仇世侃，王冀白，趙福磊，蹇小平,2

(1.長安大學(xué)　汽車學(xué)院，陜西　西安　710064; 2.交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點實驗室，陜西　西安　710064)

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油酸甲酯溫度對發(fā)動機性能的影響

仇世侃1，王冀白1，趙福磊1，蹇小平1,2

(1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710064; 2.交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點實驗室，陜西西安710064)

摘要：為了研究油酸甲酯溫度對發(fā)動機性能的影響，在1臺兩缸直噴式柴油機上設(shè)計了加熱與恒溫裝置，對不同燃油溫度條件下油酸甲酯的動力性、經(jīng)濟性、燃燒特性和排放特性進行了測試與對比研究。研究發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的增加，油酸甲酯發(fā)動機動力性下降，經(jīng)濟性變化不明顯；油酸甲酯燃燒壓力曲線及燃燒放熱率曲線后移，且高負荷時曲線后移明顯；峰值燃燒壓力和峰值瞬時燃燒放熱率降低，且高負荷時降低的幅度增加；后燃期內(nèi)放熱率增加；在1 500 r/min 下，與10 ℃油溫相比，25, 40, 55 ℃下油酸甲酯的NOx排放分別平均降低17.5%, 19.6%, 20.3%, 碳煙排放分別平均增加84.9%, 96.6%, 165.5%。結(jié)果表明：進油溫度對油酸甲酯的性能有重要影響，可以作為基礎(chǔ)參數(shù)來控制油酸甲酯的燃燒與排放。

關(guān)鍵詞：汽車工程；燃燒與排放；試驗研究；進油溫度；油酸甲酯

0引言

在傳統(tǒng)柴油機工作過程中，如果沒有進行控制，燃料溫度基本上只與環(huán)境溫度有關(guān)[1-2]。溫度變化將引起燃料彈性模量、密度、聲速及黏度等性質(zhì)發(fā)生變化。液體燃料性質(zhì)的變化直接影響柴油機的燃燒過程[1]，進而對排放產(chǎn)生顯著的影響。

生物柴油是指以各種油料植物油脂、工程微藻油脂以及動物油脂、餐飲廢油等為原料，通過酯交換反應(yīng)制成的甲酯或乙酯燃料[3-5]。生物柴油是柴油機的一種清潔替代燃料。柴油機燃用生物柴油或不同比例混合燃料時，不需要對發(fā)動機做任何改動[6-9]。

目前國內(nèi)外對各種原料生物柴油的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究集中于以下幾個方面[8-12]：(1)生物柴油的燃燒特性；(2)生物柴油的噴霧特性；(3)柴油機燃用生物柴油的動力性、經(jīng)濟性與排放特性。生物柴油閃點為130 ℃，遠高于柴油的70 ℃，這說明將生物柴油適當(dāng)加熱沒有安全問題。加拿大溫莎大學(xué)Sobiesiak教授提出：“在試驗過程中，除了控制生物柴油NOx排放的常規(guī)方法外，試驗發(fā)現(xiàn)提高噴油泵進口處油溫可以明顯降低NOx的排放，這種現(xiàn)象反映了進油溫度對生物柴油燃燒過程與排放污染物的形成有著重要的影響，期待進一步的研究與討論”。國內(nèi)有論文對生物柴油進油溫度進行了研究，但是該項研究存在明顯缺陷：(1)將柴油濾清器裝入恒溫器，沒有加熱油箱里的燃油，實際上柴油機工作后，柴油的流動很快(回油量很大)，僅僅依靠恒溫器的溫度設(shè)定，并不能立刻將燃油加熱至指定溫度，從而不能正確反映噴油泵進口的進油溫度；(2)試驗結(jié)果明顯與國外的相關(guān)研究存在矛盾現(xiàn)象。總體來看，國內(nèi)外關(guān)于柴油機進油溫度的研究非常少。

生物柴油的主要組分為油酸甲酯、亞油酸甲酯與亞麻酸甲酯，3種成分的質(zhì)量分數(shù)達到75%以上[13]，其中油酸甲酯是最主要的組分之一。本文在幾位國外專家的研究基礎(chǔ)上，以油酸甲酯為對象，完善油溫控制方案，改變噴油泵進口處的燃料溫度；分析進油溫度對油酸甲酯燃燒與排放的影響；拓展生物柴油的基礎(chǔ)性研究，豐富生物柴油的使用方法，以進一步推動生物柴油的研究與應(yīng)用。

1試驗條件

1.1試驗用柴油機

試驗用柴油機的主要參數(shù)如表1所示。

1.2試驗用燃料

試驗用油酸甲酯(純度95%)的主要參數(shù)如表2所示。

1.3試驗方案

1.3.1工況選擇

CT2100Q柴油機的最大轉(zhuǎn)矩點在1 500～1 700 r/min之間，因此在1 500 r/min及1 800 r/min兩個負荷特性下測試不同油酸甲酯的溫度排放特性。選擇1 500 r/min、30 N·m，1500 r/min、80 N·m，1 800 r/min、30 N·m，1 800 r/min、70 N·m共4個工況點測錄燃燒壓力并計算放熱率。

表1　柴油機主要參數(shù)

表2　油酸甲酯主要參數(shù)

1.3.2燃燒壓力與排放測試

(1)燃燒壓力測試

采用CB566燃燒分析儀測錄柴油機缸內(nèi)壓力。設(shè)置連續(xù)采集50個循環(huán)并進行平均計算，得到每個工況點的缸內(nèi)壓力。

(2)排放測試

選擇奧地利AVL Digas4000氣體分析儀測量柴油機燃用不同溫度油酸甲酯的排放體積濃度；選擇AVL Dismoke4000不透光煙度計測量柴油機燃用不同溫度油酸甲酯的排氣煙度，選擇消光系數(shù)K來表示煙度值。

1.3.3進油溫度控制方案

本試驗研究的關(guān)鍵是油酸甲酯溫度的控制。試驗采用對油箱與濾清器雙加熱的方法，并在油箱、濾清器以及兩個加熱器內(nèi)安裝溫度傳感器，監(jiān)控各位置油酸甲酯的溫度[12]。首先，將油箱內(nèi)的油酸甲酯加熱至比試驗指定油溫高1 ℃。第二，將油酸甲酯濾清器放入恒溫器中。在發(fā)動機工作時，當(dāng)濾清器內(nèi)油溫低于指定溫度0.5 ℃時，油箱與濾清器同時開始加熱，至濾清器內(nèi)油溫高于指定溫度0.5 ℃時，加熱結(jié)束。

試驗在2013年12月進行，外界溫度5 ℃，室內(nèi)油溫(有暖氣)10 ℃。以室內(nèi)油溫為基礎(chǔ)，15 ℃為步長，最高油溫55 ℃。燃燒曲線較為密集，選取4個油溫進行對比。油耗與排放選取所有油溫進行對比。在整個試驗過程中，濾清器內(nèi)油溫與指定溫度的變化范圍小于1 ℃，以成功控制噴油泵進口處的進油溫度。

2試驗結(jié)果與分析

2.1柴油機性能

表3為外特性下不同燃油溫度的柴油機功率。可以看出，隨著油酸甲酯溫度的增加，功率降低。這是因為隨著燃油溫度的增加，燃油密度降低，進入缸內(nèi)的燃油質(zhì)量降低。

表3　外特性下不同燃油溫度柴油機功率(單位：kW)

圖1為外特性為1 500 r/min及1 800 r/min下的比油耗負荷特性?？梢钥闯?，由于燃料相同，比油耗隨油溫的變化沒有明顯規(guī)律。

圖1　不同油溫下的比油耗對比Fig.1　Comparison of specific fuel consumption at different fuel temperatures

2.2燃燒特性

2.2.1燃燒壓力

圖2分別為不同工況下，不同燃油溫度時缸內(nèi)的燃燒壓力?？梢钥闯觯?1)1 500 r/min、30 N·m時，隨著油酸甲酯溫度的增加，燃燒始點和壓力曲線遠離上止點；負荷為80 N·m時，壓力曲線后移更加明顯。溫度增加導(dǎo)致油酸甲酯的密度、聲速和等熵彈性模量降低，提高了油酸甲酯的可壓縮性，可壓縮性的提高導(dǎo)致燃料在高壓油管內(nèi)傳播的時間增加，進而導(dǎo)致噴射始點相對滯后，噴油率降低，導(dǎo)致燃燒始點滯后[12]。(2)1 500 r/min、30 N·m時，25，40，55 ℃油酸甲酯缸內(nèi)峰值燃燒壓力分別為5.13，5.08，4.93 MPa；1 500 r/min、80 N·m時，25，40，55 ℃油酸甲酯缸內(nèi)峰值燃燒壓力分別為5.70，5.61，5.53 MPa；1 800 r/min、30 N·m時，25，40，55 ℃油酸甲酯缸內(nèi)峰值燃燒壓力分別為5.19，5.16，5.14 MPa；1 800 r/min、70 N·m時，25，40，55 ℃油酸甲酯缸內(nèi)峰值燃燒壓力分別為5.70，5.62，5.47 MPa。在各工況下，燃油溫度增加，缸內(nèi)峰值壓力降低，這是由于：(1)燃燒滯后導(dǎo)致燃燒遠離壓縮上止點；(2)噴油率降低，針閥開啟持續(xù)期相對于基準狀態(tài)有所延長；(3)在中小負荷范圍內(nèi)，隨著進油溫度的增加，峰值壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有遠離上止點的趨勢，在高負荷時，溫度對峰值壓力對應(yīng)角度沒有明顯影響。

2.2.2燃燒放熱率

圖3分別為不同工況下，不同油溫油酸甲酯的瞬時燃燒放熱率。可以得出以下結(jié)論：(1)1 500 r/min、30 N·m 時，燃油溫度增加，燃燒放熱始點遠離上止點，80 N·m時，放熱始點后移更加明顯，1 800 r/min 有類似規(guī)律；(2)隨著油酸甲酯溫度的增加，柴油機峰值燃燒放熱率逐漸降低，且高負荷時溫度增加，第1峰值燃燒放熱率降低的幅度也增加；(3)燃油溫度對第1峰值燃燒放熱率對應(yīng)角度沒有明顯影響；(4)燃油溫度對第2峰值燃燒放熱率及其對應(yīng)角度沒有明顯影響，但是隨著油溫的增加，后期燃燒明顯增加，這與“進油溫度增加導(dǎo)致燃油壓縮性提高，柴油機噴油定時推遲，噴油速率減少，針閥開啟持續(xù)期有所增加[1]”是一致的。

圖2　不同油溫下的燃燒壓力對比Fig.2　Comparison of combustion pressures at different fuel temperatures

圖3　不同油溫下的燃燒放熱率對比Fig.3　Comparison of heat release ratios at different fuel temperatures

2.3排放特性

2.3.1NOx排放

圖4分別為1 500 r/min及1 800 r/min負荷特性下NOx的排放規(guī)律?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：在負荷特性下，隨著燃油溫度的增加，NOx排放明顯降低，與油溫10 ℃相比，25，40，55 ℃ NOx排放在1 500 r/min時分別平均降低17.5%，19.6%，20.3%；在1 800 r/min 時分別平均降低8.7%，10.2%，11.7%。由燃燒分析可知，油酸甲酯溫度增加導(dǎo)致噴油開始時間推遲，燃燒放熱始點遠離上止點，導(dǎo)致后燃量增加，后燃量增加導(dǎo)致燃燒溫度降低，NOx排放降低。

圖4　不同進油溫度NOx排放對比Fig.4 Comparison of NOx emission at different fuel temperatures

2.3.2碳煙排放

圖5分別為1 500 r/min及1 800 r/min負荷特性下碳煙的排放規(guī)律?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：(1)隨著柴油機油酸甲酯溫度的增加，碳煙排放大幅度增加，與10 ℃相比，25，40，55 ℃碳煙排放在1 500 r/min時分別平均增加84.9%，96.6%，165.5%。增加幅度雖然很大，但基本上是在小負荷與大負荷時，此外，油溫10 ℃碳煙排放絕對值低也是重要原因。(2)油溫低時，隨著負荷的增加，碳煙排放逐漸增加，油溫高時，隨著負荷增加，碳煙排放先明顯降低再明顯增加，且變化幅度隨油溫增加而增加。當(dāng)油溫增加至55 ℃時，碳煙排放呈先降低后增加的規(guī)律。

從柴油機的主要排放污染物來分析，油溫提高的缺點是導(dǎo)致燃燒滯后且峰值燃燒放熱率降低，不完全燃燒產(chǎn)物碳煙排放增加；優(yōu)點是NOx排放明顯降低。從應(yīng)用的角度來看，控制碳煙排放的措施很多，可以將提高油溫與控制碳煙排放的措施結(jié)合，使得碳煙與NOx排放得到有效的控制與平衡。

3結(jié)論

(1)在整個負荷范圍內(nèi)，油酸甲酯溫度增加，燃燒壓力曲線遠離上止點；峰值燃燒壓力逐漸降低，且高負荷時峰值壓力降低的幅度增加；在中小負荷范圍內(nèi)，峰值壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有遠離上止點的趨勢，在高負荷時，峰值壓力對應(yīng)角度基本一致。

(2)油酸甲酯溫度增加，柴油機峰值燃燒放熱率降低，高負荷時峰值燃燒放熱率降低的幅度增加；后燃期放熱率明顯增加。

(3)油酸甲酯溫度增加，油酸甲酯NOx排放明顯降低。

(4)油酸甲酯溫度增加，碳煙排放在小負荷與大負荷時大幅度增加。

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Influence of Methyl Oleate Temperature on Engine Performance

QIU Shi-kan1, WANG Ji-bai1, ZHAO Fu-lei1, JIAN Xiao-ping1,2

(1. School of Automobile, Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China; 2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Development,Application of New Transport Energy and Energy Saving, Xi’an Shaanxi 710064，China)

Abstract：To study the influence of methyl oleate temperature on engine performance, a heating and temperature maintaining equipment is designed on a two-cylinder direct injection diesel engine to test and compare the power, economy, combustion and emission performances of methyl oleate at different temperatures. It is found that (1) with the increase of fuel temperature, the power performance weakens, the economy performance varies unclearly; (2) the combustion pressure and the heat release rate curve of methyl oleate combustion leave far away from the top dead center, at high loads the curves delay obviously; (3) the peak combustion pressure and the peak instantaneous heat release rate decrease, at high loads the reduction increases; (4) the heat release rate at after-combustion period increases; (5) at 1 500 r/min, compared with the status at 10 ℃, NOx emissions of methyl oleate at 25, 40, 55 ℃ averagely decrease 17.5%, 19.6% and 20.3% respectively, but smoke emissions averagely increase 84.9%, 96.6% and 165.5%. The result indicates that fuel inlet temperature has important influence on performance of methyl oleate, it can be selected as a basic parameter to control the combustion and emission of methyl oleate.

Key words：automotive engineering; combustion and emission; experimental research; fuel inlet temperature; methyl oleate

中圖分類號：TK42

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)04-0153-06

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.024

作者簡介：仇世侃(1974-)，男，陜西西安人，碩士.(huaze0550@aliyun.com)

基金項目：陜西省自然科學(xué)基金項目(2014JQ7268)

收稿日期：2015-04-20