生物柴油一天然氣發(fā)動機復合噴射策略的研究

葉歡月

摘要：為改進柴油機燃燒特性，提高其經(jīng)濟性能，在柴油機上進行進氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油的復合噴射燃燒試驗。結果表明，采用新的噴射方式可以增加氧化氣態(tài)物，在高溫、高壓、高辛烷值的均勻混合燃料區(qū)形成一個多元化的燃點或點火區(qū)。生物柴油噴射比例是影響生物柴油一天然氣復合噴油燃燒性能的重要因素，根據(jù)工況調(diào)節(jié)生物柴油噴射比例，可以保證發(fā)動機在全工況范圍內(nèi)獲得良好的燃燒和經(jīng)濟性能。

關鍵詞：生物柴油；天然氣；復合噴射；性能特性

自柴油機誕生以來，人們一直在努力提高其熱效率，降低排放污染物。同時，隨著近年來原油價格大幅提升，也促使人們尋找合適的化石燃料替代品。因此，采用新的噴霧策略和使用清潔、可再生能源取代傳統(tǒng)柴油已成為一個緊迫的問題。

生物柴油和天然氣是當前使用的兩個最有發(fā)展前景的可再生燃料。生物柴油是從農(nóng)作物中提取的燃料，優(yōu)點在于它的可再生性，比礦物柴油高的十六烷值，更高的生物降解能力等。然而，生物柴油也存在一些缺點，如高粘度、低能量和與使用礦物柴油相比，氮氧化物排放量增加等。因此，簡單地用生物柴油代替普通柴油達不到理想的效果。天然氣是一種清潔的低排放燃料，無毒，比空氣輕得多，可以迅速擴散，具有豐厚的資源可用性。但單獨使用天然氣會遇到點燃困難，續(xù)航里程短等問題。雙燃料系統(tǒng)結合兩者的優(yōu)點，提供了一種減少對傳統(tǒng)柴油依賴的途徑，同時可以減少有害污染物的排放。

雙燃料發(fā)動機工作模式中，由于生物柴油和天然氣不易摻混，同時比例不能實時調(diào)節(jié)，無法獲得最佳的燃燒特性。研究表明，在柴油一天然氣分開噴射的發(fā)動機正常工作時，柴油機可以獲得燃用傳統(tǒng)柴油相似的熱效率，而排放煙度遠低于正常燃料下的排放值。本文通過對試驗柴油機的改造，以進氣道內(nèi)供應的天然氣作為主要燃料，缸中由高壓噴入的生物柴油形成的預混合氣體來壓燃，實現(xiàn)進氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油的復合噴油燃燒方式，并對生物柴油.天然氣復合噴油燃燒特性進行研究。

1試驗裝置及研究方法

1.1試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，主要包括試驗發(fā)動機和相關測試儀器設備。為了在試驗柴油機中實現(xiàn)復合噴油策略，在進氣道處，安裝獨立供油系統(tǒng)和噴油器，并用電控單元控制燃油的噴射。分別實時調(diào)節(jié)天然氣和生物柴油的噴射量，可以獲得不同比例的天然氣和生物柴油的混合氣，滿足試驗研究要求。

表1是發(fā)動機的規(guī)格參數(shù)，主要測試儀器有GWl60電渦流測功機、FC2000發(fā)動機測試系統(tǒng)、5108A1003電荷放大器、2614A4光電編碼器、6125 B缸壓傳感器、CMFG010瞬時油耗儀等。

試驗用的生物柴油是由油酸甲酯（OME）和棕櫚酸酯（PME）形成的混合物脂肪酸甲酯（FAME）組成，與減壓后的天然氣一起燃燒。結果顯示，加入FAME燃料后，著火延遲的時間更短，PME的含量可以顯著降低排煙密度，對燃料可燃性也有所改善。

1.2研究方法

1.2.1燃料的物化性質(zhì)

天然氣是石油開采和煤炭開采的副產(chǎn)品，它以兩種形式用于發(fā)動機燃料中：壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG），CNG在理想情況下可以取代柴油。生物柴油是指柴油的替代物，來自于生物原料（如植物油），它也可以用在普通的柴油發(fā)動機中。本研究中用天然氣取代90%的柴油，保留10%的生物柴油作為點火燃料。天然氣和生物燃油的特性見表2。

1.2.2參數(shù)定義

（1）生物柴油噴射體積比例。

試驗過程中，通過分別調(diào)節(jié)生物柴油和天然氣的噴射量實現(xiàn)不同生物柴油.天然氣噴射比例，利用瞬時油耗儀測量出發(fā)動機特定運行工況時生物柴油和天然氣的燃油消耗量。本文中，根據(jù)特定工況測出的生物柴油和天然氣的燃油消耗質(zhì)量，以及表2中生物柴油和天然氣的密度，將生物柴油和天然氣的噴射比例轉(zhuǎn)換為生物柴油噴射體積占總噴油體積的百分比，即s為

（2）折合燃油消耗率。

生物柴油和天然氣的低熱值不同，兩種燃料等質(zhì)量放出的熱量也不同。本文中，根據(jù)生物柴油和天然氣的熱值將天然氣消耗率轉(zhuǎn)換為等值能量的生物柴油消耗率，同時加上試驗過程中生物柴油消耗率所得到的即為折合燃油消耗率，換算公式為

1.2.3試驗方法

理論上，天然氣可以完全取代柴油，但實際上是不可能超過90%，因為天然氣燃燒需要預先噴入燃料的引燃。實驗中使用天然氣作為主要燃料與吸入的新鮮空氣進行預混合。生物柴油用于燃料的壓燃，主要由FAME燃料，如OME（油酸甲酯，純度>70%）和PME（棕櫚酸酯，純度>95%）混合而成。發(fā)動機按ECR-49標準進行測試，目的是測試生物柴油的混合量對發(fā)動機的性能參數(shù)的影響。

在試驗期間，發(fā)動機以1900 rpm轉(zhuǎn)速恒定運轉(zhuǎn)，發(fā)動機水溫保持在85±2°c，機油溫度為70±2。c。第一次測試中，將測功器負荷固定在80%。然后，調(diào)整油門開度，使純生物柴油僅釋放出10%的功率。最后，天然氣燃料進入燃油系統(tǒng)，以補充純生物柴油降低的90%的動力。每次的測試前，發(fā)動機要穩(wěn)定工作60秒。所有測試的情況下，燃料節(jié)氣門完全打開。測試期間發(fā)動機參數(shù)沒有變動，也沒有出現(xiàn)噴油器堵塞的情況。FAME燃料噴射提前角固定在上死點前（BTDC）曲軸轉(zhuǎn)角（CA）21°，純生物柴油著火時的氣缸壓力是21.5帕，具體試驗工況和噴油比例如表3所示。

2試驗結果分析

2.1分開噴射策略對發(fā)動機著火延遲的影響

圖2顯示了不同比例的天然氣與FAME燃料分開噴射時著火延遲角的變化。選擇與噴射時間相對應的氣缸壓力值作為基準來確定著火延遲角。燃燒特性以平均值為代表，通過分析三個記錄信號，如曲軸轉(zhuǎn)角、噴嘴針閥升程、氣缸壓力值間的關系，超過連續(xù)50周期測試而獲得。

生物柴油在混合物的比例的增加導致氣缸壓力與曲軸轉(zhuǎn)角變化關系轉(zhuǎn)向曲軸轉(zhuǎn)角減小的方向。這是由于天然氣.空氣預混合物當量比的增加，大大降低了十六烷值，同時由于點火燃料噴射量的減少，造成混合物的形成延遲。與天然氣點火相比，F(xiàn)AME的著火時刻要相對提早一些。由于大量的氣體燃料的加入需要增大燃燒時間，與傳統(tǒng)燃料相比，雙燃料的著火時刻要延遲。

2.2分開噴射策略對燃燒室壓力峰值的影響

因為燃料/空氣混合物的燃燒產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)矩和功率，所以發(fā)動機在壓縮和做功沖程中缸內(nèi)壓力持續(xù)的時間和大小就成了動力性最基本的衡量參數(shù)。圖3顯示了表征CNG-FAME性能的氣缸最高燃燒壓力隨生物柴油噴射量的不同而產(chǎn)生的變化。通過比較不同比例的雙燃料，可以看到開始噴入生物柴油時，由于十六烷值的增加，著火相對提早，最高燃燒壓力增大。生物柴油占10%時，氣缸最高燃燒壓力最大。隨著預噴燃料化合物中生物柴油比例的增加，會使燃燒室壓力峰值由于不當?shù)娜紵陆怠?/p>

2.3分開噴射策略對排放廢氣溫度的影響

通過比較不同燃料混合物的排放廢氣溫度，可以觀察到，增加混合物中生物柴油的量可以降低排氣溫度。

生物柴油燃料熱值較低是造成燃燒室溫度的損失的主要因素，從而降低排出氣體的溫度。圖4顯示了這種影響。

2.4分開噴射策略對燃料的燃油消耗率的影響

由于長鏈烴，更高的密度和粘度，生物柴油噴射時噴霧質(zhì)量較差，所以不太適合汽化和燃燒。生物柴油的熱值也低，這都影響了混合燃料（CNG和空氣）的燃燒效果。在實驗中，限制10%的動力來自于液態(tài)燃料燃燒，顯然，光靠生物柴油來維持發(fā)動機動力是不可能的。增加混合物中生物柴油的含量，維持發(fā)動機同樣的功率需要增加氣體燃料的消耗量。折合燃料的平均燃油消耗率如圖5所示。

2.5分開噴射策略對發(fā)動機有效熱效率的影響

圖6提供了發(fā)動機在不同比例的雙燃料運行下有效熱效率的變化。增加燃料混合物中生物柴油的量，發(fā)動機有效熱效率降低，這表明生物柴油的不恰當燃燒會導致柴油機中雙燃料模式下燃料轉(zhuǎn)化為有用功的無效轉(zhuǎn)化的增多。這是在初始階段雙燃料燃燒下觀察到的較低的預混燃燒率控制的結果。

3結語

本文主要分析了1900r/min的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、平均指示壓力為21.5Pa的工況下，生物柴油—天然氣復合噴油燃燒特性。

（1）無論何種點火燃料，雙燃料的著火時間隨液體燃油供應的增加而縮短。與油氣點火相比，F(xiàn)AME燃料的著火延遲期明顯縮短。

（2）與不同數(shù)量的生物柴油含量相比，當OME和PME燃料混合物作為點火燃料時，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨著CNG中的生物柴油混合燃料和定容燃燒的程度增加而減少。

（3）無論使用何種點火燃料，雙燃料運行的有效熱效率在高負載下能夠維持高值。當天然氣供應的比例低于90%時，發(fā)動機有效熱效率變動類似于普通柴油的情況。

（4）生物柴油噴射比例是影響生物柴油一天然氣復合噴油燃燒過程的重要因素，根據(jù)工況調(diào)節(jié)生物柴油噴射比例，可以保證發(fā)動機在全工況范圍內(nèi)獲得良好的燃燒和經(jīng)濟性能。