葉歡月

摘要：為改進(jìn)柴油機(jī)燃燒特性，提高其經(jīng)濟(jì)性能，在柴油機(jī)上進(jìn)行進(jìn)氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油的復(fù)合噴射燃燒試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用新的噴射方式可以增加氧化氣態(tài)物，在高溫、高壓、高辛烷值的均勻混合燃料區(qū)形成一個(gè)多元化的燃點(diǎn)或點(diǎn)火區(qū)。生物柴油噴射比例是影響生物柴油一天然氣復(fù)合噴油燃燒性能的重要因素，根據(jù)工況調(diào)節(jié)生物柴油噴射比例，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況范圍內(nèi)獲得良好的燃燒和經(jīng)濟(jì)性能。

關(guān)鍵詞：生物柴油；天然氣；復(fù)合噴射；性能特性

自柴油機(jī)誕生以來，人們一直在努力提高其熱效率，降低排放污染物。同時(shí)，隨著近年來原油價(jià)格大幅提升，也促使人們尋找合適的化石燃料替代品。因此，采用新的噴霧策略和使用清潔、可再生能源取代傳統(tǒng)柴油已成為一個(gè)緊迫的問題。

生物柴油和天然氣是當(dāng)前使用的兩個(gè)最有發(fā)展前景的可再生燃料。生物柴油是從農(nóng)作物中提取的燃料，優(yōu)點(diǎn)在于它的可再生性，比礦物柴油高的十六烷值，更高的生物降解能力等。然而，生物柴油也存在一些缺點(diǎn)，如高粘度、低能量和與使用礦物柴油相比，氮氧化物排放量增加等。因此，簡單地用生物柴油代替普通柴油達(dá)不到理想的效果。天然氣是一種清潔的低排放燃料，無毒，比空氣輕得多，可以迅速擴(kuò)散，具有豐厚的資源可用性。但單獨(dú)使用天然氣會(huì)遇到點(diǎn)燃困難，續(xù)航里程短等問題。雙燃料系統(tǒng)結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，提供了一種減少對傳統(tǒng)柴油依賴的途徑，同時(shí)可以減少有害污染物的排放。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式中，由于生物柴油和天然氣不易摻混，同時(shí)比例不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，無法獲得最佳的燃燒特性。研究表明，在柴油一天然氣分開噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，柴油機(jī)可以獲得燃用傳統(tǒng)柴油相似的熱效率，而排放煙度遠(yuǎn)低于正常燃料下的排放值。本文通過對試驗(yàn)柴油機(jī)的改造，以進(jìn)氣道內(nèi)供應(yīng)的天然氣作為主要燃料，缸中由高壓噴入的生物柴油形成的預(yù)混合氣體來壓燃，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油的復(fù)合噴油燃燒方式，并對生物柴油.天然氣復(fù)合噴油燃燒特性進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)裝置及研究方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)測試儀器設(shè)備。為了在試驗(yàn)柴油機(jī)中實(shí)現(xiàn)復(fù)合噴油策略，在進(jìn)氣道處，安裝獨(dú)立供油系統(tǒng)和噴油器，并用電控單元控制燃油的噴射。分別實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)天然氣和生物柴油的噴射量，可以獲得不同比例的天然氣和生物柴油的混合氣，滿足試驗(yàn)研究要求。

表1是發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格參數(shù)，主要測試儀器有GWl60電渦流測功機(jī)、FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)、5108A1003電荷放大器、2614A4光電編碼器、6125 B缸壓傳感器、CMFG010瞬時(shí)油耗儀等。

試驗(yàn)用的生物柴油是由油酸甲酯（OME）和棕櫚酸酯（PME）形成的混合物脂肪酸甲酯（FAME）組成，與減壓后的天然氣一起燃燒。結(jié)果顯示，加入FAME燃料后，著火延遲的時(shí)間更短，PME的含量可以顯著降低排煙密度，對燃料可燃性也有所改善。

1.2研究方法

1.2.1燃料的物化性質(zhì)

天然氣是石油開采和煤炭開采的副產(chǎn)品，它以兩種形式用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中：壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG），CNG在理想情況下可以取代柴油。生物柴油是指柴油的替代物，來自于生物原料（如植物油），它也可以用在普通的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中。本研究中用天然氣取代90%的柴油，保留10%的生物柴油作為點(diǎn)火燃料。天然氣和生物燃油的特性見表2。

1.2.2參數(shù)定義

（1）生物柴油噴射體積比例。

試驗(yàn)過程中，通過分別調(diào)節(jié)生物柴油和天然氣的噴射量實(shí)現(xiàn)不同生物柴油.天然氣噴射比例，利用瞬時(shí)油耗儀測量出發(fā)動(dòng)機(jī)特定運(yùn)行工況時(shí)生物柴油和天然氣的燃油消耗量。本文中，根據(jù)特定工況測出的生物柴油和天然氣的燃油消耗質(zhì)量，以及表2中生物柴油和天然氣的密度，將生物柴油和天然氣的噴射比例轉(zhuǎn)換為生物柴油噴射體積占總噴油體積的百分比，即s為

（2）折合燃油消耗率。

生物柴油和天然氣的低熱值不同，兩種燃料等質(zhì)量放出的熱量也不同。本文中，根據(jù)生物柴油和天然氣的熱值將天然氣消耗率轉(zhuǎn)換為等值能量的生物柴油消耗率，同時(shí)加上試驗(yàn)過程中生物柴油消耗率所得到的即為折合燃油消耗率，換算公式為

1.2.3試驗(yàn)方法

理論上，天然氣可以完全取代柴油，但實(shí)際上是不可能超過90%，因?yàn)樘烊粴馊紵枰A(yù)先噴入燃料的引燃。實(shí)驗(yàn)中使用天然氣作為主要燃料與吸入的新鮮空氣進(jìn)行預(yù)混合。生物柴油用于燃料的壓燃，主要由FAME燃料，如OME（油酸甲酯，純度>70%）和PME（棕櫚酸酯，純度>95%）混合而成。發(fā)動(dòng)機(jī)按ECR-49標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，目的是測試生物柴油的混合量對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)的影響。

在試驗(yàn)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)以1900 rpm轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫保持在85±2°c，機(jī)油溫度為70±2。c。第一次測試中，將測功器負(fù)荷固定在80%。然后，調(diào)整油門開度，使純生物柴油僅釋放出10%的功率。最后，天然氣燃料進(jìn)入燃油系統(tǒng)，以補(bǔ)充純生物柴油降低的90%的動(dòng)力。每次的測試前，發(fā)動(dòng)機(jī)要穩(wěn)定工作60秒。所有測試的情況下，燃料節(jié)氣門完全打開。測試期間發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)沒有變動(dòng)，也沒有出現(xiàn)噴油器堵塞的情況。FAME燃料噴射提前角固定在上死點(diǎn)前（BTDC）曲軸轉(zhuǎn)角（CA）21°，純生物柴油著火時(shí)的氣缸壓力是21.5帕，具體試驗(yàn)工況和噴油比例如表3所示。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1分開噴射策略對發(fā)動(dòng)機(jī)著火延遲的影響

圖2顯示了不同比例的天然氣與FAME燃料分開噴射時(shí)著火延遲角的變化。選擇與噴射時(shí)間相對應(yīng)的氣缸壓力值作為基準(zhǔn)來確定著火延遲角。燃燒特性以平均值為代表，通過分析三個(gè)記錄信號(hào)，如曲軸轉(zhuǎn)角、噴嘴針閥升程、氣缸壓力值間的關(guān)系，超過連續(xù)50周期測試而獲得。

生物柴油在混合物的比例的增加導(dǎo)致氣缸壓力與曲軸轉(zhuǎn)角變化關(guān)系轉(zhuǎn)向曲軸轉(zhuǎn)角減小的方向。這是由于天然氣.空氣預(yù)混合物當(dāng)量比的增加，大大降低了十六烷值，同時(shí)由于點(diǎn)火燃料噴射量的減少，造成混合物的形成延遲。與天然氣點(diǎn)火相比，F(xiàn)AME的著火時(shí)刻要相對提早一些。由于大量的氣體燃料的加入需要增大燃燒時(shí)間，與傳統(tǒng)燃料相比，雙燃料的著火時(shí)刻要延遲。

2.2分開噴射策略對燃燒室壓力峰值的影響

因?yàn)槿剂?空氣混合物的燃燒產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)矩和功率，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮和做功沖程中缸內(nèi)壓力持續(xù)的時(shí)間和大小就成了動(dòng)力性最基本的衡量參數(shù)。圖3顯示了表征CNG-FAME性能的氣缸最高燃燒壓力隨生物柴油噴射量的不同而產(chǎn)生的變化。通過比較不同比例的雙燃料，可以看到開始噴入生物柴油時(shí)，由于十六烷值的增加，著火相對提早，最高燃燒壓力增大。生物柴油占10%時(shí)，氣缸最高燃燒壓力最大。隨著預(yù)噴燃料化合物中生物柴油比例的增加，會(huì)使燃燒室壓力峰值由于不當(dāng)?shù)娜紵陆怠?/p>

2.3分開噴射策略對排放廢氣溫度的影響

通過比較不同燃料混合物的排放廢氣溫度，可以觀察到，增加混合物中生物柴油的量可以降低排氣溫度。

生物柴油燃料熱值較低是造成燃燒室溫度的損失的主要因素，從而降低排出氣體的溫度。圖4顯示了這種影響。

2.4分開噴射策略對燃料的燃油消耗率的影響

由于長鏈烴，更高的密度和粘度，生物柴油噴射時(shí)噴霧質(zhì)量較差，所以不太適合汽化和燃燒。生物柴油的熱值也低，這都影響了混合燃料（CNG和空氣）的燃燒效果。在實(shí)驗(yàn)中，限制10%的動(dòng)力來自于液態(tài)燃料燃燒，顯然，光靠生物柴油來維持發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力是不可能的。增加混合物中生物柴油的含量，維持發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的功率需要增加氣體燃料的消耗量。折合燃料的平均燃油消耗率如圖5所示。

2.5分開噴射策略對發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率的影響

圖6提供了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同比例的雙燃料運(yùn)行下有效熱效率的變化。增加燃料混合物中生物柴油的量，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率降低，這表明生物柴油的不恰當(dāng)燃燒會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)中雙燃料模式下燃料轉(zhuǎn)化為有用功的無效轉(zhuǎn)化的增多。這是在初始階段雙燃料燃燒下觀察到的較低的預(yù)混燃燒率控制的結(jié)果。

3結(jié)語

本文主要分析了1900r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、平均指示壓力為21.5Pa的工況下，生物柴油—天然氣復(fù)合噴油燃燒特性。

（1）無論何種點(diǎn)火燃料，雙燃料的著火時(shí)間隨液體燃油供應(yīng)的增加而縮短。與油氣點(diǎn)火相比，F(xiàn)AME燃料的著火延遲期明顯縮短。

（2）與不同數(shù)量的生物柴油含量相比，當(dāng)OME和PME燃料混合物作為點(diǎn)火燃料時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨著CNG中的生物柴油混合燃料和定容燃燒的程度增加而減少。

（3）無論使用何種點(diǎn)火燃料，雙燃料運(yùn)行的有效熱效率在高負(fù)載下能夠維持高值。當(dāng)天然氣供應(yīng)的比例低于90%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率變動(dòng)類似于普通柴油的情況。

（4）生物柴油噴射比例是影響生物柴油一天然氣復(fù)合噴油燃燒過程的重要因素，根據(jù)工況調(diào)節(jié)生物柴油噴射比例，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況范圍內(nèi)獲得良好的燃燒和經(jīng)濟(jì)性能。