供油提前角对生物柴油发动机性能影响的实验研究

朱荣福，王云龙，王 辉，孙远涛

（黑龙江工程学院汽车与交通工程学院，黑龙江哈尔滨 150050）

供油提前角对生物柴油发动机性能影响的实验研究

朱荣福，王云龙，王 辉，孙远涛

（黑龙江工程学院汽车与交通工程学院，黑龙江哈尔滨 150050）

推迟供油是一种有效降低柴油机NOx排放的方法，研究推迟供油对生物柴油发动机性能和NOx排放的影响。实验结果表明：推迟供油可明显降低生物柴油发动机NOx排放，而动力性和经济性略有降低；对于实验发动机，推迟2°CA供油提前角，可在降低NOx排放的同时降低碳烟排放。

生物柴油；压燃式发动机；供油提前角；性能；排放

随着全球经济的快速发展，环境污染和能源的可持续使用越来越引起人们关注，各种清洁燃料和替代燃料的研究成为热点［1］。生物柴油是一种对环境友好的可再生绿色燃料，作为优质的柴油代用品，生物柴油以其优异的排放性能指标，且能直接应用于现有的柴油机而不改变其原有的结构和性能备受关注［2－4］。现有的研究表明：在柴油机不做改动和调整的情况下，柴油机燃用生物柴油后动力性、经济性略有下降，HC和CO排放降低，而NOx排放升高［5－9］。推迟供油是降低柴油机NOx排放最简单易行而有效的办法［10］。本文通过调整供油提前角，研究降低生物柴油发动机NOx的效果及其对发动机性能的影响。

1 燃料理化特性分析

表1给出了生物柴油和柴油的燃料理化特性对比。如表1所示，生物柴油是含氧燃料，燃料中的氧有利于燃料完全，进而降低HC和CO排放；生物柴油的热值低于柴油，发动机燃用生物柴油会导致动力性下降，油耗增多，但生物柴油的密度高于柴油，因此，全负荷工况减小了生物柴油发动机的动力性和经济性下降的幅度；生物柴油含硫量远低于柴油，是一种优质压燃燃料；生物柴油的十六烷值和声速高于柴油，会导致燃烧提前，燃烧温度升高，再加上生物柴油含氧，导致促进NOx排放的增加。

2 实验装置及方法

实验发动机为无锡4CK发动机，发动机主要技术参数如表2所示，主要测试仪器如表3所示。原机的供油提前角为上止点前9°CA，实验中把供油提前角调整为上止点前7°CA和上止点前5°CA。

表1 燃料理化特性

实验工况分别为1400rpm，1800rpm和2400rpm全负荷工况。实验方法参照《GB／T 18297-2001汽车发动机性能试验方法》，实验前发动机预热15min以上，燃油温度控制在298K± 5K，机油温度368K±5K，排气背压低于6.7kPa时开始试验，每个工况测量时间不低于3min，实验工况之间间隔不低于5min。

表2 发动机主要技术参数

表3 主要测试仪器

3 实验结果与分析

3.1 推迟供油对NOx排放的影响

图1给出了发动机燃用生物柴油NOx排放随供油提前角的变化。由图1可以看出，随着推迟供油，发动机NOx排放相对于原机NOx排放明显下降。当供油提前角推迟2°CA时，1400rpm，1800rpm和2400rpm全负荷工况下的NOx排放分别下降了60.9%、28.1%、25.8%；当供油提前角推迟4°CA时，三种转速全负荷工况下的NOx排放分别下降了60.1%、81.2%、36.8%。这是因为推迟供油后，燃烧推迟，降低了燃烧温度，而燃烧温度是促进NOx生成的首要因素。

图1 NOx排放随供油提前角的变化

3.2 推迟供油对碳烟排放的影响

一般而言，柴油机NOx排放和碳烟排放存在“trade-off”关系，但生物柴油是含氧燃料，可有效降低碳烟排放。烟度排放随供油提前角的变化如图2所示，当供油提前角推迟2°CA时，三种转速全负荷工况下的排气烟度分别下降了60.9%、43.2%、74.9%；当供油提前角推迟4°CA时，1400rpm全负荷工况排气烟度增大了34.1%，1800rpm全负荷工况下的排气烟度增大了18.9%，而2300rpm全负荷烟度降低了60.2%。考虑推迟喷油对NOx的影响，对于实验发动机，推迟供油2°CA时，可同时降低NOx排放和碳烟排放。

图2 烟度排放随供油提前角的变化

3.3 推迟供油对动力性和经济性的影响

图3～图5分别给出发动机转矩、功率和有效燃油消耗率随供油提前角的变化规律。分析图3和图4可知，供油提前角推迟2°CA时，动力性降低的幅度在2%以内；供油提前角推迟4°CA时，动力性最大降低幅度为7.7%。可见，随着供油提前角的推迟，发动机的动力性有所下降，但降低幅度并不大。

图3 发动机转矩随供油提前角的变化

图4 功率随供油提前角的变化

分析图5可知，当供油提前角推迟2°CA时，3个转速全负荷工况下的燃油消耗率分别增加了1.1%、2.8%、5.1%；当供油提前角推迟4°CA时，3个转速全负荷工况下的燃油消耗率分别增加了5.5%、7.4%、11.7%。可见，随着供油提前角的推迟，发动机燃油经济性变差，但是变化幅度是有限的。

图5 油耗随供油提前角的变化

4 结 论

本文对在不同供油提前角下，生物柴油发动机的性能做了初步的对比性研究，实验结果表明：

1）推迟供油可明显降低生物柴油发动机NOx排放；

2）当供油提前角推迟2°CA时，动力性降低幅度在2%以内，经济性降低最大幅度为5.1%；

3）对于实验发动机，推迟2°CA供油提前角在降低NOx排放的同时，也可降低碳烟排放。

［1］李昕光，杨荣海，吴勃生.LPG双燃料发动机排放性能试验及仿真［J］.黑龙江工程学院学报，2014，28（4）：28-30.

［2］汤颖，陈刚，穆淑珍.国内外生物柴油发展现状及中国的应对策略［J］.世界农业，2010，376（7）：10-12.

［3］张红云，徐卫昌，马志卿.生物柴油生产原料的研究进展［J］.农机化研究，2010，32（7）：213-216.

［4］袁银南，江清阳，孙平，等.柴油机燃用生物柴油的排放特性研究［J］.内燃机学报，2003（6）.

［5］孙平，丁晓亮，卢强.直喷式柴油机燃用生物柴油的排放研究［J］.农机化研究，2006（3）.

［6］朱荣福，杨兆.柴油机燃用生物柴油的排放特性实验研究［J］.黑龙江工程学院学报：自然科学版，2008，22（1）：57-59.

［7］赵校伟，韩秀坤，朱荣福.发动机燃用生物柴油对NOx排放影响的试验研究［J］.车用发动机，2006（12）：36-38.

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

［9］葛蕴珊，张世鹰，郝利君，等.生物柴油在柴油机中的应用研究［J］.内燃机工程，2004，25（2）：12-14.

［10］刘巽俊.内燃机的排放与控制［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［责任编辑：郝丽英］

Experimental research on the effects of fuel delivery advance angle to compression-ignition engine fueled with biodiesel

ZHU Rong-fu，WANG Yun-long，WANG Hui，SUN Yuan-tao

（College of Automobile and Traffic Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China）

Retarding fuel delivery timing is an effective method to reduce NOxemission of compressionignition engine，and the effects of retarding fuel delivery timing on NOxemission and performance of engine fueled with biodiesel are investigated through experiments.The experimental results show that，retarding fuel delivery timing can reduce NOxemission significantly and worsen the power and fuel economy slightly，meanwhile when the fuel delivery advance angle is retarded for 2°CA，the soot emission reduced.

biodiesel；compression-ignition engine；fuel delivery advance angle；performance；emission

TK464

A

1671-4679（2015）01-0009-03

2014-11-20

黑龙江省教育厅骨干教师项目（1252G051）；哈尔滨市科技局科技攻关项目（2012DB2BG047）

朱荣福（1981－），男，讲师，研究方向：车用代用燃料.