生物柴油燃烧循环变动特性试验研究

邓柳钢，黄锦成

（广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）



生物柴油燃烧循环变动特性试验研究

邓柳钢，黄锦成

（广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）

摘要：对柴油机燃烧大豆生物柴油、0#柴油及乙醇与生物柴油的混合燃料的循环变动进行了对比分析，结果表明柴油机燃烧B100时，在小负荷工况出现较大的循环变动，中高负荷工况燃烧B100的各类COV都低于D100。在大豆生物柴油中混合乙醇作为燃料，对低负荷工况的循环变动有较大的影响，对中高负荷工况的循环变动影响不大。添加10%的乙醇既能降低柴油机燃烧的粗暴程度，又能使柴油机燃烧更为稳定。

关键词：生物柴油；乙醇；柴油机；循环变动

生物柴油被称之为“绿色燃料”，是一种含氧代用燃料，具有无毒、可生物降解、可再生等特点，能与柴油以任意比例混合或直接在柴油机上使用，在欧洲已经得到广泛的应用［1］。由于生物柴油制作的原料来源较多，不同原料所生产得的生物柴油其性能不尽相同。对此，本实验选用防城港市中能生物能源投资有限公司所提供的大豆生物柴油为燃料，对其与0#柴油在单缸柴油机台架实验的燃烧循环波动进行了研究。由于该生物柴油的粘度比0#柴油大，因此，在生物柴油中加入一定比例的乙醇，并对混合燃料在单缸柴油机台架实验的燃烧循环波动进行了研究。

1　试验设备及试验方案

1.1燃烧试验

试验是在ZS195型直喷柴油机上进行的，其主要技术参数如表1所列。试验所采用的仪器设备主要有奥地利Dewetron公司燃烧分析仪DEWE-800、D100水力测功机等。

表1　ZS195型直喷柴油机主要参数

1.2试验燃料

试验燃料为市售0#柴油和乙醇，生物柴油采用防城港市中能生物能源投资有限公司所提供的大豆生物柴油。将生物柴油与乙醇按不同体积百分比混合得到混合燃料。0#柴油、生物柴油、乙醇的理化性质如表2所列。

表2　燃料的主要理化性质

其中0#柴油简称D100，生物柴油简称B100，在乙醇和生物柴油的混合油品中，乙醇体积百分比例分别为10%，20%，30%，简称为E10B90，E20B80，E30B70.

1.3试验方案

试验用燃烧分析仪采集发动机标定转速，1.5 kW，4.5 kW，8.8 kW等低中高负荷下缸内的压力信号，每个工况点连续采集100个循环数据，并通过计算处理比较各循环的最高燃烧压力Pmax、最大压力升高率（dp/dθ）max、平均指示压力Pi的循环变动情况。试验过程中，柴油机在结构上没有任何改动，各组试验均在相同条件下进行。

2　试验结果及分析

为了反映某循环偏离整个测量循环均值程度，同时显示某参数在整个采集循环中的变动程度，采用统计学中变异系数来衡量，称之为循环变动系数或循环变动率COV［2］.各参数的循环变动率可由以下公式求得。（以Pmax为例，其他参数的COV也可由相同的公式计算），式中N为循环总数，本试验取100.

循环平均值

标准偏差

循环变动率

表3　各燃料部分工况点百循环参数的计算值

2.1D100和B100燃烧的结果分析

图1所示是柴油机额定转速2 000 r/min，各工况点燃烧D100和B100的各类循环波动对比图。

（续下图）

图1　额定转速下D100和B100各COV随功率的变化

文献［3］推荐采用缸内峰值压力作为燃烧循环变动的特征参数，认为缸内峰值压力易于测量并且对循环变动很敏感。图1（a）对比了燃烧D100和B100的最高燃烧压力循环波动率随功率的变化，燃烧D100时，其COVPmax在功率3 kW时最大，为1.765%，随负荷增加COVPmax逐渐减小到功率8.8 kW时的1.21%；燃烧B100时，其COVPmax随负荷的增加而减小，最大值为2.317%，最小值为1.247%.

图1（b）对比了燃烧D100和B100的平均指示压力循环波动率随功率的变化，燃烧D100时，其COVPi在功率3 kW最大为8.126%，随负荷增加COVPi逐渐减小到功率8.8 kW时的3.402%；燃烧B100时，其COVPi随负荷的增加总体趋势减小，最大值为8.908%，最小值为1.973%.

图1（c）对比了燃烧D100和B100的最大压力升高率循环波动率随功率的变化，燃烧D100时，其COV （dp/dθ）max在功率3 kW最大为7.512%，随负荷增加COV（dp/dθ）max总体趋势减小到功率8.8 kW时的2.454%；燃烧B100时，其COV（dp/dθ）max随负荷的增加总体趋势减小，最大值为12.018%，最小值为2.78%.

柴油机在额定转速燃烧D100和B100的不同工况下的循环变动率几乎都小于10%，柴油机工作在正常范围内，但是依然存在着少数工况有循环变动较大的问题。B100的粘度大于D100，在低负荷工况时雾化程度较低，导致燃烧不完善程度大，出现较大的循环变动；随着负荷的增加，缸内混合气体的不均匀度减小，使得缸内燃烧的循环波动减小。B100的十六烷值高于D100的十六烷值，柴油机燃烧B100更加均匀，热功效率高，发动机工作更稳定，因此，有中高负荷工况B100的各类COV都低于D100的现象。另外，从表3中可以看出，相同工况下，柴油机燃烧B100所得的最高燃烧压力平均值、最大压力升高率平均值、平均指示压力平均值几乎都大于燃烧D100所得的各类平均值，即柴油机燃烧B100时更为粗暴，柴油机受的冲击力大，机械负荷加大。

2.2乙醇和生物柴油混合燃烧的结果分析

图2所示为乙醇与大豆生物柴油不同比例混合燃料在发动机额定转速下低中高负荷工况的各类循环波动对比图。

图2　额定转速下低中高负荷COV随乙醇占比的变化

图2（a）所示，柴油机燃烧乙醇与大豆生物柴油的混合燃料，各燃料燃烧的COVPmax都随着负荷的增加而减小。并且在小负荷工况时，随着乙醇体积百分比的变化，各燃料的COVPmax有一定幅度的变化，燃烧B100时，COVPmax为2.317%；燃烧E10B90时COVPmax有所降低，为1.667%；随着乙醇占比的增加，COVPmax增加，燃烧E20B80和E30B90时，COVPmax增加到2.667%，3.147%.在中高负荷工况时，各燃料的COVPmax保持在一个相对恒定的范围，没有出现大幅度的变化。

图2（b）所示，柴油机燃烧乙醇与大豆生物柴油的混合燃料，各燃料燃烧的COVPi都随着负荷的增加而减小。并且在小负荷工况时，随着乙醇体积百分比的变化，各燃料的COVPi有一定幅度的变化，燃烧B100时，COVPi为8.908%；燃烧E10B90时COVPi有所降低，为6.395%；随着乙醇占比的增加，COVPi增加，燃烧E20B80和E30B90时，COVPi增加到14.058%，12.238%.在中高负荷工况时，各燃料的COVPi保持在一个相对恒定的范围，没有出现大幅度的变化。

图2（c）所示，柴油机燃烧乙醇与大豆生物柴油的混合燃料，在小负荷工况时，随着乙醇体积百分比的增加，燃料的COV（dp/dθ）max减小。燃烧B100时，COV（dp/dθ）max为 12.018%；燃烧 E10B90时COV（dp/dθ）max有所降低，为10.69%；随着乙醇占比的增加，COV（dp/dθ）max迅速减小，燃烧E20B80 和 E30B90时，COV（dp/dθ）max减小到 4.161%，1.69%.在中高负荷工况时，各燃料的COV（dp/dθ）max在一个相对恒定的范围略微增加，没有出现大幅度的变化。

柴油机在额定转速燃烧乙醇与大豆生物柴油混合燃料的低负荷工况，COVPi，COV（dp/dθ）max有较大幅度的变化，都有超过10%的工况点，柴油机工作波动较大，表明在大豆生物柴油中混合乙醇作为燃料，对低负荷工况的循环变动有较大的影响，其中燃烧E10B90的最高燃烧压力平均值、最大压力升高率平均值都小于燃烧B100所得的各类平均值，并且燃烧E10B90的各类COV值也明显小于B100的各类COV，即在生物柴油中添加10%的乙醇既能降低柴油机燃烧的粗暴程度，又能使柴油机燃烧更为稳定。各燃料在高负荷工况下燃烧，由于缸内混合气体的不均匀度小，燃烧波动小，各类循环变动率都小于5%，柴油机工作平顺，在正常范围内，表明在大豆生物柴油中混合乙醇作为燃料，对柴油机的中高负荷工况的循环变动影响不大。

3　结束语

柴油机燃烧B100时，在小负荷工况出现较大的循环变动，中高负荷工况燃烧B100的各类COV都低于D100，发动机工作稳定，但工作过程粗暴，柴油机受冲击力大，机械负荷加大。在大豆生物柴油中混合乙醇作为燃料，对低负荷工况的循环变动有较大的影响，对中高负荷工况的循环变动影响不大。添加10%的乙醇既能降低柴油机燃烧的粗暴程度，又能使柴油机燃烧更为稳定。

参考文献：

［1］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，2003，21（6）：423-427.

［2］黄贤龙，罗福强，李占城，等.增压柴油机燃烧循环变动分析［J］.车用发动机，2006，（1）：19-21.

［3］程勇，王建昕，庄人隽，等.汽油机燃烧循环变动表征参数的探讨［J］.车用发动机，2001，（6）:16-20.

Research on Combustion Cycle-by-Cycle Variations Characteristic of Bio-Diesel

DENG Liu-gang，HUANG Jin-cheng
（College of Machinery Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Abstract：In this paper，the diesel engine combustion soybean bio-diesel，petroleum diesel 0#and ethanol and bio-diesel blended fuel cycle changes through the contrast analysis of results showed that the diesel engine when burning B100，in the small load condition appear larger cyclical fluctuation，high load condition of burning B100 all kinds of COV below the D100.In soybean bio-diesel blend ethanol as a fuel，in low load condition of cyclic variations have larger，the influence of cyclic variations of high load condition.Add 10%ethanol can reduce the rough degree of diesel engine combustion and make diesel engine combustion is more stable.

Key words：bio-diesel；ethanol；diesel engine；cycle-by-cycle variations

中图分类号：TK46.4

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0025-04

收稿日期：2015-12-02

作者简介：邓柳钢（1989-），男，湖南邵阳人，硕士研究生，研究方向为动力机械及工程（节能减排方向）。