袁文華，李紅，吳浩，馬傳武，馬儀

(邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

雙通道鑲塊渦流室柴油機(jī)摻燒生物柴油綜合性能研究

袁文華，李紅，吳浩，馬傳武，馬儀

(邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

雙通道鑲塊結(jié)構(gòu)在一定程度上提升了渦流室柴油機(jī)的性能，在該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上摻燒生物柴油，探究雙通道鑲塊渦流室柴油機(jī)摻燒生物柴油的綜合性能。通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)得到了雙通道鑲塊渦流室柴油機(jī)摻燒生物柴油時(shí)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，分析生物柴油摻燒比對雙通道鑲塊渦流室柴油機(jī)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)得出：摻燒生物柴油會降低發(fā)動機(jī)的最大輸出功率，降幅隨摻燒比增加而增大，摻燒比低于30%時(shí)對發(fā)動機(jī)動力性能影響較?。簱綗锊裼蜁黾尤加拖穆剩糠止r下的等效燃油消耗率有所降低：摻燒生物柴油有利于碳煙、HC、CO的排放控制，但摻燒比大于20%時(shí)會導(dǎo)致NOX排放增加。

雙通道鑲塊；生物柴油；摻燒比；等效燃油消耗率；碳煙

目前，小型風(fēng)冷渦流室式柴油機(jī)在農(nóng)機(jī)、小型工程機(jī)械、小型船舶等領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用，針對其性能的研究主要集中在燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，現(xiàn)有研究表明[1-4]：連接通道對渦流室燃燒系統(tǒng)的改善具有重要影響。日本的小松原一通過三維模擬計(jì)算的方法進(jìn)行了渦流室內(nèi)空氣流場分析，初次認(rèn)識到連接通道對渦流室內(nèi)的空氣流場具有重大影響[1]。三菱公司提出了不同角度兩段連接通道相結(jié)合的設(shè)計(jì)，使通道流量和氣流運(yùn)動得到了改善[2]。唐智、熊銳等人研究了不同角度連接通道對燃燒系統(tǒng)的影響[3]。朱廣圣結(jié)合了連接通道的位置和角度進(jìn)行了相關(guān)研究[4]。馬儀、袁文華對小型風(fēng)冷柴油機(jī)鑲塊雙通道傾角對渦流特性的影響進(jìn)行了相關(guān)研究[5]，提出了一種雙通道鑲塊結(jié)構(gòu)，將渦流室式發(fā)動內(nèi)燃料分布的均勻性,使發(fā)動機(jī)各項(xiàng)性能均得到一定程度的改善[6]。然而，單純從燃燒室結(jié)構(gòu)方面對小型風(fēng)冷柴油機(jī)的性能的改善作用畢竟有限，考慮到作為發(fā)動機(jī)主要燃料來源的石油資源已經(jīng)日漸枯竭，“酸雨”、“溫室效應(yīng)”、“光化學(xué)煙霧”等環(huán)保問題也越來越嚴(yán)重，因此，本文提出將新型替代能源與雙通道鑲塊結(jié)構(gòu)相結(jié)合來進(jìn)一步改善發(fā)動機(jī)性能的研究思路。

目前，生物柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用主要以摻燒為主，國內(nèi)外就柴油機(jī)摻燒生物柴油進(jìn)行了大量研究[7,8,13,21]，研究發(fā)現(xiàn)，生物柴油摻燒比對于柴油機(jī)性能具有重要影響，當(dāng)生物柴油摻燒比較高時(shí)會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率降低及燃油消耗率的升高，當(dāng)摻燒比不超過40%時(shí)柴油機(jī)具有較好的性能表現(xiàn)，因此，目前對于生物柴油的應(yīng)用與研究都以小摻燒比為主，本研究在設(shè)定試驗(yàn)組時(shí)也以小摻燒比為主。

綜合以上，確定了基于雙通道鑲塊渦流室式柴油機(jī)結(jié)構(gòu)摻燒生物柴油的研究方向，通過研究雙通道鑲塊渦流室式柴油機(jī)摻燒生物柴油的綜合性能，探究摻燒特性并確定摻燒方案。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1，燃燒室結(jié)構(gòu)為雙通道鑲塊渦流室，鑲塊材料為耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦的細(xì)結(jié)構(gòu)模壓石墨，以40°傾斜角為基礎(chǔ)，將雙通道設(shè)計(jì)為擴(kuò)張角為10°的縮口通道A和擴(kuò)張角為5°的擴(kuò)口通道B[6],具體結(jié)構(gòu)特征見圖1、2。

該雙通道結(jié)構(gòu)有利于加強(qiáng)渦流室與主燃燒室之間的氣流運(yùn)動，在壓縮行程時(shí)，氣流從主燃燒室壓入渦流室，縮口通道B可增大氣體的流速，擴(kuò)口通道A可保證氣體流通量并增大渦流強(qiáng)度。在做功行程時(shí)，氣體膨脹做功，從渦流室進(jìn)入主燃燒室，縮口通道A可增大氣流速度，擴(kuò)口通道B起輔助流通的作用[6]。馬儀等通過數(shù)值仿真與試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了該雙通道鑲塊結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)綜合性能均有所改善。

研究涉及其他試驗(yàn)設(shè)備包括：FC2000發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)、油耗-轉(zhuǎn)速測量儀、測功機(jī)、NHT-6型不透光度計(jì)、廢氣分析儀。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.主燃燒室 2.缸蓋 3.噴油器 4.渦流室 5.連接通道A 6.連接通道B 7.啟動孔圖1 雙通道鑲塊渦流式燃燒室結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of two-channel insert block swirl chamber

5.啟動孔 6.連接通道B 7.連接通道A圖2 雙通道鑲塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of the two-channel insert block

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)所用石化柴油為國Ⅲ的0#柴油，生物柴油是以地溝油為原料所加工生產(chǎn)，其主要性能指標(biāo)如表2所示。生物柴油具有近似于石化柴油的理化特性，兩者具有較好的互溶性，可實(shí)現(xiàn)任意比例的混合。根據(jù)現(xiàn)有研究了解，在對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)不做任何改變的條件下，發(fā)動機(jī)在小范圍摻燒生物柴油時(shí)具有更好的性能表現(xiàn)，故試驗(yàn)確定了B0、B10、B20、B30、B40、B100(B后面的數(shù)字表示生物柴油在混合燃油中的百分?jǐn)?shù)比例)六個(gè)試驗(yàn)組。

1.3 試驗(yàn)方案

按照體積比將石化柴油和生物柴油按試驗(yàn)組所需進(jìn)行混合,充分?jǐn)嚢?5min使其混合均勻，試驗(yàn)前先將發(fā)動機(jī)預(yù)熱30min，為減小試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)均進(jìn)行五次，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行格拉布斯檢驗(yàn)后剔除異常值，并對剩余數(shù)據(jù)取平均值，當(dāng)異常數(shù)據(jù)超過2個(gè)時(shí)，對試驗(yàn)儀器進(jìn)行校正后重新測量。在變換試驗(yàn)組時(shí),先排空發(fā)動機(jī)及油管余油,清洗油路，再加入新一組試驗(yàn)燃油，避免出現(xiàn)摻混，影響試驗(yàn)結(jié)果。

表2 生物柴油與石化柴油理化性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摻燒比對發(fā)動機(jī)動力性影響

在雙通道鑲塊渦流室式柴油機(jī)上摻燒生物柴油時(shí)的功率外特性曲線見圖3。

圖3 發(fā)動機(jī)功率外特性曲線Fig.3 The external characteristic cure of power

試驗(yàn)結(jié)果顯示,摻燒生物柴油會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出功率有所降低，且降幅隨摻燒比的增加逐漸明顯。在低摻燒比范圍時(shí)(B10、B20、B30)發(fā)動機(jī)輸出功率相比于B0在各轉(zhuǎn)速下的降幅均較小,整體范圍不超過2.6%，在發(fā)動機(jī)較低時(shí)，B10的發(fā)動機(jī)輸出功率略高于B0。當(dāng)生物柴油摻燒比超過30%時(shí)，發(fā)動機(jī)輸出功率在各轉(zhuǎn)速下的降幅都較為顯著,B40、B100相較于B0的發(fā)動機(jī)輸出功率最大降幅分別為4.8%、9.7%。

在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，燃燒室內(nèi)的渦流強(qiáng)度較低，燃料混合質(zhì)量下降，當(dāng)燃料燃燒不充分時(shí)，發(fā)動機(jī)功率受燃料低熱值的影響很小，且生物柴油中的氧元素有一定的燃燒改善作用[9]，因此，在轉(zhuǎn)速低于1200r/min時(shí)，摻燒生物柴油時(shí)的發(fā)動機(jī)功率與燃燒純柴油時(shí)相當(dāng)，B10的發(fā)動機(jī)功率略高于B0。

2.2 摻燒比對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響

在雙通道鑲塊渦流室式柴油機(jī)上摻燒生物柴油時(shí)的有效燃油消耗率外特性曲線、等效燃油消耗率外特性曲線見圖4、5。

圖4 發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率外特性曲線Fig.4 The external characteristic cure of effective specific fuel consumption

試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著轉(zhuǎn)速的變化，發(fā)動機(jī)燃用各摻燒比燃料的有效燃油消耗率變化趨勢基本一致，都隨著轉(zhuǎn)速的升高先降低再增加。摻燒生物柴油會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率升高，摻燒比對有效燃油消耗率的影響主要反應(yīng)在發(fā)動機(jī)中高轉(zhuǎn)速區(qū)，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)B10、B20、B30、B40、B100相較于B0的有效燃油消耗率增幅分別為2.44%、4.99%、5.46%、6.81%、18.75%。低轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，各組摻燒比燃料的有效燃油消耗率差異較小，摻燒生物柴油時(shí)的有效燃油消耗率增加幅度不超過5%，在轉(zhuǎn)速低于1200r/min時(shí)，B10的有效燃油消耗率略低于B0。整體上看，只有當(dāng)摻燒比超過40%時(shí)，才會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率有明顯的增加。

摻燒生物柴油導(dǎo)致有效燃油消耗率的增加主要是由生物柴油理化特性決定的,生物柴油的密度大于石化柴油而其低熱值卻更小,所以在輸出相同功率時(shí)需要消耗的燃料更多。但是，生物柴油中有10%左右的氧含量，會在一定程度上起到改善燃燒的作用，所以低摻燒比混合燃料在某些工況下的有效燃油消耗率反而低于石化柴油[10]。

比較發(fā)動機(jī)的有效燃油消耗率只單一的反應(yīng)了燃油量的消耗情況，對于評定燃料的綜合應(yīng)用性效果并不佳。目前,替代能源評定的一項(xiàng)有效手段是燃料生命周期評定[11]，胡志遠(yuǎn)、譚丕強(qiáng)等已經(jīng)做了重要研究，該評定方法過于復(fù)雜，本研究從能量消耗的角度進(jìn)行燃料性能評定，利用燃料低熱值將燃油消耗率轉(zhuǎn)換為等效燃油消耗率，即表征了生物柴油摻燒比對燃料消耗的影響情況，又間接反應(yīng)了燃料燃燒的熱效率。轉(zhuǎn)換公式如下：

等效燃油消耗率=燃油消耗率×

圖5 發(fā)動機(jī)等效燃油消耗率外特性曲線Fig.5 The external characteristic cure of equivalent fuel consumption

由圖5可知，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，摻燒生物柴油時(shí)的等效燃油油耗率相較于有效燃油消耗率更接近于B0，當(dāng)摻燒比低于40%時(shí)，有效燃油消耗率變化范圍在-1%～5%，在低轉(zhuǎn)速區(qū)，摻燒生物柴油時(shí)的等效燃油消耗率低于B0。這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度低,混合氣空燃比較小，燃燒效率差，生物柴油的自供氧能力對發(fā)動機(jī)的燃燒的改善作用顯著[12]，所以摻燒生物柴油時(shí)的等效燃油消耗率更低。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，燃料的混合時(shí)間也逐漸縮短。由于生物柴油的十六烷值較高，芳香烴含量低，其燃燒前的物理和化學(xué)準(zhǔn)備時(shí)間較短，從而使得可燃混合氣的形成量減少[13]，M.Pilch的臨界weber數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式表明，較高的粘度及表面張力會導(dǎo)致燃料的滴液難以破碎，從而使得燃料的蒸發(fā)性下降，生物柴油較高的粘度計(jì)表明張力使得其燃料霧化蒸發(fā)的效果較差，燃燒放熱率低，因此摻燒生物柴油時(shí)的等效燃油消耗率高于比純柴油[14、21、22]。

2.3 摻燒比對發(fā)動機(jī)排放性影響

2.3.1 煙度

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速2600r/min時(shí)，雙通道鑲塊渦流室式柴油機(jī)上摻燒生物柴油的排放煙度負(fù)荷特性見圖6，試驗(yàn)采用NHT-6型不透光煙度計(jì)進(jìn)行排氣煙度的測量，并且以排氣的吸光系數(shù)K作為排放煙度的評定指標(biāo)。

圖6 發(fā)動機(jī)排放煙度負(fù)荷特性曲線Fig.6 The load characteristic cure of smoke emission

試驗(yàn)結(jié)果顯示,在中低負(fù)荷時(shí)各摻燒比燃料燃燒時(shí)的排放煙度都較低，B0的排放煙度略高于摻燒生物柴油的混合燃料。隨著負(fù)荷的增加，各組燃料燃燒時(shí)的排放煙度均逐漸升高，摻燒生物柴油對于排放煙度的控制作用逐漸明顯。在大負(fù)荷工況時(shí),摻燒生物柴油時(shí)的發(fā)動機(jī)排放煙度顯著降低，摻燒比越大排放煙度值的降幅越明顯，B100相較于B0的排放煙度降幅超過50%。

發(fā)動機(jī)排氣碳煙主要在燃燒溫度高于500K，過量空氣系數(shù)小于0.6的高溫缺氧環(huán)境下產(chǎn)生，F(xiàn)renklach和Wang的理論認(rèn)為，PAH是碳煙soot生成的先導(dǎo)物，而富氧狀態(tài)下大量生成的乙炔C2H2則是PAH生成的先導(dǎo)物[15]，所以燃料中的C/H值越小，燃燒產(chǎn)生排放煙度越低。生物柴油是一種芳香烴含量極低而烷烴含量較高的燃料，相較于石化柴油，生物柴油的C/H值要低得多，所以生物柴油的燃料化學(xué)成分更有利于碳煙的排放控制[16]。此外，生物柴油的自供氧能力對于局部缺氧的緩解[17]，以及高汽化潛熱對于燃燒溫度的降低，都有利于生物柴油的排放煙度控制。

2.3.2 NOX排放

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速2600r/min時(shí)，雙通道鑲塊渦流室式柴油機(jī)上摻燒生物柴油的NOX排放負(fù)荷特性見圖7。

圖7 發(fā)動機(jī)NOX排放負(fù)荷特性Fig.7 The load characteristic cure of NOX emission

試驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)動機(jī)在中小負(fù)荷時(shí)的NOX排放量均處于較低水平，NOX的排放量隨負(fù)荷的增大逐漸升高，摻燒生物柴油對發(fā)動機(jī)NOX排放影響主要反應(yīng)在中高負(fù)荷范圍。當(dāng)小摻燒比小于20%時(shí)，發(fā)動機(jī)的NOX排放量與B0基本相當(dāng)，在某些工況甚至有小幅度的降低，B10、B20相比較于B0的NOX排放量變化范圍為-3%～4%。當(dāng)摻燒比范圍超過20%時(shí)，NOX排放在各工況下均高于B0，但整體增幅在10%以內(nèi)。

NOX產(chǎn)生于燃燒溫度高于2300k的富氧環(huán)境，主要集中在大負(fù)荷工況，負(fù)荷越大，NOX排放量越高。在小范圍摻燒時(shí)，受生物柴油高汽化潛熱的影響，燃燒時(shí)的缸內(nèi)平均溫度降低，根據(jù)擴(kuò)展的Zeldovitch機(jī)理[18],NOX的生成量隨溫度呈指數(shù)遞增，所以小摻燒比在某些工況下的NOX排放量甚至低于B0[19]。在大范圍摻燒時(shí)，生物柴油的自供氧能力會促進(jìn)NOX的產(chǎn)生，此外，生物柴油的高十六烷值會使著火時(shí)刻提前，著火落后期縮短，更早達(dá)到NOX的觸發(fā)溫度[20]，進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)綗锊裼蜁r(shí)發(fā)動機(jī)的NOX排放量升高。

2.3.3 CO排放

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速2600r/min時(shí)，雙通道鑲塊渦流室式柴油機(jī)上摻燒生物柴油的CO排放情況見圖8。

圖8 發(fā)動機(jī)CO排放負(fù)荷特性Fig.8 The load characteristic cure of CO emission

CO的生成主要是由于碳?xì)淙剂系牟煌耆紵?。試?yàn)結(jié)果表明，在小負(fù)荷時(shí)，摻燒生物柴油時(shí)的CO排放量較B0有小幅度的增加,隨著負(fù)荷的進(jìn)一步增加，CO排放量會逐漸低于B0，CO的最高降幅可達(dá)40%。在小負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動機(jī)的燃燒溫度較低，生物柴油較高的汽化潛熱，會在燃料霧化蒸發(fā)時(shí)吸收大量的熱，造成燃燒室內(nèi)淬冷層加厚[21],同時(shí)，高黏度導(dǎo)致燃油噴射時(shí)大量生物柴油堆積在燃燒室壁面，影響燃油蒸發(fā)效果，最終導(dǎo)致CO排量略高于B0[22]。在大負(fù)荷工作狀況時(shí),發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的工作溫度逐漸升高，受汽化潛熱的影響逐漸減弱，生物柴油中含氧燃料的優(yōu)點(diǎn)開始占據(jù)主要影響，氧元素對燃燒產(chǎn)生正向推動作用，從而降低了CO的排放量，所以大負(fù)荷時(shí)摻燒生物柴油的CO低于B0。

2.3.4 HC排放

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速2600r/min時(shí)，雙通道鑲塊渦流室式柴油機(jī)上摻燒生物柴油的HC排放量如圖9所示。

圖9 發(fā)動機(jī)的HC排放負(fù)荷特性Fig.9The load characteristic cure of HC emission

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻燒生物柴油時(shí)的發(fā)動機(jī)HC排放量有所降低。發(fā)動機(jī)尾氣排放中的HC主要由燃料中未燃的碳?xì)浠衔镆约安糠盅趸奶細(xì)浠衔锝M成，其產(chǎn)生的原因是燃?xì)獾牟怀浞秩紵齕23]。由于生物柴油中的芳香烴含量極低，燃料燃燒時(shí)的滯燃期較短，有利于降低發(fā)動機(jī)的HC排放量[24]。同時(shí)，生物柴油的十六烷值較高燃料著火性好，燃燒更充分，促進(jìn)了HC的燃燒與裂解，因此，在摻燒生物柴油時(shí)發(fā)動機(jī)的HC排放量降低。

3 結(jié)論

1)摻燒生物柴油會在一定程度上降低發(fā)動機(jī)的最大輸出功率，摻燒比越大,功率降低越明顯。在生物柴油摻燒比超過30%時(shí)，才會造成發(fā)動機(jī)輸出功率降低導(dǎo)致動力不足的現(xiàn)象，因此，從發(fā)動機(jī)動力性考慮，可摻燒不超過30%的生物柴油。

2)摻燒生物柴油時(shí)的有效燃油消耗率有所升高,當(dāng)摻燒比不超過40%時(shí)，有效燃油消耗率的增幅在7%以內(nèi)。摻燒生物柴油時(shí)的等效燃油消耗率與B0較為接近，當(dāng)摻燒比低于40%時(shí)，有效燃油消耗率變化范圍在-1%～5%，在低轉(zhuǎn)速時(shí)低于B0,高轉(zhuǎn)速的略高于B0。從經(jīng)濟(jì)性考慮，可摻燒不超過40%生物柴油。

3)摻燒生物柴油會導(dǎo)致NOX排放量升高，當(dāng)摻燒比低于20%時(shí)，增幅不超過10%。摻燒生物柴油對于發(fā)動機(jī)的煙度、CO排放控制具有顯著效果，煙度的降幅可達(dá)50%，CO的降幅可達(dá)40%。此外，摻燒生物柴油對于發(fā)動機(jī)的HC排放控制也具有一定作用。從發(fā)動機(jī)的排放性能考慮，摻燒20%以下的生物柴油對于發(fā)動機(jī)排放控制具有正面作用。

4)綜合考慮以上各項(xiàng)因素，生物柴油的摻燒比低于20% 時(shí)對雙通道鑲塊渦流燃燒室柴油發(fā)動機(jī)的綜合性能提升具有推動作用，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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The comprehensive performance research on the two-channel insert block swirl chamber diesel engine with blending combustion of biodiesel

YUAN Wenhua,LI Hong,WU Hao,MA Chuanwu,MA Yi

(Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

The structure of two-channel insert block have an improvement on the performance of swirl chamber diesel engine. Do biodiesel blending test based on that structure, to get the performance on power,BSFC,smoke emission,NOXemission and HC emission, analysis the influence laws of blending ratio on the performance. The results show that the blending combustion makes the power reduce, and the degree increase with the blend ratio. When the blending ratio is under 30 percent, the effects on the engine power is weak. the blending combustion makes the effective fuel consumption increase, but the equivalent fuel consumption is decreased. The blending combustion have a positive effect on the control of smoke,HC and CO emission. When the blending ratio is no more than 20 percent, the NOXemission is close to the NOXemission when engine use pure diesel fuel .

two-channel insert block;biodiesel;blend ratio;equivalent consumption;smoke

1672-7010(2017)02-0061-08

2017-03-01

邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015Y030);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91541121)；邵陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016GX01)。

袁文華(1963-),男，湖南新邵人，教授、博士，從事發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)研究，E-mail：ywh6308@163.com

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