石來華，曹文明，劉　波

共軌柴油機燃燒純生物柴油的試驗研究

石來華，曹文明，劉波

（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶401122）

對一臺國產(chǎn)渦輪增壓直噴柴油機燃燒0#柴油和純生物柴油的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能進行對比試驗研究。試驗結(jié)果表明，在柴油機不進行任何調(diào)整的情況下，燃燒純生物柴油會降低其動力性和燃油經(jīng)濟性，但可大幅度改善CO、HC和PM的排放性能。

柴油機；生物柴油；動力性；排放性；經(jīng)濟性

隨著石油資源的日漸枯竭，以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸?shù)雀咚侔l(fā)展對能源需求的日益增加，尋找替代燃料已迫在眉睫。生物柴油因原料來源廣［1］，具有可降解性，無毒性。作為發(fā)動機燃料能降低有害物排放，且能直接或與柴油混合后用于現(xiàn)有柴油機而備受關(guān)注［2］，已在歐洲和美國得到廣泛應用［3］。

由于我國生物柴油原料供應不足，量少價高，再加上人們對生物柴油的認識不足等，與國外相比還有不小的差距。目前生物柴油在發(fā)動機上的應用還處于試驗研究階段［4-6］。本文對一臺國產(chǎn)渦輪增壓直噴柴油機燃燒市售0#柴油和純生物柴油的性能進行試驗研究，對比分析兩者在發(fā)動機動力性、燃油經(jīng)濟性及排放性能的區(qū)別。

1　試驗條件

1.1試驗方案

試驗用柴油機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。在其結(jié)構(gòu)和參數(shù)不作改動和調(diào)整的前提下，分別在燃燒市售0#柴油和以續(xù)隨子為原料生產(chǎn)的純生物柴油時進行了凈功率［7］、全負荷煙度試驗及［8］十三工況穩(wěn)態(tài)（ESC）［9］排放試驗，測量燃燒不同燃料時發(fā)動機的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能。

表1　試驗用柴油機主要技術(shù)參數(shù)

1.2試驗用主要設備

試驗在國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心重型發(fā)動機排放試驗室進行，試驗用主要設備如表2所示。

表2　試驗用主要設備

1.3試驗用油

市售0#柴油和生物柴油的理化指標如表3所示。

表3　0#柴油和生物柴油的理化指標

2　試驗結(jié)果與分析

2.1發(fā)動機動力性

圖1為柴油機在全負荷工況下，燃燒0#柴油和純生物柴油時功率和扭矩對比。由圖1可知，柴油機燃燒純生物柴油時，功率、扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的總體規(guī)律與燃燒0#柴油時一致，但在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃燒純生物柴油時的功率、扭矩曲線均在相應的0#柴油曲線之下。整個外特性上，功率、扭矩的平均降幅為9.5%；最大功率由225.0 kW降到205.6 kW，降幅為8.6%；最大扭矩由1 432.4 N·m降到1 305.4 N·m，降幅為8.9%。這與文獻［10-11］里研究結(jié)果相一致，柴油機燃燒純生物柴油動力性會下降5%～10%，主要是由于純生物柴油的質(zhì)量熱值比柴油低約13%（其體積熱值比柴油低約10%）。在對柴油機不做任何調(diào)整的情況下，單位體積供油量保持不變，而在同體積內(nèi)，純生物柴油燃燒釋放的能量少，導致功率、扭矩下降。

圖2為該柴油機在轉(zhuǎn)速為1 432 r/min（ESC試驗的B轉(zhuǎn)速）時部分負荷扭矩對比。由圖2可知，部分負荷工況下，燃燒純生物柴油時，扭矩曲線均在相應的0#柴油曲線之下，其主要原因同樣是由于純生物柴油的熱值比柴油低。

2.2發(fā)動機燃油經(jīng)濟性

燃油的比重、粘度、熱值等特性會影響發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性［12］。圖3和圖4分別為燃燒不同燃料時外特性和轉(zhuǎn)速為1 432 r/min時負荷特性下的燃油消耗量和燃油消耗率的試驗結(jié)果。由圖3和圖4可知，燃燒純生物柴油時，燃油消耗量和燃油消耗率隨扭矩變化的總體規(guī)律與燃燒0#柴油一致，即相同負荷時燃油消耗量隨轉(zhuǎn)速增加而增大，燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速增加先減小后增加；相同轉(zhuǎn)速下燃油消耗量隨扭矩增加而增大，燃油消耗率隨扭矩增加先減小后增加。但相同工況條件下，燃燒純生物柴油時的燃油消耗量和燃油消耗率比燃燒0#柴油時大，全負荷工況時，燃油消耗量平均增加1.5%。由于燃燒純生物柴油的功率下降較多，燃油消耗率平均增幅達到了12.7%，在轉(zhuǎn)速1 432 r/min時部分負荷下，燃油消耗率平均增幅為14.6%。這與理論相符，理論上柴油機燃燒純生物柴油時，燃油消耗率會增加14%左右［13］，主要是由于純生物柴油的密度大。在噴油壓力、噴油脈寬相同的情況下，噴入氣缸內(nèi)的燃料體積相同，實際噴入氣缸內(nèi)燃料的質(zhì)量多，燃油消耗量增大；其次純生物柴油的熱值低，燃燒純生物柴油時，發(fā)動機輸出功率下降，導致燃油消耗率高［14］。

2.3發(fā)動機排放性能

表4為相同工況下，燃燒0#柴油和純生物柴油時ESC的排放試驗結(jié)果。從表4中可以看出，燃燒純生物柴油可有效降低CO、HC、PM的比排放量，但NOx比排量會略有增加。

表4　燃燒不同燃料的十三工況穩(wěn)態(tài)排放試驗結(jié)果g/（kW·h）

1）CO、HC排放。CO、HC是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，主要受燃料類型、霧化速率、噴油時刻、噴油壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷等的影響［15］。由表4的十三工況穩(wěn)態(tài)排放試驗結(jié)果可知，燃燒純生物柴油時，CO、HC的比排放量比燃燒0#柴油時分別降低了28.3%、59.7%。圖5和圖6為1 423 r/min時的部分負荷工況下，燃燒不同燃料時的CO、HC的排放特性。由此可知，燃燒生物柴油時，CO、HC的排放都有顯著降低。這主要是由于純生物柴油是含氧燃料，且十六值較高，燃料的著火性好，滯燃期縮短，缸內(nèi)高溫持續(xù)時間長，有助于燃料的完全燃燒。

2）煙度及顆粒排放。降低微粒和煙塵排放是生物柴油一個非常重要的優(yōu)點。由表4的十三工況穩(wěn)態(tài)排放試驗結(jié)果可知，ESC排放時，PM降低幅度達到了12.6%。由圖7柴油機燃燒不同燃料時外特性上的煙度排放可知，燃燒純生物柴油時外特性上煙度大幅度降低。其主要原因：生物柴油為含氧燃料，有助于混合氣更加充分地燃燒；生物柴油中芳香烴和硫化合物的含量較少，降低了碳煙及顆粒成核的速率；生物柴油十六值較高，燃料的著火性好，致使滯燃期縮短，缸內(nèi)高溫持續(xù)時間長，有助于燃料的完全燃燒，減少了碳煙及顆粒的排放。

3）NOX排放。NOX的形成高度依賴于缸內(nèi)溫度、氧氣濃度和反應發(fā)生的持續(xù)時間。由圖8 1 423 r/min時部分負荷工況下，柴油機燃燒不同燃料時的NOX的排放特性可知，燃燒純生物柴油時，NOX比排放量隨負荷變化的規(guī)律與燃燒0#柴油時一致，即NOX比排放量隨負荷增大先增大后減小。小負荷時，燃燒純生物柴油與燃燒0#柴油的NOX比排放量基本相同，但中高負荷時，燃燒純生物柴油時的NOX比排放量略有增加。這主要是因為在低負荷時，柴油機氣缸內(nèi)溫度較低，不利于NOX的產(chǎn)生。當在中高負荷時，柴油機缸內(nèi)溫度升高，適合NOX的產(chǎn)生，再加上生物柴油為含氧燃料，有助于NOX的生成，使得在中高負荷時燃燒純生物柴油的NOX比排放量比燃燒0#柴油時略有增加，但很不明顯［16］。

2.4改善措施

改善發(fā)動機燃燒生物柴油的動力性及經(jīng)濟性的措施主要有：

1）由于生物柴油的熱值比0#柴油低，在不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)的前提下，可通過重新標定發(fā)動機ECU中的噴油參數(shù)來改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。

2）由于生物柴油的十六烷值高，抗暴性能好，所以可通過提高壓縮比來改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，該方法可充分發(fā)揮生物柴油的特性優(yōu)勢。

3　結(jié)論

1）純生物柴油熱值低，燃燒純生物柴油會降低發(fā)動機的動力性能，全負荷工況平均降低幅度達9.5%。

2）燃燒純生物柴油時，燃油消耗率比燃燒0#柴油時高，外特性上平均增大幅度為12.7%；轉(zhuǎn)速1 432 r/min時，部分負荷下平均增大幅度為14.6%。

3）純生物柴油是含氧燃料，燃燒純生物柴油能有效地降低CO、HC和PM比排放量，但可能會略微增加NOX的比排放量。ESC排放試驗時，CO、HC和PM比排放量降低幅度分別為28.3%、59.7%、12.6%，NOX比排放量增加幅度為2.4%。

4）可通過重新標定或提高壓縮比來改善燃燒生物柴油的發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性。

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［16］劉曉亮.輕型柴油車燃用純生物柴油排放試驗研究［J］.公路與汽運，2014，（4）

修改稿日期：2014-11-18

Experimental Study on Common Rail Diesel Fueled with Biodiesel

Shi Laihua，CaoWenming，Liu Bo
（ChongqingVehicle Test&Research Institute，National Coach QualitySupervision&TestingCenter，Chongqing401122，China）

An experimental studyis conducted on turbocharged direct-injection diesel engine made in China with 0#diesel and pure biodiesel.The engine fuel power，economy and emissions have been measured and analyzed.The experimental results showthat the engine power performance and economy fueled with the pure biodiesel are worse than those with fueled 0#diesel，but CO，HCand PMemissions are better.

diesel engine；biodiesel；power；emissions；economy

TK429

B

1006-3331（2015）01-0058-04

石來華（1980-），男，工程師；主要從事發(fā)動機試驗檢測、發(fā)動機性能模擬計算及優(yōu)化工作。