混合燃料中生物柴油掺混比例对发动机性能影响的研究

蒋超宇, 王伟超, 杨学平(.云南机电职业技术学院 汽车技术工程系, 昆明 65003； .云南农业大学 机电工程学院，昆明 65003)

生物柴油是清洁可再生液体燃料，具有十六烷值低、无毒、低硫、可降解、无芳烃等特点，可直接替代或与化石柴油调合使用，有效改善低硫柴油润滑性，有利于降低柴油发动机尾气颗粒物、一氧化碳、碳氢化合物、硫化物等污染物排放[1-3]。乙醇是一种优良燃料，其作为一种优良的燃油品质改善剂被广泛使用，将柴油、生物柴油和乙醇3种燃料作为混合燃料使用已经得到关注，且很好地运用3种燃料各自的优势，在发动机基础结构不变的情况下，能有效降低碳烟的排放[4-10]。

目前，国内外主要针对混合燃料的可溶性及物化特性进行研究，对混合燃料中生物柴油掺混比例变化引起发动机性能变化的研究较少。生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的混合主要考虑3种燃料的可溶性，而生物柴油作为混合燃料的助溶剂已得到证实，由于乙醇燃料易汽化的特点，掺混过高的乙醇会导致缸内燃烧不稳定，过低的生物柴油掺混比例对发动机性能影响不明显，过高的生物柴油掺混比例会使混合燃料互溶性变差[11-16]。针对燃料特点，本文选用了B15E3和B25E3两种掺混了高比例生物柴油混合燃料(低乙醇含量)与纯柴油进行燃烧试验对比，两种燃料中乙醇含量(3%)相同，通过试验分析混合燃料中掺混生物柴油比例变化引起的发动机性能变化规律，为今后在汽车上使用生物质燃料及乙醇提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用纯柴油、B15E3(生物柴油体积分数为15%，乙醇体积分数为3%和柴油体积分数为82%)和B25E3(生物柴油体积分数为25%，乙醇体积分数为3%和柴油体积分数为72%)3种燃料进行燃烧试验。

考虑当地环境及温度等综合因素，混合燃料中使用的柴油为普通轻型0#柴油；乙醇选用纯度为99.5%的无水乙醇；生物柴油以地沟油为原料，由于地沟油质量较差、不卫生及酸值、水分、过氧化值严重超标等特性，利用化学法对地沟油进行处理，主要分为4个步骤进行：预处理、酯化、甘油精制、生物柴油精馏。通过此方法得到符合条件的生物柴油。

生物柴油、乙醇和柴油及混合燃料的理化特性见表1。

表1 试验燃料的理化特性

试验中采用的发动机为YN30CR高压共轨、直列四冲程、水冷柴油机，发动机主要技术参数见表2。试验台架采用杭州奕科机电公司WE系列水涡流测功机，在数据采集过程中用到NI公司PCI-6602数据采集卡、Omega公司9X309压力传感器、长春禹衡光学有限公司LF36BM-C05D光电编码器、江苏联能电子有限公司5011A电荷放大器、安捷伦有限公司Infinii Vision 2000 X示波器及广东佛分仪器厂FBY-201滤纸式烟度计。

表2 发动机主要参数

1.2 试验环境与方案

试验环境为云南省昆明市，海拔1 895 m，气压约80.7 kPa，环境温度20～25℃，相对湿度20%～35%。试验中测功机为发动机提供负荷及测量油耗数据、压力传感器测量发动机压力及压力升高率数据、光电编码器采集曲轴转角数据和烟度计测量发动机排放中的烟度数据，通过电荷放大器将数据调试后由Lab-VIEW软件将发动机台架上燃烧3种燃料的性能数据采集、记录并分析。

2 结果与讨论

2.1 燃烧性试验分析

图1为发动机在最大扭矩转速2 200 r/min工况下的缸内压力和压力升高率随曲轴转角变化的曲线图。

图1 缸内压力及压力升高率对比

从图1可以看出，3种燃料在缸内燃烧过程中的缸内压力及压力升高率变化趋势基本相同。燃烧B15E3和B25E3的缸内最大压力和最大压力升高率均低于纯柴油，生物柴油掺混比例较高的B25E3下降较为明显，下降分别达到1 MPa和0.14 MPa/°CA。对于缸内压力峰值和压力升高率峰值出现时间，混合燃料均较纯柴油提前，燃烧B15E3和纯柴油的缸内压力峰值出现时间基本相同，燃烧B25E3的缸内压力峰值出现时间较另两种燃料提前了7°CA。

燃料的热值、含氧量和十六烷值是影响发动机缸内压力和压力升高率的主要因素，压力升高率的变化与缸内混合气形成的过程有密切关系，而由于生物柴油含氧特性和较高的十六烷值，致使发动机燃烧初始恶劣的条件得到改善，在燃烧初期油气混合时间延长，能形成较为理想的混合气，着火滞燃期缩短，有助于发动机初期缸内燃烧，使缸内压力及压力升高率峰值出现位置提前，而生物柴油和乙醇的热值均低于柴油，使得随着生物柴油掺混比例的增加，混合燃料的热值降低，缸内压力峰值也降低。

瞬时放热规律直接反映了缸内的燃烧放热随着曲轴转角变化的趋势，可以更直接地反映燃烧过程的特征。图2表示发动机最大扭矩转速2 200 r/min工况下燃用纯柴油、B15E3和B25E3 3种燃料的瞬时放热率对比情况。

图2 瞬时放热率对比

从图2可以看出，燃烧纯柴油和B15E3的瞬时放热率变化趋势基本一致，燃烧B15E3的瞬时放热率峰值较纯柴油低4.8%，瞬时放热率峰值出现时间基本相同，而燃烧B25E3的瞬时放热率较纯柴油低5.6%，瞬时放热率峰值出现时间较另外两种燃料出现明显滞后，达8°CA。由于生物柴油黏度较高，随着生物柴油的掺混比例增加，混合燃料的瞬时放热率峰值出现时间滞后现象明显，而生物柴油热值较低，使得随着生物柴油掺混比例的增加，发动机缸内的瞬时放热率峰值逐渐降低。

2.2 经济性试验分析

图3为发动机在最大扭矩转速2 200 r/min工况下的当量燃油消耗量随负荷变化的曲线图。

图3 燃油消耗量对比

从图3可以看出，发动机在燃用B15E3和B25E3两种燃料之后的当量燃油消耗量稍低于纯柴油，燃油经济性得到一定改善，在中低负荷下，经济性改善较为明显，纯柴油当量燃油消耗量最高，燃烧B25E3的当量燃油消耗量低于B15E3，高负荷时，燃烧B25E3的当量燃油消耗量稍高于B15E3，经济性改善不显著。燃烧混合燃料出现当量燃油消耗量下降的情况，两种混合燃料的自含氧特性和较高的十六烷值有助于提高燃烧效率，改善发动机的燃烧过程。在中低负荷下，B25E3的当量燃油消耗量低于B15E3和纯柴油的主要原因是燃料的含氧量发挥作用，高含氧量有助于改善缺氧区域的燃烧。高负荷时，由于混合燃料热值低，燃烧混合燃料的燃油消耗量没有燃烧纯柴油下降幅度大，致使3种燃料当量燃油消耗量相差不大。

2.3 排放性试验分析

图4为发动机在最大扭矩转速2 200 r/min工况下的3种燃料的碳烟排放情况。

图4 碳烟排放对比

从图4可以看出，发动机燃烧混合燃料的碳烟排放性优于纯柴油，而生物柴油比例含量较高的B25E3碳烟排放最低，相较于低负荷，在中高负荷工况下，混合燃料的碳烟排放性能改善较为明显。主要由于生物柴油的高含氧量有助于改善混合气，增加燃烧过程中的氧含量，改善燃烧过程。

3 结 论

通过在YN30CR柴油发动机上燃烧纯柴油、B15E3和B25E3 3种燃料，分析对比其燃烧性、经济性和排放性，结论如下：

(1)燃烧混合燃料的缸内压力及压力升高率变化趋势与纯柴油基本相同。发动机动力性下降，B25E3下降较为明显，缸内压力峰值下降1 MPa，压力升高率峰值下降0.14 MPa/°CA。燃烧B15E3和B25E3的瞬时放热率峰值较纯柴油低4.8%、5.6%。

(2)燃用B15E3和B25E3两种燃料之后的当量燃油消耗量低于纯柴油，燃油经济性有一定改善。中低负荷下，纯柴油当量燃油消耗量最高，B25E3的当量燃油消耗量低于B15E3，高负荷下，燃烧B25E3的当量燃油消耗量稍高于B15E3。

(3)发动机在燃用B15E3和B25E3后，碳烟排放低于燃烧纯柴油，B25E3改善幅度大于B15E3，随着负荷的增加，碳烟排放性能改善较为明显。

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