电控高压共轨柴油机燃用生物柴油-柴油混合燃料的燃烧特性

耿莉敏，程清波，陈阳，陈旭博，李慧梅

(1.长安大学陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室，陕西 西安 710064；2.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000；3.军事交通学院汽车工程系，天津 300161)

电控高压共轨柴油机燃用生物柴油-柴油混合燃料的燃烧特性

耿莉敏1，程清波2，陈阳1，陈旭博1，李慧梅3

(1.长安大学陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室，陕西 西安 710064；2.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000；3.军事交通学院汽车工程系，天津 300161)

针对1台6缸增压中冷电控高压共轨柴油机，在不改变原柴油机结构和喷油参数的条件下，研究了生物柴油的掺混比例对发动机燃烧特性的影响。结果表明：小负荷时发动机有预喷射，随着生物柴油掺混比的增大，生物柴油-柴油混合燃料的滞燃期缩短、缸内最高燃烧压力下降，预喷阶段压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值减小，且对应的相位提前；主喷阶段压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值增大，且对应的相位后移。随着负荷的增大，发动机喷油策略改为单次喷射，随着生物柴油掺混比的增大，缸内最高燃烧压力下降，燃烧持续期缩短，压力升高率峰值略有增大，瞬时燃烧放热率峰值逐渐减小且对应的相位前移。两种不同负荷条件下，随着生物柴油掺混比的增大，混合燃料的指示热效率逐渐下降。

柴油机；燃烧特性；生物柴油

近年来，随着我国机动车保有量的快速增长，能源短缺和环境污染问题日益严重，生物质替代燃料引起了国内外研究机构的广泛关注[1-5]。生物柴油是一种绿色环保、可再生的柴油替代燃料，它的原料来源非常广泛，主要包括可食用和不可食用的植物油、动物脂肪、餐饮废油和微藻油等[6-9]。与石油柴油相比，生物柴油具有含氧量高、绿色可再生、无毒、可生物降解、不含芳香烃和硫等特点，国内外已有文献报道，发动机燃用生物柴油时，其HC，CO，CO2和PM排放均比燃用柴油时更低，而NOx排放比柴油高[10-15]。生物柴油与石化柴油的生产原料不同，因此其理化性质也有明显差异，燃料的密度、黏度、蒸发性、十六烷值和热值等理化指标，对发动机的燃烧特性有重要影响。本研究在1台6缸、增压中冷、电控高压共轨柴油机上测定了生物柴油掺混比对发动机燃烧特性的影响，分析了BD0，BD25，BD50和BD100四种不同燃料(BD为生物柴油的英文缩写，其后的数字代表生物柴油在混合燃料中所占的体积百分数)在最大扭矩转速下，不同负荷的气缸压力、压力升高率和瞬时燃烧放热率随曲轴转角的变化规律，为生物柴油在高压共轨柴油机上的实际应用提供指导。

1 试验条件及方法

1.1试验燃料

试验使用以大豆毛油为原料制成的生物柴油，其含氧量为11.2%，分别与0号柴油以0%，25%，50%和100%四种不同比例调和，配置成BD0，BD25，BD50和BD100四种燃料。试验用燃料的主要理化性质见表1。

由表1可知，生物柴油的密度和运动黏度比柴油大，闪点和50%馏程温度比柴油高，说明生物柴油的雾化蒸发性比柴油差；生物柴油燃料的低热值比柴油低9.65%，会导致发动机燃用生物柴油时的有效燃油消耗率升高；生物柴油的十六烷值比柴油高，其着火性更好，滞燃期短，发动机不容易产生工作粗暴。与纯柴油相比，随着生物柴油掺混比的增大，混合燃料BD25和BD50的密度、运动黏度逐渐增大，闪点和馏程温度逐渐升高，热值逐渐降低，十六烷值也相应增大。

表1 燃料的主要理化性质

1.2试验设备及方法

试验用发动机为直列6缸、水冷、四冲程、增压中冷、电控高压共轨直喷式柴油机，发动机的主要技术参数见表2。

表2 柴油机主要参数

试验采用凯迈CW260电涡流测功机，燃油消耗量采用龙腾ES100K电子天平测量，燃烧分析采用Kistler6052A缸压传感器、Kistler5019B电荷放大器、Kistler2619曲轴转角适配器、KIBOX燃烧分析仪和计算机组成的动态测试系统测定。

在不改变原柴油机结构和电控参数的条件下，选取发动机转速为1 600 r/min，平均有效压力分别为0.322 MPa的小负荷工况和0.805 MPa的中等负荷工况，测定BD0，BD25，BD50和BD100四种燃料在不同曲轴转角下的气缸压力，并利用Fortran程序计算压力升高率和瞬时燃烧放热率。

2 试验结果与分析

2.1气缸压力与压力升高率

图1示出发动机转速为1 600 r/min、平均有效压力为0.322 MPa时，发动机燃用BD0，BD25，BD50和BD100的气缸压力和压力升高率曲线。

从气缸压力曲线来看，发动机燃用BD25，BD50和BD100的缸内最高燃烧压力比燃用柴油略有降低，且最高燃烧压力对应的曲轴转角提前了1°。生物柴油的十六烷值比柴油高，滞燃期短致使燃烧始点提前；含氧量高，燃烧速度快，致使生物柴油及其混合燃料的缸内最高燃烧压力对应的曲轴转角比柴油提前。燃用生物柴油时滞燃期内形成的可燃混合气量少，而且生物柴油的密度和黏度较大，雾化质量较差，此外，生物柴油的热值也比柴油低，这些因素导致燃用生物柴油时缸内最高燃烧压力比柴油低。

图1 小负荷工况缸内压力和压力升高率对比

发动机燃用BD0，BD25，BD50和BD100的压力升高率曲线均呈现双峰态势。这是由于在该工况下电控高压共轨发动机采用预喷射技术，预喷和主喷燃烧阶段压力升高率各出现一个峰值。预喷射燃烧阶段压力升高率峰值随生物柴油掺混比的增大逐渐降低，且对应的曲轴转角前移。这是由于生物柴油的十六烷值高、滞燃期短、滞燃期内积聚的燃料量少，并且生物柴油的热值比柴油低，因此生物柴油及其混合燃料的预喷射压力升高率峰值比柴油低，且峰值对应的曲轴转角提前。主喷射燃烧阶段压力升高率峰值随生物柴油掺混比的增大而逐渐升高，且对应的曲轴转角后移。由于生物柴油的热值比柴油低，同一工况下燃用不同燃料时，为保证发动机的输出功率相同，燃用生物柴油时喷油持续期更长，喷油量更大。从喷油规律来看，发动机燃用不同掺混比的生物柴油-柴油混合燃料时，其喷油始点基本相同，而喷油终点随生物柴油掺混比的增大明显后移，主喷阶段喷油持续期的延长使得生物柴油的主喷油量更大，因此生物柴油及其混合燃料主喷阶段的压力升高率峰值更大且对应的曲轴转角后移。

图2示出发动机转速为1 600 r/min、平均有效压力为0.805 MPa时，燃用BD0，BD25，BD50和BD100的气缸压力和压力升高率曲线。

图2 中等负荷工况缸内压力和压力升高率对比

由图2可知，随着生物柴油掺混比的增大，缸内最高燃烧压力略有下降。这是由于生物柴油的热值比柴油低，而且密度和运动黏度较大，雾化质量不好，导致缸内最高燃烧压力降低。由喷油规律可知，发动机转速为1 600 r/min、平均有效压力为0.805 MPa时为单次喷射，该工况下的压力升高率虽然呈现2个峰值，但2个峰值很接近，这是因为在压缩行程上止点后，活塞下行使得缸内容积增大，气缸压力上升速度放缓，导致在上止点附近压力升高率出现波动。与BD0相比，随着生物柴油掺混比的增大，压力升高率峰值逐渐增大。这是由于生物柴油的含氧量高，燃烧速度快，并且该工况下生物柴油及其混合燃料每循环的喷油量大于柴油，因此BD25，BD50和BD100的压力升高率峰值比柴油大。

2.2燃烧放热率

图3示出发动机转速为1 600 r/min、平均有效压力为0.322 MPa时，柴油机燃用BD0，BD25，BD50和BD100的瞬时燃烧放热率曲线。

图3 小负荷工况瞬时燃烧放热率比较

小负荷工况采用预喷和主喷多段喷油控制策略，燃用不同燃料的瞬时燃烧放热率均出现2个峰值。随生物柴油掺混比的增大，预喷射阶段瞬时燃烧放热率峰值逐渐减小，主喷射阶段瞬时燃烧放热率峰值逐渐增大。这是由于相同工况下预喷油量基本相同，BD100热值最低，且雾化质量最差，因此其放热率峰值最小；主喷阶段为保证发动机在相同工况下的输出功率相同，热值低的纯生物柴油BD100喷油持续期明显延长，主喷油量增大，且预喷燃烧过程使缸内温度升高，BD100的雾化质量得到改善；生物柴油含氧，能够促进燃烧，加快燃烧速度，因此主喷阶段BD100的瞬时放热率峰值最高。随着生物柴油掺混比的增大，预喷射放热率峰值对应的曲轴转角提前，主喷射放热率峰值对应的曲轴转角推后。预喷阶段燃料着火燃烧时刻受十六烷值的影响较大，生物柴油的十六烷值高，滞燃期短，所以生物柴油及其混合燃料的预喷放热率峰值前移。主喷阶段，缸内热力状态提高，十六烷值对滞燃期的影响相对弱化，并且随着生物柴油掺混比的增大，喷油持续期逐渐延长，主喷油量逐渐增大，导致燃烧持续期延长，因此主喷瞬时放热率峰值相位向后推迟[14-15]。

图4示出发动机转速为1 600 r/min、平均有效压力为0.805 MPa时，柴油机燃用BD0，BD25，BD50和BD100的瞬时燃烧放热率曲线。

图4 中等负荷工况瞬时燃烧放热率比较

由图4可知，BD0的瞬时放热率峰值最大。发动机在该工况下采用单次喷射策略，纯柴油的滞燃期最长，滞燃期内形成的可燃混合气的量最多，且柴油的密度和黏度较小，雾化质量好，因此柴油的瞬时放热率峰值最高。生物柴油及其混合燃料的滞燃期短，滞燃期内形成的可燃混合气量少，且生物柴油的密度和运动黏度较大，雾化质量差，不易于与空气形成均匀的混合气，因此生物柴油及其混合燃料的瞬时放热率峰值低于柴油。随着生物柴油掺混比的增大，生物柴油及其混合燃料的瞬时燃烧放热率峰值对应的曲轴转角前移。这是由于生物柴油的燃烧速度快导致燃烧相位提前，燃烧持续期缩短。

2.3指示热效率与有效热效率

表3示出转速1 600 r/min，平均有效压力分别为0.322 MPa和0.805 MPa时，4种不同掺混比生物柴油-柴油混合燃料的指示热效率和有效热效率。可以看出：负荷增大后，指示热效率和有效热效率均有所提高，这主要是由于负荷增大，缸内温度升高，气流运动加强，燃料雾化改善，燃烧更充分。不同负荷下，随着生物柴油掺混比的增大，指示热效率逐渐下降，这主要是因为生物柴油的密度和运动黏度较大，雾化质量相对较差，可燃混合气燃烧不够充分，从而降低了热效率。生物柴油掺混比增大对有效热效率影响不大，特别是平均有效压力为0.805 MPa时，4种燃料的有效热效率几乎没有差别，这主要是因为大负荷时，缸内温度升高，生物柴油黏度对雾化的影响减小，同时由于生物柴油的含氧量高，对燃烧具有促进作用，所以4种燃料的有效热效率差别不大。

表3 指示热效率和有效热效率

3 结论

a) 当发动机转速为1 600 r/min，平均有效压力为0.322 MPa时，喷油控制系统有预喷射，随着生物柴油掺混比的增大，与纯柴油BD0相比，BD25，BD50和BD100的滞燃期逐渐缩短，缸内最高燃烧压力逐渐下降；预喷阶段压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值减小，且峰值对应的相位提前；主喷阶段压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值增大，且峰值对应的相位后移；

b) 当发动机转速为1 600 r/min，平均有效压力为0.805 MPa时，喷油控制系统转换为单次喷射，随着生物柴油掺混比的增大，BD25，BD50和BD100的缸内最高燃烧压力逐渐下降，燃烧持续期缩短，压力升高率峰值略有升高，瞬时燃烧放热率峰值逐渐减小，且峰值对应的曲轴转角前移；

c) 当发动机转速为1 600r/min时，负荷增大后，4种燃料的指示热效率和有效热效率均有所提高；随着生物柴油掺混比的增大，BD25，BD50和BD100的指示热效率逐渐下降；大负荷时，生物柴油掺混比对有效热效率的影响不大。

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Keywords: diesel engine;combustion characteristic;biodiesel

CombustionCharacteristicsofElectronicallyControlledHighPressureCommonRailDieselEngineFueledwithBiodiesel-DieselBlendedFuel

GENG Limin1,CHENG Qingbo2,CHEN Yang1,CHEN Xubo1,LI Huimei3

(1.Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy, Chang’an University,Xi’an 710064,China;2.Great Wall Motor Company,Baoding 071000,China; 3.Department of Military Vehicle,Academy of Military Transportation,Tianjin 300161,China)

The influence of biodiesel mixing ratio on combustion characteristics was investigated on a 6-cylinder supercharged intercooled common rail diesel engine based on the original structure and injection parameters. The results show that the pre-injection of engine happens at low load. With the increase of biodiesel mixing ratio, the ignition delay period shortens and the maximum cylinder pressure decreases. In addition, the peak of pressure rise rate and instantaneous heat release rate decrease and their corresponding phase angles advance in the stage of pilot injection. While in the stage of main injection, the engine spray strategy changes to single injection when the load increases. With the increase of biodiesel mixing ratio, the maximum cylinder pressure decreases, the combustion duration shortens and the peak of pressure rise rate slightly increases. Besides, the peak of instantaneous heat release rate decreases and its corresponding phase angle advances. Moreover, the indicated thermal efficiency of biodiesel/diesel blended fuel decreased gradually.

2017-06-27；

2017-08-28

陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室开放课题资助项目基金项目(310822161121);中央高校基本科研业务费资助项目(310822172203)

耿莉敏(1978—)，女，副教授，博士，主要研究方向为内燃机代用燃料燃烧与排放；genglimin@chd.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.017

TK464；TK421.2

B

1001-2222(2017)05-0088-05

[编辑： 潘丽丽]