生物柴油及其混合燃料的喷油特性研究

侯军兴，张华阳，安晓东，宗晓晶

(郑州航空工业管理学院航空工程学院，河南 郑州 450046)

由于能源危机和环境污染日趋严重，压燃发动机燃用清洁替代燃料成为人们的共识。生物柴油十六烷值较高，含氧，硫含量极低，不含芳香烃，润滑性好，来源广泛，资源不会枯竭，是一种性能优异、可再生的清洁替代燃料。郭恒杰等[1]研究了棕榈油生物柴油的喷雾特性，研究表明，提高喷油压力可以促进油滴的破碎，提高环境背压可以促进油滴的聚合。宋晓超等[2]研究了燃油温度对生物柴油喷雾特性的影响，研究表明，提高燃油温度，生物柴油的液相贯穿距离减小，索特平均直径增大。杨康康等[3]研究了生物柴油掺混醇类燃料的喷雾特性，发现喷雾贯穿距离和喷雾锥角主要受喷油压力和环境背压的影响，高喷油压力和环境背压下，燃料对喷雾特性的影响减弱。此外，国内外许多学者研究了生物柴油的燃烧和排放特性[4-6]，研究发现柴油机燃用生物柴油会导致NOx排放升高[7-8]。二甲醚也是一种清洁替代燃料，其十六烷值较高，含氧量大，NOx排放低，可实现零炭烟排放[9]。在生物柴油中掺混二甲醚，有利于改善生物柴油的雾化，迅速形成均匀混合气，还有利于降低NOx排放[10-11]。目前针对生物柴油掺混二甲醚混合燃料的喷油特性研究较少，因此，本研究对纯生物柴油、高比例生物柴油混合燃料和低比例生物柴油混合燃料在不同喷油压力、不同喷油脉宽下的喷油速率、喷油器入口处嘴端油管压力进行试验研究，确定了喷油条件和生物柴油掺混比例对喷油速率、油管压力和循环喷油能量的影响规律。

1 试验装置和试验燃料

在喷油泵试验台上搭建共轨系统喷油试验装置(见图1)。燃料罐中的燃料经滤清器滤清、低压泵加压进入高压泵，再经高压泵二次加压后通向共轨，经过电控喷油器进行喷油。喷油器安装在长管法喷油速率仪上，喷油器喷嘴为7×0.17 mm，启喷压力为17 MPa。用压力传感器、电荷放大器和数据采集仪采集喷油器入口处的油管压力和长管内喷油燃油的压力波，采样频率为50 kHz。

图1 喷油试验装置示意

生物柴油和二甲醚两种燃料的主要理化特性见表1。试验燃料有3种，分别为纯生物柴油、高比例生物柴油混合燃料和低比例生物柴油混合燃料，燃料中生物柴油所占的质量比例分别为100%，70%和30%，记为BD100、BD70和BD30。试验时，喷油压力分别为40 MPa和60 MPa，喷油脉宽分别为1.2 ms和1.6 ms。

表1 燃料的主要理化特性

2 试验结果与分析

2.1 纯生物柴油喷油特性研究

图2示出不同喷油压力和喷油脉宽下，纯生物柴油BD100的喷油速率。表2示出不同喷油压力和不同喷油脉宽下的喷油速率参数。由图2和表2可知，同一喷油压力下，脉宽由1.2 ms增加为1.6 ms时，喷油始点相同，喷油初期喷油速率上升斜率、喷油末期喷油速率下降斜率、喷油持续阶段的喷油速率均相同，喷油终点延后，喷油持续期明显延长。当喷油压力由40 MPa增加为60 MPa时，喷油速率在喷油初期上升和喷油末期下降曲线均变陡，最大喷油速率增加，喷油持续阶段的喷油速率波动变大。喷油压力升高，喷孔前后压差变大，最大喷油速率增加；共轨内和高压油管内油管压力振荡变大，影响针阀完全开启后的喷油速率稳定性，所以喷油持续阶段的喷油速率抖动幅值变大。

图2 不同喷射条件下纯生物柴油的喷油速率

表2 纯生物柴油的喷油速率特征参数

图3示出不同喷油压力和喷油脉宽下，BD100喷油器入口处的嘴端油管压力(简称嘴端压力)。由图3可知，喷油器入口处的嘴端压力波形相似，均为先下降形成第一波谷再上升，达到第一波峰(最高值)后开始波动，波峰随时间逐渐衰减。喷油压力由40 MPa增加为60 MPa时，喷油引起的嘴端压力下降幅度变大，喷油结束后嘴端压力各个波动幅值均变大，除第一波峰外，其余各个波峰的相位均提前。说明喷油压力既影响嘴端压力的大小，又影响其相位。喷油脉宽由1.2 ms增加为1.6 ms时，喷油引起的嘴端压力下降幅度差别不明显，但各个波峰的相位明显延后，说明喷油脉宽对嘴端压力大小影响不明显，仅对嘴端压力波峰的相位影响明显。

图3 纯生物柴油在不同喷油条件下的嘴端压力

2.2 混合燃料喷油特性研究

图4示出不同喷油条件下，掺混比例对生物柴油-二甲醚混合燃料喷油速率的影响。表3示出混合燃料喷油速率特征参数。由表3和图4a可知，喷油压力60 MPa，喷油脉宽1.6 ms时，BD100、BD70和BD30这3种燃料的喷油始点相同，喷油初期喷油速率上升差别不大；掺入二甲醚后，在喷油持续阶段，随着生物柴油混合比例的减少，燃料喷油速率抖动变大，喷油终点延后，喷油持续期延长，尤其是纯生物柴油BD100与混合燃料 BD70、BD30的喷油终点、喷油持续期差别较大；而两种混合燃料BD70和BD30的喷油终点、喷油持续期差别不明显。说明60 MPa喷油压力下，高比例生物柴油混合燃料BD70和低比例生物柴油BD30的喷油速率特性差别不明显。由表3和图4b可知，喷油压力40 MPa时，BD100、BD70和BD30的喷油始点相同，喷油初期喷油速率上升基本一致；在喷油持续阶段，随着生物柴油掺混比例的减少，喷油速率抖动变大，喷油终点延后，喷油持续期延长。纯生物柴油BD100与混合燃料 BD70的喷油终点、喷油持续期接近，与混合燃料 BD30的喷油持续期、喷油终点差别较大。值得注意的是，3种燃料的喷油终点、喷油持续期等喷油特性在不同喷油压力下表现不同。40 MPa喷油压力下，纯生物柴油BD100的喷油持续期、喷油终点与高比例生物柴油BD70接近，与低比例生物柴油的差别较大。60 MPa喷油压力下，高比例生物柴油BD70的喷油终点、喷油持续期与低比例生物柴油BD30接近，与纯生物柴油BD100的差别较大。

图4 掺混比例对混合燃料喷油速率的影响

表3 混合燃料在不同条件下的喷油速率特征参数

图5示出掺混比例对混合燃料嘴端压力的影响。由图5a可知，喷油压力60 MPa，喷油脉宽1.6 ms时，随着燃料中生物柴油比例的减少，喷油引起的嘴端压力下降幅度变小，BD100、BD70和BD30的嘴端压力第一波谷依次变浅，嘴端压力第一波峰依次降低。随着燃料中生物柴油比例的减少，3种燃料嘴端压力的各个波峰呈现不同的特征。第一波峰特征是BD100的波峰最大，BD70的波峰居中，BD30的波峰最小；第二波峰特征和第三波峰特征一致，均为BD70的波峰最大，BD30的波峰居中，BD100的波峰最小；第四波峰特征是BD30的波峰最大，BD70的波峰居中，BD100的波峰最小。这是由于BD100、BD70和BD30的嘴端压力声速逐渐降低，导致波峰的衰减速度逐渐变慢。

图5 掺混比例对混合燃料嘴端压力的影响

由图5b可知，40 MPa喷油压力下掺混比例对生物柴油嘴端压力的影响规律与60 MPa喷油压力下的影响规律一致。与60 MPa喷油压力相比，40 MPa喷油压力下BD100、BD70和BD30这3种燃料的嘴端压力第一波谷变浅变宽，各个波动幅值变小，相位延后。对于同一燃料，40 MPa喷油压力下油管压力声速比60 MPa喷油压力下油管压力声速低，所以衰减速度变慢。

图6示出不同喷射条件下，掺混比例对混合燃料循环喷油能量的影响。图中循环喷油能量为燃料的循环喷油量(质量)与燃料低热值的乘积。由图6可知，喷油压力40 MPa和60 MPa下，3种燃料的循环喷油能量呈现相同的规律：均为BD70的循环喷油能量最大，BD100的循环喷油能量居中，BD30的循环喷油能量最小。这是由于循环喷油能量主要受低热值和质量循环喷油量的影响，低热值与循环喷油量的乘积为循环喷油能量，因此在不同的喷油压力和喷油脉宽下，3种燃料的循环喷油能量的规律相同，BD70、BD100和BD30的循环喷油能量依次降低。发动机燃用3种燃料时，需要根据掺混比例对喷油脉宽进行相应调整，保证达到原机功率。

图6 掺混比例对混合燃料循环喷油能量的影响

3 结论

a)相同喷油压力下，当喷油脉宽增加时，喷油始点相同，喷油初期喷油速率上升斜率、喷油末期喷油速率下降斜率、喷油持续阶段的喷油速率均不变，喷油终点延后，喷油持续期明显延长；相同喷油脉宽下，喷油压力增加，喷油初期喷油速率上升、喷油末期喷油速率下降均变陡，最大喷油速率增加，喷油持续阶段的喷油速率波动幅值变大；

b)喷油压力增加时，喷油引起的嘴端压力下降幅度变大，喷油结束后嘴端压力各个波动幅值均变大，除第一波峰外，其余各个波峰的相位均提前；喷油脉宽对嘴端压力大小影响不明显，仅对嘴端压力波峰的相位影响明显，喷油脉宽增加时，各个波峰的相位明显延后；

c)40 MPa喷油压力下，纯生物柴油的喷油终点、喷油持续期与高比例生物柴油接近，与低比例生物柴油的差别较大；60 MPa喷油压力下，高比例生物柴油的喷油终点、喷油持续期与低比例生物柴油接近，与纯生物柴油的差别较大；

d)不同喷油条件下，掺混比例对生物柴油嘴端压力的影响规律相同，随着掺混比例的增加，喷油引起的嘴端压力下降幅度变小，嘴端压力第一波谷依次变浅，嘴端压力第一波峰依次降低；

e)不同喷油条件下，3种燃料的循环喷油能量规律相同，均为高比例生物柴油混合燃料的循环喷油能量最大，纯生物柴油的循环喷油能量居中，低比例生物柴油混合燃料的循环喷油能量最小。