張義俊， 姬少龍， 李遂亮， 王喜云， 易 斌， 孫建中， 劉圣勇

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州450002； 2.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 中牟 451450)

柴油機(jī)燃用FAME-柴油混合燃料的燃燒動(dòng)力性研究

張義俊1，2， 姬少龍1， 李遂亮1， 王喜云1， 易 斌1， 孫建中1， 劉圣勇1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州450002； 2.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 中牟 451450)

對(duì)增壓柴油機(jī)燃用FAME-柴油混合燃料進(jìn)行了燃燒動(dòng)力性的試驗(yàn)研究.結(jié)果表明，隨著FAME含量的增加，燃燒始點(diǎn)提前，缸內(nèi)平均壓力和平均溫度都升高.在燃燒后期，BD100的缸內(nèi)溫度最低；中低負(fù)荷時(shí)，隨著FAME含量增加，耗油率稍有增加，熱效率有所降低，對(duì)于FAME含量小于40%的混合燃料與BD0相比，有效耗油率平均升高了1.03%，有效熱效率降低了0.5%；HC，CO和PM的平均排放及平均煙度值分別降低了20%，35%和73%，47%，而NOX的排放量增加了3%.

FAME；混合燃料；尾氣排放；燃燒動(dòng)力

動(dòng)植物油脂與甲醇發(fā)生化學(xué)改性后，長(zhǎng)鏈大分子被轉(zhuǎn)化為較短鏈的脂肪酸甲酯混合物(Fatty Acid Methyl Ester，F(xiàn)AME)[1].FAME燃料具有與石化柴油接近的分子量，并且不含硫或硫含量極低，與石化柴油相比，燃燒排放物中的SO2和硫化物含量較低，可減少約30%，并且燃料不含芳香族有害烷烴，其廢氣排放對(duì)人體損害度低于石化柴油[2～4].脂肪酸甲酯中含有較多的氧元素，由于氧元素的存在，可以使燃燒更加完全，減少了PM，CO和HC的不完全燃燒產(chǎn)物，但NOX排放稍有增加[5，6].對(duì)于在普通柴油機(jī)，不經(jīng)結(jié)構(gòu)改變直接燃用FAME燃料，通常使柴油機(jī)的耗油率升高，F(xiàn)AME燃料的熱值低，所以動(dòng)力性較差[7].丁相城等[8]研究了100%的生物柴油(棕櫚油)與柴油用于4100QBZL柴油機(jī)上的性能，結(jié)果表明使用100%生物柴油與純柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩有7%～10%的下降，消耗率上升8%～11%，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速和高速時(shí)，燃用2種燃料的排氣溫度相差不大，在中速時(shí)生物柴油的排氣溫度要比燃用柴油時(shí)的低10%左右，煙度降低了50%～80%.孔德芳等[9]利用4100QB-2型柴油機(jī)對(duì)0號(hào)柴油、純生物柴油的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明,柴油機(jī)燃用生物柴油的油耗比燃用柴油時(shí)平均高12.5%；熱效率也基本不變.本研究對(duì)市售FAME和0號(hào)柴油及其混合燃料應(yīng)用于增壓柴油機(jī)上的排放性和動(dòng)力性進(jìn)行研究，選擇合適的混合比來考察柴油機(jī)的燃燒動(dòng)力特性，利用廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)降低柴油機(jī)的燃燒溫度，實(shí)現(xiàn)燃料的低溫燃燒以破壞有害氣體生成條件，以達(dá)到減少有害氣體的排放.

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)儀器與材料

本試驗(yàn)選用渦輪增壓中冷直噴式柴油機(jī)(型號(hào)為WP10.336N)燃燒系統(tǒng).試驗(yàn)系統(tǒng)包括電控燃油供給系統(tǒng)、進(jìn)氣增壓系統(tǒng)、曲軸轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)系統(tǒng)、排氣循環(huán)再利用系統(tǒng)、燃燒參數(shù)采集和尾氣測(cè)試系統(tǒng).柴油機(jī)性能參數(shù)見表1.增壓柴油機(jī)是利用高溫高壓的燃燒廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪，增大進(jìn)氣壓力，減小進(jìn)氣損失，提高充氣系數(shù)，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能[10].由于進(jìn)氣壓力高，新鮮充氣在正向壓差的作用下流入氣缸進(jìn)行掃氣，少部分進(jìn)入排氣管道.增壓發(fā)動(dòng)機(jī)有較大的氣門重疊角，利于清除氣缸內(nèi)的殘存的多余廢氣，增加進(jìn)入氣缸的新鮮空氣充量.柴油機(jī)增壓后，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣密度增加，配以適當(dāng)冷卻，則柴油機(jī)的進(jìn)氣溫度將會(huì)降低，進(jìn)氣密度進(jìn)一步增加，配以掃氣作用，柴油機(jī)氣缸內(nèi)的殘余廢氣量減少，充量系數(shù)增加[11]，缸內(nèi)混合氣變稀，可以降低有害氣體的排放，從而可以改善柴油機(jī)燃燒的排放性能.

本試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象主要是0號(hào)柴油、FAME燃油和二者的混合燃油.柴油購于中石化符合國三標(biāo)準(zhǔn)的0號(hào)柴油，F(xiàn)AME燃油采用某公司的以大豆為原料生產(chǎn)的符合國家關(guān)于調(diào)和用生物柴油標(biāo)準(zhǔn)的燃油.FAME燃油的低熱值小于柴油的低熱值，根據(jù)能量守恒，混合燃料的低熱值會(huì)介于二者之間，柴油不含氧元素，F(xiàn)AME含有9.6%的氧，所以，在燃燒過程中，混合燃料需氧量小于柴油燃燒需氧量.FAME燃油氣化潛熱高于柴油的，所以在FAME燃燒過程中，缸溫的升高率大.所以，燃用混合燃料時(shí)，NOX的排放量在燃用FAME燃料時(shí)會(huì)稍高.為了破壞NOX生成的條件，引入廢氣再循環(huán)，一方面利用反應(yīng)平衡來阻礙NOX正向發(fā)展，另一方面廢氣的引入稀釋了進(jìn)氣中的氧濃度，降低了氧含量，同時(shí)經(jīng)冷卻的廢氣會(huì)降低缸溫，所以EGR能夠有效地減少NOX的生成機(jī)會(huì).

表1 柴油機(jī)的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of diesel engine

1.2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的主要目的在于研究FAME-柴油混合燃料在柴油機(jī)上的燃燒動(dòng)力學(xué)特性，所以混合燃料需要在試驗(yàn)前24 h配制好備用，試驗(yàn)用油分別取純0號(hào)柴油、含F(xiàn)AME燃料20%，40%，60%，80%和純FAME等6種油樣，分別記為BD0，BD20，BD40，BD60，BD80和BD100，噴油方式采用單次循環(huán)噴油.

試驗(yàn)參數(shù)為：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r·min-1，進(jìn)氣溫度約300 K，進(jìn)氣門關(guān)閉定時(shí)為-65° 曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，隨著有效壓力的變化，不同混合燃料經(jīng)濟(jì)性和燃燒特性的變化及隨著FAME含量的增加，有害氣體排放的變化.

2 結(jié)果與分析

2.1FAME-柴油混合燃料的燃燒特性分析

從圖1放熱率曲線可以看出，隨著FAME含量的增加，燃油的滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)依次提前，最大放熱率依次降低，燃燒脈寬依次變窄.這是因?yàn)镕AME燃料具有較高的十六烷值，著火性能好，并且與石化柴油相比，F(xiàn)AME具有較大的壓縮彈性模量，噴油時(shí)，會(huì)使噴油嘴柱塞較早開啟提前噴油.因此，隨著FAME含量增多，燃料的十六烷值越大，滯燃期越短，再加上噴油提前，使燃料相應(yīng)燃燒始點(diǎn)提前，較早出現(xiàn)放熱率峰值；又由于FAME燃料的熱值低，沸點(diǎn)比柴油的沸點(diǎn)高，且低溫流動(dòng)性差，霧化效果不理想，被噴入氣缸后形成較少的混合氣，所以FAME燃料放熱峰值低于純柴油的放熱峰值并且其放熱脈寬較窄.

圖1 不同F(xiàn)AME含量的燃油的放熱率曲線Fig.1 Heat release rate curve of different FAME fuel

由圖2可以看出，在混合燃料的示功曲線中出現(xiàn)2個(gè)壓力峰值，第1個(gè)峰值是由于活塞到達(dá)上止點(diǎn)氣缸容積達(dá)到最小引起的壓力升高，第2個(gè)峰值是因?yàn)槿剂系幕旌先紵尫艧崃亢鬁囟壬弋a(chǎn)生的最高壓力.在整個(gè)燃燒過程中，隨著FAME含量的增加，氣缸壓力依次升高.這是由于隨著FAME含量的增加，混合燃油的壓縮彈性模量增加，致使噴油提前，燃燒始點(diǎn)提前；另一方面，F(xiàn)AME燃料具有較高的十六烷值也是燃燒始點(diǎn)提前的重要原因.燃燒始點(diǎn)的提前，使FAME混合燃料較早出現(xiàn)高溫高壓現(xiàn)象.不同F(xiàn)AME含量的燃油在轉(zhuǎn)速1 400 r·min-1，進(jìn)氣壓力0.2 MPa，平均有效壓力 0.9 MPa時(shí)的缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度的變化見圖2.

由圖2可知，隨著FAME含量增多溫度曲線下降率逐漸加快，前期BD100溫度比BD0溫度高，燃燒后期，BD100溫度最低.這是由于FAME燃料十六烷值和壓縮彈性模量大，使燃燒始點(diǎn)提前，所以前期缸溫比燃用柴油的缸溫高.噴油量相同條件下，預(yù)混合燃燒階段消耗燃油多則擴(kuò)散燃燒就少，并且FAME燃料的低熱值，使混合燃油后期的燃燒釋放熱量較少，導(dǎo)致溫度降低較快.

圖2 不同F(xiàn)AME含量的燃油的示功圖Fig.2 Dynamometer of different FAME

從圖3可以看出，對(duì)于同于一種混合燃料，隨著平均有效壓力的增大，有效耗油率先降低后升高，有效熱效率先升高后稍微降低，各種燃料變化趨勢(shì)基本相同.相同負(fù)荷時(shí)，隨著FAME含量的增加，熱效率減小.大負(fù)荷時(shí)，由于柴油機(jī)工作狀態(tài)惡化，燃油霧化變差有效耗油率增加使有效熱效率降低.

圖3 有效燃油消耗率和有效熱效率隨FAME含量的變化Fig.3 Efficient fuel consumption and thermal efficiency of different FAME

由于FAME含氧量高，且十六烷值比柴油的大，著火性好，滯燃期縮短燃燒始點(diǎn)提前.另一方面，因?yàn)镕AME的壓縮彈性模量大，噴油的時(shí)候柱塞將會(huì)提前開啟，使噴油始點(diǎn)提前，這也是燃燒始點(diǎn)提前的主要原因.燃燒始點(diǎn)的提前，壓縮負(fù)功增多，熱量損失相應(yīng)增加致使FAME燃料熱效率降低.

在低負(fù)荷時(shí)FAME混合燃油的熱效率和柴油的有效熱效率差別不大.在高負(fù)荷時(shí)，F(xiàn)AME含量多于60%的混合燃料熱效率降低的多一些，BD20和BD40熱效率減少不太明顯同柴油的狀態(tài)接近.在整個(gè)負(fù)荷變化過程中，柴油機(jī)燃用BD40的耗油率平均增加1.03%，有效熱效率降低約0.5%.

2.2FAME-柴油混合燃料排放特性分析

由柴油燃燒過程中排放的廢氣產(chǎn)生機(jī)理可知，NOX易在高溫富氧條件下生成，CO，CH，PM和煙度均因燃料燃燒過程中中間產(chǎn)物氧化不完全而產(chǎn)生，需要足夠的氧和一定的溫度才可以減少這些成分的生成.因此，燃料燃燒后的有害物質(zhì)的生成需要在一定的邊界條件下才能實(shí)現(xiàn)，這些邊界條件包括一定的混合氣濃度范圍和燃燒溫度區(qū)間.

從圖4可以看出，顆粒物的排放量隨著負(fù)荷增加也逐漸升高；隨著FAME含量的增多，PM排放量依次減少.分析原因可知，在定轉(zhuǎn)速的工況條件下，充量系數(shù)基本保持不變.隨著負(fù)荷增加，循環(huán)供油量增加，使過量空氣系數(shù)減小，氧濃度降低，混合氣的形成逐漸不理想而使PM升高；隨著FAME含量的增加，燃料含氧量增加，彌補(bǔ)了因負(fù)荷增加造成的過量空氣系數(shù)的變小產(chǎn)生的含量降低，所以對(duì)于混合燃料，其PM排放隨著FAME含氧量的增加而減少，BD40和BD0比較，PM排放減少了73%.

圖4 FAME含量對(duì)PM和NOX排放的影響Fig.4 Impact of FAME content on PM emissions

NOX排放量隨負(fù)荷的增加而上升，隨FAME含量增多，NOX排放量也增加.小負(fù)荷時(shí)，過量空氣系數(shù)較大，混合氣濃度較稀，這時(shí)的燃燒屬于稀燃，燃燒溫度低，NOX的生成速度慢；隨著負(fù)荷的增加，過量空氣系數(shù)變小，混合氣形成逐漸均勻，燃燒室溫度逐漸升高，再加上 FAME含氧量約為11%，與柴油混合能夠產(chǎn)生富氧燃燒，促進(jìn)NOX的形成.隨著FAME含量的增加，混合燃料的含氧量也增加，為NOX的形成創(chuàng)造更有利的條件，排放量也相應(yīng)增多，BD40和BD0比較，NOX排放增加了3%.在大負(fù)荷時(shí)，由于柴油機(jī)工作狀態(tài)惡化，供油量增多，燃油霧化變差，燃燒室溫度有所降低，低溫條件下，NOX生成減少.

由圖5和圖6可知，煙度和HC排放變化趨勢(shì)基本一致.低負(fù)荷時(shí)，HC排放隨著負(fù)荷增加而增多，中高負(fù)荷HC排放量隨負(fù)荷的增加而降低，在高負(fù)荷時(shí)，HC排放量又隨著負(fù)荷增加而上升.主要因?yàn)?，低?fù)荷時(shí)，燃油量少，空氣過量系數(shù)大，形成稀的混合氣，燃燒室縫隙容易殘存燃油且極易形成局部低溫，再加上噴射到燃燒室壁面的燃油極易產(chǎn)生淬熄現(xiàn)象，未充分氧化而發(fā)生分解的低沸點(diǎn)HC排放出去.隨著負(fù)荷增加，燃燒室溫度升高，燃油充分被氧化，HC排放逐漸降低；大負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)工作狀態(tài)惡化，噴油量增多，霧化效果變差，易形成局部低溫且混合氣中氧含量減少，空燃比減小，使HC排放升高.FAME燃料的加入增加了混合氣的含氧量，促進(jìn)了中間產(chǎn)物的氧化，所以煙度和HC排放量降低，BD40燃料和BD0比較，HC的排放減少了20%，CO的排放減少了35%.有效平均壓力BMEP大于0.7 MPa以后，隨著FAME含量增加，煙度、HC和CO的排放量均增加，主要原因在于大負(fù)荷時(shí)，噴油量增加，F(xiàn)AME含量越大，燃油霧化越差，氣缸中很容易產(chǎn)生局部低溫，使燃燒不充分導(dǎo)致HC和CO排放的增加.

圖5 FAME含量對(duì)煙度排放的影響Fig.5 Impact of FAME content on smoke intensity

圖6 FAME含量對(duì)HC和CO排放的影響Fig.6 Impact of FAME content on HC and CO emissions

3 結(jié)論

柴油機(jī)在相同的工作條件下，燃用不同F(xiàn)AME含量的混合燃料，有效耗油率隨著FAME含量的增加而增大，有效熱效率則隨著FAME含量增加稍有下降，較大負(fù)荷時(shí)，由于柴油機(jī)工作狀態(tài)惡化，燃油霧化變差有效耗油率增加使有效熱效率降低.整個(gè)變化過程中，對(duì)于BD40與BD0燃油的BSFC和BTE的變化率分別為增加1.03%和下降0.5%.NOX排放隨著FAME的增多而增加，但FAME含量小于40%的混合燃料NOX排放增加并不顯著.PM，HC和CO的排放隨著FAME含量的增多明顯減少.平均有效壓力大于0.75 MPa后，HC和CO的排放則隨著FAME含量的增加而增加.所以，在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)條件下，F(xiàn)AME和柴油的混合燃油足以滿足柴油機(jī)的工況需求.

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(責(zé)任編輯：蔣國良)

StudyonthedynamicperformanceofFAME-dieselblendsinengine

ZHANG Yi-jun1,2, JI Shao-long1, LI Sui-liang1, WANG Xi-yun1, YI Bin1, SUN Jian-zhong1, LIU Sheng-yong1
(1.Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002，China；2.Henan Vocational College of Agriculture，Zhongmu 451450, China)

In this paper, experimental study on FAME-diesel blends used in turbocharged diesel engine had been done. Results showed that the starting point of combustion generated in advance with the increase of FAME content, and the average pressure and average temperature in cylinder were rising. The cylinder average temperature in BD100 was the lowest in the late period of combustion. At the circumstance of low load, fuel consumption increased slightly with the FAME content increasing, but the thermal efficiency decreased. When the FAME content was less than 40%, compared with BD0, the average increasing rate of fuel consumption was 1.03%, and that of thermal efficiency was only 0.5%. Emissions of smoke intensity, HC, CO and PM were reduced on average by 47%, 20%, 15% and 23% respectively, while the NOXemissions increased by 3%.

FAME; blend fuel; exhaust emissions; combustion power

1000-2340(2014)06-0726-05

S216.1

：A

2014-02-19

國家“863”項(xiàng)目(2012AA051502)；河南省科技創(chuàng)新杰出人才計(jì)劃(2014KJCXJCRC015)；鄭州市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(131PCXTD588)

張義俊，1974年生，女，河南南陽人，博士，主要從事生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)方面的研究.

劉圣勇，1963年生，男，河南柘城人，教授，博士生導(dǎo)師.