单缸柴油机上的纯生物柴油性能分析

吕 祎 张子阳 向立明

（湖北文理学院，襄阳 441053）

单缸柴油机上的纯生物柴油性能分析

吕 祎 张子阳 向立明

（湖北文理学院，襄阳 441053）

为降低柴油机的废气排放，在EH36单缸柴油发动机试验台架上，进行了柴油机燃用纯柴油和纯生物柴油的对比性试验，分析研究了柴油机的燃烧特性、动力性、经济性。结果表明：纯生物柴油在低转速大扭矩工况下的经济性能较好；加速过程中，燃料消耗量大且柴油机的功率有所下降；最大扭矩和最大转速均比纯柴油略低，纯生物柴油的爬坡性能略差。

柴油机 纯生物柴油 动力性 经济性

生物柴油[1]是清洁的可再生能源。它以生物质资源作为原料是基础加工而成的一种柴油（液体燃料），主要化学成分是脂肪酸甲酯。具体而言，动植物油（如菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、米糠油、棉籽油）、动植物油下脚料酸化油（如脂肪酸）和动物油（如猪油、鸡油、鸭油、动物骨头油）等经一系列化学转化精制而成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。生物柴油除具有环保、低温启动、润滑性好、安全性高等性能外，其十六烷值高，富氧燃烧性能优于柴油，发动机油的使用寿命长。

1 试验材料与方法

试验所用柴油机是我国常州柴油机公司生产的EH36型单缸水冷发动机。该发动机排量为1.789L；压缩比为16.5；25kW时标定转速为2200rpm；121.5N·M时的最大扭矩转速为1760rpm。DW160型电涡流测功机在试验台架上与电控仪配套，实现加载测试控制。柴油机排气管接有透射式烟度计和汽车排气分析仪，实时检测尾气烟度和CO、NO、HC等成分的浓度值。在台架上燃用纯0号柴油和纯生物柴油，进行了1200、1400、1600、1800rpm转速下的负荷特性[2]实验和20%、40%、60%油门开度下的速度特性实验，从而进一步分析这两种燃料在这些典型工况下对发动机的动力性和经济性的影响。

纯0号柴油PD和纯生物柴油PB的燃料特性对比，如表1所示。

2 结果与分析

2.1 负荷特性实验

在柴油机台架上进行负荷特性实验，转速为1200rpm～1800rpm，其间隔为200rpm，实验结果如图1所示。从图1（a）纯柴油负荷特性油耗率变化曲线中可以看出，在1200rpm和1400rpm转速下，柴油机的油耗率均出现3个峰值，峰值点扭矩分别为40N·M、60N·M和80N·M；而在1600rpm和1800rpm转速时，柴油机油耗率随着转矩增加呈现缓慢下降趋势；1600rpm时，油耗率最低点为90N·M处；1800rpm时，油耗率的转矩最小为70N·M。在图1（b）纯生物柴油负荷特性油耗率变化曲线中，1200～1800rpm时的油耗率曲线全部呈现陡坡下降至60N·M之后，变化缓慢的现象。对比各转速下两种油料的平均油耗率，在1200rpm时，纯生物柴油与纯柴油相差最大，前者消耗量比后者高出218g/kW·h；在其他转速下也出现类似情况。究其原因，主要是纯柴油的低热值比纯生物柴油约高5～15kJ·g-1[3-5]，但十六烷值较纯生物柴油略低，在低负荷时油耗率连续出现三个峰值。而在高负荷时二者油耗率变化趋势一致，说明发动机的动力性和经济性指标并未受到较大影响，发动机能正常运行。

图1 负荷特性油耗率变化曲线

对比图1（a）和图1（b），在负荷特性实验中，低扭矩时纯生物柴油的油耗率近纯柴油的一倍。可见，纯生物柴油的低扭矩启动耗油量较高。

2.2 速度特性实验

2.2.1 转矩变化

图2分别为20%、40%和60%油门开度下转矩随转速增大的变化曲线。在两张图中，转矩先随转速增大而缓慢增加，接着到一定峰值后急剧下降。数据显示，20%油门开度时，最大扭矩转速为1000rpm；40%、60%油门开度时，最大扭矩转速均为1200rpm，两种燃料的速度特性相似。在发动机实际运行时，如果发动机的扭矩能随转速降低而升高，就能很好地适应汽车爬坡的要求[6-7]。因此，纯生物柴油速度特性转矩变化曲线确能适应汽车加速要求。

表1 纯生物柴油PB和纯0号柴油PD的燃料特性

图2 速度特性转矩变化曲线

20%油门开度下，两种柴油的最大转速为1200rpm；40%、60%油门开度下，纯柴油的最大转速分别为1550rpm和1850rpm。对比纯生物柴油，其在这两种油门开度下的最大转速分别比纯柴油低了50rpm。20%油门开度时的最大扭矩转速为1000rpm，但纯生物柴油的最大扭矩比纯柴油低了约4N·M。当40%、60%油门开度时，最大扭矩转速均为1200rpm，纯生物柴油的最大扭矩比纯柴油分别低7N·M、4N·M。可见，纯生物柴油在最大转速时的爬坡性能比纯柴油略差。

2.2.2 油耗率变化

图3为20%、40%和60%油门开度下油耗率随转速的变化关系。两图中的燃料油耗率均缓慢下降至最低点然后突然升高，曲线尾部呈陡坡上升线。柴油的十六烷值对柴油机的启动性能有影响，特别是低负荷下要求柴油在短时间内完全燃烧。所以，要用十六烷值高些的柴油。实验中使用的纯柴油十六烷值略低于纯生物柴油。开始自燃时，纯柴油的燃烧裂化较慢，分离的炭燃烧较充分，燃料消耗较少。十六烷值高的柴油着火滞燃期较短。对比之下，纯柴油的油耗率随转速增加而下降的过程中，波动较纯生物柴油多。20%油门开度时，出现两个波峰和两个波谷，且40%油门开度是也有两个较小的波谷。20%油门开度下，两种柴油的最大转速为1200rpm，40%、60%油门开度下纯柴油的最大转速分别为1550rpm和1850rpm。纯生物柴油在这三种油门开度下的最大油耗率比纯柴油高出近一倍，平均油耗率在20%油门开度时平均油耗率前者比后者高约160g/kW·h。可见，纯生物柴油在柴油机加速过程中，燃烧裂化很快，分离的炭来不及燃烧，会随着废弃排走，造成燃料过多消耗，柴油机的功率有所下降。

图3 速度特性油耗率变化曲线

3 结论

（1）纯生物柴油在燃烧过程中具有与纯柴油类似的负荷和速度特性，可以作为可再生的替代燃料在柴油机上使用。

（2）在负荷特性实验中，低扭矩时，纯生物柴油的油耗率较纯柴油高出一倍。在1200rpm和1400rpm转速下，纯柴油的油耗率出现3个峰值，而纯生物柴油的油耗率变化平稳未出现较大波动。可见，纯生物柴油在低转速大扭矩工况下表现出良好的经济性。

（3）20%、40%和60%油门开度下，纯柴油的油耗率随转速增加而下降的过程中，波动较纯生物柴油多。纯生物柴油在高转速时的最大油耗率比纯柴油高出近一倍，柴油机燃用纯生物柴油的加速过程中，燃料消耗量大且柴油机的功率有所下降。

（4）在速度特性实验中，纯生物柴油的最大扭矩和最大转速均比纯柴油略低，纯生物柴油的爬坡性能略差。

[1]刘云.生物柴油工艺技术[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2]黄锦成，刘海峰.柴油机燃用生物柴油和柴油混合燃料的试验研究[J].广西大学学报：自然科学版，2006，（3）：185-189.

[3]陈振斌，蒋盛军，肖明伟，等.生物柴油与石化柴油性能的比较分析[J].中国油脂，2008，（33）：11.

[4]李跟宝，周龙保，蒋德明.生物柴油对直喷式柴油机燃烧和排放的影响[J].柴油机，2004，（2）：17.

[5]沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]徐兆坤.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2010.

[7]郭彬.发动机原理与汽车理论[M].北京：北京大学出版社，2009.

Performance Analysis of Pure Biodiesel on Cylin der Diesel Engine

LV Yi,ZHANG Ziyang,LI Ming
(Hubei College of Arts and Sciences, Xiangyang 441053)

In order to reduce the diesel engine exhaust emissions, on the EH36 single cylinder diesel engine test bench, contrast test of Diesel Engine Fueled with pure diesel and pure bio diesel, analysis and research of the diesel combustion characteristics, power, economy of. The results show that the pure biodiesel at low speed high torque under the condition of economic performance better; acceleration process, fuel consumption and engine power decline; maximum torque and rotational speed were compared with pure diesel slightly lower, pure biodiesel climbing performance slightly worse.

diesel engine, pure biodiesel, dynamic property, economy

“机电汽车”湖北省优势特色学科群2016年开放基金项目(XKQ2016014)。