掺混生物柴油对相继增压柴油机燃烧性能的影响

高占斌 ，王彬彬 ，高敬博 ，李水荣 ，郑志峰 ,4,5,6

（1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门361021；2.集美大学福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门361021；3.厦门大学福建省生物质高值化技术工程研究中心，福建 厦门, 361102；4.厦门大学福建省新能源产业技术开发基地，福建 厦门，361102；5.厦门大学厦门市现代农业生物质高值化技术重点实验室，福建 厦门，361102；6.厦门大学能源学院，福建 厦门，361102）

随着世界经济飞速的发展，航空、船舶等运输工业发展迅猛，导致能源消耗日益增长，我国是世界最大的发展中国家，同时，也是世界最大的原油进口国，我国燃油的消耗与开发储备严重失衡.世界各国排放法规的要求越来越高，对柴油机的排放管控也越来越严峻[1-2].因此，发展可再生的新型燃料和提高燃烧技术变得十分重要[3].

生物质能源是一种可再生的绿色能源，应用在内燃机上，能大幅地降低CO、HC 和炭烟的排放，可以缓解环境污染问题.世界上常用的生物质燃料主要有甲醇乙醇等醇类燃料[4-5]、乙醚等醚类燃料、生物柴油等酯类燃料[6-7].因生物柴油原料来源广泛、燃烧和排放性能较好、优越的可再生性和安全性等优势被世界各国所青睐，认为是优质的柴油代替品.但生物柴油与柴油相比其热值较低，氧元素含量高，因而掺混生物柴油燃烧后，缸内氧含量会升高，燃烧时有利于NOx的生成，NOx排放高于纯柴油燃烧[8-10].

相继增压技术是利用柴油机产生的废气能量提升进气压力，使缸内空燃比上升油气混合更充分，燃油消耗率下降，柴油机的经济性、动力性和排放性大幅提高[11-12]，在放热率不变的前提下，缸内温度下降，NOx与碳烟排放降低.结合相继增压技术，可以改善掺混生物柴油燃烧后带来动力性、经济性的下降及NOx排放量升高的问题[13].

本文以某相继增压柴油机进行掺混生物柴油燃烧.通过实验分析掺混生物柴油燃烧对相继增压船用柴油机的性能影响.

1 实验设备及方案

1.1 实验设备

实验采用TBD234型V列、四冲程、6缸相继增压系统柴油机，其主要的技术参数如表1所示.其测试设备有NCK2010自动测控系统、DW440电涡流测功器等.对柴油机工作状况实时测控，主要测试设备如表2所示.

表1 TBD234柴油机技术参数Tab.1 Technical parameters of TBD234 diesel engine

表2 主要实验设备Tab.2 Main test equipments

1.2 实验方案

选用不同配比例的生物柴油进行燃烧，考虑到生物柴油运动黏度大，较大生物柴油配比会使柴油机出现喷油雾化不良、启动困难及扭矩大幅震荡而无法正常工作，NOx排放会随着生物柴油配比例的增加而上升，故拟定生物柴油掺混率为0%、5%、10%、15%、20%和 2 5% ，其中，B0为相继增压柴油机纯柴油燃烧状态，具体方案如表3所示.

表3 实验方案Tab.3 Experimental schemes

如表3，在推进特性下测试相继增压柴油机最高燃烧压力、燃油消耗率、soot（碳烟）和NOx排放情况.取NOx和soot累积排放量趋于稳定后的点，进行缸内NOx和soot 浓度场对比分析.利用灰色理论的多目标决策法寻求满足节能、降排的最优配比例.

2 结果分析

2.1 经济性的分析

图1为25%负荷时,不同柴油配比对燃油消耗率的影响情况.由图1可知：在25%负荷时，燃油消耗率随着生物柴油配比增大而上升；在同负荷下，生物柴油-柴油的混合燃油消耗量要高于纯柴油；在配比为B25时混合燃油消耗率相较于B0升高了9.2%，与原机相比燃油消耗率升高了6.3%.

图1 不同配比下的燃油消耗率Fig.1 Fuel consumption rate under different ratios

由于生物柴油的黏性高于柴油，掺混生物柴油后会造成燃油雾化不良，油气混合不充分，导致燃烧不充分.生物柴油的热值性低，燃烧等量燃油时，柴油释放热量要高于生物柴油，因此，掺混生物柴油燃烧想要达到相同的工作效率，生物柴油-柴油的混合燃油消耗量会更多.

2.2 动力性的分析

图2为25%负荷时，相继增压柴油机缸内最高燃烧压力随生物柴油配比的变化情况.由图2可知：在25%负荷时，随着生物柴油配比增大缸内最高燃烧压力降低，在配比为B25时其最高燃烧压力相较于B0降低了6.5%，与原机相比其最高燃烧压力高出5.2%.

图2 不同配比下的最高燃烧压力Fig.2 Maximum combustion pressure under different ratios

2.3 排放性的分析

图3为25%负荷时，相继增压柴油机在不同掺混率下的NOx排放量情况.由图3可知：在25%负荷时，NOx排放量随着生物柴油配比的增加而上升，在配比为B10时NOx排放量相较于B0升高了10.5%，与原机相比其NOx排放量减少11.9%.

图3 不同配比下的NOx排放Fig.3 NOx emission under different ratios

由于生物柴油富含氧元素，掺混生物柴油后的混合燃油其缸内氧含量升高，富氧的环境有利于NOx的生成.

图4为25%负荷时，相继增压柴油机在不同配比下soot排放率的情况.由图4可知：在25%负荷时，soot排放率随着生物柴油配比的增加而下降，在配比为B25时其soot排放比例相较于B0降低了76.7%，与原机相比其soot排放比例降低了81.0%.

图4 不同配比下的soot排放Fig.4 Soot emission under different ratios

碳烟是不完全燃烧时的产物，缸内氧含量过低或者油气混合不充分都会造成燃油燃烧不完全，导致碳烟的生成.由于生物柴油富含氧元素，掺混生物柴油燃烧后，其缸内氧含量升高，使燃烧愈加充分，因此碳烟的排放量会随着生物柴油配比的增加而降低.

3 灰色理论决策分析

船舶柴油机在海上低负荷航运时动力性和经济性较差，soot排放较高，故需在试验的基础上进一步研究不同负荷下生物柴油的最优配比，使综合性能得到最优.灰色决策理论在解决多目标最优问题上具有弱化人为因素干扰、降低过程主观性的优势，其模型包含局势集、决策目标以及各目标相应的效果样本矩阵、效果测度矩阵和综合效果测度矩阵，其中，综合效果测度矩阵最能体现出综合性能优化结果，因此，本节使用灰色决策理论[14]，以试验数据为基础，计算同负荷下，不同生物柴油配比对应的综合优化效果值，找到最优生物柴油配比.

3.1 多目标灰色决策模型的建立

首先针对事件集A={ai}，i=1，2,···，n和对策集建立局势集S，S={si}，si=（ai，bj）.

本文的事件为相继增压船用柴油机掺混生物柴油燃烧，对策值为不同生物柴油配比；依据试验数据，将缸内压力、油耗、NOx及soot排放量设为决策目标k，k=1～j；设为局势集在决策目标k下的效果值；为不同生物柴油掺混率下，决策目标对应的实验值.

由于本次实验有多个决策目标，因而无法直接进行对比，需要将决策目标的实验值进行规范化处理[15].本节用的规范化处理方法有两种：

1） 上限效果测度，如样本值偏离越大越好，则选上限效果测度，规范过程为式（1），其中，Xij为i行j列的样本数据.

2） 下限效果测度，如样本值偏离越小越好，则选下限效果测度，规范过程为

3.2 决策目标决策权的赋值方法

在对决策目标赋权时，需要与实际情况相结合.由于柴油机在低工况时动力性较差，所以将缸内压力作为核心决策目标，油耗、NOx及soot排放量为从属决策目标；对核心决策目标进行赋权，取最高燃烧压力权重 η1=0.35.将缸内压力作为母序列，油耗、NOx和soot排放量作为子序列.

使用灰色关联分析法计算从属决策目标与核心决策目标的关联度 φ12、φ13、φ14，使用式（3）求出各从属决策目标对应的关联系数 ϑ12、ϑ13、ϑ14，从而求出从属决策目标的权重值建立初始权重序列ai（i=1,2,3,4）.

求出初始权重值后，使用熵权法消除对核心决策目标主观赋权所带来的人为因素，并利用式（4）求解每个决策目标最终权重 ηi.

式中：βi为客观权重.

3.3 25%负荷下生物柴油最佳掺混率的确定

根据原机和5% ～ 25%共5组不同生物柴油配比下相继增压柴油机燃烧数据构建的原始效果矩阵为

柴油机的最高燃烧压力在限制范围内越高代表柴油机的动力性能越好，因而使用上限效果测度法对柴油机的最高燃烧压力试验数据进行标准化处理.而NOx排放量、燃油消耗率和soot排放量越低，柴油机的性能越好，因此，使用下限规范法对这3组试验数据进行处理.最终得到效果统一的矩阵为

使用灰色关联分析法求出从属决策目标的关联系数分别为 φ12=0.403、φ13=0.255、φ14=0.326.已给定25%负荷时核心决策目标的权重赋值为a1=0.35，求出从属决策目标的初始权重为

利用熵权法消除主观人为赋值因素求得最终权 重 值 η1=0.0988、η2=0.3361、η3=0.2648、η4=0.3003，将决策目标的最终权重值 ηi与标准化后的效果测度矩阵相乘，可得25%负荷下柴油机的综合性能优化效果矩阵为

综合性能优化结果表明：25%负荷时，不同生物柴油配比的相继增压船用柴油机综合性能高于原机性能；生物柴油配比为25%时，对应综合性能优化值最高，相继增压船用柴油机的性能更好；与原机相比，相继增压柴油机在生物柴油最佳配比燃烧时，燃油消耗率增加了6.3%，最高燃烧压力高出5.2%，NOx排放量降低了11.9%，其soot排放降低了81.0%.

相继增压柴油机掺混生物柴油燃烧时，经济性和动力性会下降，NOx排放量上升，soot排放量大幅降低.但与原机相比，相继增压柴油机在生物柴油最佳配比燃烧时，其动力性及排放性均优于原机.

4 结 论

1） 随着生物柴油配比增大，柴油机最高燃烧压力与纯柴油相比呈下降趋势，为保证柴油机的工作效率，随着生物柴油配比的不断增加其燃油耗油量上升，soot排放量下降，NOx排放量逐渐上升.

2） 基于灰色决策理论，建立多目标灰色决策模型，通过主客观赋权得出25%负荷时生物柴油最佳掺混率为25%.与原机相比，相继增压柴油机在生物柴油最佳配比燃烧时，燃油消耗率增加了6.3%，最高燃烧压力高出5.2%，NOx排放量降低了11.9%，其soot排放比例降低了81.0%.

3） 经试验数据及优化分析，掺混生物柴油燃烧结合相继增压技术，其动力性及排放性均高于原机，弥补了柴油机掺混生物柴油燃烧时带来的不足，为生物柴油代替化石能源提供了数据基础.