F-T柴油对增压柴油机燃烧过程及振动特性的影响*

廖文蓉 王铁 石晋宏 刘磊

（1-长江工程职业技术学院机械系湖北武汉4302122-太原理工大学车辆工程系）

F-T柴油对增压柴油机燃烧过程及振动特性的影响*

廖文蓉1王铁2石晋宏2刘磊2

（1-长江工程职业技术学院机械系湖北武汉4302122-太原理工大学车辆工程系）

在4100QBZL直列增压中冷型柴油机上燃用F-T柴油，对比分析了F-T柴油与0#柴油的燃烧与振动特性。结果表明：燃用F-T柴油后，缸内压力略低于0#柴油，压力升高率有较大程度的降低。低负荷下燃烧始点有较大提前，高负荷下稍有推后。F-T柴油放热平缓，预混燃烧放热峰值降低，扩散燃烧放热峰值有所升高。在不同工况下F-T柴油缸盖振动加速度信号的幅值均低于0#柴油。振动加速度在200～8000 Hz范围内都有较大的幅值，高频成分的能量较0#柴油少。

F-T柴油柴油机燃烧振动加速度

引言

随着汽车产业的迅猛发展，对石油的需求量越来越大。基于我国多煤少油的能源现状，在依赖于常规化石燃料的同时，开发、利用丰富的煤炭资源也是一条保障中国经济可持续发展的最为现实可行的途径。

煤全部气化成合成气，然后以合成气为原料，在一定温度、压力和催化剂下，通过F-T（Fischer-Tropsch）合成反应便可得到F-T柴油[1]。

其优点有：合成条件温和，工艺成熟，转化率高，煤种适应性强，可以有效利用褐煤、烟煤等。虽然F-T柴油的生产成本较国际原油价格偏高，但由于煤炭资源储量相对比较丰富。随着国际油价的回升，煤制油项目的经济性将得到大幅度改善，煤制油产业前景预期良好。

同时，随着对环境要求的不断提高，内燃机的振动噪声问题越来越引起人们的注意。内燃机表面振动和噪声与缸内燃烧状态关系密切，利用振动信号和噪声信号可对缸内燃烧状态进行评估和故障诊断。

1 燃料的理化性质及试验设备

1.1 F-T柴油的理化性质

表1给出了F-T柴油的理化特性

表1 F-T柴油与0#柴油特性对比

燃料品质直接影响发动机的着火、燃烧和排放。影响燃烧排放特性的柴油品质参数主要有硫含量、十六烷值、密度、蒸馏温度、芳烃等[2]。由上表可知：对比0#柴油，F-T柴油十六烷值升高，密度降低，粘度降低，蒸馏温度呈下降趋势，芳烃含量减少。

已有研究表明，与0#柴油相比，F-T柴油有如下优点：

1）具有较高的十六烷值，有利于缩短滞燃期，减少预混燃烧放热量，降低柴油机的NOx、HC和CO排放[2]；

2）较低的密度意味着H/C比例的升高，可以使柴油机的PM和CO2排放降低[3]；

3）馏程温度较低，燃油中难以燃烧的重馏分减少，对降低PM和HC的排放有利；

4）密度比0#柴油小，低热值比0#柴油高，能和普通柴油以任意比例互溶[4]。

1.2 试验用机及测试系统

试验用发动机为云内4100QBZL增压中冷柴油发动机，主要参数如表2所示。发动机通过四川诚邦ET2000测控系统进行调控，缸内燃烧压力的获取采用型号Kistler 6125B和4618A2型缸压传感器及电荷放大器，发动机台架试验系统布置如图1所示。

表2 4100QBZL柴油机参数

图1 发动机台架试验系统图

2 试验结果与分析

2.1 缸内压力与压力升高率分析

图2为2200r/min下两种燃料缸内压力与压力升高率曲线。由图2a）可知：低负荷时，燃用F-T柴油后缸内压力峰值较0#柴油有所降低，着火时刻稍有提前，0#柴油和F-T柴油的缸内最大压力分别为5.83MPa，5.75MPa。由图2b）可知：高负荷时，0#柴油和F-T柴油最大爆发压力分别为10.29MPa，10.32MPa，且所对应的曲轴转角变化不大。F-T柴油的压力升高率比较平缓，后燃期压力较0#柴油稍高。其原因主要为：F-T柴油十六烷值高，滞燃期缩短，预混燃烧的放热量少，缸压值较低[5]。

压力升高率反应了燃烧速度的快慢和发动机工作性能。压力升高率越高，而燃烧等容度越高，这对动力性和经济性是有益的。但会使燃烧噪声及振动增加，及燃烧粗暴度增大[3]。

由图2可知，较0#柴油而言，F-T柴油的压力升高率均有降低，峰值大小均不超过0.4 MPa/°CA，而0#柴油压力升高率峰值范围在0.3～0.6MPa/°CA之间。由于压力升高率对燃烧噪声的影响很大，因而燃用F-T柴油可以降低柴油机的整体噪声。

图2 0#柴油与F-T柴油缸内压力与压力升高率曲线

2.2 放热率分析

图3为转速2200 r/min，平均有效压力Pme=0.57 MPa时，两种燃料的放热率曲线。由图可知，较0#柴油而言，F-T柴油放热平缓，预混燃烧放热峰值降低，对应的曲轴转角有所提前；扩散燃烧放热峰值有所升高。

图3 0#柴油与F-T柴油放热率曲线2200r/min Pme=0.57MPa

这是由于F-T柴油的十六烷值较高，滞燃期缩短，在滞燃期内形成的可燃混合气减少，因而参与预混燃烧的燃油量减少，预混燃烧放热峰值也随之降低。而在扩散燃烧阶段，由于F-T柴油馏程温度较低，燃油中难以燃烧的重馏成分较少。其蒸发、扩散和燃烧速率加快，从而导致扩散燃烧阶段的放热率峰值有所升高。

2.3 燃烧始点分析

本文中将燃烧始点定义为燃料累积放热率为5%时所对应的曲轴转角。图4为2200 r/min下两种燃料燃烧始点对比。由图可知：低负荷下，燃用F-T柴油的始点有较大的提前，与0#柴油相比最大提前角为1.8°CA。这是因为F-T柴油的黏度和馏程均比0#柴油小，蒸发和雾化质量好，容易混合均匀。在低负荷时缸内温度相对较低，燃烧始点受十六烷值的影响更大；高负荷下，F-T柴油的燃烧始点较0#柴油稍有推迟。这是因为高负荷时，在相同的柱塞行程下，由于F-T柴油密度比0#柴油小，燃油高压产生得晚，在相同的供油提前角下，F-T柴油实际喷油时刻要晚于0#柴油，出现喷油延时，导致燃烧始点推后。

图4 0#柴油与F-T柴油燃烧始点对比

2.4 对排气温度的影响

图5 0#柴油与F-T柴油排气温度对比

图5 为0#柴油与F-T柴油排气温度对比。由图可知，燃用F-T柴油后，排气温度较0#柴油均有所下降，降幅均在2～10℃之间。这是因为F-T滞燃期短，预混燃烧峰值较低，因而预混燃烧量减少，导致总体燃烧温度降低。从宏观上分析，根据热力学第一定律，排气温度降低，柴油机的热效率必有所提高，即提高了燃料的利用率，从而可以降低能耗，改善其经济性。

2.5 燃烧振动分析

对于试验所用的4100QBZL型柴油机，其四个气缸共用一个气缸盖，缸盖振动加速度传感器安装在第四缸中间位置。在同一工况，由燃烧以外的其他因素对发动机振动效果影响相同，因此本文主要考虑燃烧引起的振动。

图6为转速2200 r/min、Pme=0.76 MPa工况下柴油机一个工作循环内所采集到的缸盖振动加速度的时域信号，采样频率为96 kHz。根据4100QBZL柴油机的发火顺序（4-2-1-3）以及工作相位图（排气门开-进气门开-排气门关-进气门关），可以很容易区分图6中的各激励力响应信号。当柴油机出现某种故障时，相应的激励力响应信号在作用时间和能量强度等方面将发生改变[6]。由图可知，燃用F-T柴油的气缸盖振幅均比燃用0#柴油要小。

图6缸盖振动加速度时域波形图

图7 为不同工况下燃用0#柴油与F-T柴油缸盖振动加速度有效值对比。从总体看，缸盖振动程度均随转速和负荷的增加而增大。这是由于随着转速与负荷的提高，喷油速率提高，滞燃期内可点燃混合油量增加，燃烧剧烈，振动增强。

图7 燃用0#柴油与F-T柴油缸盖振动加速度对比

对比燃用F-T柴油与0#柴油振动加速度的大小可知：由于F-T柴油的十六烷值高滞燃期缩短，压力升高率和最高燃烧压力下降，进而导致燃烧振动的降低。

对4100QBZL发动机缸内压力进行频谱分析可知，发现其大部分能量都集中在700 Hz以下，并且燃用0#柴油缸压频谱峰值较高，波形集中。所以可知与燃烧有关的振动能量集中在0～700 Hz。图8为转速2200 r/min，Pme=0.57 Mpa下缸盖振动加速度的频域波形图。由于柴油机结构是一个相当复杂的多体振动系统，各零件的自振频率不同，大多处于中高频范围[2]。由图可知，缸盖振动加速度频带较宽，振动在200～8000 Hz范围内都有较大的幅值，高频成分的能量较燃用0#柴油少，说明缸内压力高频振荡幅值降低。在频率段3000 Hz左右、4000～5000 Hz、6000～7000 Hz出现峰值，并且峰值均低于燃用0#柴油。

图8 缸盖振动加速度频域波形图

3 结论

1）燃用F-T柴油后，缸内压力略低于燃用0#柴油，压力升高率有较大程度的降低，且峰值大小均不超过0.4 MPa/°CA。低负荷下燃烧始点有较大提前，高负荷下稍有推后。

2）燃用F-T柴油放热平缓，预混燃烧放热峰值降低，对应的曲轴转角有所提前；扩散燃烧放热峰值有所升高。排气温度降低，柴油机热损失减少，热效率有所提高。

3）对测得的柴油机缸盖振动加速度信号时域波形进行分析，可以确定各激励力响应信号，并且振幅均比燃用0#柴油要小。在频域范围内，高频成分的能量有所减少，F-T柴油在各频率段的峰值均降低。

1S.S.Gill，A.Tsolakis，K.D.Dearn.Combustion characteristics and emissions of Fischer-Tropsch diesel fuels in IC engines [J].Progress in Energy and Combustion Science，2011，37（4）：505～523

2黄勇成，周龙保，潘克煜.直喷式柴油机燃用F-T柴油时燃烧特性的研究[J].西安交通大学学报，2006，40（1）：6～9

3王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2009

4黄勇成，周龙保，潘克煜，等.柴油机燃用F-T柴油与0号柴油混合燃料的燃烧特性[J].燃烧科学与技术，2006，12（4）：329～334

5吴后吉，沈颖刚，毕克刚.内燃机生物柴油掺烧比对表面辐射噪声测试与研究[J].噪声与振动控制，2010，2（1）：185～187

6刘世元，杜润生，杨叔子.柴油机缸盖振动信号的小波包分解与诊断方法研究[J].振动工程学报，2000，13（4）：578～582

Effects of Fischer-Tropsch Diesel Fuel on Combustion and Vibration Characteristics of Turbocharged Diesel Engine

Liao Wenrong1，Wang Tie2，Shi Jinhong2，Liu Lei2
1-Department of Mechanical Engineering，Changjiang Institute of Technology（Wuhan，Hubei，430212，China）2-Department of Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology

An experiment was undertaken on 4100QBZL turbocharged diesel engine to compare the combustion and vibration characteristics of diesel engine fueled with Fischer-Tropsch（F-T）diesel fuel and 0#diesel fuel.The result show that：when fueling with Fischer-Tropsch（F-T）diesel fuel，the cylinder pressure is slightly lower than 0#diesel oil，and the rate of pressure rise decreases greatly.Under low load the ignition timing advances，while under high load delays.F-T diesel fuel has smooth heat liberation，lower peak value of premixed burning rate and higher peak value of diffusion burning rate than 0#diesel fuel.In different cases，the vibration acceleration amplitude of cylinder head is less and mainly concentrated range 200Hz from 8000 Hz.High frequency energy is less than 0#diesel fuel.

Fischer-Tropsch diesel，Diesel engine，Combustion，Vibration acceleration

TK421

A

2095-8234（2014）05-0030-05

2014-07-09）

山西省科技重大专项（20111101035）。

廖文蓉（1989-），女，硕士，研究方向为车用清洁代用燃料。

通迅作者：王铁（1957-），男，教授，博士生导师，研究方向为车用清洁代用燃料。