APP下载

高原缺氧环境下生物柴油-柴油混合燃料对柴油机燃烧特性的影响

2022-10-25刘少华柴丽田申立中毕玉华

车用发动机 2022年5期
关键词:燃用缸内柴油机

刘少华,柴丽田,申立中,毕玉华

(昆明理工大学云南省内燃机重点实验室,云南 昆明 650500)

近年来,随着社会经济的快速发展,能源短缺和环境污染问题日益严重,开发新的替代能源迫在眉睫。其中,生物柴油因具有如下特点而受到广泛关注:原料来源广泛,可再生;生物降解率高,挥发性低,无毒,安全性好;不含芳香烃,含硫量低,具有良好的环保性。与柴油相比,生物柴油含氧量高,十六烷值高,具有良好的燃烧性能。生物柴油能以任何比例与柴油相溶,是目前公认比较合适的可替代柴油的可再生清洁燃料。

国内外已经有许多学者和研究机构开展了生物柴油-柴油混合燃料对发动机工作特性影响的研究。研究结果表明,随着燃料中生物柴油含量的增加,燃烧始点提前,滞燃期缩短,发动机的缸内最高燃烧压力和放热率峰值逐渐降低,达到峰值时刻提前。目前大部分研究工作都是基于平原环境开展的,针对高原缺氧环境下生物柴油的适用性研究相对较少。

我国高海拔地区面积广,海拔差异较大。汽车的运行受大气压力、空气密度和大气氧浓度等关键大气参数的影响极大。随着海拔的上升,发动机进气压力和进气含氧量下降,从而影响其燃烧过程。生物柴油的自含氧特性会对高原地区发动机进气缺氧进行一定程度的补偿,从而改善燃烧过程。因此,在模拟高原环境(81 kPa大气压力)下,针对一台电控高压共轨柴油机开展了生物柴油-柴油混合燃料对发动机燃烧特性的影响研究,以期为不同海拔地区,尤其是高海拔缺氧环境下柴油机燃烧过程的改善提供一定的研究基础。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

为了确保试验的安全性,在试验过程中严格遵守试验台架操作规范。考虑到大气压力的调控方便性和控制实现方式一致性,应用自主开发的“微机化内燃机大气模拟综合测控系统”实现发动机台架上不同海拔下大气压力的模拟。试验台架如图1所示。大气模拟装置的工作原理如下:当模拟的大气压力高于当地大气压力时,通过进气增压和排气节流来实现所需进气和排气压力;当模拟的大气压力低于当地大气压力时,通过进气节流和减小排气背压来实现所需进气和排气压力。微机化内燃机大气模拟综合测控系统示意如图2所示,可以准确模拟80~110 kPa的大气压力,主要由测功机、进排气模拟装置、控制器以及压力、温度和流量传感器组成。在试验中,研究海拔2 000 m(大气压力为81 kPa)的高原缺氧环境下,柴油机燃用生物柴油-柴油混合燃料的性能和燃烧特性。海拔与大气压力和含氧量的关系如表1所示。柴油机主要参数如表2所示。主要测试设备包括AVL 622燃烧分析仪、EIM609测控仪、FCMA瞬态油耗仪、WE31水力测功机等。

图1 试验台架

图2 微机化内燃机大气模拟综合测控系统示意

表1 海拔与大气压力和含氧量的关系

表2 柴油机主要技术指标

1.2 试验方法

将地沟油制成的生物柴油和0号柴油按一定体积比例混合配制成B20(20%体积比生物柴油和80%体积比柴油混合而成)和B50(50%体积比生物柴油和50%体积比柴油混合而成)混合燃料,不同燃料的主要理化性质见表3。发动机结构和参数不作调整和变动。选取发动机转速为1 200 r/min和2 200 r/min,负荷分别为20%,60%,90%和100%共8个工况,开展了B0,B20和B50对发动机燃烧特性影响的试验研究,分析生物柴油-柴油混合燃料在高原地区对柴油机燃烧特性的影响。

表3 燃料的主要理化指标

2 试验结果与分析

2.1 缸压分析

图3和图4分别示出发动机在1 200 r/min,2 200 r/min下,燃用B0,B20和B50的缸内燃烧压力对比。

由图3可见,在1 200 r/min下,生物柴油-柴油混合燃料的燃烧压力低于纯柴油,达到缸压峰值时刻的曲轴转角提前1°~2°。在20%和60%负荷下,燃用B20和B50混合燃料的缸压差别不大。在90%负荷和全负荷下,随着生物柴油掺混比例的增加,缸压逐渐降低。90%负荷时,燃用B20和B50混合燃料的缸压比燃用纯柴油分别平均降低5%和6%,全负荷时分别降低7.3%和10.6%。

与纯柴油相比,生物柴油热值低,运动黏度大。当喷入相同体积的燃料后,生物柴油-柴油混合燃料热值降低,是导致缸内最大燃烧压力下降的主要原因。在1 200 r/min较低转速下,缸内压力和温度较低,生物柴油的高黏度导致生物柴油-柴油混合燃料流动性差,与空气的混合雾化效果变差。尽管生物柴油的含氧特性能够在一定程度上改善燃烧过程,但是低转速下过量空气系数较大,缺氧状况并不突出。因此,从整体上来看,柴油机燃用B20和B50后,燃烧效果受到了一定程度的负面影响。另外,生物柴油十六烷值高,着火性能比纯柴油好。生物柴油中脂肪酸甲酯的碳链长度要长于纯柴油组分碳链长度,该特殊结构特性使得其CN值要比纯柴油高,自燃特性得到改善。生物柴油的掺烧促使 OH 活性自由基的峰值提前到达,致使滞燃期缩短,着火提前,燃烧速度加快。因此,加入生物柴油后,缸内最大燃烧压力对应的曲轴转角提前。

图3 1 200 r/min下燃用不同燃料的气缸压力

由图4可见,在2 200 r/min下,20%负荷时,B20和B50混合燃料的缸压差别不大,均低于柴油。随着负荷的增加,燃用B50混合燃料缸压出现上升趋势,在60%负荷时甚至高于纯柴油,峰值增加幅度为5%。随着负荷的进一步增加,燃用B50混合燃料缸压上升趋势减缓,在90%负荷和全负荷下低于纯柴油。燃用B20混合燃料缸压在各负荷点均低于柴油。与低转速相比,在2 200 r/min下,缸内压力和温度都有一定程度的提升,从而有利于加速生物柴油与空气的混合。低负荷下,过量空气系数较大,缺氧状况不明显;随着负荷的增加,缺氧状况变得突出,生物柴油的含氧特性发挥主导作用,使燃烧过程得到改善。随着负荷进一步增加至全负荷,生物柴油较低的热值限制了燃烧总热量的释放,导致缸内压力下降。与B50相比,B20含氧量较低,对缸压的提升作用不如B50明显。

图4 2 200 r/min下燃用不同燃料的气缸压力

2.2 放热率分析

图5和图6分别示出发动机在1 200 r/min,2 200 r/min下,燃用B0,B20和B50的燃烧放热率对比。

由图5可见,在1 200 r/min下,随着混合燃料中生物柴油比例的增加,放热率峰值基本呈现降低的趋势,B20和B50混合燃料的放热率峰值平均下降4.9%和5.6%,峰值时刻的曲轴转角提前1°~2°。分析认为,随着生物柴油-柴油混合燃料中生物柴油比例的增加,混合燃料的热值降低,是导致放热率峰值下降的主要原因。生物柴油的高密度和高运动黏度使得混合燃料流动性较差;在1 200 r/min较低转速下,缸内压力和温度较低,气流运动较弱,因此混合燃料与空气的混合速度变慢,从而影响了放热速度。随着生物柴油比例的增加,混合燃料含氧量和十六烷值升高,着火性能提高,从而使得发动机滞燃期缩短,着火提前,进而导致放热提前,放热率峰值所对应的曲轴转角提前。

图5 1 200 r/min下燃用不同燃料的放热率

由图6可见,在2 200 r/min下,20%,90%和100%负荷时,随着生物柴油掺混比例的增加,放热率峰值逐渐降低。20%负荷时,燃用B20和B50混合燃料的放热率峰值平均下降8%和12%,90%负荷时平均下降4.5%和5.4%,全负荷时平均下降4.4%和8.2%。随着负荷的增加,燃用B50混合燃料的放热率出现上升趋势,在60%负荷时甚至高于纯柴油,峰值增加幅度为2.6%。随着负荷的进一步增加,燃用B50混合燃料的放热率上升趋势减缓,在90%负荷和全负荷下低于纯柴油。

图6 2 200 r/min下燃用不同燃料放热率对比

与低转速相比,在2 200 r/min下,缸内压力和温度升高,气流运动加强,从而有利于加速生物柴油与空气的混合,进而提高放热速度。低负荷下,过量空气系数较大,缺氧状况不明显,相对较低的缸内压力和温度限制了混合气的形成速度,加上混合燃料热值的降低,从而导致放热率峰值下降。随着负荷的增加,缺氧状况变得突出,生物柴油的含氧特性发挥主导作用,在一定程度上改善了局部缺氧区域的燃烧过程,提高了放热率峰值。随着负荷进一步增加至全负荷,生物柴油较低的热值限制了燃烧总热量的释放,导致放热率峰值再次呈现下降趋势。与B50相比,B20含氧量较低,对放热率峰值的提升作用不如B50明显。

2.3 气缸温度分析

图7和图8分别示出发动机在1 200 r/min,2 200 r/min下,燃用B0,B20和B50的气缸温度对比。

由图7可见,随着负荷增加,燃用B0,B20和B50的气缸温度均增加。在1 200 r/min下,与燃用B0相比,燃用B20和B50混合燃料的缸内温度均降低,4个工况点下燃用B20混合燃料平均降低幅度为2.3%,燃用B50混合燃料平均降低幅度为0.9%。由图8可见,在2 200 r/min下,20%,60%,90%负荷时,燃用B50混合燃料的缸内温度比纯柴油高,升高幅度分别为1.4%,1%,0.3%,燃用B20混合燃料的缸内温度比纯柴油低,降幅分别为2%,1%,1.5%。随着负荷的增加,燃用B50混合燃料的缸内温度上升趋势减缓,在全负荷下低于纯柴油,而燃用B20混合燃料的缸内温度上升趋势加快,在全负荷下高于纯柴油。

随着发动机负荷的增加,缸内压力升高,3种燃料的油气混合过程都得到改善,从而改善了缸内燃烧过程,同时喷入缸内的燃油量增加,缸内燃烧压力和放热率增大,缸内温度上升。在1 200 r/min下,燃油喷射量少,喷射压力小,生物柴油密度和黏度大,挥发性差,不利于燃烧,导致缸内温度降低。相比于B20,B50含氧量更高,能够改善局部缺氧区域的燃烧状况,从而提高燃烧温度。因此,燃用B50后,缸内温度基本高于燃用B20。

图7 1 200 r/min下燃用不同燃料的气缸温度

图8 2 200 r/min下燃用不同燃料的气缸温度对比

随着转速的增加,喷入气缸的燃油量增加,缸内压力提升,为燃烧提供了更好的初始条件。在2 200 r/min下,燃用B50混合燃料后,一方面,其较高的十六烷值和含氧量改善了着火性能,使着火提前,滞燃期缩短,另一方面,生物柴油中的氧起到助燃作用,使燃料燃烧更完全。因此,燃用B50混合燃料后,缸内温度基本呈现上升趋势。B20混合燃料的含氧量较低,对于缸内温度的提升作用不如B50明显,仅在全负荷下超出燃用纯柴油时的缸内温度。

2.4 燃油经济性和热效率分析

对比发现,在较高转速2 200 r/min下,更能发挥生物柴油-柴油混合燃料的含氧优势,在一定程度上改善柴油机在高原缺氧环境下的燃烧过程。因此,在2 200 r/min下,进一步开展生物柴油-柴油混合燃料对柴油机动力性和经济性的影响研究。图9示出在2 200 r/min下,燃用B0,B20和B50后,柴油机的燃油经济性和热效率对比。

由图9可见,随着负荷的增加,燃用纯柴油、B20和B50燃料时,柴油机燃油消耗率和热效率的变化规律是一致的。在中低负荷下,随着生物柴油掺混比的增大,燃油消耗率上升,热效率下降。随着负荷的上升,燃用生物柴油-柴油混合燃料后,柴油机燃油消耗率上升趋势和热效率下降趋势减缓,燃用B20的柴油机燃油消耗率与燃用柴油差别不大,热效率与燃用纯柴油时相当。

图9 2 200 r/min下燃用不同燃料的经济性和热效率

燃用生物柴油-柴油混合燃料后,热值的下降是造成柴油机燃油消耗率上升和热效率下降的主要原因。由于试验过程中没有进行喷油量的调整,因此,在燃用热值较低的生物柴油-柴油混合燃料时,达到同样负荷点时对应的燃油消耗率上升。随着负荷的增加,缸内压力和温度升高,有利于生物柴油与空气的混合,加上生物柴油的自含氧特性,使燃烧更为充分;燃用B20燃料时,生物柴油掺混比较低,对混合燃料的喷雾特性影响不大,且混合燃料质量热值与纯柴油接近,因此,燃油消耗率和热效率与燃用纯柴油相当。随着生物柴油掺混比例的增大,混合燃料的热值下降,密度和黏度增加,使其在雾化过程中由于油滴表面张力增大而不易破裂,加之混合燃料挥发性不佳,使柴油机燃用B50燃料时燃油消耗率上升,热效率下降。

因此,为了更好地发挥生物柴油燃料的自含氧优势,一方面,可以通过适当增加喷油量弥补动力性方面的不足,另一方面,通过在不同转速和负荷区域采用变掺混比例来实现燃料与工况的适配。

3 结论

a)与燃用纯柴油相比,在1 200 r/min下燃用B20,B50混合燃料,柴油机缸压、放热率和气缸温度均降低;在2 200 r/min下,燃用B20后缸内燃烧压力、放热率和气缸温度基本呈现降低趋势,而燃用B50后,气缸压力、放热率基本呈现下降趋势,仅在60%负荷下缸压和放热率峰值高于燃用纯柴油,气缸温度基本呈现上升趋势;

b)与燃用B0相比,燃用B20和B50混合燃料的缸内燃烧压力、放热率和气缸温度达到峰值的时刻提前1°~2°曲轴转角;

c)与燃用纯柴油相比,在2 200 r/min下,燃用B20、B50后柴油机燃油消耗率上升,热效率下降;高负荷时燃用B20,燃油消耗率和热效率与燃用纯柴油时相当。

猜你喜欢

燃用缸内柴油机
CFB锅炉燃用高热值动力煤的问题和对策
F - T 煤制油/ 正丁醇混合燃料对电控柴油机性能的影响
美国FCA 推出第三代EcoDie s e l V6 柴油机
谭旭光:柴油机50年内仍大有可为
缸内直喷发动机的燃烧和爆震仿真分析
重型车用柴油机燃用煤基代用燃料特性
某电控柴油机缸内线束及支架的优化设计
现代柴油机的技术发展趋势
新型2.0L高效柴油机的开发
支持直接喷射汽油机欧6开发目标的缸内和循环可辨颗粒生成的评估