共轨柴油机燃用生物柴油-汽油混合燃料的性能与排放研究

2019-08-26杨传通贺晶晶李权威陈昊

车用发动机 2019年4期

杨传通，贺晶晶，李权威，陈昊

(长安大学汽车学院，陕西西安 710000)

由于热效率高、动力性好，柴油机广泛用于车辆和工程机械中。然而，随着排放法规的日益严格，传统柴油机同时减少氮氧化物和炭烟排放以达到排放目标是一个巨大的挑战。生物柴油作为一种绿色环保和可持续的柴油替代燃料，受到了广泛的关注[1-3]。生物柴油是主要以植物油、动物脂肪或者餐饮废弃油脂为原料生产的燃油，属于生物质能源，其主要成分是脂肪酸甲酯，通常通过使脂质与醇(主要是甲醇)化学反应产生脂肪酸酯而制成[4]。生物柴油理化性能与石化柴油相似，在不改动柴油机现有结构基础上可直接应用[5]。国内外已有大量研究表明，与传统柴油燃料相比，柴油机燃用生物柴油时的CO、HC和炭烟排放均有所降低，但是NOx排放较高[6-8]。

此外，生物柴油存在着黏度高、密度高、低温流动性差和热值低等缺点[9]。生物柴油的喷雾特性与柴油相似，但其喷雾贯穿距离比柴油大，而喷雾锥角约为柴油的一半。生物柴油较大的密度导致大直径油滴数量较多，影响喷雾贯穿距离，而高黏度和低挥发性导致喷雾锥角变小，影响雾化质量[10-11]。改善燃料挥发性和降低燃料黏度可以改善油雾化的质量。而生物柴油的低热值也会导致柴油机燃油消耗率的增加[12]。为了解决生物柴油理化性质方面存在的缺点，许多研究者采用添加含氧燃料的方法。尧命发等[13]采用进气道喷正丁醇和缸内直喷生物柴油的方法实现了高预混燃烧，有效降低NOx和炭烟排放。文献[14]将PODE与生物柴油混合，通过改善生物柴油的黏度和低温流动性实现了降低柴油机炭烟的效果。

综上所述，国内外对于低比例汽油掺混生物柴油的研究较少。低比例汽油掺混生物柴油可以通过降低燃料运动黏度和提高挥发性来改善生物柴油性能。本研究选用不同掺混比的生物柴油-汽油混合燃料(汽油体积比小于20%)，在一台增压中冷、直列6缸高压共轨柴油机上测试了3种燃料在1 400 r/min，不同负荷下的燃烧和排放性能。此外，还对超细颗粒物(D<220 nm)的数浓度进行了研究。

1 试验设备及方法

试验采用的是一台直列6缸四冲程高压共轨电控YC6G270-30柴油机，具体参数见表1。

表1 发动机主要参数

试验燃料为餐饮废油制成的生物柴油，分别掺混0%，10%和17%汽油，配制成BD100，BD90G10和BD83G17 3种燃料。燃料的部分理化特性见表2。混合燃料的倾点和凝固点低于BD100，有助于提高低温流动性。 BD90G10和BD83G17的黏度明显下降，有利于喷雾和雾化的改善。汽油的95%蒸馏温度低于生物柴油，因此BD90G10和BD83G17具有更高的挥发性。

表2 生物柴油-汽油混合燃料理化性质

试验采用凯迈CW260电涡流测功机控制转速和扭矩，使用Kistler 6052A压电式缸压传感器采集发动机气缸压力信号，经过Kistler5019B电荷放大器将信号传输到KiBox燃烧分析仪。排放测试系统包括废气分析仪(AVL Digas4000：HC，CO和NOx；AVL Dismoke 4000：烟度)和空气动力学粒度分光计(SMPS-3936)。空气动力学粒度分光计(SMPS-3936)主要参数见表3。由表3可以明确看出，该仪器检测浓度最低可达1个/cm3，且对于每个工况点的颗粒物采集均可在64 s内完成。该仪器测量精度高、反应时间快，完全满足试验需求。通过体积分数分析HC，CO和NOx排放；炭烟排放由不透光度描述，通过数浓度分析超细颗粒物。试验中发动机转速稳定在1 400 r/min，其平均有效压力分别为0.16 MPa，0.32 MPa，0.48 MPa，0.64 MPa，0.81 MPa，0.97 MPa，1.3 MPa。纯生物柴油的发动机运行工况和原机喷射策略见表4。由测量的缸压信号计算瞬时放热率和燃烧温度。

表3 SMPS-3936型空气动力学粒度分光计主要参数

表4 发动机转速1 400 r/min时的原机参数

2 试验结果与分析

2.1 喷射时刻

表5列出发动机在不同负荷时的喷射时刻和喷射持续期。在部分负荷时采用了预喷射和主喷射的二次喷射策略，在中高负荷采用一次喷射。对于同种燃料来说，随着负荷增加，喷射始点提前，喷射持续期增大，燃油消耗量增多。此外，对于发动机所有负荷工况，随着汽油掺混比例增加，主喷射时刻稍微延迟并且持续期减小。这是由汽油-生物柴油混合燃料的理化性质决定的。掺混汽油使混合燃料的热值增加，输出同等功率，混合燃料消耗量相比生物柴油减少。

2.2 燃烧特性

图1示出汽油-生物柴油混合燃料在1 400 r/min时的缸内压力、瞬时放热率和燃烧温度与燃用纯生物柴油的比较。0.48 MPa，0.64 MPa，1.3 MPa分别代表部分负荷，中等负荷和大负荷。3种缸内压力曲线变化几乎没有差异，混合燃料的峰值燃烧压力略高于BD100。在部分、中等负荷下，与BD100相比，BD90G10和BD83G17的燃烧始点滞后。随着混合燃料中汽油掺混增多，其自燃性变差，使得滞燃期延长，燃烧始点滞后。大负荷时3种燃料相差不大，随着负荷的增加，缸内温度升高，缸内热力状况得到有效改善，十六烷值对燃烧始点和滞燃期的影响弱化。

在部分负荷和中等负荷下，混合燃料的峰值放热率明显高于BD100。在0.64 MPa下，BD90G10和BD83G17的峰值放热率为232.47 J/(°)和236.66 J/(°)，而BD100的峰值放热率仅为222.3 J/(°)。在0.81 MPa下，BD100，BD90G10和BD83G17的放热率峰值分别为234.9 J/(°)，237.7 J/(°)和238.0 J/(°)。这种现象可归因于混合燃料的高热值和滞燃期延长。在高负荷下峰值放热率略有上升：一方面，混合燃料的燃烧始点几乎相同；另一方面，高汽化潜热抵消了高热值对峰值放热率的影响。

表5 喷射时刻及喷射持续期

由于混合燃料滞燃期长，热值高，加之部分负荷及中等负荷下的峰值放热率大，因此混合燃料的燃烧温度相比纯生物柴油有所增加。在平均有效压力为1.3 MPa时，缸内热状态得到改善，汽油可燃性差的特点对燃烧始点的影响减弱。汽油具有比生物柴油更高的汽化潜热，可吸收更多的缸内热量，该效果平衡了由高热值和高放热率峰值引起的燃烧温度的增加趋势。因此，在高负荷下掺混汽油后燃烧温度几乎没有增加。

2.3 有效燃油消耗率

有效燃油消耗率是反映燃料经济性能的一个重要指标。图2示出在1 400 r/min 时，发动机燃用生物柴油以及生物柴油-汽油混合燃料(BD100，BD90G10，BD83G17)的负荷特性油耗对比。由图2可知，燃料的有效燃油消耗率随着汽油掺混比例增加而降低。燃料的热值随着汽油含量的增加而提高，生物柴油-汽油混合燃料热值增加，要输出相同的功率会减少燃料的消耗。因此，随着汽油掺混比的提高，燃料有效燃油消耗率降低。从图2还可以看出，随着汽油掺混比的增加，混合燃料的有效热效率比生物柴油的更高。汽油含量的增加使得燃料雾化质量提高，燃料燃烧更加充分，有效热效率增加。

图2 发动机有效燃油消耗率

2.4 排放特性分析

2.4.1NOx排放

图3示出发动机在1 400 r/min时燃用BD100，BD90G10和BD83G17燃料的NOx排放对比。由图3可知，与BD100相比，BD90G10和BD83G17的NOx排放较高。相同工况下，随着汽油掺混比例的增加，燃料的NOx排放逐渐增加。这是因为随着汽油掺混比例的提高，混合燃料峰值燃烧温度升高，故导致NOx排放增多。

2.4.2炭烟排放

燃油中的碳在高温和缺氧条件下，受缸内可燃混合气的均匀性、燃料的性质、燃料的雾化及燃烧室内燃料的积聚等因素的影响而生成炭烟[16]。图4示出生物柴油-汽油混合燃料的炭烟随发动机负荷的变化。由于BD90G10和BD83G17的运动黏度低于BD100，生物柴油-汽油混合燃料的雾化质量优于生物柴油，故BD90G10和BD83G17两种燃料的预混燃烧强度高于BD100，柴油机燃用生物柴油-汽油混合燃料时极大地减少了燃料处于高温缺氧环境中的概率，故相同工况下，随着汽油掺混比例的增加，炭烟排放降低。

图3 1 400 r/min时NOx排放负荷特性

图4 1 400 r/min时烟度负荷特性

2.4.3超细颗粒物排放

柴油机的颗粒物排放是造成城市大气环境恶化的主要原因之一，而且许多研究表明，超细颗粒物易进入肺泡、血液、神经系统等，其和白血病、心血管疾病的发生有一定关联[17-18]。超细颗粒物按照不同物理形成机制分为3种模态：成核态颗粒物(D<50 nm)、爱根模态颗粒物(50 nm

图6示出发动机转速为1 400 r/min时的超细颗粒物数浓度负荷特性。由图6看出，随着负荷的增加，BD100和BD90G10的超细颗粒物数浓度呈先增大后减小的趋势。BD100的超细颗粒物数浓度最大，平均有效压力为0.48 MPa时达到最大值，BD90G10在0.32 MPa时颗粒物数浓度达到最大值。BD83G17数浓度总体呈随着负荷增加而减小的趋势。在低负荷和部分负荷时，炭烟排放较低，但是超细颗粒物数浓度较高。这主要是因为在此负荷工况下，缸内温度较低，燃料雾化效果差，低热效率导致的不完全燃烧造成超细颗粒物数浓度的显著增加。然而，随着发动机负荷的增加，缸内燃烧温度增加，缸内热状态得到显著改善，空气与燃料混合均匀，因此超细颗粒物数浓度明显降低。与BD100相比，生物柴油-汽油混合燃料明显降低了柴油机的超细颗粒物排放，这主要因为掺混汽油有效改善了燃料空气混合物的雾化质量。在低负荷和部分负荷下，混合燃料超细颗粒物数浓度随着汽油掺混比增大而显著降低；在高负荷下，BD90G10和BD83G17的数浓度相差不大，表明汽油掺混比的进一步增大对超细颗粒物排放的减少影响不大。