供油提前角对生物柴油发动机性能的影响

胡 艳，李佳冀，吴 焱，陈伟国

(1.安徽工贸职业技术学院机械与汽车工程系，安徽 淮南 232007；2.皖江工学院机械工程学院，安徽 马鞍山 243031；3.奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院，安徽 芜湖 241006)

0 引言

由于将化学能转化为动力的热效率高，柴油机自发明以来就引起了人们的极大关注。然而，随着排放法规越来越严格，化石燃料逐渐减少，寻找和开发新的替代燃料，满足柴油机保持清洁燃烧和低排放的要求被提上议事日程[1-2]。生物柴油是一种含氧绿色能源，可以提高综合性能，减少烟尘排放。

国内外学者针对生物柴油发动机的性能和排放特性开展了广泛而深入的研究。国内学者王文慧等[3]和束海波等[4]对生物柴油发动机的排放进行了仿真研究。方文等[5]对一台燃用生物柴油的高压共轨柴油机的燃烧与排放特性进行了试验研究。戴广林等[6]和朱佳隆等[7]进行了含水乙醇/生物柴油双燃料燃烧和排放特性的试验研究。学者们对以生物柴油为主的双燃料混合掺烧发动机试验也进行了广泛的研究及其应用[8-10]。国外方面，通过燃料混合策略[11-12]、特定喷油参数[13]以及应用压燃技术[14]对生物柴油发动机进行了研究，改进了生物柴油发动机的燃烧与排放特性。

鉴于生物柴油具有低热值、十六烷值、黏度和密度等不同的物理化学特性，与纯柴油相比，对其在柴油机上的应用需要进行了性能研究。因此，本文作者基于不同的供油提前角，对柴油机燃用生物柴油进行了对比台架试验研究。

1 试验设备和方法

测试燃料为生物柴油，由废弃的食用油制成。柴油机台架试验设备：燃油表、Y40测功机、MEAX-411排气分析仪和FBY-3过滤烟度计。试验用发动机为四冲程、水冷、电控柴油机，该发动机采用废气涡轮增压增大进气密度，配合中冷器降低进气温度，充分提升进气充量。柴油机主要参数见表1。

将生物柴油应用于四缸柴油机，对发动机在不同供油提前角下的燃油消耗率，CO、NOx、HC和碳烟排放进行了对比试验研究。台架试验是一种比较试验，所得数据不做修正。

2 试验结果与分析

2.1 供油提前角对经济性的影响

当发动机以2 400 r/min转速运行时，分别测量了发动机在14°CA BTDC、16°CA BTDC、18°CA BTDC和20°CA BTDC下的燃油消耗率。不同负荷点的对比结果如图1所示。

表1 柴油机的主要参数

由图1所示，可以得出可靠的结论，改变供油提前角对制动比油耗有显著影响。当柴油机以18°CA BTDC运行时，燃油消耗率最低，具有最佳的经济性能。当发动机在低负荷下工作时，无论供油提前角减小还是增大，BSFC都在增大。发动机在中、大负荷运行时，供油提前角减小，BSFC依次增大，供油提前角增大，BSFC变化不明显。

图1 发动机转速为2 400 r/min时的BSFC比较

导致不同的供油提前角、不同负荷点上BSFC变化趋势的机理分析：随着供油提前角的减小，燃油喷射系统的空间雾化时间缩短，对预混燃烧阶段可燃混合气的形成产生不利影响，导致燃烧效率降低，最终导致BSFC恶化。同时，较小的供油提前角使燃烧起点推迟，燃烧持续时间提前，膨胀燃烧现象减弱，导致发动机功率下降。因此，在所有测试操作点，随着供油提前角的减小，BSFC呈现不同程度的恶化。此外，发动机在低负荷运行时，过量空气比很大，温度较低。随着供油提前角的增大，燃油提前喷入气缸，低温限制了燃油的空间雾化，可能有一部分燃油进入气缸壁，影响混合过程，导致燃烧过程恶化，最终导致BSFC增加。发动机在中高负荷运行时，气缸温度较高，有利于混合气的形成，因此，供油提前角的变化对BSFC的影响很小。20°CA BTDC下的BSFC几乎等于18°CA BTDC下的BSFC。

2.2 供油提前角对废气排放的影响

当发动机以2 400r/min转速运行时，分别测量了发动机在14°CA BTDC、16°CA BTDC、18°CA BTDC和20°CA BTDC下的CO、NOx、HC排放量，该排放量分别用ΦCO、ΦNOx、ΦHC表示。不同负荷点的结果如图2。从图2中可以看出，对于ΦCO，当供油提前角为14°CA BTDC时，在所有测试点下，其排放量最大；发动机轻载运行时，供油提前角为16°CA BTDC、18°CA BTDC、20°CA BTDC时ΦCO相等；而发动机中、高负荷运行时，随着供油提前角的减小，ΦCO依次增加；在所有测试点下，ΦNOx随燃油提前角的减小而减小，轻载时降低幅度较小，中、高载时降低幅度较大；ΦHC随供油提前角和负荷变化呈现复杂的变化趋势，但变化规律不明显。

(a)CO排放

(b)NOx排放

(c)HC排放图2 发动机转速为2 400 r/min时的废气排放比较

从废气排放变化规律的分析可以得出结论：随着柴油机供油提前角的减小，点火延迟期延长，燃烧过程在扩散燃烧阶段发生。虽然气缸内的平均温度较高，但燃烧产物在混合气中大量生成，使环境缺氧，导致燃烧不完全，阻碍CO氧化。因此，ΦCO增加，在14°CA BTDC处出现峰值。随着供油提前角的增大，燃烧过程改善，同时在小负荷时，柴油机采用大过量空气比运行，CO氧化条件较好。供油提前角为16°CA BTDC、18°CA BTDC、20°CA BTDC时ΦCO基本相同。随着供油提前角的增大、点火延迟期的延长，该阶段混合气的形成得到促进和增加，预混混合物接近化学计量比，强化了预混燃烧。这些因素将使缸内温度升高，这是促进NOx排放的关键。当供油提前角减小时，燃烧起始点延长。在高温高压下向气缸内喷射燃油，预混合气减少，温度峰值降低，停留在高温环境中的燃烧产物燃烧期缩短，导致ΦNOx降低。HC的产生机理非常复杂，混合气温度低、冷却快、混合气浓或稀都可能是影响HC排放的问题。供油提前角对ΦHC的影响难以详细解释。当供油提前角增大时，气缸内温度和压力低，燃油渗透增加，燃油可能会撞击壁面。低壁温使燃油雾化恶化，ΦHC增加。当供油提前角减小、点火延迟期缩短、扩散燃烧期延长时，局部区域可能缺氧，导致燃烧不完全，ΦHC增加。

2.3 供油提前角对烟尘排放的影响

当发动机以2 400 r/min转速运行时，分别测量了发动机在14°CA BTDC、16°CA BTDC、18°CA BTDC和20°CA BTDC下的碳烟排放量。不同荷载点的结果如图3所示。

图3 发动机转速为2 400 r/min时的碳烟排放比较

从图3可以看出，柴油机小负荷运行时，供油提前角对碳烟排放影响不大，而柴油机中、高负荷运行时，随着供油提前角的增大，碳烟排放量依次增大。

分析了柴油机轻载运行时，缸内过量空气比很大，含氧量大。由于碳氧键不发生基本反应，因此很难产生烟尘排放。供油提前角的改变对轻载时的烟尘排放没有影响。柴油机在中、高负荷运行时，缸内过量空气比较小，且随着供油提前角的增大，预混混合比增大，但扩散燃烧相对减少，这是决定因素，因此，碳烟排放随供油提前角的增大而降低。

3 结论

1)当柴油机在18°CA BTDC下运行时，BSFC非常低，燃油经济性更好。无论供油提前角增大还是减小，燃油经济性都会恶化。

2)轻载时，在16°CA BTDC、18°CA BTDC、20°CA BTDC下，ΦCO几乎相等。中、高负荷时，随着供油提前角的减小，ΦCO依次增加，而随着供油提前角的增大，烟尘排放量减少，ΦNOx增加，呈现出折中关系。ΦHC对供油提前角变化不敏感，其总排放量与纯柴油机基本相同。

3)发动机台架试验结果综合分析表明，生物柴油是一种理想的柴油机替代燃料。