柴油机燃用FAME-柴油混合燃料的燃烧动力性研究

张义俊， 姬少龙， 李遂亮， 王喜云， 易 斌， 孙建中， 刘圣勇

(1.河南农业大学，河南 郑州450002； 2.河南农业职业学院，河南 中牟 451450)

柴油机燃用FAME-柴油混合燃料的燃烧动力性研究

张义俊1，2， 姬少龙1， 李遂亮1， 王喜云1， 易 斌1， 孙建中1， 刘圣勇1

(1.河南农业大学，河南 郑州450002； 2.河南农业职业学院，河南 中牟 451450)

对增压柴油机燃用FAME-柴油混合燃料进行了燃烧动力性的试验研究.结果表明，随着FAME含量的增加，燃烧始点提前，缸内平均压力和平均温度都升高.在燃烧后期，BD100的缸内温度最低；中低负荷时，随着FAME含量增加，耗油率稍有增加，热效率有所降低，对于FAME含量小于40%的混合燃料与BD0相比，有效耗油率平均升高了1.03%，有效热效率降低了0.5%；HC，CO和PM的平均排放及平均烟度值分别降低了20%，35%和73%，47%，而NOX的排放量增加了3%.

FAME；混合燃料；尾气排放；燃烧动力

动植物油脂与甲醇发生化学改性后，长链大分子被转化为较短链的脂肪酸甲酯混合物(Fatty Acid Methyl Ester，FAME)[1].FAME燃料具有与石化柴油接近的分子量，并且不含硫或硫含量极低，与石化柴油相比，燃烧排放物中的SO2和硫化物含量较低，可减少约30%，并且燃料不含芳香族有害烷烃，其废气排放对人体损害度低于石化柴油[2～4].脂肪酸甲酯中含有较多的氧元素，由于氧元素的存在，可以使燃烧更加完全，减少了PM，CO和HC的不完全燃烧产物，但NOX排放稍有增加[5，6].对于在普通柴油机，不经结构改变直接燃用FAME燃料，通常使柴油机的耗油率升高，FAME燃料的热值低，所以动力性较差[7].丁相城等[8]研究了100%的生物柴油(棕榈油)与柴油用于4100QBZL柴油机上的性能，结果表明使用100%生物柴油与纯柴油相比，发动机的扭矩有7%～10%的下降，消耗率上升8%～11%，发动机在低速和高速时，燃用2种燃料的排气温度相差不大，在中速时生物柴油的排气温度要比燃用柴油时的低10%左右，烟度降低了50%～80%.孔德芳等[9]利用4100QB-2型柴油机对0号柴油、纯生物柴油的性能进行了研究，结果表明,柴油机燃用生物柴油的油耗比燃用柴油时平均高12.5%；热效率也基本不变.本研究对市售FAME和0号柴油及其混合燃料应用于增压柴油机上的排放性和动力性进行研究，选择合适的混合比来考察柴油机的燃烧动力特性，利用废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)降低柴油机的燃烧温度，实现燃料的低温燃烧以破坏有害气体生成条件，以达到减少有害气体的排放.

1 材料与方法

1.1试验仪器与材料

本试验选用涡轮增压中冷直喷式柴油机(型号为WP10.336N)燃烧系统.试验系统包括电控燃油供给系统、进气增压系统、曲轴转角调节系统、排气循环再利用系统、燃烧参数采集和尾气测试系统.柴油机性能参数见表1.增压柴油机是利用高温高压的燃烧废气驱动涡轮，增大进气压力，减小进气损失，提高充气系数，从而提高了发动机性能[10].由于进气压力高，新鲜充气在正向压差的作用下流入气缸进行扫气，少部分进入排气管道.增压发动机有较大的气门重叠角，利于清除气缸内的残存的多余废气，增加进入气缸的新鲜空气充量.柴油机增压后，进入气缸的新鲜空气密度增加，配以适当冷却，则柴油机的进气温度将会降低，进气密度进一步增加，配以扫气作用，柴油机气缸内的残余废气量减少，充量系数增加[11]，缸内混合气变稀，可以降低有害气体的排放，从而可以改善柴油机燃烧的排放性能.

本试验测试对象主要是0号柴油、FAME燃油和二者的混合燃油.柴油购于中石化符合国三标准的0号柴油，FAME燃油采用某公司的以大豆为原料生产的符合国家关于调和用生物柴油标准的燃油.FAME燃油的低热值小于柴油的低热值，根据能量守恒，混合燃料的低热值会介于二者之间，柴油不含氧元素，FAME含有9.6%的氧，所以，在燃烧过程中，混合燃料需氧量小于柴油燃烧需氧量.FAME燃油气化潜热高于柴油的，所以在FAME燃烧过程中，缸温的升高率大.所以，燃用混合燃料时，NOX的排放量在燃用FAME燃料时会稍高.为了破坏NOX生成的条件，引入废气再循环，一方面利用反应平衡来阻碍NOX正向发展，另一方面废气的引入稀释了进气中的氧浓度，降低了氧含量，同时经冷却的废气会降低缸温，所以EGR能够有效地减少NOX的生成机会.

表1 柴油机的主要参数Table 1 The main parameters of diesel engine

1.2试验方法

本试验的主要目的在于研究FAME-柴油混合燃料在柴油机上的燃烧动力学特性，所以混合燃料需要在试验前24 h配制好备用，试验用油分别取纯0号柴油、含FAME燃料20%，40%，60%，80%和纯FAME等6种油样，分别记为BD0，BD20，BD40，BD60，BD80和BD100，喷油方式采用单次循环喷油.

试验参数为：柴油机转速为1 400 r·min-1，进气温度约300 K，进气门关闭定时为-65° 曲轴转角时，随着有效压力的变化，不同混合燃料经济性和燃烧特性的变化及随着FAME含量的增加，有害气体排放的变化.

2 结果与分析

2.1FAME-柴油混合燃料的燃烧特性分析

从图1放热率曲线可以看出，随着FAME含量的增加，燃油的滞燃期缩短，燃烧始点依次提前，最大放热率依次降低，燃烧脉宽依次变窄.这是因为FAME燃料具有较高的十六烷值，着火性能好，并且与石化柴油相比，FAME具有较大的压缩弹性模量，喷油时，会使喷油嘴柱塞较早开启提前喷油.因此，随着FAME含量增多，燃料的十六烷值越大，滞燃期越短，再加上喷油提前，使燃料相应燃烧始点提前，较早出现放热率峰值；又由于FAME燃料的热值低，沸点比柴油的沸点高，且低温流动性差，雾化效果不理想，被喷入气缸后形成较少的混合气，所以FAME燃料放热峰值低于纯柴油的放热峰值并且其放热脉宽较窄.

图1 不同FAME含量的燃油的放热率曲线Fig.1 Heat release rate curve of different FAME fuel

由图2可以看出，在混合燃料的示功曲线中出现2个压力峰值，第1个峰值是由于活塞到达上止点气缸容积达到最小引起的压力升高，第2个峰值是因为燃料的混合燃烧释放热量后温度升高产生的最高压力.在整个燃烧过程中，随着FAME含量的增加，气缸压力依次升高.这是由于随着FAME含量的增加，混合燃油的压缩弹性模量增加，致使喷油提前，燃烧始点提前；另一方面，FAME燃料具有较高的十六烷值也是燃烧始点提前的重要原因.燃烧始点的提前，使FAME混合燃料较早出现高温高压现象.不同FAME含量的燃油在转速1 400 r·min-1，进气压力0.2 MPa，平均有效压力 0.9 MPa时的缸内压力和缸内温度的变化见图2.

由图2可知，随着FAME含量增多温度曲线下降率逐渐加快，前期BD100温度比BD0温度高，燃烧后期，BD100温度最低.这是由于FAME燃料十六烷值和压缩弹性模量大，使燃烧始点提前，所以前期缸温比燃用柴油的缸温高.喷油量相同条件下，预混合燃烧阶段消耗燃油多则扩散燃烧就少，并且FAME燃料的低热值，使混合燃油后期的燃烧释放热量较少，导致温度降低较快.

图2 不同FAME含量的燃油的示功图Fig.2 Dynamometer of different FAME

从图3可以看出，对于同于一种混合燃料，随着平均有效压力的增大，有效耗油率先降低后升高，有效热效率先升高后稍微降低，各种燃料变化趋势基本相同.相同负荷时，随着FAME含量的增加，热效率减小.大负荷时，由于柴油机工作状态恶化，燃油雾化变差有效耗油率增加使有效热效率降低.

图3 有效燃油消耗率和有效热效率随FAME含量的变化Fig.3 Efficient fuel consumption and thermal efficiency of different FAME

由于FAME含氧量高，且十六烷值比柴油的大，着火性好，滞燃期缩短燃烧始点提前.另一方面，因为FAME的压缩弹性模量大，喷油的时候柱塞将会提前开启，使喷油始点提前，这也是燃烧始点提前的主要原因.燃烧始点的提前，压缩负功增多，热量损失相应增加致使FAME燃料热效率降低.

在低负荷时FAME混合燃油的热效率和柴油的有效热效率差别不大.在高负荷时，FAME含量多于60%的混合燃料热效率降低的多一些，BD20和BD40热效率减少不太明显同柴油的状态接近.在整个负荷变化过程中，柴油机燃用BD40的耗油率平均增加1.03%，有效热效率降低约0.5%.

2.2FAME-柴油混合燃料排放特性分析

由柴油燃烧过程中排放的废气产生机理可知，NOX易在高温富氧条件下生成，CO，CH，PM和烟度均因燃料燃烧过程中中间产物氧化不完全而产生，需要足够的氧和一定的温度才可以减少这些成分的生成.因此，燃料燃烧后的有害物质的生成需要在一定的边界条件下才能实现，这些边界条件包括一定的混合气浓度范围和燃烧温度区间.

从图4可以看出，颗粒物的排放量随着负荷增加也逐渐升高；随着FAME含量的增多，PM排放量依次减少.分析原因可知，在定转速的工况条件下，充量系数基本保持不变.随着负荷增加，循环供油量增加，使过量空气系数减小，氧浓度降低，混合气的形成逐渐不理想而使PM升高；随着FAME含量的增加，燃料含氧量增加，弥补了因负荷增加造成的过量空气系数的变小产生的含量降低，所以对于混合燃料，其PM排放随着FAME含氧量的增加而减少，BD40和BD0比较，PM排放减少了73%.

图4 FAME含量对PM和NOX排放的影响Fig.4 Impact of FAME content on PM emissions

NOX排放量随负荷的增加而上升，随FAME含量增多，NOX排放量也增加.小负荷时，过量空气系数较大，混合气浓度较稀，这时的燃烧属于稀燃，燃烧温度低，NOX的生成速度慢；随着负荷的增加，过量空气系数变小，混合气形成逐渐均匀，燃烧室温度逐渐升高，再加上 FAME含氧量约为11%，与柴油混合能够产生富氧燃烧，促进NOX的形成.随着FAME含量的增加，混合燃料的含氧量也增加，为NOX的形成创造更有利的条件，排放量也相应增多，BD40和BD0比较，NOX排放增加了3%.在大负荷时，由于柴油机工作状态恶化，供油量增多，燃油雾化变差，燃烧室温度有所降低，低温条件下，NOX生成减少.

由图5和图6可知，烟度和HC排放变化趋势基本一致.低负荷时，HC排放随着负荷增加而增多，中高负荷HC排放量随负荷的增加而降低，在高负荷时，HC排放量又随着负荷增加而上升.主要因为，低负荷时，燃油量少，空气过量系数大，形成稀的混合气，燃烧室缝隙容易残存燃油且极易形成局部低温，再加上喷射到燃烧室壁面的燃油极易产生淬熄现象，未充分氧化而发生分解的低沸点HC排放出去.随着负荷增加，燃烧室温度升高，燃油充分被氧化，HC排放逐渐降低；大负荷时，柴油机工作状态恶化，喷油量增多，雾化效果变差，易形成局部低温且混合气中氧含量减少，空燃比减小，使HC排放升高.FAME燃料的加入增加了混合气的含氧量，促进了中间产物的氧化，所以烟度和HC排放量降低，BD40燃料和BD0比较，HC的排放减少了20%，CO的排放减少了35%.有效平均压力BMEP大于0.7 MPa以后，随着FAME含量增加，烟度、HC和CO的排放量均增加，主要原因在于大负荷时，喷油量增加，FAME含量越大，燃油雾化越差，气缸中很容易产生局部低温，使燃烧不充分导致HC和CO排放的增加.

图5 FAME含量对烟度排放的影响Fig.5 Impact of FAME content on smoke intensity

图6 FAME含量对HC和CO排放的影响Fig.6 Impact of FAME content on HC and CO emissions

3 结论

柴油机在相同的工作条件下，燃用不同FAME含量的混合燃料，有效耗油率随着FAME含量的增加而增大，有效热效率则随着FAME含量增加稍有下降，较大负荷时，由于柴油机工作状态恶化，燃油雾化变差有效耗油率增加使有效热效率降低.整个变化过程中，对于BD40与BD0燃油的BSFC和BTE的变化率分别为增加1.03%和下降0.5%.NOX排放随着FAME的增多而增加，但FAME含量小于40%的混合燃料NOX排放增加并不显著.PM，HC和CO的排放随着FAME含量的增多明显减少.平均有效压力大于0.75 MPa后，HC和CO的排放则随着FAME含量的增加而增加.所以，在不改变柴油机结构条件下，FAME和柴油的混合燃油足以满足柴油机的工况需求.

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(责任编辑：蒋国良)

StudyonthedynamicperformanceofFAME-dieselblendsinengine

ZHANG Yi-jun1,2, JI Shao-long1, LI Sui-liang1, WANG Xi-yun1, YI Bin1, SUN Jian-zhong1, LIU Sheng-yong1
(1.Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002，China；2.Henan Vocational College of Agriculture，Zhongmu 451450, China)

In this paper, experimental study on FAME-diesel blends used in turbocharged diesel engine had been done. Results showed that the starting point of combustion generated in advance with the increase of FAME content, and the average pressure and average temperature in cylinder were rising. The cylinder average temperature in BD100 was the lowest in the late period of combustion. At the circumstance of low load, fuel consumption increased slightly with the FAME content increasing, but the thermal efficiency decreased. When the FAME content was less than 40%, compared with BD0, the average increasing rate of fuel consumption was 1.03%, and that of thermal efficiency was only 0.5%. Emissions of smoke intensity, HC, CO and PM were reduced on average by 47%, 20%, 15% and 23% respectively, while the NOXemissions increased by 3%.

FAME; blend fuel; exhaust emissions; combustion power

1000-2340(2014)06-0726-05

S216.1

：A

2014-02-19

国家“863”项目(2012AA051502)；河南省科技创新杰出人才计划(2014KJCXJCRC015)；郑州市科技创新团队(131PCXTD588)

张义俊，1974年生，女，河南南阳人，博士，主要从事生物质能转化技术方面的研究.

刘圣勇，1963年生，男，河南柘城人，教授，博士生导师.