高原缺氧環境下生物柴油-柴油混合燃料對柴油機燃燒特性的影響

劉少華，柴麗田，申立中，畢玉華

(昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室，云南 昆明 650500)

近年來，隨著社會經濟的快速發展，能源短缺和環境污染問題日益嚴重，開發新的替代能源迫在眉睫。其中，生物柴油因具有如下特點而受到廣泛關注：原料來源廣泛，可再生；生物降解率高，揮發性低，無毒，安全性好；不含芳香烴，含硫量低，具有良好的環保性。與柴油相比，生物柴油含氧量高，十六烷值高，具有良好的燃燒性能。生物柴油能以任何比例與柴油相溶，是目前公認比較合適的可替代柴油的可再生清潔燃料。

國內外已經有許多學者和研究機構開展了生物柴油-柴油混合燃料對發動機工作特性影響的研究。研究結果表明，隨著燃料中生物柴油含量的增加，燃燒始點提前，滯燃期縮短，發動機的缸內最高燃燒壓力和放熱率峰值逐漸降低，達到峰值時刻提前。目前大部分研究工作都是基于平原環境開展的，針對高原缺氧環境下生物柴油的適用性研究相對較少。

我國高海拔地區面積廣，海拔差異較大。汽車的運行受大氣壓力、空氣密度和大氣氧濃度等關鍵大氣參數的影響極大。隨著海拔的上升，發動機進氣壓力和進氣含氧量下降，從而影響其燃燒過程。生物柴油的自含氧特性會對高原地區發動機進氣缺氧進行一定程度的補償，從而改善燃燒過程。因此，在模擬高原環境(81 kPa大氣壓力)下，針對一臺電控高壓共軌柴油機開展了生物柴油-柴油混合燃料對發動機燃燒特性的影響研究，以期為不同海拔地區，尤其是高海拔缺氧環境下柴油機燃燒過程的改善提供一定的研究基礎。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

為了確保試驗的安全性，在試驗過程中嚴格遵守試驗臺架操作規范。考慮到大氣壓力的調控方便性和控制實現方式一致性，應用自主開發的“微機化內燃機大氣模擬綜合測控系統”實現發動機臺架上不同海拔下大氣壓力的模擬。試驗臺架如圖1所示。大氣模擬裝置的工作原理如下：當模擬的大氣壓力高于當地大氣壓力時，通過進氣增壓和排氣節流來實現所需進氣和排氣壓力；當模擬的大氣壓力低于當地大氣壓力時，通過進氣節流和減小排氣背壓來實現所需進氣和排氣壓力。微機化內燃機大氣模擬綜合測控系統示意如圖2所示，可以準確模擬80～110 kPa的大氣壓力，主要由測功機、進排氣模擬裝置、控制器以及壓力、溫度和流量傳感器組成。在試驗中，研究海拔2 000 m(大氣壓力為81 kPa)的高原缺氧環境下，柴油機燃用生物柴油-柴油混合燃料的性能和燃燒特性。海拔與大氣壓力和含氧量的關系如表1所示。柴油機主要參數如表2所示。主要測試設備包括AVL 622燃燒分析儀、EIM609測控儀、FCMA瞬態油耗儀、WE31水力測功機等。

圖1 試驗臺架

圖2 微機化內燃機大氣模擬綜合測控系統示意

表1 海拔與大氣壓力和含氧量的關系

表2 柴油機主要技術指標

1.2 試驗方法

將地溝油制成的生物柴油和0號柴油按一定體積比例混合配制成B20(20%體積比生物柴油和80%體積比柴油混合而成)和B50(50%體積比生物柴油和50%體積比柴油混合而成)混合燃料，不同燃料的主要理化性質見表3。發動機結構和參數不作調整和變動。選取發動機轉速為1 200 r/min和2 200 r/min，負荷分別為20%，60%，90%和100%共8個工況，開展了B0，B20和B50對發動機燃燒特性影響的試驗研究，分析生物柴油-柴油混合燃料在高原地區對柴油機燃燒特性的影響。

表3 燃料的主要理化指標

2 試驗結果與分析

2.1 缸壓分析

圖3和圖4分別示出發動機在1 200 r/min，2 200 r/min下，燃用B0，B20和B50的缸內燃燒壓力對比。

由圖3可見，在1 200 r/min下，生物柴油-柴油混合燃料的燃燒壓力低于純柴油，達到缸壓峰值時刻的曲軸轉角提前1°～2°。在20%和60%負荷下，燃用B20和B50混合燃料的缸壓差別不大。在90%負荷和全負荷下，隨著生物柴油摻混比例的增加，缸壓逐漸降低。90%負荷時，燃用B20和B50混合燃料的缸壓比燃用純柴油分別平均降低5%和6%，全負荷時分別降低7.3%和10.6%。

與純柴油相比，生物柴油熱值低，運動黏度大。當噴入相同體積的燃料后，生物柴油-柴油混合燃料熱值降低，是導致缸內最大燃燒壓力下降的主要原因。在1 200 r/min較低轉速下，缸內壓力和溫度較低，生物柴油的高黏度導致生物柴油-柴油混合燃料流動性差，與空氣的混合霧化效果變差。盡管生物柴油的含氧特性能夠在一定程度上改善燃燒過程，但是低轉速下過量空氣系數較大，缺氧狀況并不突出。因此，從整體上來看，柴油機燃用B20和B50后，燃燒效果受到了一定程度的負面影響。另外，生物柴油十六烷值高，著火性能比純柴油好。生物柴油中脂肪酸甲酯的碳鏈長度要長于純柴油組分碳鏈長度，該特殊結構特性使得其CN值要比純柴油高，自燃特性得到改善。生物柴油的摻燒促使 OH 活性自由基的峰值提前到達，致使滯燃期縮短，著火提前，燃燒速度加快。因此，加入生物柴油后，缸內最大燃燒壓力對應的曲軸轉角提前。

圖3 1 200 r/min下燃用不同燃料的氣缸壓力

由圖4可見，在2 200 r/min下，20%負荷時，B20和B50混合燃料的缸壓差別不大，均低于柴油。隨著負荷的增加，燃用B50混合燃料缸壓出現上升趨勢，在60%負荷時甚至高于純柴油，峰值增加幅度為5%。隨著負荷的進一步增加，燃用B50混合燃料缸壓上升趨勢減緩，在90%負荷和全負荷下低于純柴油。燃用B20混合燃料缸壓在各負荷點均低于柴油。與低轉速相比，在2 200 r/min下，缸內壓力和溫度都有一定程度的提升，從而有利于加速生物柴油與空氣的混合。低負荷下，過量空氣系數較大，缺氧狀況不明顯；隨著負荷的增加，缺氧狀況變得突出，生物柴油的含氧特性發揮主導作用，使燃燒過程得到改善。隨著負荷進一步增加至全負荷，生物柴油較低的熱值限制了燃燒總熱量的釋放，導致缸內壓力下降。與B50相比，B20含氧量較低，對缸壓的提升作用不如B50明顯。

圖4 2 200 r/min下燃用不同燃料的氣缸壓力

2.2 放熱率分析

圖5和圖6分別示出發動機在1 200 r/min，2 200 r/min下，燃用B0，B20和B50的燃燒放熱率對比。

由圖5可見，在1 200 r/min下，隨著混合燃料中生物柴油比例的增加，放熱率峰值基本呈現降低的趨勢，B20和B50混合燃料的放熱率峰值平均下降4.9%和5.6%，峰值時刻的曲軸轉角提前1°～2°。分析認為，隨著生物柴油-柴油混合燃料中生物柴油比例的增加，混合燃料的熱值降低，是導致放熱率峰值下降的主要原因。生物柴油的高密度和高運動黏度使得混合燃料流動性較差；在1 200 r/min較低轉速下，缸內壓力和溫度較低，氣流運動較弱，因此混合燃料與空氣的混合速度變慢，從而影響了放熱速度。隨著生物柴油比例的增加，混合燃料含氧量和十六烷值升高，著火性能提高，從而使得發動機滯燃期縮短，著火提前，進而導致放熱提前，放熱率峰值所對應的曲軸轉角提前。

圖5 1 200 r/min下燃用不同燃料的放熱率

由圖6可見，在2 200 r/min下，20%，90%和100%負荷時，隨著生物柴油摻混比例的增加，放熱率峰值逐漸降低。20%負荷時，燃用B20和B50混合燃料的放熱率峰值平均下降8%和12%，90%負荷時平均下降4.5%和5.4%，全負荷時平均下降4.4%和8.2%。隨著負荷的增加，燃用B50混合燃料的放熱率出現上升趨勢，在60%負荷時甚至高于純柴油，峰值增加幅度為2.6%。隨著負荷的進一步增加，燃用B50混合燃料的放熱率上升趨勢減緩，在90%負荷和全負荷下低于純柴油。

圖6 2 200 r/min下燃用不同燃料放熱率對比

與低轉速相比，在2 200 r/min下，缸內壓力和溫度升高，氣流運動加強，從而有利于加速生物柴油與空氣的混合，進而提高放熱速度。低負荷下，過量空氣系數較大，缺氧狀況不明顯，相對較低的缸內壓力和溫度限制了混合氣的形成速度，加上混合燃料熱值的降低，從而導致放熱率峰值下降。隨著負荷的增加，缺氧狀況變得突出，生物柴油的含氧特性發揮主導作用，在一定程度上改善了局部缺氧區域的燃燒過程，提高了放熱率峰值。隨著負荷進一步增加至全負荷，生物柴油較低的熱值限制了燃燒總熱量的釋放，導致放熱率峰值再次呈現下降趨勢。與B50相比，B20含氧量較低，對放熱率峰值的提升作用不如B50明顯。

2.3 氣缸溫度分析

圖7和圖8分別示出發動機在1 200 r/min，2 200 r/min下，燃用B0，B20和B50的氣缸溫度對比。

由圖7可見，隨著負荷增加，燃用B0，B20和B50的氣缸溫度均增加。在1 200 r/min下，與燃用B0相比，燃用B20和B50混合燃料的缸內溫度均降低，4個工況點下燃用B20混合燃料平均降低幅度為2.3%，燃用B50混合燃料平均降低幅度為0.9%。由圖8可見，在2 200 r/min下，20%，60%，90%負荷時，燃用B50混合燃料的缸內溫度比純柴油高，升高幅度分別為1.4%，1%，0.3%，燃用B20混合燃料的缸內溫度比純柴油低，降幅分別為2%，1%，1.5%。隨著負荷的增加，燃用B50混合燃料的缸內溫度上升趨勢減緩，在全負荷下低于純柴油，而燃用B20混合燃料的缸內溫度上升趨勢加快，在全負荷下高于純柴油。

隨著發動機負荷的增加，缸內壓力升高，3種燃料的油氣混合過程都得到改善，從而改善了缸內燃燒過程，同時噴入缸內的燃油量增加，缸內燃燒壓力和放熱率增大，缸內溫度上升。在1 200 r/min下，燃油噴射量少，噴射壓力小，生物柴油密度和黏度大，揮發性差，不利于燃燒，導致缸內溫度降低。相比于B20，B50含氧量更高，能夠改善局部缺氧區域的燃燒狀況，從而提高燃燒溫度。因此，燃用B50后，缸內溫度基本高于燃用B20。

圖7 1 200 r/min下燃用不同燃料的氣缸溫度

圖8 2 200 r/min下燃用不同燃料的氣缸溫度對比

隨著轉速的增加，噴入氣缸的燃油量增加，缸內壓力提升，為燃燒提供了更好的初始條件。在2 200 r/min下，燃用B50混合燃料后，一方面，其較高的十六烷值和含氧量改善了著火性能，使著火提前，滯燃期縮短，另一方面，生物柴油中的氧起到助燃作用，使燃料燃燒更完全。因此，燃用B50混合燃料后，缸內溫度基本呈現上升趨勢。B20混合燃料的含氧量較低，對于缸內溫度的提升作用不如B50明顯，僅在全負荷下超出燃用純柴油時的缸內溫度。

2.4 燃油經濟性和熱效率分析

對比發現，在較高轉速2 200 r/min下，更能發揮生物柴油-柴油混合燃料的含氧優勢，在一定程度上改善柴油機在高原缺氧環境下的燃燒過程。因此，在2 200 r/min下，進一步開展生物柴油-柴油混合燃料對柴油機動力性和經濟性的影響研究。圖9示出在2 200 r/min下，燃用B0，B20和B50后，柴油機的燃油經濟性和熱效率對比。

由圖9可見，隨著負荷的增加，燃用純柴油、B20和B50燃料時，柴油機燃油消耗率和熱效率的變化規律是一致的。在中低負荷下，隨著生物柴油摻混比的增大，燃油消耗率上升，熱效率下降。隨著負荷的上升，燃用生物柴油-柴油混合燃料后，柴油機燃油消耗率上升趨勢和熱效率下降趨勢減緩，燃用B20的柴油機燃油消耗率與燃用柴油差別不大，熱效率與燃用純柴油時相當。

圖9 2 200 r/min下燃用不同燃料的經濟性和熱效率

燃用生物柴油-柴油混合燃料后，熱值的下降是造成柴油機燃油消耗率上升和熱效率下降的主要原因。由于試驗過程中沒有進行噴油量的調整，因此，在燃用熱值較低的生物柴油-柴油混合燃料時，達到同樣負荷點時對應的燃油消耗率上升。隨著負荷的增加，缸內壓力和溫度升高，有利于生物柴油與空氣的混合，加上生物柴油的自含氧特性，使燃燒更為充分；燃用B20燃料時，生物柴油摻混比較低，對混合燃料的噴霧特性影響不大，且混合燃料質量熱值與純柴油接近，因此，燃油消耗率和熱效率與燃用純柴油相當。隨著生物柴油摻混比例的增大，混合燃料的熱值下降，密度和黏度增加，使其在霧化過程中由于油滴表面張力增大而不易破裂，加之混合燃料揮發性不佳，使柴油機燃用B50燃料時燃油消耗率上升，熱效率下降。

因此，為了更好地發揮生物柴油燃料的自含氧優勢，一方面，可以通過適當增加噴油量彌補動力性方面的不足，另一方面，通過在不同轉速和負荷區域采用變摻混比例來實現燃料與工況的適配。

3 結論

a)與燃用純柴油相比，在1 200 r/min下燃用B20，B50混合燃料，柴油機缸壓、放熱率和氣缸溫度均降低；在2 200 r/min下，燃用B20后缸內燃燒壓力、放熱率和氣缸溫度基本呈現降低趨勢，而燃用B50后，氣缸壓力、放熱率基本呈現下降趨勢，僅在60%負荷下缸壓和放熱率峰值高于燃用純柴油，氣缸溫度基本呈現上升趨勢；

b)與燃用B0相比，燃用B20和B50混合燃料的缸內燃燒壓力、放熱率和氣缸溫度達到峰值的時刻提前1°～2°曲軸轉角；

c)與燃用純柴油相比，在2 200 r/min下，燃用B20、B50后柴油機燃油消耗率上升，熱效率下降；高負荷時燃用B20，燃油消耗率和熱效率與燃用純柴油時相當。