柴油機循環變動與燃燒參數的相關性分析

張鵬

(太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024)

近年來，隨著國家對節能低碳生活的倡導以及排放法規的逐漸加嚴，清潔代用燃料的開發研究成為熱點課題。通過間接液化制取的F-T煤制油，具有燃油質量高，生產過程污染小的優良特點[1]，本研究所用的F-T煤制油通過間接液化制取。

現有研究表明：F-T柴油十六烷值高，滯燃期短[2-3]，相比于0號柴油，能夠大幅降低SO2、THC、CO和PM排放，并降低油耗量[4-6]。Lapuerta等[7-8]研究發現，相比于傳統燃油，F-T在開始階段就表現出不同的燃燒特性，預混燃燒和擴散燃燒均開始較早。Sajjad等[9]發現，燃用F-T煤制油時，隨著EGR率的增大燃燒過程推后，燃燒階段放熱增多。Gill和Torregrosa等[10-11]分析了燃油特性與燃燒之間的參數，結果表明提高燃油霧化能力會增加混合氣的形成量，進而導致放熱率增高、燃燒噪聲增大。李文杰[21]發現適當增大噴油提前角、縮短噴油持續期可以提高燃用F-T柴油時的缸內壓力，改善動力性不足的問題。王忠等[22]發現，引入EGR使F-T柴油滯燃期延長，燃燒重心后移，最高燃燒壓力和缸內平均燃燒溫度降低。Pastor等[23]發現F-T煤制油在不同載荷下，比普通柴油產生的炭煙更少，炭煙氧化速度更快。Jiao yufei等[24]研究發現，采用F-T煤制油柴油機的氣缸壓力、升壓率、放熱率均低于普通柴油機。F-T煤制油作為一種性能優良的柴油機代用燃料，具備提升柴油機性能的潛能，但現有的研究主要集中在F-T煤制油在柴油機上的燃燒和排放特性控制方面，對F-T煤制油循環變動方面的研究成果較少，而降低F-T煤制油柴油機燃燒循環變動為提高柴油機性能提供了途徑和方法。

循環變動會導致柴油機熱效率降低、輸出功率下降以及有害排放物增加[12-13]，目前F-T煤制油的研究中缺乏對循環變動的研究，鑒于此，本研究在辨識燃燒參數的基礎上，對F-T煤制油的循環變動特性進行分析，并研究了循環變動與燃燒參數間的相關性。

1 燃料特性及試驗裝置

1.1 測試油樣

試驗采用F-T煤制油和國六標準柴油，主要特性參數見表1。F-T煤制油作為一種工業化工液體燃料，相比于0號柴油具有低密度、餾程溫度低、熱值高、十六烷值高、不含硫和芳烴含量低的特點。

1.2 試驗裝置

試驗采用增壓中冷電控柴油機，使用獨立的外部循環水對其進行冷卻，通過ET測控系統和電渦流測功機實現對轉速和扭矩等參數的調節和測量，缸內壓力通過Kistler傳感器和燃燒分析儀進行采集和分析。發動機性能指標見表2，發動機臺架見圖1。整個試驗過程中控制進氣溫度為50±3 ℃，冷卻水溫度為80±5 ℃，柴油機穩定運行后開始采集數據。

表2 發動機性能指標

圖1 試驗系統布置

2 試驗結果及分析

2.1 缸內壓力分析

滯燃期和燃燒持續期是燃燒過程的直接體現，通過分析燃燒缸壓峰值、滯燃期、燃燒持續期之間相關性，可以對燃燒現象和燃燒過程進行充分的研究，也可為柴油機燃燒循環變動方面的研究提供數據依據。

使用兩種油樣時缸內壓力隨轉速的變化規律見圖2。由圖可知，在相同的工況下，F-T煤制油相比于0號柴油缸壓較小，缸壓峰值對應的相位提前。這主要是由燃油特性決定的，F-T煤制油十六烷值高，滯燃期短，形成的混合氣量較少。在一定程度內，兩種燃料的缸內壓力均隨著轉速的升高而增大，當轉速達到2 800 r/min時，循環時間減少，缸內的殘余廢氣率增加，對混合氣的稀釋作用開始變得顯著，缸內壓力開始下降，相應的峰值延后出現。

圖2 不同工況下的缸內壓力

2.2 放熱率分析

放熱率是一個重要的燃燒指標，本研究參考文獻[14-16]基于第一熱效率的單區模型進行計算：

(1)

(2)

式中：k為絕熱系數；A為燃燒室容積；h為傳熱率；n為發動機轉速；Tg為燃氣溫度；Tw為氣缸壁溫度。

不同工況下的放熱率見圖3。放熱率與缸內壓力的變化規律基本一致，當轉速為2 800 r/min時柴油機只有主噴，沒有預噴，放熱率由雙峰變為單峰。F-T煤制油主要是直鏈烷烴，十六烷值高、燃燒速度快，預混合氣少，放熱少，峰值相位提前。

圖3 不同工況下的放熱率

2.3 壓力升高率分析

壓力升高率對柴油機噪聲具有重要影響，隨著壓力升高率的增加，柴油機會產生刺耳的噪聲，甚至造成損害[17]。

測試油樣在不同工況下的壓力升高率變化見圖4。從圖中可以看出，相比于0號柴油，F-T煤制油的壓力升高率較低，壓力升高率峰值相位稍有提前。主要的原因是F-T煤制油滯燃期短，燃油混合過程較短，混合氣溫度和缸內溫度較低，燃燒等容度低。隨著轉速的升高，缸內殘余廢氣率增加，混合氣質量下降，壓力升高率下降。隨著轉速的進一步增高，缸內殘余廢氣率為主要影響因素，壓力升高率基本保持相對恒定。

圖4 不同工況下的壓力升高率

2.4 燃燒參數分析

燃燒始點為第一個火核形成時刻對應的曲軸轉角，本研究取放熱率明顯上升的第一個極小值點為著火點。定義噴油始點至燃燒始點間的曲軸轉角為滯燃期。CA10、CA50和CA90分別為10%，50%和90%燃燒過程對應的曲軸轉角[18]。

不同工況下的燃燒參數見圖5。由圖5a可以看出，相比于0號柴油，F-T煤制油的燃燒始點稍有提前，在1 200，2 000，2 800 r/min的轉速下，F-T煤制油的滯燃期分別縮短1.2°，0.9°，0.7°曲軸轉角。由于F-T柴油十六烷值高、餾程溫度低，燃油蒸發速度快，CA50提前約2°曲軸轉角。隨著轉速的升高，燃燒滯后、滯燃期延長，空氣燃油混合均勻度提高，燃燒過程得到改善，燃油特性對燃燒過程的影響降低。

燃燒持續期定義為CA10至CA90之間的曲軸轉角，有效熱效率為燃油轉換效率的重要參數，這兩個參數在不同工況下的變化規律見圖5b。

F-T煤制油具有較長的燃燒持續期，相比于0號柴油增大6°曲軸轉角，這是因為F-T煤制油滯燃期短，預混合時間長，因此燃燒持續期長。隨著轉速的升高，燃油混合過程加快，燃燒速度提高，兩種油樣的燃燒持續期均降低。相比于0號柴油，F-T煤制油的有效熱效率分別提高1.5%，1.4%和0.7%。有效熱效率與CA50具有較大的關聯度，CA50越提前，燃燒等容度越高，缸壁的熱泄漏、循環水的熱交換越少，有效熱效率越高。

圖5 不同工況下的燃燒參數

2.5 循環變動分析

缸壓具有易測量且對燃燒穩定性敏感的特性，本研究采用缸壓的循環變動來表征多個循環的一致性[19-20]。循環變動系數和標準差以及峰值缸壓和燃燒參數之間的相關性定義如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

圖6示出兩種測試油樣在不同工況下的循環變動特性，圖中給出了每個工況下100個循環的缸壓峰值和變動率。由圖可見，在不同的工況下，F-T煤制油變動率分別為1.72%，1.32%和2.02%，小于0號柴油的2.49%，2.16%和4.01%。原因在于：F-T煤制油十六烷值高、密度低、燃油霧化能力強，混合氣質量得到改善，在火焰形成過程的氣流湍流強度低，這些因素使得F-T煤制油燃燒穩定，循環變動低。兩種油樣均在2 000 r/min轉速下循環變動最小，2 800 r/min轉速下循環變動最大。這主要在于當轉速在一定程度提高時，缸內溫度和氣流運動增強，混合氣質量得到改善；而當轉速進一步提高時，燃燒過程縮短，缸內殘余廢氣率變大，更易導致不穩定燃燒，循環變動增大。

圖6 不同工況下的循環變動

缸壓峰值與滯燃期的相關性見圖7。從圖中可以發現，兩種油樣在不同工況下的缸壓峰值均可以用滯燃期的線性關系式表達，隨著滯燃期的延長而增大。當轉速為1 200，2 000和2 800 r/min時，F-T煤制油的相關系數分別是0.75，0.78和0.73，低于0號柴油的0.81，0.86和0.83。滯燃期對缸壓峰值存在較強的關聯作用，F-T煤制油的滯燃期與缸壓峰值的相關性小于0號柴油。

缸壓峰值與燃燒持續期的相關性見圖8。燃燒持續期對缸壓峰值的作用與滯燃期相反，缸壓峰值隨著燃燒持續期的延長線性減小。燃燒持續期越長，燃燒等容度越低，循環變動的傾向增大，缸壓峰值降低。

當轉速為1 200，2 000和2 800 r/min時，F-T煤制油的相關系數分別是0.61，0.67和0.65，低于0號柴油的0.73，0.79和0.75。F-T煤制油的燃燒持續期對缸壓峰值的影響較小，相關性系數較低。兩種油樣均在2 000 r/min時關聯度取得最高值，這與循環變動的變化規律是一致的，在一定范圍內增高轉速有助于降低循環變動；當轉速繼續升高時，燃燒循環變動增大，相關度降低。

圖7 缸壓峰值與滯燃期相關性

圖8 缸壓峰值與燃燒持續期相關性

3 結論

a) 相比于0號柴油，F-T煤制油燃燒較早、滯燃期短、燃燒持續期長、缸壓和放熱率低、CA50提前、有效熱效率高；

b) F-T煤制油火核形成過程中氣體湍流強度低，燃燒循環變動低；

c) 燃燒參數與循環變動具有較強的關系，滯燃期越長、燃燒持續期越短，燃燒穩定性越高；

d) F-T煤制油可以在柴油機上穩定運行，能夠通過改善燃燒過程來降低柴油機的燃燒循環變動。