共轨柴油机燃烧纯生物柴油的试验研究

石来华，曹文明，刘　波

共轨柴油机燃烧纯生物柴油的试验研究

石来华，曹文明，刘波

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122）

对一台国产涡轮增压直喷柴油机燃烧0#柴油和纯生物柴油的动力性、燃油经济性和排放性能进行对比试验研究。试验结果表明，在柴油机不进行任何调整的情况下，燃烧纯生物柴油会降低其动力性和燃油经济性，但可大幅度改善CO、HC和PM的排放性能。

柴油机；生物柴油；动力性；排放性；经济性

随着石油资源的日渐枯竭，以及工业、农业、交通运输等高速发展对能源需求的日益增加，寻找替代燃料已迫在眉睫。生物柴油因原料来源广［1］，具有可降解性，无毒性。作为发动机燃料能降低有害物排放，且能直接或与柴油混合后用于现有柴油机而备受关注［2］，已在欧洲和美国得到广泛应用［3］。

由于我国生物柴油原料供应不足，量少价高，再加上人们对生物柴油的认识不足等，与国外相比还有不小的差距。目前生物柴油在发动机上的应用还处于试验研究阶段［4-6］。本文对一台国产涡轮增压直喷柴油机燃烧市售0#柴油和纯生物柴油的性能进行试验研究，对比分析两者在发动机动力性、燃油经济性及排放性能的区别。

1　试验条件

1.1试验方案

试验用柴油机的主要技术参数见表1。在其结构和参数不作改动和调整的前提下，分别在燃烧市售0#柴油和以续随子为原料生产的纯生物柴油时进行了净功率［7］、全负荷烟度试验及［8］十三工况稳态（ESC）［9］排放试验，测量燃烧不同燃料时发动机的动力性、燃油经济性和排放性能。

表1　试验用柴油机主要技术参数

1.2试验用主要设备

试验在国家客车质量监督检验中心重型发动机排放试验室进行，试验用主要设备如表2所示。

表2　试验用主要设备

1.3试验用油

市售0#柴油和生物柴油的理化指标如表3所示。

表3　0#柴油和生物柴油的理化指标

2　试验结果与分析

2.1发动机动力性

图1为柴油机在全负荷工况下，燃烧0#柴油和纯生物柴油时功率和扭矩对比。由图1可知，柴油机燃烧纯生物柴油时，功率、扭矩随转速变化的总体规律与燃烧0#柴油时一致，但在整个转速范围内，燃烧纯生物柴油时的功率、扭矩曲线均在相应的0#柴油曲线之下。整个外特性上，功率、扭矩的平均降幅为9.5%；最大功率由225.0 kW降到205.6 kW，降幅为8.6%；最大扭矩由1 432.4 N·m降到1 305.4 N·m，降幅为8.9%。这与文献［10-11］里研究结果相一致，柴油机燃烧纯生物柴油动力性会下降5%～10%，主要是由于纯生物柴油的质量热值比柴油低约13%（其体积热值比柴油低约10%）。在对柴油机不做任何调整的情况下，单位体积供油量保持不变，而在同体积内，纯生物柴油燃烧释放的能量少，导致功率、扭矩下降。

图2为该柴油机在转速为1 432 r/min（ESC试验的B转速）时部分负荷扭矩对比。由图2可知，部分负荷工况下，燃烧纯生物柴油时，扭矩曲线均在相应的0#柴油曲线之下，其主要原因同样是由于纯生物柴油的热值比柴油低。

2.2发动机燃油经济性

燃油的比重、粘度、热值等特性会影响发动机的燃油经济性［12］。图3和图4分别为燃烧不同燃料时外特性和转速为1 432 r/min时负荷特性下的燃油消耗量和燃油消耗率的试验结果。由图3和图4可知，燃烧纯生物柴油时，燃油消耗量和燃油消耗率随扭矩变化的总体规律与燃烧0#柴油一致，即相同负荷时燃油消耗量随转速增加而增大，燃油消耗率随转速增加先减小后增加；相同转速下燃油消耗量随扭矩增加而增大，燃油消耗率随扭矩增加先减小后增加。但相同工况条件下，燃烧纯生物柴油时的燃油消耗量和燃油消耗率比燃烧0#柴油时大，全负荷工况时，燃油消耗量平均增加1.5%。由于燃烧纯生物柴油的功率下降较多，燃油消耗率平均增幅达到了12.7%，在转速1 432 r/min时部分负荷下，燃油消耗率平均增幅为14.6%。这与理论相符，理论上柴油机燃烧纯生物柴油时，燃油消耗率会增加14%左右［13］，主要是由于纯生物柴油的密度大。在喷油压力、喷油脉宽相同的情况下，喷入气缸内的燃料体积相同，实际喷入气缸内燃料的质量多，燃油消耗量增大；其次纯生物柴油的热值低，燃烧纯生物柴油时，发动机输出功率下降，导致燃油消耗率高［14］。

2.3发动机排放性能

表4为相同工况下，燃烧0#柴油和纯生物柴油时ESC的排放试验结果。从表4中可以看出，燃烧纯生物柴油可有效降低CO、HC、PM的比排放量，但NOx比排量会略有增加。

表4　燃烧不同燃料的十三工况稳态排放试验结果g/（kW·h）

1）CO、HC排放。CO、HC是燃料不完全燃烧的产物，主要受燃料类型、雾化速率、喷油时刻、喷油压力、发动机转速和负荷等的影响［15］。由表4的十三工况稳态排放试验结果可知，燃烧纯生物柴油时，CO、HC的比排放量比燃烧0#柴油时分别降低了28.3%、59.7%。图5和图6为1 423 r/min时的部分负荷工况下，燃烧不同燃料时的CO、HC的排放特性。由此可知，燃烧生物柴油时，CO、HC的排放都有显著降低。这主要是由于纯生物柴油是含氧燃料，且十六值较高，燃料的着火性好，滞燃期缩短，缸内高温持续时间长，有助于燃料的完全燃烧。

2）烟度及颗粒排放。降低微粒和烟尘排放是生物柴油一个非常重要的优点。由表4的十三工况稳态排放试验结果可知，ESC排放时，PM降低幅度达到了12.6%。由图7柴油机燃烧不同燃料时外特性上的烟度排放可知，燃烧纯生物柴油时外特性上烟度大幅度降低。其主要原因：生物柴油为含氧燃料，有助于混合气更加充分地燃烧；生物柴油中芳香烃和硫化合物的含量较少，降低了碳烟及颗粒成核的速率；生物柴油十六值较高，燃料的着火性好，致使滞燃期缩短，缸内高温持续时间长，有助于燃料的完全燃烧，减少了碳烟及颗粒的排放。

3）NOX排放。NOX的形成高度依赖于缸内温度、氧气浓度和反应发生的持续时间。由图8 1 423 r/min时部分负荷工况下，柴油机燃烧不同燃料时的NOX的排放特性可知，燃烧纯生物柴油时，NOX比排放量随负荷变化的规律与燃烧0#柴油时一致，即NOX比排放量随负荷增大先增大后减小。小负荷时，燃烧纯生物柴油与燃烧0#柴油的NOX比排放量基本相同，但中高负荷时，燃烧纯生物柴油时的NOX比排放量略有增加。这主要是因为在低负荷时，柴油机气缸内温度较低，不利于NOX的产生。当在中高负荷时，柴油机缸内温度升高，适合NOX的产生，再加上生物柴油为含氧燃料，有助于NOX的生成，使得在中高负荷时燃烧纯生物柴油的NOX比排放量比燃烧0#柴油时略有增加，但很不明显［16］。

2.4改善措施

改善发动机燃烧生物柴油的动力性及经济性的措施主要有：

1）由于生物柴油的热值比0#柴油低，在不改变发动机结构的前提下，可通过重新标定发动机ECU中的喷油参数来改善发动机的动力性和经济性。

2）由于生物柴油的十六烷值高，抗暴性能好，所以可通过提高压缩比来改善发动机的动力性和经济性，该方法可充分发挥生物柴油的特性优势。

3　结论

1）纯生物柴油热值低，燃烧纯生物柴油会降低发动机的动力性能，全负荷工况平均降低幅度达9.5%。

2）燃烧纯生物柴油时，燃油消耗率比燃烧0#柴油时高，外特性上平均增大幅度为12.7%；转速1 432 r/min时，部分负荷下平均增大幅度为14.6%。

3）纯生物柴油是含氧燃料，燃烧纯生物柴油能有效地降低CO、HC和PM比排放量，但可能会略微增加NOX的比排放量。ESC排放试验时，CO、HC和PM比排放量降低幅度分别为28.3%、59.7%、12.6%，NOX比排放量增加幅度为2.4%。

4）可通过重新标定或提高压缩比来改善燃烧生物柴油的发动机动力性和经济性。

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修改稿日期：2014-11-18

Experimental Study on Common Rail Diesel Fueled with Biodiesel

Shi Laihua，CaoWenming，Liu Bo
（ChongqingVehicle Test&Research Institute，National Coach QualitySupervision&TestingCenter，Chongqing401122，China）

An experimental studyis conducted on turbocharged direct-injection diesel engine made in China with 0#diesel and pure biodiesel.The engine fuel power，economy and emissions have been measured and analyzed.The experimental results showthat the engine power performance and economy fueled with the pure biodiesel are worse than those with fueled 0#diesel，but CO，HCand PMemissions are better.

diesel engine；biodiesel；power；emissions；economy

TK429

B

1006-3331（2015）01-0058-04

石来华（1980-），男，工程师；主要从事发动机试验检测、发动机性能模拟计算及优化工作。