劉少華,柴麗田,申立中,畢玉華
(昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機重點實驗室,云南 昆明 650500)
近年來,隨著社會經(jīng)濟的快速發(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)者和研究機構(gòu)開展了生物柴油-柴油混合燃料對發(fā)動機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,燃燒始點提前,滯燃期縮短,發(fā)動機的缸內(nèi)最高燃燒壓力和放熱率峰值逐漸降低,達到峰值時刻提前。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)動機進氣壓力和進氣含氧量下降,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)動機進氣缺氧進行一定程度的補償,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開展了生物柴油-柴油混合燃料對發(fā)動機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)境下柴油機燃燒過程的改善提供一定的研究基礎(chǔ)。
為了確保試驗的安全性,在試驗過程中嚴(yán)格遵守試驗臺架操作規(guī)范??紤]到大氣壓力的調(diào)控方便性和控制實現(xiàn)方式一致性,應(yīng)用自主開發(fā)的“微機化內(nèi)燃機大氣模擬綜合測控系統(tǒng)”實現(xiàn)發(fā)動機臺架上不同海拔下大氣壓力的模擬。試驗臺架如圖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,通過進氣增壓和排氣節(jié)流來實現(xiàn)所需進氣和排氣壓力;當(dāng)模擬的大氣壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r,通過進氣節(jié)流和減小排氣背壓來實現(xiàn)所需進氣和排氣壓力。微機化內(nèi)燃機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、進排氣模擬裝置、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水力測功機等。
圖1 試驗臺架
圖2 微機化內(nèi)燃機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 柴油機主要技術(shù)指標(biāo)
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)動機結(jié)構(gòu)和參數(shù)不作調(diào)整和變動。選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min和2 200 r/min,負荷分別為20%,60%,90%和100%共8個工況,開展了B0,B20和B50對發(fā)動機燃燒特性影響的試驗研究,分析生物柴油-柴油混合燃料在高原地區(qū)對柴油機燃燒特性的影響。
表3 燃料的主要理化指標(biāo)
圖3和圖4分別示出發(fā)動機在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,達到缸壓峰值時刻的曲軸轉(zhuǎn)角提前1°~2°。在20%和60%負荷下,燃用B20和B50混合燃料的缸壓差別不大。在90%負荷和全負荷下,隨著生物柴油摻混比例的增加,缸壓逐漸降低。90%負荷時,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%,全負荷時分別降低7.3%和10.6%。
與純柴油相比,生物柴油熱值低,運動黏度大。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,柴油機燃用B20和B50后,燃燒效果受到了一定程度的負面影響。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,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%負荷時,B20和B50混合燃料的缸壓差別不大,均低于柴油。隨著負荷的增加,燃用B50混合燃料缸壓出現(xiàn)上升趨勢,在60%負荷時甚至高于純柴油,峰值增加幅度為5%。隨著負荷的進一步增加,燃用B50混合燃料缸壓上升趨勢減緩,在90%負荷和全負荷下低于純柴油。燃用B20混合燃料缸壓在各負荷點均低于柴油。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。低負荷下,過量空氣系數(shù)較大,缺氧狀況不明顯;隨著負荷的增加,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。隨著負荷進一步增加至全負荷,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
圖5和圖6分別示出發(fā)動機在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%,峰值時刻的曲軸轉(zhuǎn)角提前1°~2°。分析認為,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)動機滯燃期縮短,著火提前,進而導(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%負荷時,隨著生物柴油摻混比例的增加,放熱率峰值逐漸降低。20%負荷時,燃用B20和B50混合燃料的放熱率峰值平均下降8%和12%,90%負荷時平均下降4.5%和5.4%,全負荷時平均下降4.4%和8.2%。隨著負荷的增加,燃用B50混合燃料的放熱率出現(xiàn)上升趨勢,在60%負荷時甚至高于純柴油,峰值增加幅度為2.6%。隨著負荷的進一步增加,燃用B50混合燃料的放熱率上升趨勢減緩,在90%負荷和全負荷下低于純柴油。
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,氣流運動加強,從而有利于加速生物柴油與空氣的混合,進而提高放熱速度。低負荷下,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。隨著負荷進一步增加至全負荷,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。
圖7和圖8分別示出發(fā)動機在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個工況點下燃用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%負荷時,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,在全負荷下高于純柴油。
隨著發(fā)動機負荷的增加,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,僅在全負荷下超出燃用純柴油時的缸內(nèi)溫度。
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在高原缺氧環(huán)境下的燃燒過程。因此,在2 200 r/min下,進一步開展生物柴油-柴油混合燃料對柴油機動力性和經(jīng)濟性的影響研究。圖9示出在2 200 r/min下,燃用B0,B20和B50后,柴油機的燃油經(jīng)濟性和熱效率對比。
由圖9可見,隨著負荷的增加,燃用純柴油、B20和B50燃料時,柴油機燃油消耗率和熱效率的變化規(guī)律是一致的。在中低負荷下,隨著生物柴油摻混比的增大,燃油消耗率上升,熱效率下降。隨著負荷的上升,燃用生物柴油-柴油混合燃料后,柴油機燃油消耗率上升趨勢和熱效率下降趨勢減緩,燃用B20的柴油機燃油消耗率與燃用柴油差別不大,熱效率與燃用純柴油時相當(dāng)。
圖9 2 200 r/min下燃用不同燃料的經(jīng)濟性和熱效率
燃用生物柴油-柴油混合燃料后,熱值的下降是造成柴油機燃油消耗率上升和熱效率下降的主要原因。由于試驗過程中沒有進行噴油量的調(diào)整,因此,在燃用熱值較低的生物柴油-柴油混合燃料時,達到同樣負荷點時對應(yīng)的燃油消耗率上升。隨著負荷的增加,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,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,使柴油機燃用B50燃料時燃油消耗率上升,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)增加噴油量彌補動力性方面的不足,另一方面,通過在不同轉(zhuǎn)速和負荷區(qū)域采用變摻混比例來實現(xiàn)燃料與工況的適配。
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到峰值的時刻提前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后柴油機燃油消耗率上升,熱效率下降;高負荷時燃用B20,燃油消耗率和熱效率與燃用純柴油時相當(dāng)。