生物柴油燃燒循環(huán)變動特性試驗研究

鄧柳鋼，黃錦成

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

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生物柴油燃燒循環(huán)變動特性試驗研究

鄧柳鋼，黃錦成

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

摘要：對柴油機(jī)燃燒大豆生物柴油、0#柴油及乙醇與生物柴油的混合燃料的循環(huán)變動進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明柴油機(jī)燃燒B100時，在小負(fù)荷工況出現(xiàn)較大的循環(huán)變動，中高負(fù)荷工況燃燒B100的各類COV都低于D100。在大豆生物柴油中混合乙醇作為燃料，對低負(fù)荷工況的循環(huán)變動有較大的影響，對中高負(fù)荷工況的循環(huán)變動影響不大。添加10%的乙醇既能降低柴油機(jī)燃燒的粗暴程度，又能使柴油機(jī)燃燒更為穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：生物柴油；乙醇；柴油機(jī)；循環(huán)變動

生物柴油被稱之為“綠色燃料”，是一種含氧代用燃料，具有無毒、可生物降解、可再生等特點，能與柴油以任意比例混合或直接在柴油機(jī)上使用，在歐洲已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用［1］。由于生物柴油制作的原料來源較多，不同原料所生產(chǎn)得的生物柴油其性能不盡相同。對此，本實驗選用防城港市中能生物能源投資有限公司所提供的大豆生物柴油為燃料，對其與0#柴油在單缸柴油機(jī)臺架實驗的燃燒循環(huán)波動進(jìn)行了研究。由于該生物柴油的粘度比0#柴油大，因此，在生物柴油中加入一定比例的乙醇，并對混合燃料在單缸柴油機(jī)臺架實驗的燃燒循環(huán)波動進(jìn)行了研究。

1　試驗設(shè)備及試驗方案

1.1燃燒試驗

試驗是在ZS195型直噴柴油機(jī)上進(jìn)行的，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。試驗所采用的儀器設(shè)備主要有奧地利Dewetron公司燃燒分析儀DEWE-800、D100水力測功機(jī)等。

表1　ZS195型直噴柴油機(jī)主要參數(shù)

1.2試驗燃料

試驗燃料為市售0#柴油和乙醇，生物柴油采用防城港市中能生物能源投資有限公司所提供的大豆生物柴油。將生物柴油與乙醇按不同體積百分比混合得到混合燃料。0#柴油、生物柴油、乙醇的理化性質(zhì)如表2所列。

表2　燃料的主要理化性質(zhì)

其中0#柴油簡稱D100，生物柴油簡稱B100，在乙醇和生物柴油的混合油品中，乙醇體積百分比例分別為10%，20%，30%，簡稱為E10B90，E20B80，E30B70.

1.3試驗方案

試驗用燃燒分析儀采集發(fā)動機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速，1.5 kW，4.5 kW，8.8 kW等低中高負(fù)荷下缸內(nèi)的壓力信號，每個工況點連續(xù)采集100個循環(huán)數(shù)據(jù)，并通過計算處理比較各循環(huán)的最高燃燒壓力Pmax、最大壓力升高率（dp/dθ）max、平均指示壓力Pi的循環(huán)變動情況。試驗過程中，柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)上沒有任何改動，各組試驗均在相同條件下進(jìn)行。

2　試驗結(jié)果及分析

為了反映某循環(huán)偏離整個測量循環(huán)均值程度，同時顯示某參數(shù)在整個采集循環(huán)中的變動程度，采用統(tǒng)計學(xué)中變異系數(shù)來衡量，稱之為循環(huán)變動系數(shù)或循環(huán)變動率COV［2］.各參數(shù)的循環(huán)變動率可由以下公式求得。（以Pmax為例，其他參數(shù)的COV也可由相同的公式計算），式中N為循環(huán)總數(shù)，本試驗取100.

循環(huán)平均值

標(biāo)準(zhǔn)偏差

循環(huán)變動率

表3　各燃料部分工況點百循環(huán)參數(shù)的計算值

2.1D100和B100燃燒的結(jié)果分析

圖1所示是柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，各工況點燃燒D100和B100的各類循環(huán)波動對比圖。

（續(xù)下圖）

圖1　額定轉(zhuǎn)速下D100和B100各COV隨功率的變化

文獻(xiàn)［3］推薦采用缸內(nèi)峰值壓力作為燃燒循環(huán)變動的特征參數(shù)，認(rèn)為缸內(nèi)峰值壓力易于測量并且對循環(huán)變動很敏感。圖1（a）對比了燃燒D100和B100的最高燃燒壓力循環(huán)波動率隨功率的變化，燃燒D100時，其COVPmax在功率3 kW時最大，為1.765%，隨負(fù)荷增加COVPmax逐漸減小到功率8.8 kW時的1.21%；燃燒B100時，其COVPmax隨負(fù)荷的增加而減小，最大值為2.317%，最小值為1.247%.

圖1（b）對比了燃燒D100和B100的平均指示壓力循環(huán)波動率隨功率的變化，燃燒D100時，其COVPi在功率3 kW最大為8.126%，隨負(fù)荷增加COVPi逐漸減小到功率8.8 kW時的3.402%；燃燒B100時，其COVPi隨負(fù)荷的增加總體趨勢減小，最大值為8.908%，最小值為1.973%.

圖1（c）對比了燃燒D100和B100的最大壓力升高率循環(huán)波動率隨功率的變化，燃燒D100時，其COV （dp/dθ）max在功率3 kW最大為7.512%，隨負(fù)荷增加COV（dp/dθ）max總體趨勢減小到功率8.8 kW時的2.454%；燃燒B100時，其COV（dp/dθ）max隨負(fù)荷的增加總體趨勢減小，最大值為12.018%，最小值為2.78%.

柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速燃燒D100和B100的不同工況下的循環(huán)變動率幾乎都小于10%，柴油機(jī)工作在正常范圍內(nèi)，但是依然存在著少數(shù)工況有循環(huán)變動較大的問題。B100的粘度大于D100，在低負(fù)荷工況時霧化程度較低，導(dǎo)致燃燒不完善程度大，出現(xiàn)較大的循環(huán)變動；隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)混合氣體的不均勻度減小，使得缸內(nèi)燃燒的循環(huán)波動減小。B100的十六烷值高于D100的十六烷值，柴油機(jī)燃燒B100更加均勻，熱功效率高，發(fā)動機(jī)工作更穩(wěn)定，因此，有中高負(fù)荷工況B100的各類COV都低于D100的現(xiàn)象。另外，從表3中可以看出，相同工況下，柴油機(jī)燃燒B100所得的最高燃燒壓力平均值、最大壓力升高率平均值、平均指示壓力平均值幾乎都大于燃燒D100所得的各類平均值，即柴油機(jī)燃燒B100時更為粗暴，柴油機(jī)受的沖擊力大，機(jī)械負(fù)荷加大。

2.2乙醇和生物柴油混合燃燒的結(jié)果分析

圖2所示為乙醇與大豆生物柴油不同比例混合燃料在發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速下低中高負(fù)荷工況的各類循環(huán)波動對比圖。

圖2　額定轉(zhuǎn)速下低中高負(fù)荷COV隨乙醇占比的變化

圖2（a）所示，柴油機(jī)燃燒乙醇與大豆生物柴油的混合燃料，各燃料燃燒的COVPmax都隨著負(fù)荷的增加而減小。并且在小負(fù)荷工況時，隨著乙醇體積百分比的變化，各燃料的COVPmax有一定幅度的變化，燃燒B100時，COVPmax為2.317%；燃燒E10B90時COVPmax有所降低，為1.667%；隨著乙醇占比的增加，COVPmax增加，燃燒E20B80和E30B90時，COVPmax增加到2.667%，3.147%.在中高負(fù)荷工況時，各燃料的COVPmax保持在一個相對恒定的范圍，沒有出現(xiàn)大幅度的變化。

圖2（b）所示，柴油機(jī)燃燒乙醇與大豆生物柴油的混合燃料，各燃料燃燒的COVPi都隨著負(fù)荷的增加而減小。并且在小負(fù)荷工況時，隨著乙醇體積百分比的變化，各燃料的COVPi有一定幅度的變化，燃燒B100時，COVPi為8.908%；燃燒E10B90時COVPi有所降低，為6.395%；隨著乙醇占比的增加，COVPi增加，燃燒E20B80和E30B90時，COVPi增加到14.058%，12.238%.在中高負(fù)荷工況時，各燃料的COVPi保持在一個相對恒定的范圍，沒有出現(xiàn)大幅度的變化。

圖2（c）所示，柴油機(jī)燃燒乙醇與大豆生物柴油的混合燃料，在小負(fù)荷工況時，隨著乙醇體積百分比的增加，燃料的COV（dp/dθ）max減小。燃燒B100時，COV（dp/dθ）max為 12.018%；燃燒 E10B90時COV（dp/dθ）max有所降低，為10.69%；隨著乙醇占比的增加，COV（dp/dθ）max迅速減小，燃燒E20B80 和 E30B90時，COV（dp/dθ）max減小到 4.161%，1.69%.在中高負(fù)荷工況時，各燃料的COV（dp/dθ）max在一個相對恒定的范圍略微增加，沒有出現(xiàn)大幅度的變化。

柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速燃燒乙醇與大豆生物柴油混合燃料的低負(fù)荷工況，COVPi，COV（dp/dθ）max有較大幅度的變化，都有超過10%的工況點，柴油機(jī)工作波動較大，表明在大豆生物柴油中混合乙醇作為燃料，對低負(fù)荷工況的循環(huán)變動有較大的影響，其中燃燒E10B90的最高燃燒壓力平均值、最大壓力升高率平均值都小于燃燒B100所得的各類平均值，并且燃燒E10B90的各類COV值也明顯小于B100的各類COV，即在生物柴油中添加10%的乙醇既能降低柴油機(jī)燃燒的粗暴程度，又能使柴油機(jī)燃燒更為穩(wěn)定。各燃料在高負(fù)荷工況下燃燒，由于缸內(nèi)混合氣體的不均勻度小，燃燒波動小，各類循環(huán)變動率都小于5%，柴油機(jī)工作平順，在正常范圍內(nèi)，表明在大豆生物柴油中混合乙醇作為燃料，對柴油機(jī)的中高負(fù)荷工況的循環(huán)變動影響不大。

3　結(jié)束語

柴油機(jī)燃燒B100時，在小負(fù)荷工況出現(xiàn)較大的循環(huán)變動，中高負(fù)荷工況燃燒B100的各類COV都低于D100，發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定，但工作過程粗暴，柴油機(jī)受沖擊力大，機(jī)械負(fù)荷加大。在大豆生物柴油中混合乙醇作為燃料，對低負(fù)荷工況的循環(huán)變動有較大的影響，對中高負(fù)荷工況的循環(huán)變動影響不大。添加10%的乙醇既能降低柴油機(jī)燃燒的粗暴程度，又能使柴油機(jī)燃燒更為穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

［1］袁銀南，江清陽，孫平，等.柴油機(jī)燃用生物柴油的排放特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2003，21（6）：423-427.

［2］黃賢龍，羅福強(qiáng)，李占城，等.增壓柴油機(jī)燃燒循環(huán)變動分析［J］.車用發(fā)動機(jī)，2006，（1）：19-21.

［3］程勇，王建昕，莊人雋，等.汽油機(jī)燃燒循環(huán)變動表征參數(shù)的探討［J］.車用發(fā)動機(jī)，2001，（6）:16-20.

Research on Combustion Cycle-by-Cycle Variations Characteristic of Bio-Diesel

DENG Liu-gang，HUANG Jin-cheng
（College of Machinery Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Abstract：In this paper，the diesel engine combustion soybean bio-diesel，petroleum diesel 0#and ethanol and bio-diesel blended fuel cycle changes through the contrast analysis of results showed that the diesel engine when burning B100，in the small load condition appear larger cyclical fluctuation，high load condition of burning B100 all kinds of COV below the D100.In soybean bio-diesel blend ethanol as a fuel，in low load condition of cyclic variations have larger，the influence of cyclic variations of high load condition.Add 10%ethanol can reduce the rough degree of diesel engine combustion and make diesel engine combustion is more stable.

Key words：bio-diesel；ethanol；diesel engine；cycle-by-cycle variations

中圖分類號：TK46.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0025-04

收稿日期：2015-12-02

作者簡介：鄧柳鋼（1989-），男，湖南邵陽人，碩士研究生，研究方向為動力機(jī)械及工程（節(jié)能減排方向）。