鄧柳鋼，黃錦成

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

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生物柴油燃燒循環(huán)變動(dòng)特性試驗(yàn)研究

鄧柳鋼，黃錦成

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

摘要：對(duì)柴油機(jī)燃燒大豆生物柴油、0#柴油及乙醇與生物柴油的混合燃料的循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明柴油機(jī)燃燒B100時(shí)，在小負(fù)荷工況出現(xiàn)較大的循環(huán)變動(dòng)，中高負(fù)荷工況燃燒B100的各類(lèi)COV都低于D100。在大豆生物柴油中混合乙醇作為燃料，對(duì)低負(fù)荷工況的循環(huán)變動(dòng)有較大的影響，對(duì)中高負(fù)荷工況的循環(huán)變動(dòng)影響不大。添加10%的乙醇既能降低柴油機(jī)燃燒的粗暴程度，又能使柴油機(jī)燃燒更為穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：生物柴油；乙醇；柴油機(jī)；循環(huán)變動(dòng)

生物柴油被稱(chēng)之為“綠色燃料”，是一種含氧代用燃料，具有無(wú)毒、可生物降解、可再生等特點(diǎn)，能與柴油以任意比例混合或直接在柴油機(jī)上使用，在歐洲已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用［1］。由于生物柴油制作的原料來(lái)源較多，不同原料所生產(chǎn)得的生物柴油其性能不盡相同。對(duì)此，本實(shí)驗(yàn)選用防城港市中能生物能源投資有限公司所提供的大豆生物柴油為燃料，對(duì)其與0#柴油在單缸柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的燃燒循環(huán)波動(dòng)進(jìn)行了研究。由于該生物柴油的粘度比0#柴油大，因此，在生物柴油中加入一定比例的乙醇，并對(duì)混合燃料在單缸柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的燃燒循環(huán)波動(dòng)進(jìn)行了研究。

1　試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

1.1燃燒試驗(yàn)

試驗(yàn)是在ZS195型直噴柴油機(jī)上進(jìn)行的，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。試驗(yàn)所采用的儀器設(shè)備主要有奧地利Dewetron公司燃燒分析儀DEWE-800、D100水力測(cè)功機(jī)等。

表1　ZS195型直噴柴油機(jī)主要參數(shù)

1.2試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)燃料為市售0#柴油和乙醇，生物柴油采用防城港市中能生物能源投資有限公司所提供的大豆生物柴油。將生物柴油與乙醇按不同體積百分比混合得到混合燃料。0#柴油、生物柴油、乙醇的理化性質(zhì)如表2所列。

表2　燃料的主要理化性質(zhì)

其中0#柴油簡(jiǎn)稱(chēng)D100，生物柴油簡(jiǎn)稱(chēng)B100，在乙醇和生物柴油的混合油品中，乙醇體積百分比例分別為10%，20%，30%，簡(jiǎn)稱(chēng)為E10B90，E20B80，E30B70.

1.3試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用燃燒分析儀采集發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速，1.5 kW，4.5 kW，8.8 kW等低中高負(fù)荷下缸內(nèi)的壓力信號(hào)，每個(gè)工況點(diǎn)連續(xù)采集100個(gè)循環(huán)數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算處理比較各循環(huán)的最高燃燒壓力Pmax、最大壓力升高率（dp/dθ）max、平均指示壓力Pi的循環(huán)變動(dòng)情況。試驗(yàn)過(guò)程中，柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有任何改動(dòng)，各組試驗(yàn)均在相同條件下進(jìn)行。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了反映某循環(huán)偏離整個(gè)測(cè)量循環(huán)均值程度，同時(shí)顯示某參數(shù)在整個(gè)采集循環(huán)中的變動(dòng)程度，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中變異系數(shù)來(lái)衡量，稱(chēng)之為循環(huán)變動(dòng)系數(shù)或循環(huán)變動(dòng)率COV［2］.各參數(shù)的循環(huán)變動(dòng)率可由以下公式求得。（以Pmax為例，其他參數(shù)的COV也可由相同的公式計(jì)算），式中N為循環(huán)總數(shù)，本試驗(yàn)取100.

循環(huán)平均值

標(biāo)準(zhǔn)偏差

循環(huán)變動(dòng)率

表3　各燃料部分工況點(diǎn)百循環(huán)參數(shù)的計(jì)算值

2.1D100和B100燃燒的結(jié)果分析

圖1所示是柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，各工況點(diǎn)燃燒D100和B100的各類(lèi)循環(huán)波動(dòng)對(duì)比圖。

（續(xù)下圖）

圖1　額定轉(zhuǎn)速下D100和B100各COV隨功率的變化

文獻(xiàn)［3］推薦采用缸內(nèi)峰值壓力作為燃燒循環(huán)變動(dòng)的特征參數(shù)，認(rèn)為缸內(nèi)峰值壓力易于測(cè)量并且對(duì)循環(huán)變動(dòng)很敏感。圖1（a）對(duì)比了燃燒D100和B100的最高燃燒壓力循環(huán)波動(dòng)率隨功率的變化，燃燒D100時(shí)，其COVPmax在功率3 kW時(shí)最大，為1.765%，隨負(fù)荷增加COVPmax逐漸減小到功率8.8 kW時(shí)的1.21%；燃燒B100時(shí)，其COVPmax隨負(fù)荷的增加而減小，最大值為2.317%，最小值為1.247%.

圖1（b）對(duì)比了燃燒D100和B100的平均指示壓力循環(huán)波動(dòng)率隨功率的變化，燃燒D100時(shí)，其COVPi在功率3 kW最大為8.126%，隨負(fù)荷增加COVPi逐漸減小到功率8.8 kW時(shí)的3.402%；燃燒B100時(shí)，其COVPi隨負(fù)荷的增加總體趨勢(shì)減小，最大值為8.908%，最小值為1.973%.

圖1（c）對(duì)比了燃燒D100和B100的最大壓力升高率循環(huán)波動(dòng)率隨功率的變化，燃燒D100時(shí)，其COV （dp/dθ）max在功率3 kW最大為7.512%，隨負(fù)荷增加COV（dp/dθ）max總體趨勢(shì)減小到功率8.8 kW時(shí)的2.454%；燃燒B100時(shí)，其COV（dp/dθ）max隨負(fù)荷的增加總體趨勢(shì)減小，最大值為12.018%，最小值為2.78%.

柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速燃燒D100和B100的不同工況下的循環(huán)變動(dòng)率幾乎都小于10%，柴油機(jī)工作在正常范圍內(nèi)，但是依然存在著少數(shù)工況有循環(huán)變動(dòng)較大的問(wèn)題。B100的粘度大于D100，在低負(fù)荷工況時(shí)霧化程度較低，導(dǎo)致燃燒不完善程度大，出現(xiàn)較大的循環(huán)變動(dòng)；隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)混合氣體的不均勻度減小，使得缸內(nèi)燃燒的循環(huán)波動(dòng)減小。B100的十六烷值高于D100的十六烷值，柴油機(jī)燃燒B100更加均勻，熱功效率高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作更穩(wěn)定，因此，有中高負(fù)荷工況B100的各類(lèi)COV都低于D100的現(xiàn)象。另外，從表3中可以看出，相同工況下，柴油機(jī)燃燒B100所得的最高燃燒壓力平均值、最大壓力升高率平均值、平均指示壓力平均值幾乎都大于燃燒D100所得的各類(lèi)平均值，即柴油機(jī)燃燒B100時(shí)更為粗暴，柴油機(jī)受的沖擊力大，機(jī)械負(fù)荷加大。

2.2乙醇和生物柴油混合燃燒的結(jié)果分析

圖2所示為乙醇與大豆生物柴油不同比例混合燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下低中高負(fù)荷工況的各類(lèi)循環(huán)波動(dòng)對(duì)比圖。

圖2　額定轉(zhuǎn)速下低中高負(fù)荷COV隨乙醇占比的變化

圖2（a）所示，柴油機(jī)燃燒乙醇與大豆生物柴油的混合燃料，各燃料燃燒的COVPmax都隨著負(fù)荷的增加而減小。并且在小負(fù)荷工況時(shí)，隨著乙醇體積百分比的變化，各燃料的COVPmax有一定幅度的變化，燃燒B100時(shí)，COVPmax為2.317%；燃燒E10B90時(shí)COVPmax有所降低，為1.667%；隨著乙醇占比的增加，COVPmax增加，燃燒E20B80和E30B90時(shí)，COVPmax增加到2.667%，3.147%.在中高負(fù)荷工況時(shí)，各燃料的COVPmax保持在一個(gè)相對(duì)恒定的范圍，沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的變化。

圖2（b）所示，柴油機(jī)燃燒乙醇與大豆生物柴油的混合燃料，各燃料燃燒的COVPi都隨著負(fù)荷的增加而減小。并且在小負(fù)荷工況時(shí)，隨著乙醇體積百分比的變化，各燃料的COVPi有一定幅度的變化，燃燒B100時(shí)，COVPi為8.908%；燃燒E10B90時(shí)COVPi有所降低，為6.395%；隨著乙醇占比的增加，COVPi增加，燃燒E20B80和E30B90時(shí)，COVPi增加到14.058%，12.238%.在中高負(fù)荷工況時(shí)，各燃料的COVPi保持在一個(gè)相對(duì)恒定的范圍，沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的變化。

圖2（c）所示，柴油機(jī)燃燒乙醇與大豆生物柴油的混合燃料，在小負(fù)荷工況時(shí)，隨著乙醇體積百分比的增加，燃料的COV（dp/dθ）max減小。燃燒B100時(shí)，COV（dp/dθ）max為 12.018%；燃燒 E10B90時(shí)COV（dp/dθ）max有所降低，為10.69%；隨著乙醇占比的增加，COV（dp/dθ）max迅速減小，燃燒E20B80 和 E30B90時(shí)，COV（dp/dθ）max減小到 4.161%，1.69%.在中高負(fù)荷工況時(shí)，各燃料的COV（dp/dθ）max在一個(gè)相對(duì)恒定的范圍略微增加，沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的變化。

柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速燃燒乙醇與大豆生物柴油混合燃料的低負(fù)荷工況，COVPi，COV（dp/dθ）max有較大幅度的變化，都有超過(guò)10%的工況點(diǎn)，柴油機(jī)工作波動(dòng)較大，表明在大豆生物柴油中混合乙醇作為燃料，對(duì)低負(fù)荷工況的循環(huán)變動(dòng)有較大的影響，其中燃燒E10B90的最高燃燒壓力平均值、最大壓力升高率平均值都小于燃燒B100所得的各類(lèi)平均值，并且燃燒E10B90的各類(lèi)COV值也明顯小于B100的各類(lèi)COV，即在生物柴油中添加10%的乙醇既能降低柴油機(jī)燃燒的粗暴程度，又能使柴油機(jī)燃燒更為穩(wěn)定。各燃料在高負(fù)荷工況下燃燒，由于缸內(nèi)混合氣體的不均勻度小，燃燒波動(dòng)小，各類(lèi)循環(huán)變動(dòng)率都小于5%，柴油機(jī)工作平順，在正常范圍內(nèi)，表明在大豆生物柴油中混合乙醇作為燃料，對(duì)柴油機(jī)的中高負(fù)荷工況的循環(huán)變動(dòng)影響不大。

3　結(jié)束語(yǔ)

柴油機(jī)燃燒B100時(shí)，在小負(fù)荷工況出現(xiàn)較大的循環(huán)變動(dòng)，中高負(fù)荷工況燃燒B100的各類(lèi)COV都低于D100，發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，但工作過(guò)程粗暴，柴油機(jī)受沖擊力大，機(jī)械負(fù)荷加大。在大豆生物柴油中混合乙醇作為燃料，對(duì)低負(fù)荷工況的循環(huán)變動(dòng)有較大的影響，對(duì)中高負(fù)荷工況的循環(huán)變動(dòng)影響不大。添加10%的乙醇既能降低柴油機(jī)燃燒的粗暴程度，又能使柴油機(jī)燃燒更為穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

［1］袁銀南，江清陽(yáng)，孫平，等.柴油機(jī)燃用生物柴油的排放特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003，21（6）：423-427.

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［3］程勇，王建昕，莊人雋，等.汽油機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)表征參數(shù)的探討［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2001，（6）:16-20.

Research on Combustion Cycle-by-Cycle Variations Characteristic of Bio-Diesel

DENG Liu-gang，HUANG Jin-cheng
（College of Machinery Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Abstract：In this paper，the diesel engine combustion soybean bio-diesel，petroleum diesel 0#and ethanol and bio-diesel blended fuel cycle changes through the contrast analysis of results showed that the diesel engine when burning B100，in the small load condition appear larger cyclical fluctuation，high load condition of burning B100 all kinds of COV below the D100.In soybean bio-diesel blend ethanol as a fuel，in low load condition of cyclic variations have larger，the influence of cyclic variations of high load condition.Add 10%ethanol can reduce the rough degree of diesel engine combustion and make diesel engine combustion is more stable.

Key words：bio-diesel；ethanol；diesel engine；cycle-by-cycle variations

中圖分類(lèi)號(hào)：TK46.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0025-04

收稿日期：2015-12-02

作者簡(jiǎn)介：鄧柳鋼（1989-），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械及工程（節(jié)能減排方向）。