高原环境EGR对生物质燃料柴油机性能的影响

谭泽飞，毕玉华，狄玉龙，欧阳文斌，申立中

（1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650500；2.西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224）

高原环境EGR对生物质燃料柴油机性能的影响

谭泽飞1，2，毕玉华1，狄玉龙1，欧阳文斌2，申立中1

（1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650500；2.西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224）

为研究高原环境下EGR系统与燃用生物质燃料B25E5对柴油机性能和排放的影响，进行了柴油机台架试验研究。试验结果表明：燃用纯柴油时，外特性工况下的动力性随着EGR率的增大而降低，降低的幅度为3%～15%；负荷特性下，EGR率对柴油机的经济性无明显影响，缸内最高燃烧压力和最高燃烧温度随着EGR率的增大均降低。与纯柴油相比，燃用生物质燃料B25E5时，动力性有所下降，下降的幅度为2%～12%；燃油消耗率有所上升，开启EGR后，经济性最差，最大降幅达到29%；缸内最高燃烧压力和最高燃烧温度变化均不明显。在2 200 r/min的不同负荷工况下，燃用B25E5并开启EGR后，NOx排放量下降，平均下降幅度为35%，碳烟排放有小幅上升，平均增幅为16%，CO的排放量无明显变化。

柴油机用生物质燃料；性能；排放；废气再循环技术；高原环境

随着全球能源危机的日益加重和环境法规越来越严格，开发与使用清洁的替代能源成为解决这两大问题的重要途径。生物柴油与乙醇具有优良的环保性，而且都属于可再生能源，因而可以考虑将其作为替代能源；与石化柴油相比，生物柴油的十六烷值较高，可以改善乙醇压燃效果不佳的情况，还可充当乙醇和柴油混合的助溶剂；乙醇的粘度较低，可以解决生物柴油雾化效果不佳的问题。利用生物柴油、乙醇和柴油的互补性，配制成的BED(由生物柴油、乙醇和石化柴油按一定比例混合而成的生物质燃料)燃料，可以直接应用在柴油机上，改善柴油机的排放状况，是石化柴油替代燃料的热门选择[1-2]。由于BED燃料含氧，在改善燃烧过程的同时，会导致NOx排放增加，柴油机在高负荷时，CO和HC排放与燃用柴油相比下降明显，但NO排放有所增加[3-7]。EGR技术是降低柴油机NOx排放的有效措施之一，燃用生物柴油与EGR技术结合可以同时大幅度降低 PM和NOx排放。高原环境下，由于大气压力降低，空气密度减小，导致进气压力降低，进气量减少，给发动机的性能带来不利的影响。BED燃料的含氧特性可以在一定程度上解决进气氧含量不足的问题[8-14]。燃用BED燃料并结合EGR 技术，有改善发动机在高原环境特殊工况下性能和排放的潜力，但这方面的研究报道并不多。

选择B25E5燃料，以满足国Ⅳ排放标准的柴油机为研究对象，综合研究柴油机燃用B25E5燃料并结合EGR技术对柴油机性能的影响，对BED燃料和EGR技术在高原地区推广应用具有重要意义。

1 试验条件及方法

1.1 试验设备及环境

试验用发动机为4102型增压中冷柴油机，其主要性能参数如表1所示。该发动机采用中冷EGR系统，满足国Ⅳ排放标准。测试设备包括实验室自主研发的燃烧分析仪、AVL2SD3-25交流电力测功机、ABB FCM2000油耗仪、AVL415S烟度计、MEXA-7500DEGR废气分析仪等。

表1 柴油机的主要技术指标Table 1 Main technical parameters of diesel engine

1.2 试验燃料

试验用B25E5燃料使用的3三种基础燃料分别为：0号柴油、地沟油制成的生物柴油和浓度99.5%的无水乙醇，按照一定体积比例混配而成的生物柴油-乙醇-柴油混合燃料B25E5（5%体积比例的无水乙醇，25%体积比例的生物柴油和70%体积的0号柴油）主要理化特性见表2。

表2 燃料主要理化特性Table 2 Main physicochemical properties of fuels

1.3 试验方法

试验地点海拔高度为1 920 m，大气压力为81 kPa。相对湿度为20%～35%，环境温度为15～25 ℃。在试验中未对柴油机做任何改动，未对试验数据做大气修正。在试验用柴油机上燃用B25E5燃料和纯柴油并结合对EGR系统的控制，研究燃用B25E5（关闭EGR）、燃用纯柴油（开启EGR）和燃用B25E5并开启EGR时与原机性能、燃烧和排放特性的变化规律。

2 试验结果与分析

2.1 柴油机动力性和经济性分析

图1是燃用B25E5和不同EGR条件与原机的外特性对比曲线图。可以看出，在外特性工况下，动力性随转速的变化趋势呈一定的规律性，与原机相比，开启EGR后，低转速时动力性没有明显下降，中间转速降幅最大，降低幅度为3%～15%；燃用B25E5时，在中间转速，降低幅度达到2%～12%，燃用B25E5并开启EGR时，最大降幅为29%。分析认为：低转速时，柴油机过量空气系数较大，燃烧比较充分，开启EGR对动力性影响不大，随转速上升，过量空气系数减小，开启EGR后，参与燃烧的新鲜空气变少，发动机的燃烧效率降低，动力性下降； B25E5燃料的热值较柴油要低，是柴油机动力性下降的主要原因；燃用B25E5并开启EGR时，由于B25E5燃料的热值较低，加之引入EGR后，过量空气系数减小，使缸内燃烧恶化，柴油机动力性大幅下降[10]。

图1 外特性对比曲线Fig.1 Comparison curves of external characteristic

图2是2 200 r/min的负荷特性下经济性对比曲线。可以看出：负荷特性工况下，燃油消耗率随着负荷的变化呈现一定的规律性，在小负荷时，燃烧BED燃料的燃油消耗率较高，随着负荷的增大，燃油消耗率逐渐变小；EGR系统对柴油机的有效燃油消耗率影响较小，燃用B25E5时，有效燃油消耗率上升。分析认为：试验工况为中高转速，不同负荷率，过量空气系数适中，同时生物柴油和乙醇含氧，能有利于改善浓混合气区域燃烧不完全状况，因此EGR系统引入的废气没有使燃烧恶化；由于B25E5热值较低，达到相同功率要消耗更多的燃料，因而有效燃油消耗率有所上升。

图2 经济性对比曲线Fig.2 Comparison curves of economy

2.2 柴油机的缸内燃烧过程分析

图3是2 200 r/min，25%负荷特性工况下的缸内压力变化曲线。可以看出，燃用B25E5时，与原机相比，缸内最高压力无明显变化；开启EGR后，缸内最高压力明显下降，最高压力对应的曲轴转角无明显变化；燃用B25E5并开启EGR时的变化规律与关闭EGR时基本相同。分析认为：因为B25E5混合燃料的热值低，会使燃烧温度降低，同时B25E5为生物质含氧混合燃料，使参与燃烧的氧原子数增加，促进了燃烧，因而缸内最高燃烧压力无明显变化；开启EGR后，废气的引入使缸内的新鲜空气量减少，导致燃烧情况恶化，缸内最高压力下降。

图4是2 200 r/min，25%负荷特性工况下的缸内温度变化曲线。可以看出，当开启EGR后，缸内最高燃烧温度下降，燃烧后期温度有所上升，燃用B25E5时，缸内最高燃烧温度无明显变化，燃用B25E5并开启EGR时，缸内最高燃烧温度有小幅下降。综合分析认为：开启EGR后，缸内氧原子数目减少，使滞燃期可燃混合气的形成受到不利影响，直接导致了最高燃烧温度下降，又因为废气中的CO2和H2O对燃烧有阻滞作用，使后燃加剧，因而燃烧后期温度有所增加；由于B25E5燃料自身含氧，能促进燃烧，可以缩短滞燃期，改善燃烧情况，B25E5和EGR在综合作用时，燃料含氧部分解决了引入EGR后过量空气系数减小的问题，因此缸内最高温度下降幅度较小。

图3 缸内压力变化Fig.3 Changes of pressure in cylinder

图4 缸内温度变化Fig.4 Changes of temperature in cylinder

2.3 柴油机排放特性分析

图5是2 200 r/min负荷特性工况下的NOx排放对比图 。可以看出，燃用B25E5时，NOx排放有所上升，平均增幅为6%，开启EGR后，NOx排放量明显下降，平均降幅为46%；燃用B25E5并开启EGR时，降低幅度比燃用纯柴油并开启EGR时小，平均降低35%。分析认为：一方面，B25E5燃料含氧，增加了缸内氧原子浓度，能增加NOx的生成，另一方面，乙醇汽化潜热较高，不利于缸内温度的上升，同时作用下，使NOx有小幅增加；开启EGR后，由于废气中的H2O和CO2的比热容较大，降低了缸内最高燃烧温度，破坏了NOx的生成条件，所以开启EGR后，NOx排放量减少；B25E5和EGR同时作用下，EGR对NOx排放的影响占主导地位，使NOx排放量有所减小。

图5 2 200 r/min负荷特性NOx排放对比Fig.5 Comparison of NOx emission of load characteristic under 2 200 r/min

图6是2 200 r/min负荷特性工况下的碳烟排放对比图。可以看出，开启EGR后，碳烟排放量明显上升，平均增加209%；燃用B25E5时，碳烟排放量下降，平均降低35%，燃用B25E5并开启EGR后，碳烟排放量平均增加16%。分析认为：开启EGR后，随着废气循环的增加，缸内氧原子数目减少，是碳烟排放量增加的主要原因，由于B25E5混合燃料自身含氧，使碳烟排放有所改善，在B25E5与EGR同时作用时，在一定程度上弥补了开启EGR时缸内氧原子数目降低的问题，使碳烟排放增加的幅度减小。

图6 2 200 r/min负荷特性碳烟排放对比Fig. 6 Comparison of smoke emission of load characteristic under 2200 r/min

图7是2 200 r/min负荷特性工况下CO排放对比曲线图。可以看出：CO排放量随着柴油机负荷的增加，先增大后减小；燃用B25E5时，CO排放平均下降15%，开启EGR后，CO排放平均增加67%；燃用B25E5并开启EGR后，碳烟排放量与原机相比无明显变化。分析认为：由于B25E5燃料生物质，有利于CO的氧化，2 200 r/min，25%负荷率下，柴油机过量空气系数较大，因此CO排放量下降；开启EGR后，过量空气系数降低，CO排放量增加；由于B25E5与EGR的综合作用，使CO排放量无明显变化[15]。

图7 2 200 r/min负荷特性CO排放对比Fig.7 Comparison of CO emission of load characteristic under 2 200 r/min

3 结 论

（1）外特性工况下，燃用纯柴油时，随着EGR率的增大，动力性下降，燃用B25E5并开启EGR后，与原机相比，柴油机的动力性明显下降，应适当减小EGR率并增加B25E5喷油量。

（2）EGR技术对柴油机的油耗影响不明显，B25E5燃料的经济性差于纯柴油。中小负荷工况，有EGR时B25E5燃料的油耗高于无EGR时的油耗。

（3）EGR技术使不同燃料的缸内温度和压力下降；B25E5燃料缸内温度和压力的下降幅度低于纯柴油。

（4）EGR技术使柴油机的NOx排放明显下降，并随着负荷增大，下降的幅度增加；碳烟排放量小幅上升，CO排放量基本不变，而B25E5燃料的碳烟和CO排放明显低于纯柴油。

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Effects of EGR system under plateau environments on performance of diesel engine used biomass materials fuels

TAN Ze-fei1,2, BI Yu-hua1, DI Yu-long1, OUYANG Wen-bin2, SHEN Li-zhong1
(1.Yunnan Provincial Key Laboratory of Engines, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, Yunnan, China;2. School of Mechanical and Transport, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China)

In order to study the inf l uences of performance and emissions of burning biomass fuel B25E5 and EGR system under plateau environment, the diesel engine stand tests were conducted. The experimental results show that while burning pure diesel, the power performance with the increase of EGR rate lowered under the working conditions of external characteristic, the falling range of 3%～15%;Under the working condition of load characteristic, EGR rate had no signif i cant effect on the economy of diesel engine, the maximum combustion pressure in cylinder and the maximum combustion temperature decreased with the increase of EGR rate; Compared with the pure diesel fuel, when burned the B25E5 fuel, the dynamic performance felled slightly, the declining range was 2%～12.5%; The specific fuel consumption rose, after opened the EGR, the economy became worse, the largest decline reached 29%; the change of maximum combustion pressure in cylinder and maximum combustion temperature were not obvious. Under different load conditions of the 2200 r/min, after burning biomass Fuel B25E5 and opened the EGR, the emissions of NOx felled, the average decline was 35%, the emission of smoke rose slightly, the average growth was 16%, the emissions of CO was not obvious.

biomass materials fuels used in diesel engine; discharge; emission; exhaust gas recirculation (EGR); plateau environment

S776.2；TK421+.5

A

1673-923X(2015)04-0109-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.019

2014-11-18

国家自然科学基金资助项目（51246004）；国家自然科学基金资助项目（51466003）；云南省应用基础研究计划资助项目（2011FZ138）

谭泽飞，副教授，硕士 通讯作者：申立中，教授，硕士，博士生导师；E-mail：lzshen@foxmail.com

谭泽飞,毕玉华,狄玉龙,等. 高原环境EGR对生物质燃料柴油机性能的影响[J].中南林业科技大学学报, 2015, 35(4):109-113.

[本文编校：文凤鸣]