燃用丁醇-柴油混合燃料对增压中冷柴油机燃烧及进排气的影响研究*



燃用丁醇-柴油混合燃料对增压中冷柴油机燃烧
及进排气的影响研究*

摘要：基于一台增压中冷柴油机，研究了不同丁醇-柴油掺混比（D100、Bu10、Bu20和Bu40）混合燃料发动机在负荷特性下的缸内压力变动及进排气参数的变化规律。结果表明：随着丁醇混合比例的提高，燃烧始点、最大压力点和最大压力升高率点对应曲轴转角都滞后，最大压力升高率明显增大，压力峰值循环稳定性变差；进气增压比降低；进气质量流量减小，空燃比变小；中冷后进气温度升高，且在低速低负荷时更明显，而涡后排气温度基本不变。

关键词：丁醇-柴油燃料增压中冷缸内压力进排气

引言

丁醇作为第二代生物燃料的代表，因具有来源广，能量密度和辛烷值较高，分子内含氧，与柴油混合不需要加助溶剂，且对金属腐蚀性小等优点，已经成为柴油的一种理想的替代燃料[1-2]，可以缓解当今世界能源短缺的危机。而将丁醇在符合更高排放标准的现代柴油机中燃用，则可以同时解决能源短缺和环境污染这两个问题。

关于丁醇部分替代柴油，国内外进行了大量的研究[3-7]，这些研究主要集中在柴油机燃用丁醇-柴油混合燃料对柴油机性能以及燃烧和排放特性试验研究及机理分析等方面，很少涉及对可以指导增压系统及后处理系统的优化调整的进排气参数变化影响的分析。且大多运用的是传统机械泵柴油机或者是排放标准较低的未做任何改动的柴油机上进行的试验，这样实验的目的是为了探索在尽可能低的成本下推广丁醇替代柴油，但是缺点是不能充分体现丁醇-柴油混合燃料的优势。

本文基于一台排放标准满足国V的某增压中冷柴油机，进行了最大转矩转速1400 r/min和额定转速2200 r/min下的负荷特性试验，研究了丁醇-柴油不同混合比混合燃料对缸内压力变动及进排气参数的影响，为丁醇-柴油混合燃料在现代柴油机上的运用以及后续的丁醇专用现代柴油机开发及匹配工作提供了理论依据。

1试验燃料及设备

1.1试验燃料配制

试验燃油分别为国V柴油（简称D100）、国V柴油和丁醇按10%、20%和40%不同体积比组成的丁醇-柴油混合燃料，简称为Bu10、Bu20和Bu40。其主要理化特性参见文献[8]。

1.2试验设备

试验发动机为满足国V的高压共轨柴油机，其主要技术参数见表1。

表1　　共轨柴油机主要参数

试验采用SCHENCK Dynas2400重型发动机试验系统：AVL APA 4F4电力测功机用来控制发动机转速-转矩，对于转矩增减的控制有良好的动态特性。AVL 735动态油耗仪是一套高精度连续测量的油耗测量系统。机油温度用AVL554机油冷却装置控制在90℃。燃油温度由AVL753燃油温度控制器控制在38℃。发动机冷却水温度由AVL553水冷却装置恒定控制在80℃。运用的DEWE-5000燃烧分析仪和KISTLER角标仪进行缸内压力采集。

2试验结果及分析

2.1缸内压力

图1和图2所示分别为最大转矩转速及额定转速负荷特性下柴油机燃用丁醇-柴油混合燃料对缸内压力和缸内压力升高率的变化规律。从图1和图2中可以看出，随着负荷的增加，丁醇-柴油混合燃料的缸内压力峰值和纯柴油规律相同，都呈增大趋势。以Bu40为例，在最大转矩转速1400 r/min负荷特性下，100%负荷时相对25%负荷，最大压力由8.6 Mpa上升为11.4 Mpa，这主要是由于负荷增加，喷油量增加，循环过程放热增多引起的。

图1　最大转矩转速对应缸压及压力变化率

图2　额定转速对应缸压及压力变化率

表2和表3所示分别为最大转矩转速及额定转速负荷特性下最大压力升高率及对应曲轴转角。

结合表2和表3可以看出：随着丁醇掺混比例的增加，最大压力升高率对应曲轴转角有所滞后但不明显，最大压力升高率变大。其中Bu40相对D100，在最大转矩转速1400 r/min的100%时，最大压力升高率对应曲轴转角由-1°CA滞后到1°CA，最大压力升高率由0.85 MPa/°CA上升到1.84 MPa/°CA，增加了116.5%，在额定转速2200 r/min时，最大压力升高率对应曲轴转角由1°CA滞后到2°CA，最大压力升高率由0.91 MPa/°CA上升到1.24 MPa/°CA，增加了36.3%。这主要是因为丁醇-柴油混合燃料滞燃期长，形成的大量可然混合气瞬间压燃引起的。

表2　最大转矩转速时最大压力升高率Pmax（MPa/°CA）及对应曲轴转角φ（°CA）

表3　额定转速时最大压力升高率Pmax（MPa/°CA）及对应曲轴转角φ（°CA）

定义压缩上止点对应曲轴转角为0°CA，缸内压力急剧上升脱离压缩线的点所对应曲轴转角为燃烧始点。图3所示为最大转矩转速及额定转速负荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料对应燃烧始点。可以看出，各个工况下，随着丁醇掺混比例的增加，燃烧始点滞后，这主要是由于丁醇汽化潜热相对柴油较高，导致缸内温度较低，十六烷值略低导致燃料难压燃引起的。最大转矩转速1400 r/min时，Bu40对应的燃烧始点相对D100平均滞后了2°CA，额定转速2200 r/min时则平均滞后了1.5°CA。可见额定转速2200 r/min时相对最大转矩转速1400 r/min时燃烧始点滞后的趋势变小，这主要是因为随着负荷的增加和速度的增大，缸内温度较高，丁醇汽化潜热大的劣势得以缓解。

2.2循环变动性

图3　最大转矩转速和额定转速负荷特性下的燃烧始点

发动机的循环变动对发动机的性能有不可忽视的影响，减小循环变动，可以改善工作过程及燃油经济性，也可减少有害排放物[9]。缸内压力峰值可反映燃烧过程的完善性和传热损失[10]，表明试验条件下燃烧效率和传热损失循环变动大小，其对缸内参数的循环变动比较敏感，是评价燃烧循环变动的重要指标[11]。

图4所示为最大转矩转速以及额定转速负荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料对压力峰值循环变动系数（COVpmax）的变化规律。

图4　最大转矩转速和额定转速负荷特性下的压力峰值循环变动系数

从图4中可以看出，随负荷增加，丁醇-柴油混合燃料的压力峰值变动系数变小，这跟纯柴油的变化趋势相同，其中在1400 r/min时，4种燃料的峰值压力循环变动系数平均值由10%负荷的0.011下降为100%负荷的0.006，下降了大约50%。低速低负荷时，压力峰值循环变动性比较大，这是因为，此时缸内温度较低，导致燃料着火界限变窄燃烧不充分以及传热损失所占比例较大引起的。而随着负荷的增加，缸内温度升高，一方面，滞燃期变小，滞燃期内形成的混合气数量稳定，着火更加稳定；另一方面，火焰传播速度增大，促进了循环变动的减小[12]。

随着丁醇掺混比例的增加，压力峰值的循环变动性变大，这主要是因为掺混丁醇后，由于丁醇气化潜热较大导致燃烧滞燃期过长，燃烧速度降低，可燃混合气量变动较大，燃烧容易不稳定。可见循环变动性与缸内温度及着火滞燃期关系密切。而在高速高负荷时，随丁醇峰值压力变动系数变化不明显，这主要是因为高速高负荷时，缸内温度较高，丁醇汽化潜热较高以及十六烷值低的劣势不再明显。

2.3进气质量流量和增压比

图5所示为柴油机燃用丁醇-柴油混合燃料对进气质量流量和增压比的影响。从图5中可以看出，随着丁醇掺混比例的增加，进气质量流量和增压比有下降的趋势。这是因为，放热率型心后移，使得燃烧等容度降低，压力升高率变小，导致排气压力降低，排气流动能量减小；涡轮机得到的能量减少，进而传递给压气机的能量减少；使进气质量减少，压缩比变小；压气机效率呈下降趋势，但下降得不明显，可以通过适当微调整增压器结构的方式解决。

图5　进气质量流量和增压比

图6所示为最大转矩转速以及额定转速负荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料对空燃比的影响。

从图6中可以看出，随着负荷的增加，丁醇柴油混合燃料和纯柴油的空燃比都呈下降趋势，这主要是因为，通过合理的进气组织和供油策略，使得随负荷增加，进气质量增加幅度比不上循环喷油质量增加的幅度引起的。

图6　最大转矩转速和额定转速负荷特性下的空燃比

图7　最大转矩转速和额定转速负荷特性下的进气温度

随着丁醇掺混比例的增加，空燃比变小，且在低速低负荷时表现更明显，在1400 r/min对应的10%负荷时，Bu40的空燃比相对D100减小了10。这是因为进气质量减小且丁醇-柴油混合燃料相对纯柴油低热值低导致循环供油量增加引起的，而在低速低负荷时，由于丁醇的气化潜热太高，导致缸内温度过低，燃料着火界限变窄，燃烧不充分严重，所以需要供给更多的燃料。

2.4进排气温度

图7所示为最大转矩转速以及额定转速负荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料对中冷后进气温度的影响。从图7中可以看出，随着负荷的增加，丁醇-柴油混合燃料进气温度和纯柴油都呈增加趋势。其中，1400 r/min时4种燃料进气温度平均值由10%负荷时14℃上升到了100%负荷时的28℃；2200r/min时也由10%负荷时21℃上升到了100%负荷时的50℃，上升幅度很大。这是因为负荷增加，循环供油量增加，放热增加导致排气能量增加，进而促进了进气能量增加引起的。

随丁醇掺混比例的增加，进气温度也呈增加趋势，且在低速低负荷时更明显，1400 r/min的10%负荷时，Bu10、Bu20和Bu40相对D100分别上升了1℃、4℃和8℃。这是因为柴油机燃用丁醇-柴油混合燃料后，排气流动能量减少导致压气机效率下降，进气流速减小，在涡轮增压器处的排气与进气的热交换增加引起的。

图8所示为最大转矩转速以及额定转速负荷特性下燃用丁醇-柴油混合燃料对涡后排气温度的影响。从图8中可以看出，随着负荷的增加，排气温度升高。随着丁醇掺混比例的增加，排气温度基本不变，这与无涡轮增压的柴油机随丁醇掺混比例的增加排气温度下降的试验结果不同[6]，但是原理是相符的。这主要是因为，增压中冷系统使得进气温度升高与丁醇汽化潜热较高降低排气温度的效果抵消。

图8　最大转矩转速和额定转速负荷特性下的排气温度

3　结论

1）各个工况下，随着丁醇掺混比例的增加，缸内压力急剧上升点滞后，最大压力升高率点出现滞后但不明显，最大压力升高率变大。在最大转矩转速1400 r/min时，Bu40对应的燃烧始点相对D100平均滞后了2°CA，额定转速2200 r/min时则平均滞后了1.5°CA。

2）随着丁醇掺混比例的增加，缸内压力峰值的循环稳定性变差。

3）丁醇掺混比例的增加将导致进气质量流量和增压比的下降以及空燃比的减小，且空燃比减小趋势在低速低负荷时最明显。

4）随丁醇掺混比例的增加，中冷后进气温度也呈增加趋势，且在低速低负荷时更明显，1400 r/min 的10%负荷时，Bu40相对D100的中冷后进气温度上升了多达8℃，而涡后排气温度基本不变。

参考文献

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12 Nir Ozdor，Mark Dulger，Eran Sher. Cyclic variability in spark ignition engines：a literature survey[J]. SAE Paper 940987

The Effects on Combustion and Inlet & Exhaust
Properties of Butanol-Diesel Blends to
a Turbocharged Diesel Engine

Zhang Tao, Lou Diming, Xu Ning, Tan Piqiang, Hu Zhiyuan, Zhou Yi
School of Automotive Studies, Tongji University (Shanghai, 201804, China)

Abstract：Based on a turbocharged diesel engine, this study focuses on the cylinder pressure changes and the engine intake & exhaust properties differences of the pure diesel and the butanol-diesel blends (D100, Bu10, Bu20 and Bu40). The results show: with the ratio of the butanol increasing, the combustion starting point, the maximum cylinder pressure and the maximum rate of cylinder pressure rise times are delayed, but the maximum rate of cylinder pressure rise significantly increases, the Cycle-by-Cycle Variations of the maximum pressure becomes larger; the compression ratio of the turbocharger and the air mass flow decrease, air -fuel ratio of inlet air after intercooler temperature also decreases; while the exhaust temperature after turbo remains almost unchanged.

Keywords：Butanol, Turbocharged and inter-cooled, Cylinder pressure, Inlet and exhaust

收稿日期：（2015-03-30） （2015-04-02）

文章编号：2095-8234（2015）03-0001-06

文献标识码：A

中图分类号：TK427

作者简介：张涛（1966-），男，副教授，主要研究方向为柴油机的结构设计与性能优化研究。

*基金项目：上海市科技攻关项目（10dz1210400）。
张涛楼狄明徐宁谭丕强胡志远周毅（同济大学汽车学院上海201804）
·研究·开发·