柴油機在高原地區(qū)燃用混合燃料的試驗研究

1、第6期(總第179期)2008年12月車用發(fā)動機VEHICLEENGINENo.6(SerialNo.179)Dec.2008柴油機在高原地區(qū)燃用混合燃料的試驗研究沈穎剛,畢克剛,翁家慶,陳貴升,孔德芳,彭益源(昆明理工大學交通工程學院,云南昆明650224)摘要:在高原地區(qū)對1臺4100QB2柴油機燃用生物柴油與柴油不同摻混比的混合燃料進行了臺架試驗。分析了混合燃料的物性,根據其物性和摻混比計算出當量燃油消耗率。效率、機械效率和負荷特性。試驗結果表明,在高原地區(qū),柴油機的經濟性有明顯改善。關鍵詞:柴油機;高原;生物柴油;混合燃料;中圖分類號:TK421.7;TK6:B:100122222(2

2、008)0620011204巨大挑戰(zhàn),為實現(xiàn)經濟的可持續(xù)發(fā)展,許多國家正大力開發(fā)可替代能源,而生物燃料的應用和推廣正是現(xiàn)階段解決能源替代問題的最佳手段1。眾多研究表明223,生物柴油作為一種含氧燃料,既可單獨用作柴油機燃料,也可與礦物柴油以任何比例摻混供發(fā)動機燃用,且使用生物柴油無須改動或調整發(fā)動機的結構與參數(shù),生物柴油作為柴油機替代燃料的潛力引起越來越多的關注。我國海拔1000m以上的高原地區(qū)占國土面積的58%,當柴油機在高原地區(qū)運行時,由于大氣壓力低,空氣密度小,進入氣缸內的空氣量減少,進氣壓力降低,其動力性、經濟性、可靠性和排放特性都會大幅度下降,難以保證其正常運行4。研究高原地區(qū)生物柴

3、油與柴油混合燃料對柴油機性能的影響,可為大規(guī)模推廣應用生物柴油提供試驗數(shù)據和科學依據。石油產品凝點試驗器(-51雙孔,冷卻劑為95%乙醇)、SYD3536克利夫蘭開口閃點試驗器、SYD256D石油產品運動黏度測定器(40水浴加熱)等儀器,測試并分析了混合燃料的物性(見表1)。表中閃點和燃點都是經過修正的值(大氣壓在)。73.3kPa81.2kPa范圍,修正數(shù)為6表1混合燃料物性試驗用油B00B10B30B50B70低熱值/)/冷凝閃點/燃點/運動黏度(40MJkg-1點/44.8344.4344.3042.6442.73-11-9-12-8-474848895110908993107114mm

4、2s-13.143.263.674.074.63注:B00表示柴油機燃用0號柴油。1試驗條件和裝置試驗在昆明理工大學交通工程學院內燃機實驗室1號臺架進行,海拔高度1892m;試驗所用生物柴油是利用油腳料(地溝油)為原料制成。BXX表示生物柴油和柴油的混合燃料,即生物柴油占總燃油體積分數(shù)為XX%,在昆明理工大學礦冶大樓生物能源實驗室進行了混合燃料的物性測試和分析。1.1試驗燃料和測試儀采用XRY1A數(shù)顯氧彈式熱量計、SYD510收稿日期:2008210210;修回日期:20082122161.2試驗發(fā)動機及試驗裝置試驗發(fā)動機為4100QB2柴油機,主要技術參數(shù)見表2。試驗裝置如圖1所示,在試驗過

5、程中,柴油機的參數(shù)不做任何改變。試驗中使用的主要儀器有EIM0301D測控儀、WE31水力測功機、FCM2瞬時油耗儀、SWK03冷卻水恒溫系統(tǒng)、機油恒溫系統(tǒng)、燃油恒溫系統(tǒng)、機油壓力計、機油溫度及水溫傳感器等?；痦椖?云南省省院省?？萍己献饔媱濏椖?2006yx21);云南省中青年學術技術帶頭人后備人才專項基金資助(2007py0107),男,云南省昆明市人,教授,博士,研究方向為發(fā)動機工作過程;shenyinggang。作者簡介:沈穎剛(196512車用發(fā)動機2008年第6期表2試驗用4100QB2柴油機主要參數(shù)型式進氣方式缸徑/mm行程/mm活塞總排量/L氣缸套型式燃燒室型式壓縮比供油提前

6、角/CA最大扭矩/Nm最大扭矩轉速/rmin-14缸,直列,立式水冷,4行程min和標定轉速3200r/min時,燃用B00(柴油)燃自然吸氣1001153.612料與燃用BXX(B00,B10,B30,B50,B70)燃料的當量有效燃油消耗率和當量有效燃油消耗量試驗結果對比。濕式直噴型燃燒室17.5115250240023200圖2柴油機燃用混合燃料的負荷特性對比(n=2200r/min)標定功率P/kW標定功率轉速/rmin-1圖3柴油機燃用混合燃料的負荷圖14100QB2柴油機試驗臺架示意圖特性對比(n=3200r/min)2試驗結果及分析試驗時測試了燃油消耗率、排氣溫度等數(shù)據,轉速間隔

7、為200r/min,每個轉速下測試89組數(shù)據。2.1負荷特性內燃機的負荷特性是指當內燃機的轉速不變時,性能指標隨負荷而變化的關系。由于試驗燃料的成分不同,本研究將采用當量燃油消耗率來進行對比分析。當量燃油消耗率就是將混合燃料的燃油消耗率根據能量消耗折算成能量等值的柴油消耗率,其計算公式見式(1)和式(2):(1)bex=bexHx/H0。(2)Bx=BxHx/H0。式中,bex為當量燃油消耗率,bex為實測燃油消耗率,Bx為當量燃油消耗量,Bx為實測燃油消耗量,Hx為對應燃料X的低熱值,H0為柴油的低熱值。負荷特性能夠反映柴油機經濟性隨負荷的變化情況,圖2和圖3示出試驗發(fā)動機轉速為2200r/

8、從圖中的負荷特性曲線可以看出,柴油機燃燒混合燃料的當量有效燃油消耗率、當量有效燃油消耗量隨著轉速和扭矩的增大而優(yōu)于燃用柴油,這是發(fā)動機轉速、燃料含氧量和燃料黏度共同作用的結果。因為生物柴油的摻混使混合燃料黏度和密度增大、含氧量增多,當轉速增大時,噴油壓力增大,缸內溫度升高,燃油霧化和燃燒較好,混合燃料的黏度、密度對燃料的流動性能和霧化質量影響逐漸減小,并且隨著負荷的增大,噴入氣缸的燃料量增多,過量空氣系數(shù)減小,燃料中含氧量成為主要影響因素。高原環(huán)境下空氣稀薄,高速、高負荷運行時過量空氣急劇減少,后燃現(xiàn)象比較嚴重,大大影響了柴油機經濟性,而發(fā)動機在高原地區(qū)燃燒混合燃料時,在轉速、燃料含氧量及燃料

9、黏度、密度共同作用下,可以適度消除高原不利影響,當量有效燃油消耗率、當量有效燃油消耗量與燃燒柴油時基本相當,并隨轉速和扭矩的增大而優(yōu)于燃燒柴油,其中,混合燃料B10和B50較有優(yōu)勢。132008年12月沈穎剛,等:柴油機在高原地區(qū)燃用混合燃料的試驗研究圖4示出n=2200r/min和n=3200r/min時柴油機排氣溫度的對比。比(見圖5)。圖5柴油機有效熱效率對比從圖中分析可知,在同一轉速下,高原地區(qū)自然圖4柴油機排氣溫度的對比從排氣溫度曲線總體變化趨勢看,在低負荷和高負荷時,高原地區(qū)柴油機燃燒混合燃料的排氣溫度均明顯低于燃燒柴油。因為低負荷噴油較少,并且缸內空氣充足,燃料均能充分燃燒,但柴

10、油機燃燒混合燃料受到混合燃料熱值較低、閃點及燃點高等因素的影響,混合燃料放熱較少,且不易燃燒,故柴油機燃燒混合燃料的排氣溫度在低負荷時明顯低于燃燒柴油。而在高原地區(qū)柴油機高速、高負荷運行時,進入氣缸內的空氣量很少,后燃現(xiàn)象比較嚴重,但混合燃料中含氧,彌補了空氣的不足,使得后燃減少,降低了活塞組的熱負荷,所以柴油機燃燒混合燃料的排氣溫度明顯低于燃燒柴油。燃用混合燃料B10與B30的排氣溫度降低更多。2.2有效熱效率吸氣柴油機燃燒同一種燃料的有效熱效率都隨扭矩的增加而增加,當扭矩增加到一定的值后,有效熱效率稍有所下降;隨著轉速增高,在同一功率點,同一混合燃料的熱效率隨轉速的增加而減小。原因是自然吸

11、氣柴油機按負荷特性運行時,其充量系數(shù)基本保持不變,所以扭矩增大時供油量增加,而可燃混合氣的過量空氣系數(shù)隨扭矩的增加而減小,當扭矩較大時,過量空氣系數(shù)變得較小,混合氣形成和燃燒開始惡化,指示熱效率下降,當指示熱效率下降的速度超過了機械效率上升速率時,有效熱效率稍有下降;在同一功率點,當轉速增加時,噴油壓力增大,使得每小時燃油消耗量有所增加,因此,相同功率點的有效熱效率隨轉速的增加而減小。進一步分析,有效熱效率與當量有效燃油消耗率所表征的發(fā)動機經濟性是一致的。在轉速n為2200r/min和3200r/min時,柴油機燃燒混合燃有效熱效率是衡量發(fā)動機經濟性的重要指標,是指實際循環(huán)的有效功與為得到此有

12、效功所消耗的熱量的比值。選取標定工況下轉速分別為2200r/min和3200r/min柴油機燃燒B00燃料與燃燒混合燃料BXX(B10,B30,B50和B70)的相關數(shù)據,計算出柴油機燃燒各種燃料的有效熱效率,并進行對料的有效熱效率與燃燒柴油基本相當,并隨著轉速和負荷的增加而優(yōu)于燃燒柴油,其中柴油機轉速為2200r/min時燃燒混合燃料B10較有優(yōu)勢,轉速為3200r/min時燃燒混合燃料B30較有優(yōu)勢。這種優(yōu)勢主要是受到發(fā)動機轉速和燃料含氧量的影響。2.3機械效率提高內燃機性能指標,應盡可能減少機械損失,提高機械效率。機械效率的測定方法一般主要有14車用發(fā)動機2008年第6期4種,即示功圖法

13、、倒拖法、滅缸法和油耗線法5。比,摩擦面上的慣性力載荷與轉速的平方成正比,泵氣損失大致與活塞平均速度的平方成正比,驅動附件的損失也隨轉速增加而增大,故同一扭矩點的機械效率隨轉速的增加而減小。進一步分析,柴油機燃燒混合燃料時機械效率均隨轉速和負荷的變化有不同程度的浮動,但燃燒混合燃料的機械效率與燃燒柴油相差不大,最大差距不超過4.8%,因此,采用的“油耗線法”,本研究采用“油耗線法”來測定和對比發(fā)動機燃用不同混合燃料對發(fā)動機機械效率的影響,采用MATLAB軟件求取低負荷附近的燃油消耗量的直線方程以求得平均機械損失壓力,并根據式(3)計算出機械效率。圖6示出柴油機燃用不同摻混比的燃料機械效率的對比

14、。m=1-=1-。pme+pmmpme+pmmB(3)式中,pmm為平均機械損失壓力,B0為發(fā)動機空轉時的燃油消耗量,pme為平均有效壓力,Bm3結論a)柴油機燃燒柴油與生物柴油混合燃料的當量燃油消耗率、當量燃油消耗量與燃燒柴油時相當,并隨轉速和負荷的增加而優(yōu)于燃用柴油;b)混合燃料對發(fā)動機的排氣溫度影響較大,在標定工況轉速下,柴油機燃燒混合燃料時排氣溫度明顯低于燃燒柴油;c)柴油機燃燒混合燃料時有效熱效率隨轉速和負荷的增加優(yōu)于燃燒柴油;d)生物柴油摻比對機械效率影響較小,最大差距不超過4.8%;e)柴油機燃燒B10與B30混合燃料的經濟性優(yōu)于燃燒B50與B70混合燃料;在柴油中加入體積分數(shù)為

15、10%30%的生物柴油比較適合,對發(fā)動機的經濟性有明顯的改善。參考文獻:1付玉杰,祖元剛,GunterSchwarz,等.生物柴油M.北京:科學出版社,2006:124.圖6柴油機機械效率的對比2覃軍,劉海峰,堯命發(fā),等.柴油機摻燒不同比例生物柴油的試驗研究J.燃燒科學與技術,2007,13(4):從圖中曲線可以看出,柴油機燃燒混合燃料的機械效率隨扭矩的增大而增大;而在同一扭矩點,機械效率隨轉速的增加而減小。原因主要是對于試驗所用的自然吸氣柴油機來說,當按負荷特性運行時,由于轉速不變,只能通過燃料調節(jié)機構改變循環(huán)供油量以適應負荷的變化,隨著油量增加負荷增大,使得曲軸輸出有效功率增加,而轉速不變

16、時輔助機構(風扇、發(fā)電機、油泵等附屬部件)等的消耗功率變化不大,故柴油機機械效率隨扭矩增大而增大;而當轉速增大時,活塞平均速度亦隨轉速增加而增加,由于摩擦表面的機械摩擦損失大致與活塞平均速度成正3352340.3SenatoreA,CardoneM.AComparativeAnalysisofCombustionProcessinD.I.DieselEngineFueledwithBio2dieselandDieselFuelC.SAEPaper200020120691.4申立中,沈穎剛,畢玉華,等.不同海拔高度下自然吸氣和增壓柴油機的燃燒過程J.內燃機學報,2002,20(1):49252.

17、5周龍保.內燃機學M.北京:機械工業(yè)出版社,2005:26229.(下轉第19頁)192008年12月高青秀,等:電控單體泵燃油系統(tǒng)等速供油凸輪設計DesignofConstantVelocityFuelCamforElectronicallyControlledUnitPumpSystemGAOQing2xiu1,JIANGWei1,GUOHai2zhou1,RENGui2feng1,WUYong2xing2(1.ChinaNorthEngineResearchInstitution,Datong037036,China;2.MilitaryDelegateBranchinShanxiDie

18、selEngineIndustryCorporation,Datong037036,China)Abstract:Thedesignprocessandmethodofconstantvelocitycamforelectronicallycontrolledunitpumpwereilluminated.Takingtheaveragefueldeliveryrateasstartingpoint,thebasiccirclewasdesignedfirstandthenthephasesofmaincamopen2ingandclosingweredesigned.Duringthedes

19、ignprocess,theaccelerationwasusedasthelinearequation,whichmadetheaccelerationofeachphasecamcontinuousandavoidedthestrikedueofcam.Inactualap2plication,theconstantvelocitycamwasdesignedandmatchedthewithabove2mentionedflowsandmeansandthebettereffectswereacquired.Keywords:electronicallycontrolledunit(上接

20、第10頁)編輯:李建新5結論采用一階油門濾波的加速控制策略可以完成燃油與空氣量的良好配合,一定程度上避免出現(xiàn)加速瞬時空燃比突然變小而導致冒煙的問題。這種控制策略的優(yōu)勢是簡便易行,在不增加其他設備的條件下就可以避免車輛冒黑煙,缺點是要損失一定的車輛加速性,所以需要通過實際裝車試驗來選取油門濾波的時間常數(shù),在車輛不冒煙和加速性中取折中點。如果車輛配有可調增壓器,則不宜采用這種控制方法。參考文獻:1RakopoulosCD.Sensitivityanalysisoftransientdieselenginesimulation,ProceedingsoftheInstitutionofMechani

21、calEngineersJ.PartD:JournalofAutomo2bileEngineering,2006,220(1):892101.2JensenJP,KristensenAF.MeanValueModelingofaSmallTurbochargedDieselEngineC.SAEPaper910070,1991.ResearchonControlStrategyofTransientAccelerationProcessforVehicleDieselEngineLIUBo2lan,HUANGYing,ZHANGFu2jun,ZHAOChang2lu(SchoolofMecha

22、nicalandVehicleEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)Abstract:Thecontrolstrategyduringthetransientaccelerationprocessofvehicledieselenginewasdesigned.Thefour2cylin2derelectronicunitpumpdieselenginemathematicalmodelwassetup,includingcombustionmodule,inletandexhaustmodule,inter2

23、cooledturbochargermoduleandcontrollermodule.Inordertosolvetheproblemofturbochargerlagduringtheaccelera2tion,thefuelsupplycontrolstrategyoffirstorderpedalfilterwasadopted.Bysimulation,thecontrolparametersthatweredeterminedbyairfuelratioandenginespeedwereacquired.Keywords:dieselengine;accelerationprocess;transientstate;controlstrategy(上接第14頁)編輯:潘麗麗ExperimentalStudyonPerformanceofDieselEngineFuel