毛 進，唐銘沂，蔡 浩，高占斌，2，尹自斌，2

(1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021；3.中船動力鎮(zhèn)江有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

0 引言

目前石油資源日益緊缺[1]，以地溝油為原料制備生物柴油，由于原料來源廣泛，生產(chǎn)技術(shù)成熟，與柴油任意比例摻混不需要添加劑[2]，而且燃燒生物柴油能夠有效降低硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和顆粒等污染物排放[3]，因此該研究具有廣泛的應(yīng)用前景。王欣等[4]研究生物柴油-柴油混合燃料對船用發(fā)動機排放特性的影響，發(fā)現(xiàn)燃用生物柴油混合物可以使船舶排放性能得到顯著改善。由于生物柴油熱值一般較柴油低，摻混生物柴油后柴油機動力性能會有所下降[5]，而相繼增壓(sequential turbo charging，STC)技術(shù)可有效擴大柴油機的運行范圍，提升柴油機的動力性，降低燃油消耗率，減少Soot排放[6]。但相繼增壓技術(shù)也有不足之處，如控制切入或切出渦輪增壓器時，其廢氣流通截面面積并不連續(xù)，截面面積改變量較大，在切換過程中，容易造成缸內(nèi)進氣量不足，影響柴油機正常工作，甚至出現(xiàn)喘振現(xiàn)象[7]。低負荷工況下柴油機在2臺增壓器(2TC)同時工作時，渦輪利用效率也會有所降低，增壓效果較差，缸內(nèi)燃燒性能惡化，故相繼增壓技術(shù)中對于切換點的把控尤為重要[8]。本文研究將柴油機改造為相繼增壓系統(tǒng)后，柴油與生物柴油不同摻混比對相繼增壓柴油機1臺增壓器(1TC)與2臺增壓器(2TC)的最佳切換點的影響[9]，分析柴油機缸內(nèi)最高燃燒壓力、中冷后壓增壓壓力、渦輪前排溫和燃油消耗率的變化，以經(jīng)濟性最優(yōu)原則，確定相繼增壓柴油機最佳切換點范圍。

1 研究方案

1.1 研究對象

本文研究對象是四沖程直噴水冷式TBD234V6型柴油機，該柴油機的標定功率為186 kW，轉(zhuǎn)速為1500 r/min。對原機進排氣管路系統(tǒng)進行改造，將原機單渦輪增壓系統(tǒng)改為雙渦輪增壓系統(tǒng)，并重新設(shè)計燃油供給系統(tǒng)。改造后的相繼增壓系統(tǒng)和供油系統(tǒng)試驗平臺整體示意圖如圖1所示。

實驗所用的測試設(shè)備分別有：不透光煙度計(AVL439)用于煙度測試；Test350煙氣分析儀用于排氣測試；HZB2000油耗儀用于測量油耗；DEWE—2010CA型便攜式燃燒分析儀用于燃燒參數(shù)測量。

1.2 實驗方案

推進特性下各負荷對應(yīng)的柴油機扭矩和轉(zhuǎn)速如表1所示。本實驗擬定實驗燃油為純柴油(B0)及按體積比分別為5%(B5)、10%(B10)、15%(B15)、20%(B20)和25%(B25)配置的生物柴油/柴油混合燃油，利用燃燒分析儀等設(shè)備，分別實測在推進特性下，柴油機以1TC或2TC狀態(tài)運行時，不同負荷下燃用B0、B5、B10、B15、B20和B25的最高燃燒壓力、增壓壓力、渦輪前排溫和燃油消耗率等數(shù)據(jù)，通過分析柴油機各項性能參數(shù)的變化，探究摻燒生物柴油后對相繼增壓柴油機最佳切換點范圍的影響。其中，因基本增壓器轉(zhuǎn)速受最高轉(zhuǎn)速限制，故當實驗只使用1臺基本增壓器(1TC)時，柴油機負荷最高運行至50%負荷，共有5個工況點；2TC狀態(tài)下共有 10個工況點。

表1 推進特性下各負荷對應(yīng)的柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩Tab.1 Diesel engine speed and torque corresponding to each load under propulsion characteristics

2 摻混比對相繼增壓柴油機最佳切換點的影響

2.1 對相繼增壓柴油機最高燃燒壓力的影響

相繼增壓柴油機在1TC或2TC運行狀態(tài)，生物柴油的摻燒比例分別為B0、B5、B10、B15、B20、B25，各負荷最高燃燒壓力的變化如圖2所示。

由圖2可知，相同摻混比時，增加負荷，最高燃燒壓力升高。相繼增壓柴油機在10%～50%負荷，生物柴油摻混比為B0時，最高燃燒壓力1TC明顯高于2TC，并且隨負荷增加而增加。這主要是由于柴油機在低負荷運行時，廢氣排放量少，此時受控增壓器不工作，廢氣僅通過基本主增壓器排出，帶動壓氣機做功增加，進氣量升高，燃燒效果變好[11]，最高燃燒壓力上升。

隨生物柴油摻混比增大，柴油機最高燃燒壓力下降，且下降幅度逐漸增大；隨著柴油機負荷增大，增大生物柴油摻混比對柴油機最高燃燒壓力的影響幅度逐漸減弱。柴油機在10%負荷，1TC狀態(tài)運行時，摻混比為B25時的最高燃燒壓力與B0時相比下降15.5%，而在40%負荷，B25時的最高燃燒壓力與B0相比下降8.7%。柴油機在50%～100%負荷，2TC狀態(tài)運行，增大生物柴油摻混比，缸內(nèi)最高燃燒壓力降低，且下降幅度增大；但隨著柴油機負荷的提高，生物柴油摻混比對柴油機最高燃燒壓力的影響幅度減小。主要原因是生物柴油熱值低于柴油；其次是生物柴油的富氧性，純柴油不含氧，增大生物柴油摻混比，燃燒室內(nèi)氧含量升高，會促進燃燒反應(yīng)。與柴油相比，生物柴油粘性更大，增大生物柴油摻混比，柴油-生物柴油混合燃油粘性上升，燃油霧化效果下降[12]。因此，在相同負荷時，增大生物柴油摻混比，柴油機最高燃燒壓力降幅增大；而增大負荷，柴油機缸內(nèi)溫度升高，與低負荷相比高負荷更有助于混合燃油的霧化，所以，增大生物柴油摻混比，高負荷時柴油機最高燃燒壓力比低負荷時下降的幅度更小。

2.2 摻混比對相繼增壓柴油機增壓壓力的影響

圖3為相繼增壓柴油機1TC或2TC運行狀態(tài)時，摻燒不同比例的生物柴油，各負荷增壓壓力變化曲線。

由圖3可知，在相同生物柴油摻混比下，柴油機增壓壓力隨著負荷的增加而增大，但變化不明顯。在10%～50%負荷，1TC狀態(tài)下，柴油機增壓壓力明顯高于2TC。增壓壓力升高能夠增加氣缸內(nèi)的氧氣含量，提高燃燒效率。其原因為：柴油機在低工況運行時，廢氣排放量少，柴油機若以2TC狀態(tài)運行，廢氣流經(jīng)兩個渦輪增壓器，渦輪機均分到的廢氣量不足[13]，從而降低了渦輪增壓器的工作效率；在1TC狀態(tài)下運行時，只有一個渦輪增壓器工作，六個氣缸產(chǎn)生的廢氣全都供給一個渦輪增壓器，渦輪增壓器高效率工作，帶動壓氣機做功增加，中冷后壓升高，因此，柴油機1TC增壓效果更好。

同負荷時，增大生物柴油摻混比，增壓壓力略微增加，變化幅度很小。隨著負荷的增加，增壓壓力增幅變大，增壓壓力的提高有助于提高燃燒效果。摻燒生物柴油，增壓器增壓壓力變化的主要原因為：摻混生物柴油，混合燃油氧含量增加，燃燒室內(nèi)氧氣總量升高，碳煙顆粒物等排放降低，廢氣排放量略為增加；渦輪機帶動壓氣機做功增加，增壓壓力提高；混合燃油粘性上升，燃油霧化效果變差，而負荷增加，燃燒室內(nèi)溫度升高，與低負荷相比，高負荷更有助于混合燃油的霧化.所以，增大生物柴油摻混比，柴油機高負荷的增壓壓力比低負荷時上升的略為明顯；但摻燒生物柴油后，整體增壓效果變化不明顯。

2.3 不同摻混比對相繼增壓柴油機渦輪前排溫的影響

圖4為相繼增壓柴油機1TC或2TC運行狀態(tài)時，摻燒不同比例的生物柴油，各負荷渦輪前排氣溫度的對比。

由圖4可知，相同生物柴油摻混比，渦輪前排氣溫度隨負荷的增加而升高。柴油機10%～40%負荷時，渦輪前排溫1TC低于2TC；在50%負荷時，渦輪前排溫1TC高于2TC。這主要是因為：改為相繼增壓系統(tǒng)后，在1TC狀態(tài)下運行時，只有一個渦輪增壓器工作，廢氣流量充足，帶動壓氣機做功增加，進氣量充足，多余的空氣吸收熱量，渦輪前排氣溫度隨之降低；在50%負荷時，隨著負荷增加，廢氣量增加，排氣背壓升高，廢氣無法全部排出，出現(xiàn)泵氣損失升高，在推進特性下，柴油機為保證轉(zhuǎn)速和扭矩，需要消耗更多的燃油來彌補泵氣損失的功，缸內(nèi)溫度升高，因而渦輪前排氣溫度升高。在同負荷下，增大生物柴油摻混比，柴油機渦輪前排氣溫度降低，但降幅較小，隨著負荷的增加，柴油機的渦輪前排氣溫度變化更小[14]。

2.4 對相繼增壓柴油機經(jīng)濟性的影響

圖5為相繼增壓柴油機摻燒不同比例的生物柴油，各負荷下燃油消耗率的對比。

由圖5可知，在相同生物柴油摻混比下，增加負荷，燃油消耗率降低。在10%～40%負荷時，燃油消耗率1TC明顯低于2TC；當柴油機負荷達到50%時，燃油消耗率1TC遠超于2TC；柴油機2TC狀態(tài)運行時，增加負荷，燃油消耗率呈下降趨勢。主要原因是：在10%～40%負荷，1TC狀態(tài)下，只有一個渦輪增壓器工作，廢氣流量充足，帶動壓氣機做功增加，進氣量充足，優(yōu)化燃燒效果，燃油消耗率下降；由于基本增壓器渦輪流通截面積較小，當柴油機達到50%負荷時，廢氣量增加，排氣背壓過高，廢氣無法全部排出，導(dǎo)致泵氣損失增加；在推進特性下，柴油機為保證轉(zhuǎn)速和扭矩，需要消耗更多的燃油來彌補泵氣損失的功；其次，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速過高，進氣壓力升高，并且隨著進氣壓力的大幅上升，燃燒室過量空氣系數(shù)升高，使空燃比上升，火焰?zhèn)鞑ゲ怀浞趾蛿嗷鸬痊F(xiàn)象影響燃燒效果，較大或較小的空燃比都會使燃油消耗率升高。

在同負荷下增大生物柴油摻混比，柴油機油耗率上升。在1TC，10%負荷時，生物柴油摻混比分別為B0、B5、B10、B15、B20、B25時，燃油消耗率與B0相比依次升高2.1%、2.7%、3.7%、5.2%、6.5%。在2TC，100%負荷時，增大生物柴油摻混比，燃油消耗率與B0相比平均升高3.8%。

增加負荷，生物柴油摻混比對柴油機油耗率影響減小。其主要由于：與柴油相比，生物柴油粘性更大，摻混生物柴油后混合燃油粘性增大，燃油霧化效果變差，油氣混合質(zhì)量下降，增加負荷后，缸內(nèi)溫度升高，與低負荷相比高負荷更有助于柴油-生物柴油混合燃油的霧化，燃燒效果提高，所以，隨著生物柴油摻混比增加，柴油機高負荷時燃油消耗率比低負荷時下降的幅度更小。

在使用相繼增壓技術(shù)提高柴油機工作性能的同時，也需要考慮柴油機的經(jīng)濟性，因此綜合考慮柴油機的動力性、增壓壓力、渦輪增壓器的工作狀況和效率，以及增壓器受最高轉(zhuǎn)速的限制等因素，并按照經(jīng)濟性最優(yōu)原則，最終根據(jù)線性計算，選擇40%～45%負荷作為相繼增壓系統(tǒng)1TC與2TC最佳切換點[15]的范圍，柴油機純柴油燃燒時1TC與2TC最佳切換點為45%負荷，而增大生物柴油摻混比，相繼增壓系統(tǒng)1TC與2TC最佳切換點逐漸前移，B25時1TC與2TC最佳切換點為40%負荷，與B0相比，負荷提前了5%。

3 結(jié) 論

對改造后的TBD234V6型相繼增壓柴油機進行摻混生物柴油燃燒實驗，研究摻燒不同比例的生物柴油對相繼增壓系統(tǒng)柴油機性能的影響。

1)相同生物柴油摻混比時，在10%～40%負荷時，1TC的最高燃燒壓力、增壓壓力、渦輪前排氣溫度以及燃油消耗率明顯優(yōu)于2TC；而在50%負荷時，1TC的燃油消耗率遠超過2TC；1TC時柴油機動力性能提升，經(jīng)濟性能下降。

2)燃燒純柴油時，1TC與2TC最佳切換點為45%負荷時；而增大生物柴油摻混比，1TC與2TC最佳切換點逐漸前移，摻混比為25%時，1TC與2TC最佳切換點為40%負荷時，與純柴油相比，負荷提前了5%。

3)燃用生物柴油，結(jié)合相繼增壓技術(shù)，能夠改善柴油機低負荷時的動力性和排放性，保證柴油機在低負荷運行時，摻混一定比例的生物柴油，也不會降低柴油機的動力性。