掺混生物柴油对STC柴油机最佳切换点的影响

毛 进，唐铭沂，蔡 浩，高占斌，2，尹自斌，2

(1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021；3.中船动力镇江有限公司，江苏 镇江 212002)

0 引言

目前石油资源日益紧缺[1]，以地沟油为原料制备生物柴油，由于原料来源广泛，生产技术成熟，与柴油任意比例掺混不需要添加剂[2]，而且燃烧生物柴油能够有效降低硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和颗粒等污染物排放[3]，因此该研究具有广泛的应用前景。王欣等[4]研究生物柴油-柴油混合燃料对船用发动机排放特性的影响，发现燃用生物柴油混合物可以使船舶排放性能得到显著改善。由于生物柴油热值一般较柴油低，掺混生物柴油后柴油机动力性能会有所下降[5]，而相继增压(sequential turbo charging，STC)技术可有效扩大柴油机的运行范围，提升柴油机的动力性，降低燃油消耗率，减少Soot排放[6]。但相继增压技术也有不足之处，如控制切入或切出涡轮增压器时，其废气流通截面面积并不连续，截面面积改变量较大，在切换过程中，容易造成缸内进气量不足，影响柴油机正常工作，甚至出现喘振现象[7]。低负荷工况下柴油机在2台增压器(2TC)同时工作时，涡轮利用效率也会有所降低，增压效果较差，缸内燃烧性能恶化，故相继增压技术中对于切换点的把控尤为重要[8]。本文研究将柴油机改造为相继增压系统后，柴油与生物柴油不同掺混比对相继增压柴油机1台增压器(1TC)与2台增压器(2TC)的最佳切换点的影响[9]，分析柴油机缸内最高燃烧压力、中冷后压增压压力、涡轮前排温和燃油消耗率的变化，以经济性最优原则，确定相继增压柴油机最佳切换点范围。

1 研究方案

1.1 研究对象

本文研究对象是四冲程直喷水冷式TBD234V6型柴油机，该柴油机的标定功率为186 kW，转速为1500 r/min。对原机进排气管路系统进行改造，将原机单涡轮增压系统改为双涡轮增压系统，并重新设计燃油供给系统。改造后的相继增压系统和供油系统试验平台整体示意图如图1所示。

实验所用的测试设备分别有：不透光烟度计(AVL439)用于烟度测试；Test350烟气分析仪用于排气测试；HZB2000油耗仪用于测量油耗；DEWE—2010CA型便携式燃烧分析仪用于燃烧参数测量。

1.2 实验方案

推进特性下各负荷对应的柴油机扭矩和转速如表1所示。本实验拟定实验燃油为纯柴油(B0)及按体积比分别为5%(B5)、10%(B10)、15%(B15)、20%(B20)和25%(B25)配置的生物柴油/柴油混合燃油，利用燃烧分析仪等设备，分别实测在推进特性下，柴油机以1TC或2TC状态运行时，不同负荷下燃用B0、B5、B10、B15、B20和B25的最高燃烧压力、增压压力、涡轮前排温和燃油消耗率等数据，通过分析柴油机各项性能参数的变化，探究掺烧生物柴油后对相继增压柴油机最佳切换点范围的影响。其中，因基本增压器转速受最高转速限制，故当实验只使用1台基本增压器(1TC)时，柴油机负荷最高运行至50%负荷，共有5个工况点；2TC状态下共有 10个工况点。

表1 推进特性下各负荷对应的柴油机转速和扭矩Tab.1 Diesel engine speed and torque corresponding to each load under propulsion characteristics

2 掺混比对相继增压柴油机最佳切换点的影响

2.1 对相继增压柴油机最高燃烧压力的影响

相继增压柴油机在1TC或2TC运行状态，生物柴油的掺烧比例分别为B0、B5、B10、B15、B20、B25，各负荷最高燃烧压力的变化如图2所示。

由图2可知，相同掺混比时，增加负荷，最高燃烧压力升高。相继增压柴油机在10%～50%负荷，生物柴油掺混比为B0时，最高燃烧压力1TC明显高于2TC，并且随负荷增加而增加。这主要是由于柴油机在低负荷运行时，废气排放量少，此时受控增压器不工作，废气仅通过基本主增压器排出，带动压气机做功增加，进气量升高，燃烧效果变好[11]，最高燃烧压力上升。

随生物柴油掺混比增大，柴油机最高燃烧压力下降，且下降幅度逐渐增大；随着柴油机负荷增大，增大生物柴油掺混比对柴油机最高燃烧压力的影响幅度逐渐减弱。柴油机在10%负荷，1TC状态运行时，掺混比为B25时的最高燃烧压力与B0时相比下降15.5%，而在40%负荷，B25时的最高燃烧压力与B0相比下降8.7%。柴油机在50%～100%负荷，2TC状态运行，增大生物柴油掺混比，缸内最高燃烧压力降低，且下降幅度增大；但随着柴油机负荷的提高，生物柴油掺混比对柴油机最高燃烧压力的影响幅度减小。主要原因是生物柴油热值低于柴油；其次是生物柴油的富氧性，纯柴油不含氧，增大生物柴油掺混比，燃烧室内氧含量升高，会促进燃烧反应。与柴油相比，生物柴油粘性更大，增大生物柴油掺混比，柴油-生物柴油混合燃油粘性上升，燃油雾化效果下降[12]。因此，在相同负荷时，增大生物柴油掺混比，柴油机最高燃烧压力降幅增大；而增大负荷，柴油机缸内温度升高，与低负荷相比高负荷更有助于混合燃油的雾化，所以，增大生物柴油掺混比，高负荷时柴油机最高燃烧压力比低负荷时下降的幅度更小。

2.2 掺混比对相继增压柴油机增压压力的影响

图3为相继增压柴油机1TC或2TC运行状态时，掺烧不同比例的生物柴油，各负荷增压压力变化曲线。

由图3可知，在相同生物柴油掺混比下，柴油机增压压力随着负荷的增加而增大，但变化不明显。在10%～50%负荷，1TC状态下，柴油机增压压力明显高于2TC。增压压力升高能够增加气缸内的氧气含量，提高燃烧效率。其原因为：柴油机在低工况运行时，废气排放量少，柴油机若以2TC状态运行，废气流经两个涡轮增压器，涡轮机均分到的废气量不足[13]，从而降低了涡轮增压器的工作效率；在1TC状态下运行时，只有一个涡轮增压器工作，六个气缸产生的废气全都供给一个涡轮增压器，涡轮增压器高效率工作，带动压气机做功增加，中冷后压升高，因此，柴油机1TC增压效果更好。

同负荷时，增大生物柴油掺混比，增压压力略微增加，变化幅度很小。随着负荷的增加，增压压力增幅变大，增压压力的提高有助于提高燃烧效果。掺烧生物柴油，增压器增压压力变化的主要原因为：掺混生物柴油，混合燃油氧含量增加，燃烧室内氧气总量升高，碳烟颗粒物等排放降低，废气排放量略为增加；涡轮机带动压气机做功增加，增压压力提高；混合燃油粘性上升，燃油雾化效果变差，而负荷增加，燃烧室内温度升高，与低负荷相比，高负荷更有助于混合燃油的雾化.所以，增大生物柴油掺混比，柴油机高负荷的增压压力比低负荷时上升的略为明显；但掺烧生物柴油后，整体增压效果变化不明显。

2.3 不同掺混比对相继增压柴油机涡轮前排温的影响

图4为相继增压柴油机1TC或2TC运行状态时，掺烧不同比例的生物柴油，各负荷涡轮前排气温度的对比。

由图4可知，相同生物柴油掺混比，涡轮前排气温度随负荷的增加而升高。柴油机10%～40%负荷时，涡轮前排温1TC低于2TC；在50%负荷时，涡轮前排温1TC高于2TC。这主要是因为：改为相继增压系统后，在1TC状态下运行时，只有一个涡轮增压器工作，废气流量充足，带动压气机做功增加，进气量充足，多余的空气吸收热量，涡轮前排气温度随之降低；在50%负荷时，随着负荷增加，废气量增加，排气背压升高，废气无法全部排出，出现泵气损失升高，在推进特性下，柴油机为保证转速和扭矩，需要消耗更多的燃油来弥补泵气损失的功，缸内温度升高，因而涡轮前排气温度升高。在同负荷下，增大生物柴油掺混比，柴油机涡轮前排气温度降低，但降幅较小，随着负荷的增加，柴油机的涡轮前排气温度变化更小[14]。

2.4 对相继增压柴油机经济性的影响

图5为相继增压柴油机掺烧不同比例的生物柴油，各负荷下燃油消耗率的对比。

由图5可知，在相同生物柴油掺混比下，增加负荷，燃油消耗率降低。在10%～40%负荷时，燃油消耗率1TC明显低于2TC；当柴油机负荷达到50%时，燃油消耗率1TC远超于2TC；柴油机2TC状态运行时，增加负荷，燃油消耗率呈下降趋势。主要原因是：在10%～40%负荷，1TC状态下，只有一个涡轮增压器工作，废气流量充足，带动压气机做功增加，进气量充足，优化燃烧效果，燃油消耗率下降；由于基本增压器涡轮流通截面积较小，当柴油机达到50%负荷时，废气量增加，排气背压过高，废气无法全部排出，导致泵气损失增加；在推进特性下，柴油机为保证转速和扭矩，需要消耗更多的燃油来弥补泵气损失的功；其次，涡轮增压器转速过高，进气压力升高，并且随着进气压力的大幅上升，燃烧室过量空气系数升高，使空燃比上升，火焰传播不充分和断火等现象影响燃烧效果，较大或较小的空燃比都会使燃油消耗率升高。

在同负荷下增大生物柴油掺混比，柴油机油耗率上升。在1TC，10%负荷时，生物柴油掺混比分别为B0、B5、B10、B15、B20、B25时，燃油消耗率与B0相比依次升高2.1%、2.7%、3.7%、5.2%、6.5%。在2TC，100%负荷时，增大生物柴油掺混比，燃油消耗率与B0相比平均升高3.8%。

增加负荷，生物柴油掺混比对柴油机油耗率影响减小。其主要由于：与柴油相比，生物柴油粘性更大，掺混生物柴油后混合燃油粘性增大，燃油雾化效果变差，油气混合质量下降，增加负荷后，缸内温度升高，与低负荷相比高负荷更有助于柴油-生物柴油混合燃油的雾化，燃烧效果提高，所以，随着生物柴油掺混比增加，柴油机高负荷时燃油消耗率比低负荷时下降的幅度更小。

在使用相继增压技术提高柴油机工作性能的同时，也需要考虑柴油机的经济性，因此综合考虑柴油机的动力性、增压压力、涡轮增压器的工作状况和效率，以及增压器受最高转速的限制等因素，并按照经济性最优原则，最终根据线性计算，选择40%～45%负荷作为相继增压系统1TC与2TC最佳切换点[15]的范围，柴油机纯柴油燃烧时1TC与2TC最佳切换点为45%负荷，而增大生物柴油掺混比，相继增压系统1TC与2TC最佳切换点逐渐前移，B25时1TC与2TC最佳切换点为40%负荷，与B0相比，负荷提前了5%。

3 结 论

对改造后的TBD234V6型相继增压柴油机进行掺混生物柴油燃烧实验，研究掺烧不同比例的生物柴油对相继增压系统柴油机性能的影响。

1)相同生物柴油掺混比时，在10%～40%负荷时，1TC的最高燃烧压力、增压压力、涡轮前排气温度以及燃油消耗率明显优于2TC；而在50%负荷时，1TC的燃油消耗率远超过2TC；1TC时柴油机动力性能提升，经济性能下降。

2)燃烧纯柴油时，1TC与2TC最佳切换点为45%负荷时；而增大生物柴油掺混比，1TC与2TC最佳切换点逐渐前移，掺混比为25%时，1TC与2TC最佳切换点为40%负荷时，与纯柴油相比，负荷提前了5%。

3)燃用生物柴油，结合相继增压技术，能够改善柴油机低负荷时的动力性和排放性，保证柴油机在低负荷运行时，掺混一定比例的生物柴油，也不会降低柴油机的动力性。