喷射压力及混合比例对生物柴油喷油特性的影响

2021-01-08侯军兴张华阳安晓东宗晓晶

科学技术与工程 2020年34期

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，郑州 450046)

生物柴油是一种性能优异、可再生的清洁代用燃料，可直接应用于压燃发动机而不用对发动机做任何改造。燃用生物柴油可以减少对石化柴油的依赖，中外对生物柴油发动机进行了广泛研究，主要集中在发动机燃烧和排放特性方面[1-4]。研究发现，燃用生物柴油能大幅降低除NOx排放以外的其他排放。但也有一些缺点：与石化柴油相比，生物柴油黏度高，流动性差，限制了其在低温场合的应用，而且燃用生物柴油会导致发动机的NOx排放升高[5]。二甲醚也是一种压燃发动机清洁代用燃料，其黏度低、NOx排放低，可实现零碳烟排放[6]。在生物柴油中掺混二甲醚，可以促进生物柴油的流动性，改善生物柴油的雾化，降低生物柴油发动机的NOx排放[7-8]。

生物柴油与二甲醚的理化特性差别较大，因此其喷油始点、终点、喷油持续期以及循环喷油量等特征均与二甲醚不同[9-10]。目前纯生物柴油与生物柴油-二甲醚混合燃料的喷油特性差别尚不清楚。因此，在不同喷射压力、不同喷射脉宽下，现对纯生物柴油、高比例生物柴油混合燃料、低比例生物柴油混合燃料的喷油速率、循环喷油量进行试验研究，确定喷射压力和混合比例对生物柴油喷油速率、循环喷油量及其循环变动的影响规律，为下一步发动机燃烧优化提供参考。

1 试验装置和试验燃料

在油泵试验台上搭建生物柴油及其混合燃料共轨系统喷油测试装置，喷油测试装置如图1所示。燃料罐中的生物柴油或混合燃料经过滤清器过滤、低压泵加压，输送到高压泵，再经高压泵二次加压后进入共轨管，输送到喷油器进行喷油测试。喷油器安装在长管法喷油速率仪上，喷油器规格：喷孔数量为7个，喷孔直径为0.17 mm，启喷压力为17 MPa。长管内的燃油压力波经压力传感器、电荷放大器和数据采集仪采集，采样频率为50 kHz。

试验基础燃料为生物柴油，掺混燃料为二甲醚，生物柴油和二甲醚的主要物性参数如表1所示。试验燃料有三种：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分数分别为100%、70%和30%，记为BD100、BD70、BD30。试验时，喷射压力分别为40、60 MPa，喷射脉宽分别为1.2、1.6 ms。

图1 喷油测试装置Fig.1 Injection measurement apparatus

表1 试验燃料主要物性参数

2 试验结果与分析

2.1 生物柴油及其混合燃料喷油速率比较

图2为喷射压力和混合比例对BD100、BD70、BD30三种燃料30个循环的平均喷油速率的影响，其中喷射脉宽为1.6 ms，喷射压力分别为40、60 MPa。由图2(a)可知，40 MPa喷射压力下，BD100、BD70和BD30三种燃料的喷油始点一致，初期喷油速率上升一致；随着燃料中生物柴油比例的减少和二甲醚比例的增加，喷油持续期明显延长，喷油终点延后。与燃料BD100相比，混合燃料BD70和BD30在喷油器针阀完全开启阶段的喷油速率略升高。

由图2(b)可知，与40 MPa喷射压力相比，60 MPa喷射压力下喷油初期喷油速率上升曲线和喷油末期喷油速率下降曲线均变陡，针阀完全开启阶段的喷油速率升高。三种燃料在不同的喷射压力下呈现不同的特性：40 MPa喷射压力下，高比例混合燃料BD70在喷油末期喷油速率下降曲线与纯生物柴油BD100的喷油速率下降曲线接近，BD70的喷油持续期和喷油终点均与BD100接近。60 MPa喷射压力下，高比例混合燃料BD70在喷油末期的喷油速率下降曲线与低比例混合燃料BD30的喷油速率下降曲线接近，BD70的喷油持续期和喷油终点均与BD30接近。

图2 喷射压力和混合比例对平均喷油速率的影响Fig.2 Effect of injection pressure and blend ratio on the mean injection rate

图3 40 MPa喷射压力BD100、BD70和BD30的喷油速率比较Fig.3 Comparison of injection rate for BD100, BD70 and BD30 at 40 MPa injection pressure

图3为40 MPa喷射压力，BD100、BD70和BD30三种燃料最大循环喷油量、最小循环喷油量的喷油速率比较。由图3(a)可知，对燃料BD100而言，最大循环喷油量和最小循环喷油量对应的喷油始点、喷油持续期和喷油终点均一致。最大循环喷油量、最小循环喷油量在喷油初期喷油速率上升曲线和喷油末期喷油速率下降曲线基本重合；在针阀完全开启阶段的喷油速率轻微波动，幅值较小。

由图3(b)可知，燃料BD70两个循环喷油速率的喷油始点、喷油终点均接近一致。与BD100不同的是，BD70的最大循环喷油量、最小循环喷油量在喷油初期喷油速率上升曲线出现明显波动，在针阀完全开启阶段喷油速率曲线波动幅值变大，喷油末期喷油速率下降曲线略不同。

由图3(c)可知，燃料BD30两个循环喷油速率的喷油始点一致，而喷油持续期和喷油终点明显不同。最大循环喷油量与最小循环喷油量的喷油速率在喷油初期喷油速率上升曲线波动、喷油持续阶段的喷油速率曲线波动、喷油末期喷油速率下降曲线波动的幅值均变大。综上，40 MPa喷射压力下，燃料BD100的最大喷油量循环与最小喷油量循环差别主要是喷油速率在针阀完全开启阶段的波动所致，喷油初期和喷油末期的喷油速率波动影响较小。BD70的最大喷油量循环与最小喷油量循环差别主要由喷油初期、针阀完全开启阶段和喷油末期整个喷油阶段的喷油速率波动所致，喷油持续期影响不明显；而燃料BD30的最大喷油量循环与最小喷油量循环差别主要由于两个循环的喷油持续期不同以及整个喷油阶段的喷油速率波动所致。

图4 60 MPa喷射压力BD100、BD70和BD30的喷油速率比较Fig.4 Comparison of injection rate for BD100, BD70 and BD30 at 60 MPa injection pressure

图4为60 MPa喷射压力，BD100、BD70、BD30三种燃料最大喷油量循环、最小喷油量循环的喷油速率比较。由图3和图4比较可知，60 MPa喷射压力下，三种燃料在针阀完全开启阶段的喷油速率及其波动幅值均比40 MPa喷射压力下对应值大。图4(a)中，燃料BD100在60 MPa喷射压力下，两个循环喷油速率对应的喷油始点、喷油持续期和喷油终点均一致，最大喷油量循环与最小喷油量循环差别也主要由针阀完全开启阶段的喷油速率波动所致。

图4(b)中，燃料BD70两个循环喷油速率的喷油始点一致，喷油持续期和喷油终点不同。最大喷油量循环、最小喷油量循环在针阀完全开启阶段的喷油速率曲线波动和喷油末期喷油速率下降曲线波动均比燃料BD100大。

图4(c)中，燃料BD30两个循环喷油速率的喷油始点一致，喷油持续期和喷油终点不同。与BD70相比，BD30的最大喷油量循环与最小喷油量循环在针阀完全开启阶段的喷油速率曲线波动进一步增大。燃料BD70和BD30最大喷油量循环与最小喷油量循环差别均主要由喷油持续期不同以及整个喷油阶段的喷油速率波动所致。

2.2 生物柴油及其混合燃料喷油循环变动

图5为三种燃料BD100、BD70和BD30连续30个循环的喷油量。由图5可知，对三种燃料而言，均为60 MPa-1.6 ms工况的循环喷油量最大，40 MPa-1.6 ms工况循环喷油量次之，40 MPa-1.2 ms工况循环喷油量最小。

图5 BD100、BD70和BD30连续30个循环的喷油量比较Fig.5 Comparison of cycle injection quantity at different injection conditions for BD100, BD70 and BD30

使用循环变动率来评价BD100、BD70、BD30连续30个循环的喷油量变化程度，循环变动率定义为30个循环喷油量的标准偏差与平均循环喷油量之比值。图6为连续30个循环BD100、BD70和BD30的喷油量循环变动率比较。由图6可知，燃料BD100三个工况的循环变动率COV均小于1%，分别为0.5%、0.4%、0.7%。随着燃料中生物柴油比例的减少，燃料BD70的COV增大，三个工况的COV接近1%，分别为1.2%、0.7%、1.1%。BD30的COV比BD70对应工况的COV进一步增大，三个工况的COV分别为1.3%、2.1%、1.6%。