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燃用丁醇-柴油混合燃料對增壓中冷柴油機燃燒
及進排氣的影響研究*

摘要：基于一臺增壓中冷柴油機，研究了不同丁醇-柴油摻混比（D100、Bu10、Bu20和Bu40）混合燃料發(fā)動機在負(fù)荷特性下的缸內(nèi)壓力變動及進排氣參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著丁醇混合比例的提高，燃燒始點、最大壓力點和最大壓力升高率點對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角都滯后，最大壓力升高率明顯增大，壓力峰值循環(huán)穩(wěn)定性變差；進氣增壓比降低；進氣質(zhì)量流量減小，空燃比變??；中冷后進氣溫度升高，且在低速低負(fù)荷時更明顯，而渦后排氣溫度基本不變。

關(guān)鍵詞：丁醇-柴油燃料增壓中冷缸內(nèi)壓力進排氣

引言

丁醇作為第二代生物燃料的代表，因具有來源廣，能量密度和辛烷值較高，分子內(nèi)含氧，與柴油混合不需要加助溶劑，且對金屬腐蝕性小等優(yōu)點，已經(jīng)成為柴油的一種理想的替代燃料[1-2]，可以緩解當(dāng)今世界能源短缺的危機。而將丁醇在符合更高排放標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代柴油機中燃用，則可以同時解決能源短缺和環(huán)境污染這兩個問題。

關(guān)于丁醇部分替代柴油，國內(nèi)外進行了大量的研究[3-7]，這些研究主要集中在柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料對柴油機性能以及燃燒和排放特性試驗研究及機理分析等方面，很少涉及對可以指導(dǎo)增壓系統(tǒng)及后處理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整的進排氣參數(shù)變化影響的分析。且大多運用的是傳統(tǒng)機械泵柴油機或者是排放標(biāo)準(zhǔn)較低的未做任何改動的柴油機上進行的試驗，這樣實驗的目的是為了探索在盡可能低的成本下推廣丁醇替代柴油，但是缺點是不能充分體現(xiàn)丁醇-柴油混合燃料的優(yōu)勢。

本文基于一臺排放標(biāo)準(zhǔn)滿足國V的某增壓中冷柴油機，進行了最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1400 r/min和額定轉(zhuǎn)速2200 r/min下的負(fù)荷特性試驗，研究了丁醇-柴油不同混合比混合燃料對缸內(nèi)壓力變動及進排氣參數(shù)的影響，為丁醇-柴油混合燃料在現(xiàn)代柴油機上的運用以及后續(xù)的丁醇專用現(xiàn)代柴油機開發(fā)及匹配工作提供了理論依據(jù)。

1試驗燃料及設(shè)備

1.1試驗燃料配制

試驗燃油分別為國V柴油（簡稱D100）、國V柴油和丁醇按10%、20%和40%不同體積比組成的丁醇-柴油混合燃料，簡稱為Bu10、Bu20和Bu40。其主要理化特性參見文獻[8]。

1.2試驗設(shè)備

試驗發(fā)動機為滿足國V的高壓共軌柴油機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　　共軌柴油機主要參數(shù)

試驗采用SCHENCK Dynas2400重型發(fā)動機試驗系統(tǒng)：AVL APA 4F4電力測功機用來控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩，對于轉(zhuǎn)矩增減的控制有良好的動態(tài)特性。AVL 735動態(tài)油耗儀是一套高精度連續(xù)測量的油耗測量系統(tǒng)。機油溫度用AVL554機油冷卻裝置控制在90℃。燃油溫度由AVL753燃油溫度控制器控制在38℃。發(fā)動機冷卻水溫度由AVL553水冷卻裝置恒定控制在80℃。運用的DEWE-5000燃燒分析儀和KISTLER角標(biāo)儀進行缸內(nèi)壓力采集。

2試驗結(jié)果及分析

2.1缸內(nèi)壓力

圖1和圖2所示分別為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料對缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)壓力升高率的變化規(guī)律。從圖1和圖2中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，丁醇-柴油混合燃料的缸內(nèi)壓力峰值和純柴油規(guī)律相同，都呈增大趨勢。以Bu40為例，在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1400 r/min負(fù)荷特性下，100%負(fù)荷時相對25%負(fù)荷，最大壓力由8.6 Mpa上升為11.4 Mpa，這主要是由于負(fù)荷增加，噴油量增加，循環(huán)過程放熱增多引起的。

圖1　最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速對應(yīng)缸壓及壓力變化率

圖2　額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)缸壓及壓力變化率

表2和表3所示分別為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下最大壓力升高率及對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角。

結(jié)合表2和表3可以看出：隨著丁醇摻混比例的增加，最大壓力升高率對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角有所滯后但不明顯，最大壓力升高率變大。其中Bu40相對D100，在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1400 r/min的100%時，最大壓力升高率對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角由-1°CA滯后到1°CA，最大壓力升高率由0.85 MPa/°CA上升到1.84 MPa/°CA，增加了116.5%，在額定轉(zhuǎn)速2200 r/min時，最大壓力升高率對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角由1°CA滯后到2°CA，最大壓力升高率由0.91 MPa/°CA上升到1.24 MPa/°CA，增加了36.3%。這主要是因為丁醇-柴油混合燃料滯燃期長，形成的大量可然混合氣瞬間壓燃引起的。

表2　最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時最大壓力升高率Pmax（MPa/°CA）及對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角φ（°CA）

表3　額定轉(zhuǎn)速時最大壓力升高率Pmax（MPa/°CA）及對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角φ（°CA）

定義壓縮上止點對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角為0°CA，缸內(nèi)壓力急劇上升脫離壓縮線的點所對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒始點。圖3所示為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對應(yīng)燃燒始點?？梢钥闯觯鱾€工況下，隨著丁醇摻混比例的增加，燃燒始點滯后，這主要是由于丁醇汽化潛熱相對柴油較高，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度較低，十六烷值略低導(dǎo)致燃料難壓燃引起的。最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1400 r/min時，Bu40對應(yīng)的燃燒始點相對D100平均滯后了2°CA，額定轉(zhuǎn)速2200 r/min時則平均滯后了1.5°CA?？梢婎~定轉(zhuǎn)速2200 r/min時相對最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1400 r/min時燃燒始點滯后的趨勢變小，這主要是因為隨著負(fù)荷的增加和速度的增大，缸內(nèi)溫度較高，丁醇汽化潛熱大的劣勢得以緩解。

2.2循環(huán)變動性

圖3　最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下的燃燒始點

發(fā)動機的循環(huán)變動對發(fā)動機的性能有不可忽視的影響，減小循環(huán)變動，可以改善工作過程及燃油經(jīng)濟性，也可減少有害排放物[9]。缸內(nèi)壓力峰值可反映燃燒過程的完善性和傳熱損失[10]，表明試驗條件下燃燒效率和傳熱損失循環(huán)變動大小，其對缸內(nèi)參數(shù)的循環(huán)變動比較敏感，是評價燃燒循環(huán)變動的重要指標(biāo)[11]。

圖4所示為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速以及額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對壓力峰值循環(huán)變動系數(shù)（COVpmax）的變化規(guī)律。

圖4　最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下的壓力峰值循環(huán)變動系數(shù)

從圖4中可以看出，隨負(fù)荷增加，丁醇-柴油混合燃料的壓力峰值變動系數(shù)變小，這跟純柴油的變化趨勢相同，其中在1400 r/min時，4種燃料的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)平均值由10%負(fù)荷的0.011下降為100%負(fù)荷的0.006，下降了大約50%。低速低負(fù)荷時，壓力峰值循環(huán)變動性比較大，這是因為，此時缸內(nèi)溫度較低，導(dǎo)致燃料著火界限變窄燃燒不充分以及傳熱損失所占比例較大引起的。而隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)溫度升高，一方面，滯燃期變小，滯燃期內(nèi)形成的混合氣數(shù)量穩(wěn)定，著火更加穩(wěn)定；另一方面，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃螅龠M了循環(huán)變動的減小[12]。

隨著丁醇摻混比例的增加，壓力峰值的循環(huán)變動性變大，這主要是因為摻混丁醇后，由于丁醇?xì)饣瘽摕彷^大導(dǎo)致燃燒滯燃期過長，燃燒速度降低，可燃混合氣量變動較大，燃燒容易不穩(wěn)定?？梢娧h(huán)變動性與缸內(nèi)溫度及著火滯燃期關(guān)系密切。而在高速高負(fù)荷時，隨丁醇峰值壓力變動系數(shù)變化不明顯，這主要是因為高速高負(fù)荷時，缸內(nèi)溫度較高，丁醇汽化潛熱較高以及十六烷值低的劣勢不再明顯。

2.3進氣質(zhì)量流量和增壓比

圖5所示為柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料對進氣質(zhì)量流量和增壓比的影響。從圖5中可以看出，隨著丁醇摻混比例的增加，進氣質(zhì)量流量和增壓比有下降的趨勢。這是因為，放熱率型心后移，使得燃燒等容度降低，壓力升高率變小，導(dǎo)致排氣壓力降低，排氣流動能量減??；渦輪機得到的能量減少，進而傳遞給壓氣機的能量減少；使進氣質(zhì)量減少，壓縮比變??；壓氣機效率呈下降趨勢，但下降得不明顯，可以通過適當(dāng)微調(diào)整增壓器結(jié)構(gòu)的方式解決。

圖5　進氣質(zhì)量流量和增壓比

圖6所示為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速以及額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對空燃比的影響。

從圖6中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，丁醇柴油混合燃料和純柴油的空燃比都呈下降趨勢，這主要是因為，通過合理的進氣組織和供油策略，使得隨負(fù)荷增加，進氣質(zhì)量增加幅度比不上循環(huán)噴油質(zhì)量增加的幅度引起的。

圖6　最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下的空燃比

圖7　最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下的進氣溫度

隨著丁醇摻混比例的增加，空燃比變小，且在低速低負(fù)荷時表現(xiàn)更明顯，在1400 r/min對應(yīng)的10%負(fù)荷時，Bu40的空燃比相對D100減小了10。這是因為進氣質(zhì)量減小且丁醇-柴油混合燃料相對純柴油低熱值低導(dǎo)致循環(huán)供油量增加引起的，而在低速低負(fù)荷時，由于丁醇的氣化潛熱太高，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度過低，燃料著火界限變窄，燃燒不充分嚴(yán)重，所以需要供給更多的燃料。

2.4進排氣溫度

圖7所示為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速以及額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對中冷后進氣溫度的影響。從圖7中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，丁醇-柴油混合燃料進氣溫度和純柴油都呈增加趨勢。其中，1400 r/min時4種燃料進氣溫度平均值由10%負(fù)荷時14℃上升到了100%負(fù)荷時的28℃；2200r/min時也由10%負(fù)荷時21℃上升到了100%負(fù)荷時的50℃，上升幅度很大。這是因為負(fù)荷增加，循環(huán)供油量增加，放熱增加導(dǎo)致排氣能量增加，進而促進了進氣能量增加引起的。

隨丁醇摻混比例的增加，進氣溫度也呈增加趨勢，且在低速低負(fù)荷時更明顯，1400 r/min的10%負(fù)荷時，Bu10、Bu20和Bu40相對D100分別上升了1℃、4℃和8℃。這是因為柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料后，排氣流動能量減少導(dǎo)致壓氣機效率下降，進氣流速減小，在渦輪增壓器處的排氣與進氣的熱交換增加引起的。

圖8所示為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速以及額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對渦后排氣溫度的影響。從圖8中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，排氣溫度升高。隨著丁醇摻混比例的增加，排氣溫度基本不變，這與無渦輪增壓的柴油機隨丁醇摻混比例的增加排氣溫度下降的試驗結(jié)果不同[6]，但是原理是相符的。這主要是因為，增壓中冷系統(tǒng)使得進氣溫度升高與丁醇汽化潛熱較高降低排氣溫度的效果抵消。

圖8　最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下的排氣溫度

3　結(jié)論

1）各個工況下，隨著丁醇摻混比例的增加，缸內(nèi)壓力急劇上升點滯后，最大壓力升高率點出現(xiàn)滯后但不明顯，最大壓力升高率變大。在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1400 r/min時，Bu40對應(yīng)的燃燒始點相對D100平均滯后了2°CA，額定轉(zhuǎn)速2200 r/min時則平均滯后了1.5°CA。

2）隨著丁醇摻混比例的增加，缸內(nèi)壓力峰值的循環(huán)穩(wěn)定性變差。

3）丁醇摻混比例的增加將導(dǎo)致進氣質(zhì)量流量和增壓比的下降以及空燃比的減小，且空燃比減小趨勢在低速低負(fù)荷時最明顯。

4）隨丁醇摻混比例的增加，中冷后進氣溫度也呈增加趨勢，且在低速低負(fù)荷時更明顯，1400 r/min 的10%負(fù)荷時，Bu40相對D100的中冷后進氣溫度上升了多達8℃，而渦后排氣溫度基本不變。

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The Effects on Combustion and Inlet & Exhaust
Properties of Butanol-Diesel Blends to
a Turbocharged Diesel Engine

Zhang Tao, Lou Diming, Xu Ning, Tan Piqiang, Hu Zhiyuan, Zhou Yi
School of Automotive Studies, Tongji University (Shanghai, 201804, China)

Abstract：Based on a turbocharged diesel engine, this study focuses on the cylinder pressure changes and the engine intake & exhaust properties differences of the pure diesel and the butanol-diesel blends (D100, Bu10, Bu20 and Bu40). The results show: with the ratio of the butanol increasing, the combustion starting point, the maximum cylinder pressure and the maximum rate of cylinder pressure rise times are delayed, but the maximum rate of cylinder pressure rise significantly increases, the Cycle-by-Cycle Variations of the maximum pressure becomes larger; the compression ratio of the turbocharger and the air mass flow decrease, air -fuel ratio of inlet air after intercooler temperature also decreases; while the exhaust temperature after turbo remains almost unchanged.

Keywords：Butanol, Turbocharged and inter-cooled, Cylinder pressure, Inlet and exhaust

收稿日期：（2015-03-30） （2015-04-02）

文章編號：2095-8234（2015）03-0001-06

文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK427

作者簡介：張濤（1966-），男，副教授，主要研究方向為柴油機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化研究。

*基金項目：上海市科技攻關(guān)項目（10dz1210400）。
張濤樓狄明徐寧譚丕強胡志遠(yuǎn)周毅（同濟大學(xué)汽車學(xué)院上海201804）
·研究·開發(fā)·