季宏，王傳厚，孟繁衍，王保力，徐文珂，孟建*

1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東泰開汽車制造有限公司，山東 泰安 271000

0 引言

柴油發(fā)動機(jī)熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、農(nóng)業(yè)、汽車等領(lǐng)域，柴油機(jī)的普及加速了化石燃料的使用[1]。由于交通用柴油需求增加、化石燃料儲量減少、柴油價格上漲等，柴油的節(jié)能替代燃料的開發(fā)日益受到重視。生物柴油的主要成分是脂肪酸酯，是以油料作物、動物油脂及餐余廢油等為原材料通過酯交換工藝制成[2]。生物柴油可直接應(yīng)用于柴油機(jī)，也可以和柴油以任意比例摻混使用[3]。以餐余廢油作為生物柴油的原料，可以降低生物柴油的制造成本，同時可以解決餐余廢油的處理問題[4]。餐余廢油生物柴油具有富氧性、十六烷值高等特點，在柴油機(jī)上摻混使用時可以促進(jìn)燃燒，降低CO和碳煙的排放；但在低負(fù)荷工況下，隨著餐余廢油生物柴油摻燒比例的增加，混合燃料黏度過大，可導(dǎo)致噴霧能力下降，發(fā)動機(jī)燃燒惡化，排放升高。

本文中對一臺燃用生物柴油-柴油混合燃料的四缸高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)行臺架試驗，利用INCA軟件控制噴油壓力和噴油時刻，對比分析低負(fù)荷條件下噴油壓力和噴油時刻對餐余廢油生物柴油混合燃料和純柴油燃燒、常規(guī)排放和非常規(guī)排放的影響，從而為改善餐余廢油生物柴油低負(fù)荷下在柴油機(jī)上的燃燒和排放提供參考。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

試驗樣機(jī)為四缸高壓共軌柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。燃燒及排放測試系統(tǒng)如圖1所示，主要包括臺架系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等。臺架系統(tǒng)主要包括CAC250程控式電力測功機(jī)，用來控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從而獲得所需的試驗工況；測量系統(tǒng)主要包括：AVL INDIMOUL-622燃燒分析儀；AVL GH14P型缸壓傳感器，缸壓信號經(jīng)KISTLER 5011型電荷放大器處理后輸入燃燒分析儀；AVL 415S濾紙式煙度計，測量排氣煙度；HORIBA MEXA-7200D型排氣分析儀，測量發(fā)動機(jī)排氣中的NOx、THC、CO排放；AVL SESAM i60FT多組分氣體排放傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR)，動態(tài)同步測量發(fā)動機(jī)排氣中的NO2、CH2O、CH4等非常規(guī)排放物。

表1 試驗樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 燃燒及排放測試系統(tǒng)

1.2 試驗方法

選用市售國Ⅵ 0#柴油和WOC(歐標(biāo)EN14214)餐余廢油生物柴油作為基礎(chǔ)燃料，2種燃料的理化特性如表2所示。將國Ⅵ 0#柴油記為B0，將WOC餐余廢油生物柴油以體積分?jǐn)?shù)為30%摻入純柴油中制成新混合燃料，記為B30。

表2 試驗燃料理化特性

試驗工況為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、25%負(fù)荷工況。在試驗過程中：1)保持冷卻液溫度為(80±2)℃，進(jìn)氣溫度為(40±1)℃；2)發(fā)動機(jī)在目標(biāo)工況下穩(wěn)定運(yùn)行2 min后，連續(xù)采集200個循環(huán)的缸壓并計算平均缸壓來消除缸內(nèi)燃燒周期變化影響，獲得缸壓曲線；3)發(fā)動機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1540 r/min下穩(wěn)定運(yùn)行，主噴時刻定義為上止點前(before top dead center，BTDC)曲軸轉(zhuǎn)角4°(本文中BTDC曲軸轉(zhuǎn)角一律簡記為曲軸轉(zhuǎn)角)，研究不同噴油壓力(130、140、150、160 MPa)對2種燃料(B0和B30)燃燒、常規(guī)與非常規(guī)排放特性的影響；4)發(fā)動機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1540 r/min下穩(wěn)定運(yùn)行，主噴壓力為130 MPa，研究不同噴油時刻(曲軸轉(zhuǎn)角分別為4°、6°、8°、10°、12°)對2種燃料燃燒、常規(guī)與非常規(guī)排放特性的影響。在每個試驗過程中，每個試驗點進(jìn)行5次重復(fù)測量，并將整個試驗過程重復(fù)2次，以保證再現(xiàn)性和重復(fù)性[5]。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 燃燒特性

不同噴油壓力下2種燃料燃燒時的缸壓和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖2所示。由圖2可知：1)相同噴油壓力(130 MPa)下，相比于純柴油B0，B30混合燃料的最大缸內(nèi)壓力和放熱率峰值分別下降了0.67%和0.92%，且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均略微后移，原因為在低負(fù)荷條件下，缸內(nèi)溫度和壓力較低，餐余廢油生物柴油黏度較大，使得噴射入氣缸中的B30的霧化效果較差，引起燃燒惡化，滯燃期變長，但餐余廢油生物柴油的高含氧量特性可改善燃燒，最終導(dǎo)致燃用B30時缸內(nèi)最大壓力和放熱率峰值相比于純柴油僅略微下降且后移[6]；2)隨著噴油壓力提高，B30燃燒時的最大缸內(nèi)壓力和放熱率峰值均升高且前移，相比于噴油壓力為130 MPa時，B30在燃油噴射壓力為160 MPa時最大缸壓和放熱率峰值分別提高了3.83%和4.06%，且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均前移1°～2°，其原因為：燃油噴射壓力提高，噴射時間縮短，燃油霧化效果得到改善，促進(jìn)了空氣與燃料的混合，從而增加了缸內(nèi)預(yù)混的空氣與燃料的混合比例[7]，在預(yù)混燃燒階段燃燒了更多的燃料，使得最大缸內(nèi)壓力和放熱率峰值均升高且前移。

圖2 不同噴油壓力下2種燃料燃燒放熱率、缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化

不同噴油時刻下2種燃料燃燒缸內(nèi)壓力、放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖3所示。由圖3可知：隨著噴油時刻提前，缸內(nèi)壓力逐漸增加，壓力峰值出現(xiàn)時刻提前，B30在噴油時刻的曲軸轉(zhuǎn)角為12°的最大缸內(nèi)壓力較4°時升高22.1%；隨著噴油角提前，放熱率逐漸升高，在曲軸轉(zhuǎn)角為10°時放熱率達(dá)到最大。其原因為隨著噴油時刻的提前，燃油能夠更早噴入缸內(nèi)，與空氣形成預(yù)混氣，缸內(nèi)的油氣分布更均勻，缸內(nèi)的燃油燃燒更完全[8]。

a) 放熱率 b) 缸壓圖3 不同噴油時刻下2種燃料燃燒缸內(nèi)壓力、放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化

2.2 常規(guī)排放特性

轉(zhuǎn)速為1540 r/min、25%負(fù)荷工況下，噴油壓力對CO、THC、碳煙和NOx排放的影響如表3所示(本文中各污染物常規(guī)、非常規(guī)排放數(shù)據(jù)均為體積分?jǐn)?shù))。由表3可知，在相同噴油壓力和時刻條件下，相比于B0，B30的CO、THC和碳煙排放略微下降;B30的CO、THC和碳煙排放隨著噴油壓力的提高而降低，在噴油壓力為160 MPa時，CO、THC和碳煙排放較130 MPa時分別降低了22.7%、24.7%和48.8%；NOx排放隨著噴油壓力的升高而升高，在噴油壓力為160 MPa時達(dá)到最高。其原因為：隨著噴油壓力的提高，通過產(chǎn)生細(xì)小的液滴，燃料的霧化效果增強(qiáng)，結(jié)合燃料中的氧分子改善了空氣與燃料的混合，促進(jìn)了低負(fù)荷下混合燃料的燃燒，且生物柴油本身含氧量高，可提高低負(fù)荷時的空燃比，燃燒后期燃料中的氧分子促進(jìn)了CO和THC的氧化，使得CO和THC的排放下降[9]；餐余廢油生物柴油不含芳香烴且硫含量低，一定程度上減少了碳煙前驅(qū)物的生成，所以碳煙排放降低；盡管低負(fù)荷下燃用B30時缸內(nèi)溫度低，但是B30中較高的氧含量對促進(jìn)NOx生成的效果大于低溫對NOx生成的抑制效果，最終NOx排放升高[10]。

表3 噴油壓力對CO、THC、碳煙和NOx排放的影響

轉(zhuǎn)速為1540 r/min、25%負(fù)荷工況下，噴油時刻對CO、THC、碳煙和NOx排放的影響如表4所示。由表4可知：隨著噴油時刻的提前，相比于噴油時刻的曲軸轉(zhuǎn)角為4°，B30在12°時CO、THC和碳煙排放分別降低了59.4%、65.5%和56.0%，但NOx排放升高了86.3%。其原因為：噴油時刻提前，混合燃料噴射入氣缸的時間提前，且混合燃料中的氧分子含量高，使得空氣和燃料的混合更加充分，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒充分，缸內(nèi)溫度和壓力升高[11]。

表4 噴油時刻對CO、THC、碳煙和NOx排放的影響

2.3 非常規(guī)排放特性

轉(zhuǎn)速1540 r/min、25%負(fù)荷工況下，噴油壓力和噴油時刻的變化對NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影響分別如表5、6所示。由表5、6可知，在相同噴油壓力和時刻條件下，相比于B0，B30的NO2、CH4、C2H4和CH2O排放略微下降；在不同噴油壓力和時刻條件下，B30的NO2、CH4、C2H4和CH2O排放隨著噴油壓力的增大略微下降，隨著噴油時刻的提前大幅下降。

表5 噴油壓力對NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影響

表6 噴油時刻對NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影響

NO2通常在低溫缺氧環(huán)境下生成，只占NOx排放的一小部分[12]。隨著噴油壓力升高和噴油時刻提前，缸內(nèi)混合氣均勻程度增加，燃燒更加充分，缸內(nèi)溫度和壓力升高，促使NO2在高溫富氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化為NO，降低NO2排放。

CH4是低溫稀燃條件下的產(chǎn)物，低負(fù)荷且缸內(nèi)溫度較低的工況下，更多的燃料進(jìn)入稀薄淬熄區(qū)域，促進(jìn)CH4生成[13]?；旌先剂想m然揮發(fā)性較低，在低負(fù)荷下易形成稀薄淬熄區(qū)域，但隨著噴油壓力升高和噴油時刻提前，缸內(nèi)空氣與燃料混合更加充分，燃燒更加充分，燃燒溫度提升與燃料中氧分子增加減少了稀薄淬熄區(qū)的存在，使CH4排放降低。

C2H4主要來源于燃料的不充分燃燒。隨著噴油壓力的提升，燃料在缸內(nèi)霧化效果增強(qiáng)，燃燒充分，缸內(nèi)溫度升高，C2H4在高溫富氧環(huán)境下具有較高的活性，易分解[14-15]，所以B30的C2H4排放逐漸降低。在160 MPa時，B30的C2H4排放較130 MPa時降低了40.7%；相比于噴油時刻的曲軸轉(zhuǎn)角為4°，B30混合燃料在曲軸轉(zhuǎn)角為12°的C2H4排放降低了84.6%。

CH2O是產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的重要來源，嚴(yán)重污染環(huán)境。當(dāng)發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時，缸內(nèi)溫度和壓力較低，燃燒室壁面易形成含有許多醛類化合物的厚淬火層，導(dǎo)致CH2O排放較高[16-17]。隨著噴油壓力的增加，噴油霧化效果較好，燃燒更加充分，同時餐余廢油生物柴油具有富氧特性，在高溫環(huán)境下促進(jìn)CH2O氧化成H2O和CO2，燃燒室壁面的淬火層變薄，CH2O排放降低。相比于130 MPa時，B30在160 MPa時的CH2O排放降低了46.9%；相比于噴油時刻的曲軸轉(zhuǎn)角為4°，B30在12°時CH2O排放降低了84.6%。

3 結(jié)論

在一臺高壓共軌四缸柴油機(jī)上進(jìn)行了臺架試驗，研究低負(fù)荷下噴油壓力和噴油時刻對餐余廢油生物柴油混合燃料的燃燒特性、常規(guī)和非常規(guī)排放的影響。

1)低負(fù)荷時，相同噴油壓力和時刻條件下，相比于純柴油B0，B30混合燃料最大缸內(nèi)壓力和放熱率峰值分別下降了0.67%和0.92%，且對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角后移；相比于純柴油，B30混合燃料CO、THC、碳煙、NO2、CH4、C2H4和CH2O排放略微降低，NOx排放增加。

2)隨著噴油壓力的增加和噴油時刻的提前，燃油霧化效果增強(qiáng)，缸內(nèi)燃料和空氣的混合更加均勻，缸內(nèi)燃燒得到改善，B30混合燃料缸內(nèi)壓力和放熱率增大且對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角前移。

3)CO、THC、碳煙、NO2、CH4、C2H4和CH2O排放隨噴油壓力的增大略微降低，隨噴油時刻的提前而大幅降低，但NOx排放逐漸增大。