大功率機車柴油機燃用生物柴油的試驗分析

王繼文 譚雪友 李鐘婷 胡杰 姜峰

摘? 要：將生物柴油與純柴油以不同體積比進行摻合，對某大功率機車柴油機燃用不同配比生物柴油進行臺架試驗，研究不同配比生物柴油對該大功率機車柴油機的動力性、經濟性和排放性等基礎性能的影響。試驗結果表明：該大功率機車柴油機燃用不同配比生物柴油時，其扭矩、燃油消耗率、NOx排放量、碳煙排放量以及缸內最高燃燒壓力的變化趨勢與燃用純柴油時的變化趨勢基本一致;碳煙排放量隨著生物柴油配比的增大而降低，當配比由B10提升到B20時，碳煙排放量平均降低了12.90%，由B20提升到B50時，碳煙排放量平均降低了8.90%，在手柄位5工況下，燃用B50碳煙排放量比B0降低了35.10%。該臺架試驗獲得的基礎性能指標數據，對后續大功率機車柴油機仿真模型的建立與性能優化具有借鑒意義。

關鍵詞：機車柴油機;生物柴油;基礎性能;碳煙排放量

中圖分類號：TK421.2? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.001

0? ? 引言

近年來，我國鐵路對高速、重載列車的要求越來越高，同時為了滿足日趨嚴格的排放法規要求，生物柴油作為柴油的替代燃料成為新的發展趨勢。生物柴油作為一種綠色可再生能源，可供內燃機使用，它能夠降低一氧化碳（CO）、碳氫（HC）和顆粒物（PM）的排放，與普通柴油相比有著明顯的優點[1-5]。但是，普通柴油機在不做任何技術調整的情況下燃用生物柴油時，NOx排放有所提高。國內外對生物柴油在柴油機技術的應用和開發中做了大量的研究[6-9]。樓狄明等[6]基于一臺國V柴油機，研究不同比例餐飲廢油制成的生物柴油的理化特性對柴油機排放性能的影響。梅德清等[7]在一臺YZ4102QF直噴式自然吸氣柴油機上燃用不同比例豆油甲酯、棉籽油甲酯與0#柴油混合燃料，研究了混合燃料產生的有害排放物CO、HC、NOx及排煙的變化趨勢與規律。Zhang等[8]以低水位水-生物柴油乳狀液燃料（質量分數為2%、4%和6%）和純生物柴油燃料為研究對象，研究了加水對中速柴油機噴霧、燃燒和排放特性的影響。朱磊[9]基于Isuzu 4HF1柴油機從燃料設計的角度對生物柴油橡膠相容性和噴霧特性、燃燒和排放特性等進行了研究，以燃料設計和低溫燃燒模式相組合的方式，研究用燃料設計來優化柴油低溫燃燒模式以達到降低NOx排放和碳煙排放的目的，并從燃料分子結構微觀角度來分析生物柴油對燃燒排放的影響。盡管國內外研究人員對汽車、輪船用柴油機燃用不同類型生物柴油對柴油機性能的影響做了許多研究，但是關于鐵路機車大功率柴油機燃用生物柴油對動力性、經濟性以及排放性等基本性能指標的研究報道甚少。

當前國家提出了“碳達峰”“碳中和”的愿景。結合鐵路內燃機車利用可再生能源（生物柴油）與“碳達峰”“碳中和”的排放愿景，本文以某大功率機車柴油機為研究對象，基于機車柴油機試驗臺架進行不同配比生物柴油在不同工況下的試驗與相關分析，研究不同配比生物柴油和純柴油對機車柴油機動力性、經濟性、排放性的影響。該研究對將來優化和改進內燃機車性能有一定的促進作用。

1? ? 機車柴油機試驗與分析

本文試驗所用的生物柴油以大豆油作為原料，與純柴油以不同體積比例進行摻合。生物柴油在混合燃料中的體積分數分別為0、10%、20%、50%、100%，柴油為普通0號柴油，不同配比柴油-生物柴油混合燃料標記為B0、B10、B20、B50、B100[2]。柴油和生物柴油的部分理化特性如表1所示。

根據《機車車輛動力學性能臺架試驗方法》 （TB/T 3115—2005）和《鐵路牽引用柴油機排放試驗的規范》（TB/T 2783—2006）[10-11]要求，布置機車柴油機臺架、控制試驗等設備，包括電機、油耗儀、排放分析儀、煙度計、壓力傳感器等。其中，排放分析儀為Horiba MEXA-1600DS測量儀，煙度計為奧地利AVL公司生產的AVL439消光式煙度計。通過數據采集儀，經CAN總線傳輸到顯示設備，實時顯示和監控試驗數據。試驗臺架布置如圖1所示。該大功率機車柴油機型式為四沖程、直接噴射、廢氣渦輪增壓、增壓中冷，其主要技術參數如表2所示。

1.1? ?機車柴油機燃用純柴油試驗分析

根據《鐵路牽引用柴油機排放試驗的規范》 （TB/T 2783—2006）要求，大功率機車柴油機進行8個手柄位轉速下的試驗，每個手柄位有對應的轉速和功率值，由確定的功率反饋至柴油機電噴系統提供響應，實現一個循環供油量[12]。同時，柴油機帶動電機轉動，電機產生對應的功率，當柴油機轉速達到1 000 r/min時，若此時柴油機功率滿足不了電機功率，則電機會反向抑制柴油機轉速的升高，維持轉速在1 000 r/min。因此，電機分為不同功率檔位，可確保柴油機在1 000 r/min轉速下不同手柄位（手柄位5—手柄位8）有一個精確的循環供油量。

現行機車柴油機標準以油耗最佳模式進行數據采集與標定。該機車柴油機在8個不同手柄位工況下燃用0號柴油，在Engine_R 對應數值下所測試的基礎試驗數據如表3所示。

表3中，Engine_R是反映實時基本脈沖寬度的參數，其影響因素有柴油機傳感器提供的性能數據、實時脈沖寬度、軟件編寫的提前角圖和脈寬圖[13]。 Engine_R正常值要小于85%，對下限值沒有要求，但為了保證柴油機的一致性，最佳狀態是將Engine_R控制在78%～84%[13]。表4為8個手柄位工況下功率與缸內最高燃燒壓力測試值。由表3—表4中8個不同工況試驗值可知，該機車柴油機在Engine_R為83.5%，標定轉速為1 000 r/min，標定功率為4 660 kW時，缸內燃燒壓力最大，達到16.7 MPa，其中BTDC表示上止點前。

圖2、圖3為該柴油機在8個不同手柄位工況下燃用純柴油時，在Engine_R對應數值下的燃油消耗率與扭矩值。

由圖2可知，隨著轉速增大，燃油消耗率降低。在轉速為400 r/min時，燃油消耗率為? ? ? 224.8 g/（kW·h）;當手柄位為5、轉速為1 000 r/min時，燃油消耗率降低到215 g/（kW·h）。隨著手柄位增大，轉速保持在1 000 r/min，燃油消耗率下降幅度較大，在手柄位8時，燃油消耗率為195 g/（kW·h）。由發動機負荷特性可知，在高轉速條件下，機車柴油機是以油耗最佳的模式確定數據標定。因此，燃油消耗率隨著轉速上升而下降，且在達到標定轉速1 000 r/min時，手柄位增大，油耗率下降幅度較大。

由圖3可知，隨著轉速增大，扭矩隨之增大。在轉速為400 r/min時，扭矩為7.100 kN·m;當手柄位為5、轉速1 000 r/min時，扭矩增大到21.300 kN·m。隨著手柄位增大，轉速保持在1 000 r/min，扭矩值增大幅度較大，在手柄位8時，扭矩為44.505 kN·m。由發動機負荷特性可知，在標定轉速1 000 r/min條件下，負荷增大意味著柴油機動力輸出增大，隨之扭矩亦增大。因此，在柴油機達到標定轉速1 000 r/min時，手柄位增大，扭矩增大幅度較大。

1.2? ? 不同配比生物柴油臺架試驗與分析

由機車柴油機燃用純柴油試驗可知，未改變任何結構參數，以油耗最佳模式在8個不同手柄位工況下，分別燃用B10、B20、B50等 3種配比生物柴油進行試驗，得出3種配比生物柴油下的扭矩、油耗、缸內壓力等數據。由于B100純生物柴油易出現機車柴油機噴孔堵塞，導致整機停機、維修等復雜問題，同時也容易出現燃油通道清洗困難等現實問題，因此，本次不同配比生物柴油臺架試驗以最高配比B50為上限。

圖4為機車柴油機燃用不同配比生物柴油（B10、B20、B50）在8個不同手柄位工況下的扭矩。由圖4可知，相同轉速條件下，柴油機扭矩隨配比增加而降低，B10、B20平均降低幅度分別為1.59%、3.21%，B50平均降低幅度達到7.90%。隨著轉速提高，柴油機燃用不同配比生物柴油扭矩變化趨勢與燃用純柴油扭矩變化趨勢相似。不同配比生物柴油在8個不同手柄位工況下的功率曲線可由對應的扭矩與功率關系得出。

由于不同配比生物柴油熱值比純柴油要低且密度較大，在循環噴油量保持不變時，隨著生物柴油比例增加，扭矩輸出逐漸降低。為了保證柴油機的動力性，應選擇燃用配比在50%以內的生物柴油進行研究。

在8個不同手柄位工況下燃用不同配比生物柴油所產生的燃油消耗率變化趨勢如圖5所示。由圖5可知，燃油消耗率隨著配比增加而增大。柴油機處于較低轉速工況下，摻合生物柴油對燃油經濟的影響較為明顯;在較高轉速工況下，特別是? ? ? ?900 r/min以上時，燃油消耗率的增長幅度不大。由圖5的試驗數據可知，B50在轉速400 r/min工況下的燃油消耗率比B0增加了13.10%;在轉速? ? ? ? ? ?1 000 r/min，手柄位8工況下，燃油消耗率增長率為6.45%;在標定轉速1 000 r/min，手柄位5—手柄位8時的燃油消耗率變化與B0曲線一致。B10、B20對應的燃油消耗率曲線變化規律趨于一致，由試驗數據可知，生物柴油配比由B10提升到B20，平均燃油消耗率大致提高1.83%，由B20提升到B50，平均燃油消耗率大致提高4.60%。

分析認為，機車柴油機在轉速400～550 r/min時處于小負荷狀態，缸內燃燒溫度較低，由于生物柴油低熱值較小使其汽化時吸熱較大，使缸內最高溫度下降，膨脹做功減少，因此，在低速時燃油消耗率增大幅度較高。當機車柴油處于較高轉速（高于750 r/min）時，缸內燃燒溫度較高，生物柴油對缸內燃燒溫度影響較小，高轉速工況下的缸內空燃比低于低轉速工況，因此，隨著柴油機轉速升高（手柄位增大），不同配比生物柴油的燃油消耗率越接近B0燃油消耗率曲線。

圖6、圖7所示為8個不同工況下燃用不同配比生物柴油所產生的NOx和碳煙（soot）排放趨勢。

由圖6、圖7可知，NOx排放量隨著不同配比生物柴油增大而增加，而碳煙排放量隨著配比增大而減少。當柴油機轉速由400 r/min上升到1 000? ? r/min（手柄位1—手柄位5）時，燃用各配比生物柴油時柴油機產生的NOx與碳煙排放量均呈現小幅下降趨勢。這是由于該手柄位工況下，柴油機輸出功率較小且轉速1 000 r/min、手柄位5時為轉折點。當轉速為1 000 r/min時，隨著手柄位增大，不同配比燃料混合充分，柴油機輸出功率增大，負荷隨之增大，NOx排放量不斷下降。這是由于在手柄位5—手柄位8時，燃用不同配比生物柴油的燃油消耗率下降較大，使NOx排放量下降。隨著輸出功率增加，混合燃料燃燒相對充分，碳煙排放量下降，當手柄位7上升至手柄位8時，處于最大負荷，碳煙排放出現反彈上升。這是由于柴油機在極限工況下，部分燃料混合不充分，燃燒不完全，導致碳煙排放增加。

由圖6、圖7試驗數據可知，燃用B50在轉速1 000 r/min、手柄位5工況下，相比B0時NOx排放量增加58.60%、碳煙排放量降低35.10%。在各轉速下燃用不同配比生物柴油產生的NOx與碳煙排放量變化與燃用B0時曲線一致。由試驗數據可知，生物柴油配比由B10提升到B20，NOx排放量平均提高13.50%，碳煙排放量平均降低12.90%;由B20提升到B50，NOx排放量平均提高6.90%，碳煙排放量平均降低8.90%。

圖8所示為機車柴油機在未改變Engine_R參數條件下，不同配比生物柴油在8個不同手柄位工況下的最高燃燒壓力值。

由圖8可知，在各轉速Engine_R參數未變化時，即：相同轉速不同配比生物柴油循環噴油量相同，最高壓力隨生物柴油體積含量增加而逐漸下降。8個手柄工況點中，在400 r/min工況下，B50較B0最高壓力最大下降幅度達到5.58%，手柄位為8、轉速1 000 r/min時，最高壓力下降幅度為3.62%;B20較B0最高壓力下降范圍在1.45%～3.93%;B10較B0最高壓力變化不大，下降范圍在0.73%～1.23%。

由圖8試驗數據可知，隨著柴油機轉速升高，相同配比生物柴油的缸內最高燃燒壓力較B0呈現減小趨勢，且隨著生物柴油配比增大，缸內最高燃燒壓力較B0呈下降趨勢;柴油機轉速不變時，隨著生物柴油配比增大，缸內最高燃燒壓力較B0呈現減小趨勢，且隨著柴油機轉速升高，缸內最高燃燒壓力較B0亦呈現下降趨勢。這是由于生物柴油燃料熱值小于純柴油，生物柴油體積分數越高，燃料熱值越小，低配比生物柴油熱值與純柴油熱值接近，在同一質量狀態下純柴油放熱量高于生物柴油，燃用生物柴油使缸內燃燒放熱率下降，缸內最高爆發壓力隨著生物柴油體積配比增大呈現下降的趨勢。

2? ? 結論

對大功率機車柴油機進行燃用不同配比柴油的臺架試驗，得出不同工況下的各性能指標。

1）相同轉速下，柴油機扭矩隨配比增加而降低，B10、B20平均降低幅度分別為1.59%、3.21%，B50平均降低幅度為7.90%;不同配比生物柴油扭矩變化趨勢與燃用純柴油扭矩變化趨勢 相似。

2）不同配比生物柴油燃油消耗率變化趨勢與燃用純柴油變化趨勢一致。生物柴油配比由B10提升到B20，平均燃油消耗率大致提高1.83%;由B20提升到B50，平均燃油消耗率大致提高4.60%。

3）NOx排放量隨著不同配比生物柴油增大而增加，碳煙排放量隨著配比增大而減少;在手柄位1—手柄位5工況下，各配比生物柴油產生的NOx與碳煙排放量呈現小幅下降，手柄位5為轉折點;由手柄位7升至手柄位8時，碳煙排放量反彈上升;在手柄位5工況下，燃用B50的NOx排放量比燃用B0的增加58.60%、碳煙排放量降低35.10%;生物柴油配比由B10提升到B20時，NOx排放量平均提高13.50%，碳煙排放量平均降低12.90%;由B20提升到B50時，NOx排放量平均提高6.90%，碳煙排放量平均降低8.90%。缸內最高燃燒壓力隨著生物柴油配比增加而下降，在手柄位8時，B50較B0最高壓力下降3.62%，B10較B0下降1.00%左右。

4）相同配比生物柴油，隨著柴油機轉速升高，缸內最高燃燒壓力較B0呈現減小趨勢;柴油機轉速不變時，隨著生物柴油配比增大，缸內最高燃燒壓力較B0呈現減小趨勢。

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Experimental analysis of high-power locomotive diesel engine

fueled with biodiesel

WANG Jiwen1， TAN Xueyou*2， LI Zhongting3， HU Jie2， JIANG Feng2

（1. Guangxi Automobile and Tractor Research Institute Co.， Ltd， Liuzhou 545001， China; 2. School of

Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China; 3.Guilin Iinstitute of Product Quality Inspection， Guilin 541004， China）

Abstract： The bench test of biodiesel-diesel blends with different volume ratios was carried out to? ? ?discover the effects of these blends on the power， economy and emission characteristics of a? ? ? ? ? ? high-power locomotive diesel engine. The results show that the variation trends of torque， fuel? ? ? ? ? ?consumption， NOx emissions， soot emissions and maximum combustion pressure in the cylinder of the high-power locomotive diesel engine fueled with different proportions of biodiesel were basically? ? ?consistent with those of pure diesel fuel. Soot emissions decreased with the increase of biodiesel ratio， decreasing by an average of 12.90% when the ratio was increased from B10 to B20， and by 8.90% from B20 to B50. Under the operating condition of handle position 5， the soot emissions of B50 was reduced by 35.10% compared to B0. The basic performance index data obtained from the bench test can provide reliability verification for the subsequent simulation model establishment and performance optimization of high-power locomotive diesel engine.

Key words： locomotive diesel engine; biodiesel; basic performance; soot emission

（責任編輯：黎? ?婭）