)混混合物接近化學(xué)計(jì)量比，強(qiáng)化了預(yù)混燃燒。這些因素將使缸內(nèi)溫度升高，這是促進(jìn)NOx排放的關(guān)鍵。當(dāng)供油提前角減小時(shí)，燃燒起始點(diǎn)延長。在高溫高壓下向氣缸內(nèi)噴射燃油，預(yù)混合氣減少，溫度峰值降低，停留在高溫環(huán)境中的燃燒產(chǎn)物燃燒期縮短，導(dǎo)致ΦNOx降低。HC的產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，混合氣溫度低、冷卻快、混合氣濃或稀都可能是影響HC排放的問題。供油提前角對ΦHC的影響難以詳細(xì)解釋。當(dāng)供油提前角增大時(shí)，氣缸內(nèi)溫度和壓力低，燃油滲透增加，燃油可能會撞擊壁面。低壁溫使燃油霧化惡化，ΦHC增加。當(dāng)供油提前角減小、點(diǎn)火延遲期縮短、擴(kuò)散燃燒期延長時(shí)，局部區(qū)域可能缺氧，導(dǎo)致燃燒不完全，ΦHC增加。

2.3 供油提前角對煙塵排放的影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)以2 400 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，分別測量了發(fā)動機(jī)在14°CA BTDC、16°CA BTDC、18°CA BTDC和20°CA BTDC下的碳煙排放量。不同荷載點(diǎn)的結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)的碳煙排放比較

從圖3可以看出，柴油機(jī)小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，供油提前角對碳煙排放影響不大，而柴油機(jī)中、高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，隨著供油提前角的增大，碳煙排放量依次增大。

分析了柴油機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)，缸內(nèi)過量空氣比很大，含氧量大。由于碳氧鍵不發(fā)生基本反應(yīng)，因此很難產(chǎn)生煙塵排放。供油提前角的改變對輕載時(shí)的煙塵排放沒有影響。柴油機(jī)在中、高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，缸內(nèi)過量空氣比較小，且隨著供油提前角的增大，預(yù)混混合比增大，但擴(kuò)散燃燒相對減少，這是決定因素，因此，碳煙排放隨供油提前角的增大而降低。

3 結(jié)論

1)當(dāng)柴油機(jī)在18°CA BTDC下運(yùn)行時(shí)，BSFC非常低，燃油經(jīng)濟(jì)性更好。無論供油提前角增大還是減小，燃油經(jīng)濟(jì)性都會惡化。

2)輕載時(shí)，在16°CA BTDC、18°CA BTDC、20°CA BTDC下，ΦCO幾乎相等。中、高負(fù)荷時(shí)，隨著供油提前角的減小，ΦCO依次增加，而隨著供油提前角的增大，煙塵排放量減少，ΦNOx增加，呈現(xiàn)出折中關(guān)系。ΦHC對供油提前角變化不敏感，其總排放量與純柴油機(jī)基本相同。

3)發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果綜合分析表明，生物柴油是一種理想的柴油機(jī)替代燃料。