不同气压下燃用混合燃料对柴油机性能的影响*

陆修进 张昆颜 文胜习 文辉

（昆明理工大学交通工程学院云南昆明650500）

不同气压下燃用混合燃料对柴油机性能的影响*

陆修进 张昆颜 文胜习 文辉

（昆明理工大学交通工程学院云南昆明650500）

为了研究不同气压下B50混合燃料对柴油机性能的影响，对B50与B0燃料，在不同气压下做了台架试验，对燃烧特性、负荷特性、外特性等的试验进行对比分析。分析结果表明：相同气压下与燃用B0相比，燃用B50的输出扭矩、爆发压力、压升率和放热率等降低但峰值提前，其输出扭矩降低5%～7.06%，比油耗升高4.7%～6.9%；HC、CO和烟度分别下降31.4%、23.7%和27%，NOx排放升高8.7%。大气压力升高后燃用B0输出扭矩约升高19.5%，比油耗约降低7.5%；燃用B50输出扭矩约升高15.7%，比油耗约降低5.5%，在低速下尤为明显。结果表明B50的燃用性能不是太理想。

B50大气压力生物柴油柴油机燃烧特性

引言

随着全球石化柴油储量减少、供求矛盾以及排放物污染严重等问题的突出，对代用燃料的探索已成为全球各国发展能源的新方向。生物柴油是一种可再生、环境效益良好的清洁代用燃料，它是植物油以及动物脂肪经过不同的化学反应制备出来的一种生物质燃料，目前在欧美等国家已得到了广泛的应用[1]。

Md.Nurun等人[2，3]研究了在柴油机上燃用生物柴油与纯柴油的混合燃料时喷油提前角的变化规律。P.Tamil Porai[4]研究分析了生物柴油含氧量高使燃料得到更加充分燃烧的特点，减少了有害污染物的排放。Schwab等[5]在对大豆油热裂解分析中，发现了烷烃和烯烃在生物柴油中的分量。重庆交通大学吴卓键[6]利用GT-POWER建立了柴油机模型，进行了柴油机燃用生物柴油混合燃料的仿真和对比性试验，研究了柴油发动机燃用生物柴油的燃烧特性与排放特性。郭猛超，王宪成等人[7]研究模拟大气环境对增压柴油机输出性能和燃烧特性的影响。吉林大学张珂[8]通过发动机台架试验，研究了不同比例的生物柴油混合燃料对发动机的燃烧特性以及动力性、经济性和排放性的影响规律。

在社会突飞猛进的发展过程中，人们不仅是出于燃油危机还是环境恶化的考虑，不断在寻求一种能够替代甚至超越0#柴油（同于B0）且很有潜力的燃料，所以研究者通常以0#柴油作为研究其他燃料的参考标准。本文亦是如此，在台架上进行了不同气压下0#柴油与B50（掺比为50%生物柴油的混合燃料）的对比试验研究，以获取燃用B50混合燃料在不同大气压下对柴油机性能影响的更全面认识。

1 试验设计

1.1 测试设备

本次试验以某股份有限公司生产的YN30系列高压共轨柴油机为试验研究发动机，该柴油机的主要性能参数为：

压缩比18∶1；

最大转矩280 N·m（2200 r/min）；

标定功率80 kW（3200 r/min）；

最低燃油消耗率224 g/（kW·h）（2000 r/min）；

增压器比22；

排量2.79L。

试验所用到的测控仪器和设备如下：奥地利AVL公司生产的电力测功机、连续油耗仪、AVL Diga4000排气分析仪和进气调节系统。ECU接口模块为ETAS 590，石英压电型传感器，数据采集卡型号AT-MIO-16E-2。燃油恒温系统为RWK01，机油恒温系统为JWK02，湿温度计为HM233，全自动排气烟度计为FBY-201等，试验设备布置方案如图1所示。

实验所用生物柴油和0#柴油理化特性如表1所示[9]。

图1 试验设备布置

表1 生物柴油和0#柴油理化特性

1.2 试验过程

在试验前要先启动试验发动机并预热一段时间，等到冷却水温、机油温度等参数满足状态要求时再进行数据采集，以确保这些辅助参数在标准规定内变动。

本论文采用AVL公司ACS1300/300发动机进气调节系统对气压进行调节，分别在81kPa和100kPa两种气压下反复试验。

1）外特性试验，当油门位置全开，1200 r/min～3200 r/min范围内以200 r/min为转速测试间隔，测试不同转速下发动机动力性的变化值。

2）负荷特性试验，保持转速不变，调整发动机负荷，测定有效燃油消耗率等参数。测试范围：1200 r/ min～3200 r/min范围内，以200 r/min为转速测试间隔。

3）燃烧特性试验，将发动机负荷稳定在一定值，测取不同气压下燃用B0、B50混合燃料时缸内压力的变化曲线，试验转速为1200 r/min、2200 r/min和3200 r/min。

试验过程全部依据GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》的标准进行测试[10]，确保了结果数据的可靠性。

2 试验结果与分析

2.1 外特性和负荷特性分析

图2为不同气压下B0与B50混合燃料外特性对比曲线，随着转速的升高，输出扭矩先升高后减小，比油耗先下降后升高，这是因为低速低负荷时喷油量大，进气流速不快，每循环进入气缸的空气少，充量系数低，燃烧不完全，放热量低，所以输出的扭矩很小，比油耗较高。

随着转速增大，增压器的效率变大，每循环进气量增加，喷油量不变，充量系数改善，所以扭矩变大而比油耗有所下降。在相同气压下，燃用B50混合燃料与燃用B0燃料相比，在81 kPa和100 kPa下发动机输出最大扭矩分别降低6.55%、7.06%，标定功率下比油耗分别升高4.7%、5.6%。

气压从81 kPa变为100 kPa后，在中低转速下，B50混合燃料平均输出扭矩升高13.6%，比油耗平均下降5.7%；燃用B0的输出扭矩平均升高18.6%，比油耗平均下降8.3%。在高转速下，燃用B50混合燃料的输出扭矩平均升高3.6%，比油耗平均下降1.8%～2.8%；燃用B0的输出扭矩平均升高1.3%～3.9%，比油耗平均下降1.6%～2.7%。试验分析了高压共轨柴油机混合燃料在不同工况下的动力性。

综合分析认为：相对于0#柴油燃用B50混合燃料的输出扭矩降低，比油耗升高。这是因为生物柴油的热值低、粘度和密度大导致放热率低、雾化性差，每次喷射单位体积油量的质量大等。

气压变大B50混合燃料与B0相比扭矩升高，比油耗下降，中低转速尤为明显。气压升高后，气缸的新鲜空气增多，燃烧性能改善。此外，低速增压器的效率低，气压升高后提高了过量空气系数；高转速下增压器的效率高，大气压力对其作用减小。所以研究不同气压下的燃料特性对如何最有效地燃用燃油是很有必要的，此外采用增压技术是高原柴油机一项必备技术。

图2燃用B0与B50外特性对比曲线

图3 为不同工况下燃用燃料B0与B50混合燃料负荷特性比油耗差异曲线。对比燃用B50混合燃料与燃用B0燃料后发现，B50混合燃料比油耗总比B0的大，生物柴油热值低是比油耗上升的重要原因，并且变化明显程度顺序为低速＞最大扭矩转速＞标定功率转速。气压升高后，燃用B50混合燃料和B0的经济性在低速比高速改善程度较为明显，B0与B50混合燃料的比油耗差距减小。所以发动机设计应该改善增压器在低速下的效率。

综合分析认为：在相同的负荷点下，气压变大比油耗随之下降，燃用B0比油耗平均下降2.3%，燃用B50混合燃料平均下降0.7%。对同一种燃料，在小扭矩范围比油耗下降的幅度小，大约为1.2%～2%；在大扭矩低转速范围下降幅度较大，大约为5.3%～6.2%。在小负荷范围下，过量空气系数较大，燃料燃烧效率已经很高，增大气压对它的影响小；而在大负荷下，过量空气系数小，增大气压后充量系数变大，燃料能更充分燃烧。

图32200 r/min比油耗曲线

2.2 燃烧特性分析

2.2.1 缸内压力

图4为分别燃用燃料B0和B50混合燃料在燃烧过程中的缸内压力（平均指示压力，下同）曲线图。平均指示压力是反映发动机气缸工作容积利用效率高低的一个参数，是衡量发动机实际循环动力性能的一个重要指标。最大爆发压力是发动机每循环所发出的缸内最高压力，它与喷油提前角、压缩比有关，最大爆发压力越大说明输出扭矩越大。所以研究混合燃料的性能，缸内压力和最大爆发压力也是其中的一个重要参数。

图42200 r/min缸内压力曲线

如图4所示燃用B0与B50混合燃料的缸内压力变化趋势基本一致。与燃用燃料B0相比，从低速到高速燃用B50混合燃料的缸内压力在81 kPa降低幅度为7.2%～11.46%，在100 kPa降低幅度为4.5%～8%，在低速较为明显。

缸内最大爆发压力在81 kPa和100 kPa降低幅度分别为5%～7.1%、7.8%～11%。气压变大后，燃用B50混合燃料的缸内压力升高幅度为2.2%～13.3%，缸内最大爆发压力升高幅度为2.4%～12.7%；燃用B0的缸内压力升高幅度为3.3%～6.53%，缸内最大爆发压力升高幅度为3%～6.1%；并且在低速下变化最为明显、最大扭矩转速下最低。

不同工况下的最大爆发压力和对应的曲轴转角如表2所示。

表2 最大爆发压力与曲轴转角关系

综合分析认为：燃用B50混合燃料与B0的缸内压力随曲轴转角变大而增加，在6°CA左右达到最大，之后随之下降。这与柴油机的燃烧过程和工作循环有密切联系。在同一工况和一定喷油量下，燃用B50混合燃料发动机的缸内压力和最大爆发压力都比B0低，但达到峰值提前。因为生物柴油的热值比纯柴油低并且密度高、雾化性能差、单位质量热量小、燃烧不完全，所以释放能量低。随着转速的升高，最大爆发压力先升高后减小，低速下大气压力对缸内压力和最大爆发压力的影响较明显，这与增压器的效率有关。

2.2.2 缸内压升率

缸内压升率反应了内燃机工作的柔和性和振动噪声程度，它与压缩行程终了的缸内压力、温度有关。图5为燃用燃料B0和B50混合燃料的压升率对比曲线。

图5 2200r/min压升率曲线

在1200 r/min转速下，与燃用B0相比，B50混合燃料的压升率在81kPa降低13.8%，100 kPa降低14%。气压变大后，燃用B50混合燃料的压升率升高2.2%，燃用B0压升率升高1.6%。在2200 r/min转速下，与燃用B0相比，B50混合燃料的压升率在81 kPa降低29.2%，在100 kPa降低22.6%。气压变大后，燃用B50压升率升高1%，燃用B0压升率升高8.6%。在3200 r/min转速下与燃用B0相比，B50混合燃料的压升率在81kPa降低33.3%，100 kPa下大约低42%。气压变大后，燃用B50混合燃料的压升率大约升高31%，燃用B0压升率大约升高20.8%。研究表明燃用B50混合燃料比燃用B0时发动机工作更柔和。

综合分析认为：燃用B0的最大压力升高率比B50的高，但到达最大压力升高率对应的曲轴转角，B50混合燃料要提前。最大压力升高率的大小主要取决于着火滞燃期内缸内可燃混合气的能量，混合燃料的十六烷值比纯柴油的高、着火滞燃期短，而且粘度大、雾化性不好等，所以在着火滞燃期内所发出的的能量小，最大压力升高率小。但十六烷值高，燃料自燃性好，燃料提前燃烧，达到最大压力升高率所对应的曲轴转角小（提前）。气压变大后，过量空气系数变大，燃烧性能改善，所以两种燃料的压升率呈上升趋势，且燃用B50混合燃料的变化很快，B0的较为缓慢，压力升高率峰值也相对提高。

2.2.3 缸内放热率

缸内放热率是由缸内的燃烧速率决定，而对于柴油机来讲，燃料的燃烧大部分是处于一边与空气混合、一边燃烧的情况。由于混合过程比反应过程慢，因此混合速率决定了燃烧速率[11]。图6为燃用燃料B0与B50在不同大气压下的放热率对比曲线。

图62200 r/min放热率曲线

在中低速范围内，81 kPa大气压下，燃用B50混合燃料的峰值降低5.3%，燃用B0降低1.4%；100 kPa大气压下，B50峰值降低5.9%，B0降低3.9%。在中高速范围内，81 kPa大气压下，B50混合燃料的放热率降低16.3%，B0降低18.7%；100 kPa大气压下，B50降低低21.3%，B0降低25.2%。气压变大后，燃用B50混合燃料的放热率升高幅度为2.1%～5.9%，燃用B0放热率升高幅度为1.1%～4.1%。

综合分析认为：燃用B0的放热率要比燃用B50混合燃料的要略高，随着大气压力变大放热率也略有升高。与燃用B0相比，燃用B50混合燃料达到最大燃烧率提前、最大瞬时放热率明显降低，对应的曲轴转角提前。

随着转速的升高，放热率峰值逐渐降低。在81kPa大气压下，随着转速的提高，燃用B50混合燃料的放热率与燃用B0的放热率差距越来越小。而100 kPa的放热率随着转速的升高，与燃用B0柴油的差距越大，但是100 kPa的放热率都比81 kPa的高。综上燃烧特性所述，压升率和放热率的变化趋势与缸内压力有直接关系。

2.3 排放特性分析

燃用燃料B50与B0的CO、HC、NOx和碳烟排放量对比如图7、8、9、10所示。

图7CO排放对比图

图8HC排放对比图

图9NOx排放对比图

图10 碳烟排放对比图

燃用B0与B50混合燃料时，CO、NOx、HC和碳烟的排放量随着转速的变化出现了明显的差异，但是B50混合燃料的排放性能随着转速增加比B0越来越好。

在整个工况内，燃用B50燃料与燃用B0燃料相比，在81 kPa CO排放量降幅为17.7%～27.4%、HC排放量降幅为27.3%～35.3%、NOx排放量升幅为3.5%～8.7%、碳烟排放量降幅为16%～47%；在100 kPa下CO排放量降幅为4.2%～29.5%、HC排放量降幅为56.7%～67.7%、NOx排放量升幅为7.8%～21.5%、碳烟排放量降幅为15.5%～53.8%。

总体上与燃料B0相比，B50排放的CO、HC和碳烟都比较低，排放物改善程度顺序为HC、碳烟、CO，尤其是HC改善幅度最大，但NOx排放量略有升高。这是因为生物柴油是含氧燃料，有助燃作用,燃料浓度高的区域克服了柴油机混合不均、局部缺氧的缺点。且自身含氧使CO2被还原为CO的机会减少，但是燃料中大量的氧元素，在高温高压处对NOx的形成起到促进作用。生物柴油双环芳香烃、硫含量小、蒸发性能好和十六烷值高等直接抑制了HC、烟度和CO的形成，改善了排放特性[12]。

对于同一种燃料气压升高后，燃用B50混合燃料时，CO的排放量升幅为3.5%～49%、HC的排放量升幅为13.3%～36.8%、NOx的排放量升幅为21.1%～36.8%、碳烟的排放量降幅为3%～15.7%；燃用B0时，CO排放量升幅为13.8%～32%、HC排放量升幅为21.1%～67.3%、NOx排放量升幅为6%～24%、碳烟排放量降幅为3.6%～5.2%。所以气压升高后，CO、HC、NOx的排放恶化，燃料B0排放的CO、HC恶化幅度比B50大。而燃料B50排放的NOx恶化更大，碳烟的排放特性改善，两者相差较小。这是因为气压升高后，在高温高压下，促进了CO的形成；HC排放因为温度和浓度过高，导致猝熄从而HC排放升高。

关于NOx的排放，随着气压的升高，进入气缸的氧越多，燃烧温度和压力同时升高等导致NOx排放的升高。碳烟的排放，大气压增大有利于提高过量空气系数，增加扫气，降低缸内的温度，降低了燃油的裂解反应，改善了燃料的燃烧过程。

3 结论

通过台架试验，对燃料B50与B0做了不同气压下燃烧特性、负荷特性、外特性的试验研究，并对试验结果进行了对比分析。结果分析表明：

1）燃料的燃用性能与其自身的物理特征有紧密联系。

2）B50混合燃料的动力性和经济性都比较差，HC、CO和烟度的排放量降低，环境效益好。而燃料B0相对来说，排放特性较差，但NOx排放少二次污染不严重；动力性和经济性较好，且生物柴油成本高等。依据分析结果，显然50%混合掺烧性能不是太理想，接下来应该进行更多的掺烧比进行研究，以得到更好的掺烧燃用效果。

3）鉴于气压对燃料燃烧性能的影响，下一步工作除了对掺烧比的研究外，还可以对平原和高原柴油发动机性能进行探究。

1冀星，郗小林.我国生物柴油产业发展展望[J].中国能源，2002（5）:16～18

2Md.Nurun Nabi，Masahiro Minami，Hideyuki Ogawa，et al. Ultra low emission and high performance diesel combustion with highly oxygenated fuel[C].SAE Paper 2000-01-0231

3魏淑芬.内燃机的排放污染分析及控制[J].环境保护，1996（5）：6～9

4P.Tamil Porai，S.Chandrasekaran，S.Subramaniyam，et al. Combustion and performance of a diesel engine with oxygenated diesel blend[C].SAE Paper 2004-01-0082

5Leo L.Stavinoha，Emilio S.Alfaro，Herbert H.Dobbs，et al. Alternative fuels：development of a biodiesel B20 purchase description[C].SAE Paper 2000-01-3428

6吴卓键.柴油发动机燃用生物柴油的燃烧特性与排放特性研究[D].重庆：重庆交通大学，2011

7郭猛超，王宪成，常强.大气环境对增压柴油机缸内燃烧特性的影响[J].柴油机，2011，33（1）：9～13

8张珂.生物柴油混合燃料对重型柴油机燃烧与排放的影响规律[D].长春：吉林大学，2009

9刘伟伟，张无敌.生物柴油的理化性质及质量标准[J].能源工程，2006（1）:27～31

10方达淳.《汽车发动机性能试验方法标准》内容简介（上）[J].汽车技术，1983（3）：58～61

11周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005

12张春化，宋建桐，杨烜.燃用生物柴油增压柴油机的性能和排放[J].交通运输工程学报，2008，8（2）：18～22

The Influence of Mixed Fuel on Diesel Engine Performance under Different Pressures

Lu Xiujin,Zhang Kun,Yan Wensheng,Xi Wenhui
Faculty of Transportation Engineering,Kunming University of Science and Technology（Kunming,Yunan，650500，China）

In order to study the main effect of different pressure of B50 mixed fuel for diesel engine performance，bench test for B50 and B0 was carried out under different pressures.Then the combustion characteristics，load characteristics and external characteristics experiment are analyzed.Analysis results show that compared with B0 under the same pressure，the output torque,explosion pressure，rate of pressure rise and rate of heat release of B50 decreased，but the peak was in advance,while a reduction of 5%～7.06%for the output torque,an increase of 4.7%～6.9%for the rate of fuel consumption occurred；the emissions of HC,CO and smoke emission decreased by 31.4%，23.7%and 27%respectively，while the emission of NOxincreased by 8.7%.When the atmospheric pressure increased，an increase about 19.5%for the output torque of B0，an increase about 7.5%for rate of feul consumption of B0，an increase about 15.7%for the output torque of B50，and an increase about 5.5%for rate of feul consumption of B50 occured，especially in the low speed.It is shown that the B50 combustion performance is not too ideal.

B50,Atmospheric pressures，Biodiesel，Diesel engine，Characteristic of combustion

TK46+4

A

2095-8234（2014）06-0007-06

2014-11-03）

校人才培养基金（KKZ320130200）资助项目。

陆修进（1987-），男，硕士研究生，研究方向为排气消声器动力学及声学特性。

张昆（1965-），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为汽车振动与噪声。