柴油机在高原地区燃用混合燃料的试验研究

1、第6期(总第179期)2008年12月车用发动机VEHICLEENGINENo.6(SerialNo.179)Dec.2008柴油机在高原地区燃用混合燃料的试验研究沈颖刚,毕克刚,翁家庆,陈贵升,孔德芳,彭益源(昆明理工大学交通工程学院,云南昆明650224)摘要:在高原地区对1台4100QB2柴油机燃用生物柴油与柴油不同掺混比的混合燃料进行了台架试验。分析了混合燃料的物性,根据其物性和掺混比计算出当量燃油消耗率。效率、机械效率和负荷特性。试验结果表明,在高原地区,柴油机的经济性有明显改善。关键词:柴油机;高原;生物柴油;混合燃料;中图分类号:TK421.7;TK6:B:100122222(2

2、008)0620011204巨大挑战,为实现经济的可持续发展,许多国家正大力开发可替代能源,而生物燃料的应用和推广正是现阶段解决能源替代问题的最佳手段1。众多研究表明223,生物柴油作为一种含氧燃料,既可单独用作柴油机燃料,也可与矿物柴油以任何比例掺混供发动机燃用,且使用生物柴油无须改动或调整发动机的结构与参数,生物柴油作为柴油机替代燃料的潜力引起越来越多的关注。我国海拔1000m以上的高原地区占国土面积的58%,当柴油机在高原地区运行时,由于大气压力低,空气密度小,进入气缸内的空气量减少,进气压力降低,其动力性、经济性、可靠性和排放特性都会大幅度下降,难以保证其正常运行4。研究高原地区生物柴

3、油与柴油混合燃料对柴油机性能的影响,可为大规模推广应用生物柴油提供试验数据和科学依据。石油产品凝点试验器(-51双孔,冷却剂为95%乙醇)、SYD3536克利夫兰开口闪点试验器、SYD256D石油产品运动黏度测定器(40水浴加热)等仪器,测试并分析了混合燃料的物性(见表1)。表中闪点和燃点都是经过修正的值(大气压在)。73.3kPa81.2kPa范围,修正数为6表1混合燃料物性试验用油B00B10B30B50B70低热值/)/冷凝闪点/燃点/运动黏度(40MJkg-1点/44.8344.4344.3042.6442.73-11-9-12-8-474848895110908993107114mm

4、2s-13.143.263.674.074.63注:B00表示柴油机燃用0号柴油。1试验条件和装置试验在昆明理工大学交通工程学院内燃机实验室1号台架进行,海拔高度1892m;试验所用生物柴油是利用油脚料(地沟油)为原料制成。BXX表示生物柴油和柴油的混合燃料,即生物柴油占总燃油体积分数为XX%,在昆明理工大学矿冶大楼生物能源实验室进行了混合燃料的物性测试和分析。1.1试验燃料和测试仪采用XRY1A数显氧弹式热量计、SYD510收稿日期:2008210210;修回日期:20082122161.2试验发动机及试验装置试验发动机为4100QB2柴油机,主要技术参数见表2。试验装置如图1所示,在试验过

5、程中,柴油机的参数不做任何改变。试验中使用的主要仪器有EIM0301D测控仪、WE31水力测功机、FCM2瞬时油耗仪、SWK03冷却水恒温系统、机油恒温系统、燃油恒温系统、机油压力计、机油温度及水温传感器等。基金项目:云南省省院省校科技合作计划项目(2006yx21);云南省中青年学术技术带头人后备人才专项基金资助(2007py0107),男,云南省昆明市人,教授,博士,研究方向为发动机工作过程;shenyinggang。作者简介:沈颖刚(196512车用发动机2008年第6期表2试验用4100QB2柴油机主要参数型式进气方式缸径/mm行程/mm活塞总排量/L气缸套型式燃烧室型式压缩比供油提前

6、角/CA最大扭矩/Nm最大扭矩转速/rmin-14缸,直列,立式水冷,4行程min和标定转速3200r/min时,燃用B00(柴油)燃自然吸气1001153.612料与燃用BXX(B00,B10,B30,B50,B70)燃料的当量有效燃油消耗率和当量有效燃油消耗量试验结果对比。湿式直喷型燃烧室17.5115250240023200图2柴油机燃用混合燃料的负荷特性对比(n=2200r/min)标定功率P/kW标定功率转速/rmin-1图3柴油机燃用混合燃料的负荷图14100QB2柴油机试验台架示意图特性对比(n=3200r/min)2试验结果及分析试验时测试了燃油消耗率、排气温度等数据,转速间隔

7、为200r/min,每个转速下测试89组数据。2.1负荷特性内燃机的负荷特性是指当内燃机的转速不变时,性能指标随负荷而变化的关系。由于试验燃料的成分不同,本研究将采用当量燃油消耗率来进行对比分析。当量燃油消耗率就是将混合燃料的燃油消耗率根据能量消耗折算成能量等值的柴油消耗率,其计算公式见式(1)和式(2):(1)bex=bexHx/H0。(2)Bx=BxHx/H0。式中,bex为当量燃油消耗率,bex为实测燃油消耗率,Bx为当量燃油消耗量,Bx为实测燃油消耗量,Hx为对应燃料X的低热值,H0为柴油的低热值。负荷特性能够反映柴油机经济性随负荷的变化情况,图2和图3示出试验发动机转速为2200r/

8、从图中的负荷特性曲线可以看出,柴油机燃烧混合燃料的当量有效燃油消耗率、当量有效燃油消耗量随着转速和扭矩的增大而优于燃用柴油,这是发动机转速、燃料含氧量和燃料黏度共同作用的结果。因为生物柴油的掺混使混合燃料黏度和密度增大、含氧量增多,当转速增大时,喷油压力增大,缸内温度升高,燃油雾化和燃烧较好,混合燃料的黏度、密度对燃料的流动性能和雾化质量影响逐渐减小,并且随着负荷的增大,喷入气缸的燃料量增多,过量空气系数减小,燃料中含氧量成为主要影响因素。高原环境下空气稀薄,高速、高负荷运行时过量空气急剧减少,后燃现象比较严重,大大影响了柴油机经济性,而发动机在高原地区燃烧混合燃料时,在转速、燃料含氧量及燃料

9、黏度、密度共同作用下,可以适度消除高原不利影响,当量有效燃油消耗率、当量有效燃油消耗量与燃烧柴油时基本相当,并随转速和扭矩的增大而优于燃烧柴油,其中,混合燃料B10和B50较有优势。132008年12月沈颖刚,等:柴油机在高原地区燃用混合燃料的试验研究图4示出n=2200r/min和n=3200r/min时柴油机排气温度的对比。比(见图5)。图5柴油机有效热效率对比从图中分析可知,在同一转速下,高原地区自然图4柴油机排气温度的对比从排气温度曲线总体变化趋势看,在低负荷和高负荷时,高原地区柴油机燃烧混合燃料的排气温度均明显低于燃烧柴油。因为低负荷喷油较少,并且缸内空气充足,燃料均能充分燃烧,但柴

10、油机燃烧混合燃料受到混合燃料热值较低、闪点及燃点高等因素的影响,混合燃料放热较少,且不易燃烧,故柴油机燃烧混合燃料的排气温度在低负荷时明显低于燃烧柴油。而在高原地区柴油机高速、高负荷运行时,进入气缸内的空气量很少,后燃现象比较严重,但混合燃料中含氧,弥补了空气的不足,使得后燃减少,降低了活塞组的热负荷,所以柴油机燃烧混合燃料的排气温度明显低于燃烧柴油。燃用混合燃料B10与B30的排气温度降低更多。2.2有效热效率吸气柴油机燃烧同一种燃料的有效热效率都随扭矩的增加而增加,当扭矩增加到一定的值后,有效热效率稍有所下降;随着转速增高,在同一功率点,同一混合燃料的热效率随转速的增加而减小。原因是自然吸

11、气柴油机按负荷特性运行时,其充量系数基本保持不变,所以扭矩增大时供油量增加,而可燃混合气的过量空气系数随扭矩的增加而减小,当扭矩较大时,过量空气系数变得较小,混合气形成和燃烧开始恶化,指示热效率下降,当指示热效率下降的速度超过了机械效率上升速率时,有效热效率稍有下降;在同一功率点,当转速增加时,喷油压力增大,使得每小时燃油消耗量有所增加,因此,相同功率点的有效热效率随转速的增加而减小。进一步分析,有效热效率与当量有效燃油消耗率所表征的发动机经济性是一致的。在转速n为2200r/min和3200r/min时,柴油机燃烧混合燃有效热效率是衡量发动机经济性的重要指标,是指实际循环的有效功与为得到此有

12、效功所消耗的热量的比值。选取标定工况下转速分别为2200r/min和3200r/min柴油机燃烧B00燃料与燃烧混合燃料BXX(B10,B30,B50和B70)的相关数据,计算出柴油机燃烧各种燃料的有效热效率,并进行对料的有效热效率与燃烧柴油基本相当,并随着转速和负荷的增加而优于燃烧柴油,其中柴油机转速为2200r/min时燃烧混合燃料B10较有优势,转速为3200r/min时燃烧混合燃料B30较有优势。这种优势主要是受到发动机转速和燃料含氧量的影响。2.3机械效率提高内燃机性能指标,应尽可能减少机械损失,提高机械效率。机械效率的测定方法一般主要有14车用发动机2008年第6期4种,即示功图法

13、、倒拖法、灭缸法和油耗线法5。比,摩擦面上的惯性力载荷与转速的平方成正比,泵气损失大致与活塞平均速度的平方成正比,驱动附件的损失也随转速增加而增大,故同一扭矩点的机械效率随转速的增加而减小。进一步分析,柴油机燃烧混合燃料时机械效率均随转速和负荷的变化有不同程度的浮动,但燃烧混合燃料的机械效率与燃烧柴油相差不大,最大差距不超过4.8%,因此,采用的“油耗线法”,本研究采用“油耗线法”来测定和对比发动机燃用不同混合燃料对发动机机械效率的影响,采用MATLAB软件求取低负荷附近的燃油消耗量的直线方程以求得平均机械损失压力,并根据式(3)计算出机械效率。图6示出柴油机燃用不同掺混比的燃料机械效率的对比

14、。m=1-=1-。pme+pmmpme+pmmB(3)式中,pmm为平均机械损失压力,B0为发动机空转时的燃油消耗量,pme为平均有效压力,Bm3结论a)柴油机燃烧柴油与生物柴油混合燃料的当量燃油消耗率、当量燃油消耗量与燃烧柴油时相当,并随转速和负荷的增加而优于燃用柴油;b)混合燃料对发动机的排气温度影响较大,在标定工况转速下,柴油机燃烧混合燃料时排气温度明显低于燃烧柴油;c)柴油机燃烧混合燃料时有效热效率随转速和负荷的增加优于燃烧柴油;d)生物柴油掺比对机械效率影响较小,最大差距不超过4.8%;e)柴油机燃烧B10与B30混合燃料的经济性优于燃烧B50与B70混合燃料;在柴油中加入体积分数为

15、10%30%的生物柴油比较适合,对发动机的经济性有明显的改善。参考文献:1付玉杰,祖元刚,GunterSchwarz,等.生物柴油M.北京:科学出版社,2006:124.图6柴油机机械效率的对比2覃军,刘海峰,尧命发,等.柴油机掺烧不同比例生物柴油的试验研究J.燃烧科学与技术,2007,13(4):从图中曲线可以看出,柴油机燃烧混合燃料的机械效率随扭矩的增大而增大;而在同一扭矩点,机械效率随转速的增加而减小。原因主要是对于试验所用的自然吸气柴油机来说,当按负荷特性运行时,由于转速不变,只能通过燃料调节机构改变循环供油量以适应负荷的变化,随着油量增加负荷增大,使得曲轴输出有效功率增加,而转速不变

16、时辅助机构(风扇、发电机、油泵等附属部件)等的消耗功率变化不大,故柴油机机械效率随扭矩增大而增大;而当转速增大时,活塞平均速度亦随转速增加而增加,由于摩擦表面的机械摩擦损失大致与活塞平均速度成正3352340.3SenatoreA,CardoneM.AComparativeAnalysisofCombustionProcessinD.I.DieselEngineFueledwithBio2dieselandDieselFuelC.SAEPaper200020120691.4申立中,沈颖刚,毕玉华,等.不同海拔高度下自然吸气和增压柴油机的燃烧过程J.内燃机学报,2002,20(1):49252.

17、5周龙保.内燃机学M.北京:机械工业出版社,2005:26229.(下转第19页)192008年12月高青秀,等:电控单体泵燃油系统等速供油凸轮设计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页)编辑:李建新5结论采用一阶油门滤波的加速控制策略可以完成燃油与空气量的良好配合,一定程度上避免出现加速瞬时空燃比突然变小而导致冒烟的问题。这种控制策略的优势是简便易行,在不增加其他设备的条件下就可以避免车辆冒黑烟,缺点是要损失一定的车辆加速性,所以需要通过实际装车试验来选取油门滤波的时间常数,在车辆不冒烟和加速性中取折中点。如果车辆配有可调增压器,则不宜采用这种控制方法。参考文献: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页)编辑:潘丽丽ExperimentalStudyonPerformanceofDieselEngineFuel