F-T柴油對增壓柴油機燃燒過程及振動特性的影響*

廖文蓉 王鐵 石晉宏 劉磊

（1-長江工程職業技術學院機械系湖北武漢4302122-太原理工大學車輛工程系）

F-T柴油對增壓柴油機燃燒過程及振動特性的影響*

廖文蓉1王鐵2石晉宏2劉磊2

（1-長江工程職業技術學院機械系湖北武漢4302122-太原理工大學車輛工程系）

在4100QBZL直列增壓中冷型柴油機上燃用F-T柴油，對比分析了F-T柴油與0#柴油的燃燒與振動特性。結果表明：燃用F-T柴油后，缸內壓力略低于0#柴油，壓力升高率有較大程度的降低。低負荷下燃燒始點有較大提前，高負荷下稍有推后。F-T柴油放熱平緩，預混燃燒放熱峰值降低，擴散燃燒放熱峰值有所升高。在不同工況下F-T柴油缸蓋振動加速度信號的幅值均低于0#柴油。振動加速度在200～8000 Hz范圍內都有較大的幅值，高頻成分的能量較0#柴油少。

F-T柴油柴油機燃燒振動加速度

引言

隨著汽車產業的迅猛發展，對石油的需求量越來越大。基于我國多煤少油的能源現狀，在依賴于常規化石燃料的同時，開發、利用豐富的煤炭資源也是一條保障中國經濟可持續發展的最為現實可行的途徑。

煤全部氣化成合成氣，然后以合成氣為原料，在一定溫度、壓力和催化劑下，通過F-T（Fischer-Tropsch）合成反應便可得到F-T柴油[1]。

其優點有：合成條件溫和，工藝成熟，轉化率高，煤種適應性強，可以有效利用褐煤、煙煤等。雖然F-T柴油的生產成本較國際原油價格偏高，但由于煤炭資源儲量相對比較豐富。隨著國際油價的回升，煤制油項目的經濟性將得到大幅度改善，煤制油產業前景預期良好。

同時，隨著對環境要求的不斷提高，內燃機的振動噪聲問題越來越引起人們的注意。內燃機表面振動和噪聲與缸內燃燒狀態關系密切，利用振動信號和噪聲信號可對缸內燃燒狀態進行評估和故障診斷。

1 燃料的理化性質及試驗設備

1.1 F-T柴油的理化性質

表1給出了F-T柴油的理化特性

表1 F-T柴油與0#柴油特性對比

燃料品質直接影響發動機的著火、燃燒和排放。影響燃燒排放特性的柴油品質參數主要有硫含量、十六烷值、密度、蒸餾溫度、芳烴等[2]。由上表可知：對比0#柴油，F-T柴油十六烷值升高，密度降低，粘度降低，蒸餾溫度呈下降趨勢，芳烴含量減少。

已有研究表明，與0#柴油相比，F-T柴油有如下優點：

1）具有較高的十六烷值，有利于縮短滯燃期，減少預混燃燒放熱量，降低柴油機的NOx、HC和CO排放[2]；

2）較低的密度意味著H/C比例的升高，可以使柴油機的PM和CO2排放降低[3]；

3）餾程溫度較低，燃油中難以燃燒的重餾分減少，對降低PM和HC的排放有利；

4）密度比0#柴油小，低熱值比0#柴油高，能和普通柴油以任意比例互溶[4]。

1.2 試驗用機及測試系統

試驗用發動機為云內4100QBZL增壓中冷柴油發動機，主要參數如表2所示。發動機通過四川誠邦ET2000測控系統進行調控，缸內燃燒壓力的獲取采用型號Kistler 6125B和4618A2型缸壓傳感器及電荷放大器，發動機臺架試驗系統布置如圖1所示。

表2 4100QBZL柴油機參數

圖1 發動機臺架試驗系統圖

2 試驗結果與分析

2.1 缸內壓力與壓力升高率分析

圖2為2200r/min下兩種燃料缸內壓力與壓力升高率曲線。由圖2a）可知：低負荷時，燃用F-T柴油后缸內壓力峰值較0#柴油有所降低，著火時刻稍有提前，0#柴油和F-T柴油的缸內最大壓力分別為5.83MPa，5.75MPa。由圖2b）可知：高負荷時，0#柴油和F-T柴油最大爆發壓力分別為10.29MPa，10.32MPa，且所對應的曲軸轉角變化不大。F-T柴油的壓力升高率比較平緩，后燃期壓力較0#柴油稍高。其原因主要為：F-T柴油十六烷值高，滯燃期縮短，預混燃燒的放熱量少，缸壓值較低[5]。

壓力升高率反應了燃燒速度的快慢和發動機工作性能。壓力升高率越高，而燃燒等容度越高，這對動力性和經濟性是有益的。但會使燃燒噪聲及振動增加，及燃燒粗暴度增大[3]。

由圖2可知，較0#柴油而言，F-T柴油的壓力升高率均有降低，峰值大小均不超過0.4 MPa/°CA，而0#柴油壓力升高率峰值范圍在0.3～0.6MPa/°CA之間。由于壓力升高率對燃燒噪聲的影響很大，因而燃用F-T柴油可以降低柴油機的整體噪聲。

圖2 0#柴油與F-T柴油缸內壓力與壓力升高率曲線

2.2 放熱率分析

圖3為轉速2200 r/min，平均有效壓力Pme=0.57 MPa時，兩種燃料的放熱率曲線。由圖可知，較0#柴油而言，F-T柴油放熱平緩，預混燃燒放熱峰值降低，對應的曲軸轉角有所提前；擴散燃燒放熱峰值有所升高。

圖3 0#柴油與F-T柴油放熱率曲線2200r/min Pme=0.57MPa

這是由于F-T柴油的十六烷值較高，滯燃期縮短，在滯燃期內形成的可燃混合氣減少，因而參與預混燃燒的燃油量減少，預混燃燒放熱峰值也隨之降低。而在擴散燃燒階段，由于F-T柴油餾程溫度較低，燃油中難以燃燒的重餾成分較少。其蒸發、擴散和燃燒速率加快，從而導致擴散燃燒階段的放熱率峰值有所升高。

2.3 燃燒始點分析

本文中將燃燒始點定義為燃料累積放熱率為5%時所對應的曲軸轉角。圖4為2200 r/min下兩種燃料燃燒始點對比。由圖可知：低負荷下，燃用F-T柴油的始點有較大的提前，與0#柴油相比最大提前角為1.8°CA。這是因為F-T柴油的黏度和餾程均比0#柴油小，蒸發和霧化質量好，容易混合均勻。在低負荷時缸內溫度相對較低，燃燒始點受十六烷值的影響更大；高負荷下，F-T柴油的燃燒始點較0#柴油稍有推遲。這是因為高負荷時，在相同的柱塞行程下，由于F-T柴油密度比0#柴油小，燃油高壓產生得晚，在相同的供油提前角下，F-T柴油實際噴油時刻要晚于0#柴油，出現噴油延時，導致燃燒始點推后。

圖4 0#柴油與F-T柴油燃燒始點對比

2.4 對排氣溫度的影響

圖5 0#柴油與F-T柴油排氣溫度對比

圖5 為0#柴油與F-T柴油排氣溫度對比。由圖可知，燃用F-T柴油后，排氣溫度較0#柴油均有所下降，降幅均在2～10℃之間。這是因為F-T滯燃期短，預混燃燒峰值較低，因而預混燃燒量減少，導致總體燃燒溫度降低。從宏觀上分析，根據熱力學第一定律，排氣溫度降低，柴油機的熱效率必有所提高，即提高了燃料的利用率，從而可以降低能耗，改善其經濟性。

2.5 燃燒振動分析

對于試驗所用的4100QBZL型柴油機，其四個氣缸共用一個氣缸蓋，缸蓋振動加速度傳感器安裝在第四缸中間位置。在同一工況，由燃燒以外的其他因素對發動機振動效果影響相同，因此本文主要考慮燃燒引起的振動。

圖6為轉速2200 r/min、Pme=0.76 MPa工況下柴油機一個工作循環內所采集到的缸蓋振動加速度的時域信號，采樣頻率為96 kHz。根據4100QBZL柴油機的發火順序（4-2-1-3）以及工作相位圖（排氣門開-進氣門開-排氣門關-進氣門關），可以很容易區分圖6中的各激勵力響應信號。當柴油機出現某種故障時，相應的激勵力響應信號在作用時間和能量強度等方面將發生改變[6]。由圖可知，燃用F-T柴油的氣缸蓋振幅均比燃用0#柴油要小。

圖6缸蓋振動加速度時域波形圖

圖7 為不同工況下燃用0#柴油與F-T柴油缸蓋振動加速度有效值對比。從總體看，缸蓋振動程度均隨轉速和負荷的增加而增大。這是由于隨著轉速與負荷的提高，噴油速率提高，滯燃期內可點燃混合油量增加，燃燒劇烈，振動增強。

圖7 燃用0#柴油與F-T柴油缸蓋振動加速度對比

對比燃用F-T柴油與0#柴油振動加速度的大小可知：由于F-T柴油的十六烷值高滯燃期縮短，壓力升高率和最高燃燒壓力下降，進而導致燃燒振動的降低。

對4100QBZL發動機缸內壓力進行頻譜分析可知，發現其大部分能量都集中在700 Hz以下，并且燃用0#柴油缸壓頻譜峰值較高，波形集中。所以可知與燃燒有關的振動能量集中在0～700 Hz。圖8為轉速2200 r/min，Pme=0.57 Mpa下缸蓋振動加速度的頻域波形圖。由于柴油機結構是一個相當復雜的多體振動系統，各零件的自振頻率不同，大多處于中高頻范圍[2]。由圖可知，缸蓋振動加速度頻帶較寬，振動在200～8000 Hz范圍內都有較大的幅值，高頻成分的能量較燃用0#柴油少，說明缸內壓力高頻振蕩幅值降低。在頻率段3000 Hz左右、4000～5000 Hz、6000～7000 Hz出現峰值，并且峰值均低于燃用0#柴油。

圖8 缸蓋振動加速度頻域波形圖

3 結論

1）燃用F-T柴油后，缸內壓力略低于燃用0#柴油，壓力升高率有較大程度的降低，且峰值大小均不超過0.4 MPa/°CA。低負荷下燃燒始點有較大提前，高負荷下稍有推后。

2）燃用F-T柴油放熱平緩，預混燃燒放熱峰值降低，對應的曲軸轉角有所提前；擴散燃燒放熱峰值有所升高。排氣溫度降低，柴油機熱損失減少，熱效率有所提高。

3）對測得的柴油機缸蓋振動加速度信號時域波形進行分析，可以確定各激勵力響應信號，并且振幅均比燃用0#柴油要小。在頻域范圍內，高頻成分的能量有所減少，F-T柴油在各頻率段的峰值均降低。

1S.S.Gill，A.Tsolakis，K.D.Dearn.Combustion characteristics and emissions of Fischer-Tropsch diesel fuels in IC engines [J].Progress in Energy and Combustion Science，2011，37（4）：505～523

2黃勇成，周龍保，潘克煜.直噴式柴油機燃用F-T柴油時燃燒特性的研究[J].西安交通大學學報，2006，40（1）：6～9

3王建昕，帥石金.汽車發動機原理[M].北京：清華大學出版社，2009

4黃勇成，周龍保，潘克煜，等.柴油機燃用F-T柴油與0號柴油混合燃料的燃燒特性[J].燃燒科學與技術，2006，12（4）：329～334

5吳后吉，沈穎剛，畢克剛.內燃機生物柴油摻燒比對表面輻射噪聲測試與研究[J].噪聲與振動控制，2010，2（1）：185～187

6劉世元，杜潤生，楊叔子.柴油機缸蓋振動信號的小波包分解與診斷方法研究[J].振動工程學報，2000，13（4）：578～582

Effects of Fischer-Tropsch Diesel Fuel on Combustion and Vibration Characteristics of Turbocharged Diesel Engine

Liao Wenrong1，Wang Tie2，Shi Jinhong2，Liu Lei2
1-Department of Mechanical Engineering，Changjiang Institute of Technology（Wuhan，Hubei，430212，China）2-Department of Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology

An experiment was undertaken on 4100QBZL turbocharged diesel engine to compare the combustion and vibration characteristics of diesel engine fueled with Fischer-Tropsch（F-T）diesel fuel and 0#diesel fuel.The result show that：when fueling with Fischer-Tropsch（F-T）diesel fuel，the cylinder pressure is slightly lower than 0#diesel oil，and the rate of pressure rise decreases greatly.Under low load the ignition timing advances，while under high load delays.F-T diesel fuel has smooth heat liberation，lower peak value of premixed burning rate and higher peak value of diffusion burning rate than 0#diesel fuel.In different cases，the vibration acceleration amplitude of cylinder head is less and mainly concentrated range 200Hz from 8000 Hz.High frequency energy is less than 0#diesel fuel.

Fischer-Tropsch diesel，Diesel engine，Combustion，Vibration acceleration

TK421

A

2095-8234（2014）05-0030-05

2014-07-09）

山西省科技重大專項（20111101035）。

廖文蓉（1989-），女，碩士，研究方向為車用清潔代用燃料。

通迅作者：王鐵（1957-），男，教授，博士生導師，研究方向為車用清潔代用燃料。