蔣超宇, 王偉超, 楊學(xué)平(.云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)技術(shù)工程系, 昆明 65003； .云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 65003)

生物柴油是清潔可再生液體燃料，具有十六烷值低、無(wú)毒、低硫、可降解、無(wú)芳烴等特點(diǎn)，可直接替代或與化石柴油調(diào)合使用，有效改善低硫柴油潤(rùn)滑性，有利于降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒物、一氧化碳、碳?xì)浠衔?、硫化物等污染物排放[1-3]。乙醇是一種優(yōu)良燃料，其作為一種優(yōu)良的燃油品質(zhì)改善劑被廣泛使用，將柴油、生物柴油和乙醇3種燃料作為混合燃料使用已經(jīng)得到關(guān)注，且很好地運(yùn)用3種燃料各自的優(yōu)勢(shì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不變的情況下，能有效降低碳煙的排放[4-10]。

目前，國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)混合燃料的可溶性及物化特性進(jìn)行研究，對(duì)混合燃料中生物柴油摻混比例變化引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化的研究較少。生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的混合主要考慮3種燃料的可溶性，而生物柴油作為混合燃料的助溶劑已得到證實(shí)，由于乙醇燃料易汽化的特點(diǎn)，摻混過(guò)高的乙醇會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，過(guò)低的生物柴油摻混比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響不明顯，過(guò)高的生物柴油摻混比例會(huì)使混合燃料互溶性變差[11-16]。針對(duì)燃料特點(diǎn)，本文選用了B15E3和B25E3兩種摻混了高比例生物柴油混合燃料(低乙醇含量)與純柴油進(jìn)行燃燒試驗(yàn)對(duì)比，兩種燃料中乙醇含量(3%)相同，通過(guò)試驗(yàn)分析混合燃料中摻混生物柴油比例變化引起的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化規(guī)律，為今后在汽車(chē)上使用生物質(zhì)燃料及乙醇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用純柴油、B15E3(生物柴油體積分?jǐn)?shù)為15%，乙醇體積分?jǐn)?shù)為3%和柴油體積分?jǐn)?shù)為82%)和B25E3(生物柴油體積分?jǐn)?shù)為25%，乙醇體積分?jǐn)?shù)為3%和柴油體積分?jǐn)?shù)為72%)3種燃料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。

考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境及溫度等綜合因素，混合燃料中使用的柴油為普通輕型0#柴油；乙醇選用純度為99.5%的無(wú)水乙醇；生物柴油以地溝油為原料，由于地溝油質(zhì)量較差、不衛(wèi)生及酸值、水分、過(guò)氧化值嚴(yán)重超標(biāo)等特性，利用化學(xué)法對(duì)地溝油進(jìn)行處理，主要分為4個(gè)步驟進(jìn)行：預(yù)處理、酯化、甘油精制、生物柴油精餾。通過(guò)此方法得到符合條件的生物柴油。

生物柴油、乙醇和柴油及混合燃料的理化特性見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)燃料的理化特性

試驗(yàn)中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為YN30CR高壓共軌、直列四沖程、水冷柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)臺(tái)架采用杭州奕科機(jī)電公司W(wǎng)E系列水渦流測(cè)功機(jī)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中用到NI公司PCI-6602數(shù)據(jù)采集卡、Omega公司9X309壓力傳感器、長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司LF36BM-C05D光電編碼器、江蘇聯(lián)能電子有限公司5011A電荷放大器、安捷倫有限公司Infinii Vision 2000 X示波器及廣東佛分儀器廠FBY-201濾紙式煙度計(jì)。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)環(huán)境與方案

試驗(yàn)環(huán)境為云南省昆明市，海拔1 895 m，氣壓約80.7 kPa，環(huán)境溫度20～25℃，相對(duì)濕度20%～35%。試驗(yàn)中測(cè)功機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供負(fù)荷及測(cè)量油耗數(shù)據(jù)、壓力傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)壓力及壓力升高率數(shù)據(jù)、光電編碼器采集曲軸轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)和煙度計(jì)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排放中的煙度數(shù)據(jù)，通過(guò)電荷放大器將數(shù)據(jù)調(diào)試后由Lab-VIEW軟件將發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上燃燒3種燃料的性能數(shù)據(jù)采集、記錄并分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒性試驗(yàn)分析

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min工況下的缸內(nèi)壓力和壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線圖。

圖1 缸內(nèi)壓力及壓力升高率對(duì)比

從圖1可以看出，3種燃料在缸內(nèi)燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)壓力及壓力升高率變化趨勢(shì)基本相同。燃燒B15E3和B25E3的缸內(nèi)最大壓力和最大壓力升高率均低于純柴油，生物柴油摻混比例較高的B25E3下降較為明顯，下降分別達(dá)到1 MPa和0.14 MPa/°CA。對(duì)于缸內(nèi)壓力峰值和壓力升高率峰值出現(xiàn)時(shí)間，混合燃料均較純柴油提前，燃燒B15E3和純柴油的缸內(nèi)壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間基本相同，燃燒B25E3的缸內(nèi)壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間較另兩種燃料提前了7°CA。

燃料的熱值、含氧量和十六烷值是影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和壓力升高率的主要因素，壓力升高率的變化與缸內(nèi)混合氣形成的過(guò)程有密切關(guān)系，而由于生物柴油含氧特性和較高的十六烷值，致使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒初始惡劣的條件得到改善，在燃燒初期油氣混合時(shí)間延長(zhǎng)，能形成較為理想的混合氣，著火滯燃期縮短，有助于發(fā)動(dòng)機(jī)初期缸內(nèi)燃燒，使缸內(nèi)壓力及壓力升高率峰值出現(xiàn)位置提前，而生物柴油和乙醇的熱值均低于柴油，使得隨著生物柴油摻混比例的增加，混合燃料的熱值降低，缸內(nèi)壓力峰值也降低。

瞬時(shí)放熱規(guī)律直接反映了缸內(nèi)的燃燒放熱隨著曲軸轉(zhuǎn)角變化的趨勢(shì)，可以更直接地反映燃燒過(guò)程的特征。圖2表示發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min工況下燃用純柴油、B15E3和B25E3 3種燃料的瞬時(shí)放熱率對(duì)比情況。

圖2 瞬時(shí)放熱率對(duì)比

從圖2可以看出，燃燒純柴油和B15E3的瞬時(shí)放熱率變化趨勢(shì)基本一致，燃燒B15E3的瞬時(shí)放熱率峰值較純柴油低4.8%，瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)時(shí)間基本相同，而燃燒B25E3的瞬時(shí)放熱率較純柴油低5.6%，瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)時(shí)間較另外兩種燃料出現(xiàn)明顯滯后，達(dá)8°CA。由于生物柴油黏度較高，隨著生物柴油的摻混比例增加，混合燃料的瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后現(xiàn)象明顯，而生物柴油熱值較低，使得隨著生物柴油摻混比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的瞬時(shí)放熱率峰值逐漸降低。

2.2 經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)分析

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min工況下的當(dāng)量燃油消耗量隨負(fù)荷變化的曲線圖。

圖3 燃油消耗量對(duì)比

從圖3可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用B15E3和B25E3兩種燃料之后的當(dāng)量燃油消耗量稍低于純柴油，燃油經(jīng)濟(jì)性得到一定改善，在中低負(fù)荷下，經(jīng)濟(jì)性改善較為明顯，純柴油當(dāng)量燃油消耗量最高，燃燒B25E3的當(dāng)量燃油消耗量低于B15E3，高負(fù)荷時(shí)，燃燒B25E3的當(dāng)量燃油消耗量稍高于B15E3，經(jīng)濟(jì)性改善不顯著。燃燒混合燃料出現(xiàn)當(dāng)量燃油消耗量下降的情況，兩種混合燃料的自含氧特性和較高的十六烷值有助于提高燃燒效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程。在中低負(fù)荷下，B25E3的當(dāng)量燃油消耗量低于B15E3和純柴油的主要原因是燃料的含氧量發(fā)揮作用，高含氧量有助于改善缺氧區(qū)域的燃燒。高負(fù)荷時(shí)，由于混合燃料熱值低，燃燒混合燃料的燃油消耗量沒(méi)有燃燒純柴油下降幅度大，致使3種燃料當(dāng)量燃油消耗量相差不大。

2.3 排放性試驗(yàn)分析

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min工況下的3種燃料的碳煙排放情況。

圖4 碳煙排放對(duì)比

從圖4可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒混合燃料的碳煙排放性優(yōu)于純柴油，而生物柴油比例含量較高的B25E3碳煙排放最低，相較于低負(fù)荷，在中高負(fù)荷工況下，混合燃料的碳煙排放性能改善較為明顯。主要由于生物柴油的高含氧量有助于改善混合氣，增加燃燒過(guò)程中的氧含量，改善燃燒過(guò)程。

3 結(jié) 論

通過(guò)在YN30CR柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上燃燒純柴油、B15E3和B25E3 3種燃料，分析對(duì)比其燃燒性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，結(jié)論如下：

(1)燃燒混合燃料的缸內(nèi)壓力及壓力升高率變化趨勢(shì)與純柴油基本相同。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降，B25E3下降較為明顯，缸內(nèi)壓力峰值下降1 MPa，壓力升高率峰值下降0.14 MPa/°CA。燃燒B15E3和B25E3的瞬時(shí)放熱率峰值較純柴油低4.8%、5.6%。

(2)燃用B15E3和B25E3兩種燃料之后的當(dāng)量燃油消耗量低于純柴油，燃油經(jīng)濟(jì)性有一定改善。中低負(fù)荷下，純柴油當(dāng)量燃油消耗量最高，B25E3的當(dāng)量燃油消耗量低于B15E3，高負(fù)荷下，燃燒B25E3的當(dāng)量燃油消耗量稍高于B15E3。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用B15E3和B25E3后，碳煙排放低于燃燒純柴油，B25E3改善幅度大于B15E3，隨著負(fù)荷的增加，碳煙排放性能改善較為明顯。

[1] 姜光軍，張煜盛，余敬周，等. 乙醇/柴油混合燃料噴霧粒度分布特性研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32(1)：39-42，48.

[2] MOON G F, LEE Y Y, CHOI K, et al. Emission characteristics of diesel, gas to liquid, and biodiesel-blended fuels in a diesel engine for passenger ars[J]. Fuel, 2010, 89(12): 3840-3846.

[3] 陳振斌，倪計(jì)民，葉年業(yè)，等. 不同配比乙醇柴油混合燃料的經(jīng)濟(jì)性和排放性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(4)：164-169.

[4] QI D H, CHEN H, MATTHEWS R D, et a1. Combustion and emission characteristics of ethanol-biodiesel-water micro-emulsions used in a direct injection compression ignition engine[J]. Fuel, 2010, 89(5): 958-964.

[5] LABECKAS G, SLAVINSKAS S. Study of exhaust emissions of direct injection diesel engine operating on ethanol, petrol and rapeseed oil blends[J]. Energy Conv Manag, 2009, 50: 802-812.

[6] 顏文勝，陳泓，申立中，等. 不同大氣壓力下 E15 含水乙醇/柴油對(duì)柴油機(jī)性能與排放的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2012，33(1)：38-43.

[7] 劉少華，申立中，張生斌，等. BED 混合燃料穩(wěn)定性及對(duì)高原地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究[J]. 汽車(chē)工程，2012，34(9)：816-820.

[8] 王忠，袁銀南，歷寶錄，等. 生物柴油的排放特性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(7)：77-80.

[9] ARMAS O， CONTRERAS R G，RAMOS A.Impact of alternative fuels on performance and pollutant emissions of a light duty engine tested under the new European driving cycle[J].Appl Energ，2013，107(7)：183-190.

[10] 中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì).內(nèi)燃機(jī)科技——中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第八屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社，2010.

[11] 許廣舉, 李銘迪, 李學(xué)智,等. 不同摻混比例生物柴油的非常規(guī)污染物排放特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015(21): 227-232.

[12] 陳虎，王建昕，帥石金. 乙醇-甲酯-柴油含氧燃料對(duì)柴油機(jī)性能與燃燒特性的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2007，13(3)：243-247.

[13] OZENER O，YIIKSEK L，ERGENQ A T，et a1.Effects of soybean biodiesel on a DI diesel engine performance， emission and combustion characteristics[J].Fuel，2014，115(1)：875-883.

[14] BOUGIE B, GANIPPA L C, VAN VLIET A P, et al. Soot particulate size characterization in a heavy-duty diesel engine for different engine loads by laser-induced incandescence[J]. Proc Comb Instit, 2007, 31(1): 685-691.

[15] HADEF R, GEIGLE K P, MEIER W, et al.Soot characterization with laser-induced incandescence applied to a laminar premixed ethylene-air flame[J]. Int J Therm Sci, 2010,49(8): 1457-1467.

[16] FANG Q, FANG J H, ZHUANG J, et al. Effects of ethanol-diesel-biodiesel blends on combustion and emissions in premixed low temperature combustion[J]. Appl Therm Eng, 2013, 54(2): 541-548.