燃用丁醇-柴油混合燃料對增壓中冷柴油機燃燒及進排氣的影響研究*

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燃用丁醇-柴油混合燃料對增壓中冷柴油機燃燒
及進排氣的影響研究*

摘要：基于一臺增壓中冷柴油機，研究了不同丁醇-柴油摻混比（D100、Bu10、Bu20和Bu40）混合燃料發動機在負荷特性下的缸內壓力變動及進排氣參數的變化規律。結果表明：隨著丁醇混合比例的提高，燃燒始點、最大壓力點和最大壓力升高率點對應曲軸轉角都滯后，最大壓力升高率明顯增大，壓力峰值循環穩定性變差；進氣增壓比降低；進氣質量流量減小，空燃比變小；中冷后進氣溫度升高，且在低速低負荷時更明顯，而渦后排氣溫度基本不變。

關鍵詞：丁醇-柴油燃料增壓中冷缸內壓力進排氣

引言

丁醇作為第二代生物燃料的代表，因具有來源廣，能量密度和辛烷值較高，分子內含氧，與柴油混合不需要加助溶劑，且對金屬腐蝕性小等優點，已經成為柴油的一種理想的替代燃料[1-2]，可以緩解當今世界能源短缺的危機。而將丁醇在符合更高排放標準的現代柴油機中燃用，則可以同時解決能源短缺和環境污染這兩個問題。

關于丁醇部分替代柴油，國內外進行了大量的研究[3-7]，這些研究主要集中在柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料對柴油機性能以及燃燒和排放特性試驗研究及機理分析等方面，很少涉及對可以指導增壓系統及后處理系統的優化調整的進排氣參數變化影響的分析。且大多運用的是傳統機械泵柴油機或者是排放標準較低的未做任何改動的柴油機上進行的試驗，這樣實驗的目的是為了探索在盡可能低的成本下推廣丁醇替代柴油，但是缺點是不能充分體現丁醇-柴油混合燃料的優勢。

本文基于一臺排放標準滿足國V的某增壓中冷柴油機，進行了最大轉矩轉速1400 r/min和額定轉速2200 r/min下的負荷特性試驗，研究了丁醇-柴油不同混合比混合燃料對缸內壓力變動及進排氣參數的影響，為丁醇-柴油混合燃料在現代柴油機上的運用以及后續的丁醇專用現代柴油機開發及匹配工作提供了理論依據。

1試驗燃料及設備

1.1試驗燃料配制

試驗燃油分別為國V柴油（簡稱D100）、國V柴油和丁醇按10%、20%和40%不同體積比組成的丁醇-柴油混合燃料，簡稱為Bu10、Bu20和Bu40。其主要理化特性參見文獻[8]。

1.2試驗設備

試驗發動機為滿足國V的高壓共軌柴油機，其主要技術參數見表1。

表1　　共軌柴油機主要參數

試驗采用SCHENCK Dynas2400重型發動機試驗系統：AVL APA 4F4電力測功機用來控制發動機轉速-轉矩，對于轉矩增減的控制有良好的動態特性。AVL 735動態油耗儀是一套高精度連續測量的油耗測量系統。機油溫度用AVL554機油冷卻裝置控制在90℃。燃油溫度由AVL753燃油溫度控制器控制在38℃。發動機冷卻水溫度由AVL553水冷卻裝置恒定控制在80℃。運用的DEWE-5000燃燒分析儀和KISTLER角標儀進行缸內壓力采集。

2試驗結果及分析

2.1缸內壓力

圖1和圖2所示分別為最大轉矩轉速及額定轉速負荷特性下柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料對缸內壓力和缸內壓力升高率的變化規律。從圖1和圖2中可以看出，隨著負荷的增加，丁醇-柴油混合燃料的缸內壓力峰值和純柴油規律相同，都呈增大趨勢。以Bu40為例，在最大轉矩轉速1400 r/min負荷特性下，100%負荷時相對25%負荷，最大壓力由8.6 Mpa上升為11.4 Mpa，這主要是由于負荷增加，噴油量增加，循環過程放熱增多引起的。

圖1　最大轉矩轉速對應缸壓及壓力變化率

圖2　額定轉速對應缸壓及壓力變化率

表2和表3所示分別為最大轉矩轉速及額定轉速負荷特性下最大壓力升高率及對應曲軸轉角。

結合表2和表3可以看出：隨著丁醇摻混比例的增加，最大壓力升高率對應曲軸轉角有所滯后但不明顯，最大壓力升高率變大。其中Bu40相對D100，在最大轉矩轉速1400 r/min的100%時，最大壓力升高率對應曲軸轉角由-1°CA滯后到1°CA，最大壓力升高率由0.85 MPa/°CA上升到1.84 MPa/°CA，增加了116.5%，在額定轉速2200 r/min時，最大壓力升高率對應曲軸轉角由1°CA滯后到2°CA，最大壓力升高率由0.91 MPa/°CA上升到1.24 MPa/°CA，增加了36.3%。這主要是因為丁醇-柴油混合燃料滯燃期長，形成的大量可然混合氣瞬間壓燃引起的。

表2　最大轉矩轉速時最大壓力升高率Pmax（MPa/°CA）及對應曲軸轉角φ（°CA）

表3　額定轉速時最大壓力升高率Pmax（MPa/°CA）及對應曲軸轉角φ（°CA）

定義壓縮上止點對應曲軸轉角為0°CA，缸內壓力急劇上升脫離壓縮線的點所對應曲軸轉角為燃燒始點。圖3所示為最大轉矩轉速及額定轉速負荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對應燃燒始點。可以看出，各個工況下，隨著丁醇摻混比例的增加，燃燒始點滯后，這主要是由于丁醇汽化潛熱相對柴油較高，導致缸內溫度較低，十六烷值略低導致燃料難壓燃引起的。最大轉矩轉速1400 r/min時，Bu40對應的燃燒始點相對D100平均滯后了2°CA，額定轉速2200 r/min時則平均滯后了1.5°CA。可見額定轉速2200 r/min時相對最大轉矩轉速1400 r/min時燃燒始點滯后的趨勢變小，這主要是因為隨著負荷的增加和速度的增大，缸內溫度較高，丁醇汽化潛熱大的劣勢得以緩解。

2.2循環變動性

圖3　最大轉矩轉速和額定轉速負荷特性下的燃燒始點

發動機的循環變動對發動機的性能有不可忽視的影響，減小循環變動，可以改善工作過程及燃油經濟性，也可減少有害排放物[9]。缸內壓力峰值可反映燃燒過程的完善性和傳熱損失[10]，表明試驗條件下燃燒效率和傳熱損失循環變動大小，其對缸內參數的循環變動比較敏感，是評價燃燒循環變動的重要指標[11]。

圖4所示為最大轉矩轉速以及額定轉速負荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對壓力峰值循環變動系數（COVpmax）的變化規律。

圖4　最大轉矩轉速和額定轉速負荷特性下的壓力峰值循環變動系數

從圖4中可以看出，隨負荷增加，丁醇-柴油混合燃料的壓力峰值變動系數變小，這跟純柴油的變化趨勢相同，其中在1400 r/min時，4種燃料的峰值壓力循環變動系數平均值由10%負荷的0.011下降為100%負荷的0.006，下降了大約50%。低速低負荷時，壓力峰值循環變動性比較大，這是因為，此時缸內溫度較低，導致燃料著火界限變窄燃燒不充分以及傳熱損失所占比例較大引起的。而隨著負荷的增加，缸內溫度升高，一方面，滯燃期變小，滯燃期內形成的混合氣數量穩定，著火更加穩定；另一方面，火焰傳播速度增大，促進了循環變動的減小[12]。

隨著丁醇摻混比例的增加，壓力峰值的循環變動性變大，這主要是因為摻混丁醇后，由于丁醇氣化潛熱較大導致燃燒滯燃期過長，燃燒速度降低，可燃混合氣量變動較大，燃燒容易不穩定。可見循環變動性與缸內溫度及著火滯燃期關系密切。而在高速高負荷時，隨丁醇峰值壓力變動系數變化不明顯，這主要是因為高速高負荷時，缸內溫度較高，丁醇汽化潛熱較高以及十六烷值低的劣勢不再明顯。

2.3進氣質量流量和增壓比

圖5所示為柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料對進氣質量流量和增壓比的影響。從圖5中可以看出，隨著丁醇摻混比例的增加，進氣質量流量和增壓比有下降的趨勢。這是因為，放熱率型心后移，使得燃燒等容度降低，壓力升高率變小，導致排氣壓力降低，排氣流動能量減小；渦輪機得到的能量減少，進而傳遞給壓氣機的能量減少；使進氣質量減少，壓縮比變小；壓氣機效率呈下降趨勢，但下降得不明顯，可以通過適當微調整增壓器結構的方式解決。

圖5　進氣質量流量和增壓比

圖6所示為最大轉矩轉速以及額定轉速負荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對空燃比的影響。

從圖6中可以看出，隨著負荷的增加，丁醇柴油混合燃料和純柴油的空燃比都呈下降趨勢，這主要是因為，通過合理的進氣組織和供油策略，使得隨負荷增加，進氣質量增加幅度比不上循環噴油質量增加的幅度引起的。

圖6　最大轉矩轉速和額定轉速負荷特性下的空燃比

圖7　最大轉矩轉速和額定轉速負荷特性下的進氣溫度

隨著丁醇摻混比例的增加，空燃比變小，且在低速低負荷時表現更明顯，在1400 r/min對應的10%負荷時，Bu40的空燃比相對D100減小了10。這是因為進氣質量減小且丁醇-柴油混合燃料相對純柴油低熱值低導致循環供油量增加引起的，而在低速低負荷時，由于丁醇的氣化潛熱太高，導致缸內溫度過低，燃料著火界限變窄，燃燒不充分嚴重，所以需要供給更多的燃料。

2.4進排氣溫度

圖7所示為最大轉矩轉速以及額定轉速負荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對中冷后進氣溫度的影響。從圖7中可以看出，隨著負荷的增加，丁醇-柴油混合燃料進氣溫度和純柴油都呈增加趨勢。其中，1400 r/min時4種燃料進氣溫度平均值由10%負荷時14℃上升到了100%負荷時的28℃；2200r/min時也由10%負荷時21℃上升到了100%負荷時的50℃，上升幅度很大。這是因為負荷增加，循環供油量增加，放熱增加導致排氣能量增加，進而促進了進氣能量增加引起的。

隨丁醇摻混比例的增加，進氣溫度也呈增加趨勢，且在低速低負荷時更明顯，1400 r/min的10%負荷時，Bu10、Bu20和Bu40相對D100分別上升了1℃、4℃和8℃。這是因為柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料后，排氣流動能量減少導致壓氣機效率下降，進氣流速減小，在渦輪增壓器處的排氣與進氣的熱交換增加引起的。

圖8所示為最大轉矩轉速以及額定轉速負荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料對渦后排氣溫度的影響。從圖8中可以看出，隨著負荷的增加，排氣溫度升高。隨著丁醇摻混比例的增加，排氣溫度基本不變，這與無渦輪增壓的柴油機隨丁醇摻混比例的增加排氣溫度下降的試驗結果不同[6]，但是原理是相符的。這主要是因為，增壓中冷系統使得進氣溫度升高與丁醇汽化潛熱較高降低排氣溫度的效果抵消。

圖8　最大轉矩轉速和額定轉速負荷特性下的排氣溫度

3　結論

1）各個工況下，隨著丁醇摻混比例的增加，缸內壓力急劇上升點滯后，最大壓力升高率點出現滯后但不明顯，最大壓力升高率變大。在最大轉矩轉速1400 r/min時，Bu40對應的燃燒始點相對D100平均滯后了2°CA，額定轉速2200 r/min時則平均滯后了1.5°CA。

2）隨著丁醇摻混比例的增加，缸內壓力峰值的循環穩定性變差。

3）丁醇摻混比例的增加將導致進氣質量流量和增壓比的下降以及空燃比的減小，且空燃比減小趨勢在低速低負荷時最明顯。

4）隨丁醇摻混比例的增加，中冷后進氣溫度也呈增加趨勢，且在低速低負荷時更明顯，1400 r/min 的10%負荷時，Bu40相對D100的中冷后進氣溫度上升了多達8℃，而渦后排氣溫度基本不變。

參考文獻

1劉婭，劉宏娟，張建安，等.新型生物燃料———丁醇的研究進展[J].現代化工，2008，28（6）：28-31，33

2 Mate Zoldy，Andras Hollo，Artur Thernesz. Butanol as a diesel extender option for internal combustion engines[J]. SAE Paper 2010-01-0481

3 Kittelson D B. Engine and nanoparticles：a review[J]. Aerosol Sci，1998，29：575-588

4 Johnson T V. Diesel emission control in review [R]. SAE Paper 2006-01-0030

5 Scholl K W，Sorenson S C. Combustion of soybean oil methyl ester in a direct injection diesel engine [R]. SAE Paper 930934

6 Mohammad Ibrahim Al-Hasan，Muntaser Al-Momany. The effect of iso-butanol-diesel blends on engine performance [J]. Transport，2008，23（4）：306-310

7 D.C. Rakopoulos，C.D. Rakopoulos，E.G. Giakoumis，et al. Investigation of the performance and emissions of bus engine operating on butanol/diesel fuel blends[J]. Energy Conversion and Management 2010，51（10）：1989-1997

8范文佳.柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料的數值模擬與試驗研究[D].上海：同濟大學，2013

9何中兵，胡志遠，譚丕強，等.轎車柴油機燃用生物柴油的循環變動特性[J].車用發動機，2011（1）：65-69，74

10陳浩，劉兵，王金華，等.火花點火發動機燃用天然氣摻氫混合燃料循環變動研究[J].內燃機學報，2009，27（1）：18-24

11程勇，王建昕，莊人雋，等.汽油機燃燒循環變動表征參數的探討[J].車用發動機，2001（6）：16-20

12 Nir Ozdor，Mark Dulger，Eran Sher. Cyclic variability in spark ignition engines：a literature survey[J]. SAE Paper 940987

The Effects on Combustion and Inlet & Exhaust
Properties of Butanol-Diesel Blends to
a Turbocharged Diesel Engine

Zhang Tao, Lou Diming, Xu Ning, Tan Piqiang, Hu Zhiyuan, Zhou Yi
School of Automotive Studies, Tongji University (Shanghai, 201804, China)

Abstract：Based on a turbocharged diesel engine, this study focuses on the cylinder pressure changes and the engine intake & exhaust properties differences of the pure diesel and the butanol-diesel blends (D100, Bu10, Bu20 and Bu40). The results show: with the ratio of the butanol increasing, the combustion starting point, the maximum cylinder pressure and the maximum rate of cylinder pressure rise times are delayed, but the maximum rate of cylinder pressure rise significantly increases, the Cycle-by-Cycle Variations of the maximum pressure becomes larger; the compression ratio of the turbocharger and the air mass flow decrease, air -fuel ratio of inlet air after intercooler temperature also decreases; while the exhaust temperature after turbo remains almost unchanged.

Keywords：Butanol, Turbocharged and inter-cooled, Cylinder pressure, Inlet and exhaust

收稿日期：（2015-03-30） （2015-04-02）

文章編號：2095-8234（2015）03-0001-06

文獻標識碼：A

中圖分類號：TK427

作者簡介：張濤（1966-），男，副教授，主要研究方向為柴油機的結構設計與性能優化研究。

*基金項目：上海市科技攻關項目（10dz1210400）。
張濤樓狄明徐寧譚丕強胡志遠周毅（同濟大學汽車學院上海201804）
·研究·開發·