1、乙醇柴油发动机燃烧过程分析摘 要：利用台架试验，开展乙醇柴油发动机燃烧过程对助溶剂感受性的研究。获得燃用乙醇柴油/柴油时气缸压力、放热率、预混合及扩散燃烧持续期和热量分配、燃烧重心变化规律。与柴油相比，在转速为 1 800 r/min，柴油机燃用三种燃料，负荷为 25%的工况下，缸内压力差异较小，在 100%负荷时缸内压力曲线差异增加。在 25%负荷时，N5E10 放热峰值B10E10 放热峰值柴油放热峰值；在 100%负荷时，柴油放热峰值B10E10 放热峰值N5E10 放热峰值。在转速为 1 800 r/min，负荷为 25% 的工况下，发动机的放热曲线呈双峰分布，在其余工况下，柴油机放热
2、两阶段的界限并不明显，总体呈单峰分布。乙醇柴油发动机预混合燃烧期缩短，预混合燃烧阶段放热量比例降低，扩散燃烧期缩短，燃烧重心更加向上止点靠近。 关键词：柴油机；乙醇柴油；助溶剂；燃烧过程 中图分类号：TK421+.2 文献标文献标识码：A 文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.07 柴油机凭借其在 CO2 排放和油耗方面的优势，在商用车和乘用车领域内所占份额不断扩大，这是对柴油的市场供应的一个巨大考验。随着石油供需矛盾的不断加剧，代用清洁燃料的研究越来越受到重视。乙醇是一种可再生的清洁含氧燃料，借助助溶剂制备乙醇柴油，在柴油机上具有广阔的应用前景。 目
3、前研究助溶剂对柴油机燃用乙醇柴油时性能的影响，从理化性质、动力性、经济性和排放的角度探讨1-6。课题组前期对柴油机燃用乙醇柴油时缸内压力、燃油消耗率、常规排放特性进行了研究5-6， 结果表明，柴油中掺混乙醇可有效降低 NOx 和烟度，燃烧热效率提高，通过增加供油量可恢复动力性。本文进一步从气缸压力、放热率、预混合及扩散燃烧持续期和热量分配、燃烧重心等细节方面开展乙醇柴油发动机燃烧过程对助溶剂感受性的研究，为含氧燃料在柴油机中的应用提供参考。 1 试验部分 1.1 柴油机主要参数及设备 本试验柴油机的主要参数见表 1，试验时为了对比不同油品的特点，对柴油机未做任何改变。气缸压力数据采用 Dewe
4、tron 公司的 EWE-2010 DAQ 系统进行采集，该系统具有 16 个采样通道以及 0.2CA 采样频率的编码器。 1.2 试验燃料及理化性质 原料：0 号柴油，市购；生物柴油，海南正和生物能源有限公司；乙醇和正丁醇，分析纯 （99.99%） ，国药集团化学试剂有限公司产品。 燃料：（1） 0 号柴油。 （2） 10% （质量分数，下同） 生物柴油+10%乙醇+80% 0 号柴油，记为 B10E10。 （3） 5%正丁醇+10%乙醇+85% 0 号柴油，记为 N5E10。其中乙醇柴油燃烧配比根据课题组前期试验结果选定，六种燃料的主要物理化学性质见表 2。 1.3 试验方案 分别燃用 0
5、 号柴油、B10E10 和 N5E10 进行对比试验。在最大转矩转速 1 800 r/min 和额定功率转速 2 900 r/min，10%、25%、50%以及 100%负荷下进行发动机台架试验，利用 Dewetron 公司的 EWE-2010 DAQ 系统进行数据采集时燃用四种燃油的示功图数据。本研究利用实测示功图计算燃烧放热率，根据气缸内燃烧放热率（dQB/dt）等于气缸内工质的内能变化率（dU/dt） 、做功变化率（pdV/dt）及散热率（dQw/dt）的总和，建立如下的能量守恒方程： 。 式中：QB 为燃料放热量，J；U 为缸内工质的内能，J；QW 为工质向周壁的传热量，J；pdV 为
6、工质对外做功，J。 2 结果与讨论 2.1 气缸压力和放热率 图 1 为转速 1 800 r/min 和 2 900 r/min 时，25%、100%负荷下的缸内压力和放热率曲线。从缸内压力曲线可知：燃料特性对缸内压力的影响与工况相关。在转速为 1 800 r/min，三种燃料在 25%负荷时缸内压力差异较小，在 100%负荷时缸压曲线差异增加。由于低负荷时宏观过量空气系数较大，缸内氧气浓度高，因此柴油机燃用三种燃油时缸内压力曲线基本相同。然而在 100%负荷时缸内压力曲线差异增加，这是因为，100%负荷时喷油量增加，柴油中掺混乙醇改善油气混合和促进燃烧发挥效应，且乙醇气化吸热降低缸内温度得到
7、弱化，因此在 100%负荷时三种燃油的缸内压力曲线差异增加。在转速为 2 900 r/min 时，尽管燃烧过程持续曲轴转角基本不变，但是转速从 1 800 r/min 增加至 2 900 r/min 时，燃烧持续期缩短约 40%，因此柴油掺混乙醇后，乙醇燃料粘度低以及自供氧的助燃作用得到有效发挥，高转速时三种燃料缸内压力曲线差异增加，且随负荷的增加，这种差异进一步增加。 从图 1 缸内压力曲线可知：（1）当转速为 1 800 r/min 时，B10E10、N5E10 的最大爆发压力略低于柴油。25%负荷时，B10E10、N5E10 的最大爆发压力较柴油降低了 0.22 MPa 和 0.12 M
8、Pa，最大爆发压力对应的曲轴转角较柴油滞后了约 1.0 CA 和 2.0 CA。柴油机燃用乙醇柴油时缸内最大压力降低是由于乙醇柴油热值低，而尽管 B10E10 热值高于 N5E10，但 B10E10 最大压力比 N5E10 低 0.1 MPa，这是由于 N5E10 十六烷值低于 B10E10，滞燃期增加，滞燃期内形成的可燃混合气增加，因此 N5E10 的缸内爆发压力高于 B10E10。100%负荷时 B10E10 和 N5E10 的最大爆发压力均低于柴油，且最大爆发压力对应的相位没有变化，这是由于增压发动机高负荷时缸内温度和压力较高，十六烷值对滞燃期影响较小，因此三种燃料滞燃期基本相同；然而
9、B10E10和 N5E10 低热值低于柴油，因而乙醇柴油最大爆发压力低于柴油。 （2）当转速为 2 900 r/min 时，B10E10、N5E10 的最大爆发压力明显高于柴油。这是因为，高转速时燃烧过程时间明显缩短，乙醇柴油燃料的低粘度和表面张力改善雾化特性；同时乙醇柴油的十六烷值降低，压升滞燃期延长（低负荷作用更加明显） ，使滞燃期内形成预混合气质量增加，最大缸内压力增加。当转速为 2 900 r/min 时，与柴油相比，25%负荷工况下 B10E10、N5E10 的最大爆发压力对应相位滞后；100%负荷工况下，三种燃料最大爆发压力对应相位基本相同，原因如前所述。 从图 1 所示的放热规律
10、曲线还看出：（1）与燃用纯柴油相比，用乙醇柴油混合燃料时，燃烧始点推迟，在低负荷或高转速时更加明显。这是由于乙醇的添加导致混合燃料十六烷值降低，滞燃期增加，滞燃期内形成的可燃混合气增加，预混燃烧量增加，扩散燃烧得到改善，扩散燃烧持续期缩短，这也从另一侧面证明了柴油掺混乙醇后扩散燃烧缩短的现象。低负荷时柴油机缸内温度低，滞燃期受十六烷值变化的影响较大，混合燃料滞燃期随乙醇的添加变化较大。 （2）25%负荷时，N5E10 放热峰值B10E10 放热峰值柴油放热峰值；100%负荷时，柴油放热峰值B10E10放热峰值N5E10 放热峰值。 （3）在中大负荷工况下，不同燃料的放热规律呈单峰分布。 2.2
11、 预混合燃烧和扩散燃烧 为研究燃烧过程预混和扩散燃烧阶段放热量的分配比例，需要定量划分预混合和扩散燃烧阶段，取缸内最大爆发压力对应的曲轴转角划分这两个阶段。图 2 给出了在转速为 1 800 r/min 工况时混合燃料的预混燃烧期、扩散燃烧期及其放热量分配。结果表明：（1）三种燃料的预混合燃烧期随负荷增加而增加。这是由于随负荷增加，一方面缸内温度升高，滞燃期缩短，从时间上减少可燃混合气数量；另一方面对于柴油机而言，宏观过量空气系数可达 1，负荷增加，喷油速率增加，会增加可燃混合气形成数量，因此预混合气燃烧期取决于上述两个因素的综合效果。从试验结果可知，第二个因素处于主要地位。 （2）在转速为
12、1 800 r/min 时，乙醇柴油的预混合燃烧期比柴油短；这是因为，预混合燃烧期不仅与滞燃期内形成可燃混合气数量有关，还与燃料燃烧速率密切相关。对于乙醇柴油，尽管十六烷值降低，在着火滞燃期内形成的可燃混合气增加，但是乙醇是轻组分燃料，滞燃期内形成的可燃混合气中乙醇蒸气比例较高，而乙醇化学反应动力学速度较柴油快约 1.5 倍，因此乙醇柴油预混合燃烧期较柴油反而缩短。 （3）多数负荷下乙醇柴油的预混燃烧占整个燃烧放热的比例低于柴油。如前所述，乙醇和正丁醇是易挥发组分，在滞燃期形成的可燃混合气中比例较高，同时乙醇、正丁醇和生物柴油低热值低于柴油，因此燃用乙醇柴油时预混合燃烧所放出热量比例降低。 B
13、10E10 和 N5E10 的扩散燃烧期以及放热量比例如图 2 所示。结果表明：（1）与柴油相比，燃用乙醇柴油时扩散燃烧期缩短，高负荷时更明显。这是由于扩散燃烧速率取决于燃料与空气相互扩散形成可燃混合气的速率，乙醇、生物柴油和正丁醇都是含氧燃料，能增加燃烧过程中活性氧浓度，促进燃烧。同时乙醇和正丁醇的燃料粘度和表面张力较低，能改善雾化特性，进一步促进燃烧，因此在相同工况下燃用乙醇柴油时扩散燃烧期缩短。 （2）由于以累计放热率达到 90%作为扩散燃烧期的终点，因此三种燃料在不同负荷下预混合燃烧期和扩散燃烧期放热量比例呈此消彼长的关系。 2.3 燃烧重心 燃烧重心一般用放热率重心表示，即累计放热量
14、达到总放热量的 50%时对应的曲轴转角。图 3 是乙醇柴油混合燃料放热率曲线型心曲轴转角随负荷的变化图。 由图 3 可知：（1）在转速为 1 800 r/min 时，燃用三种燃油的燃烧重心均随负荷的增加而推迟；而当转速为 2 900 r/min 时，燃烧重心先增加然后减小。这是由于，一方面负荷增加，缸内温度增加，滞燃期缩短，燃烧始点提前，放热率曲线型心向上止点靠近；另一方面，柴油机工况是采用质调节方式来实现的，因此喷油量随负荷增加而增加，滞燃期缩短，预混合燃烧量减少，扩散燃烧量增加，使放热率重心远离上止点。上述两个因素决定燃烧重心的变化规律。 （2）与燃用柴油相比，柴油机燃用乙醇柴油时放热率曲
15、线型心随负荷的增加先偏离上止点，然后向上止点靠近。这是因为，柴油掺混乙醇使预混燃烧量增加，扩散燃烧量减小，燃烧等容度提高，从而使放热率曲线型心向上止点靠近；另一方面，混合燃料中乙醇的加入，滞燃期增长，燃烧始点推后，放热率曲线型心远离上止点，两者综合作用导致最终试验结果。 3 结论 （1）燃料特性对柴油机缸内压力的影响与工况相关。在转速为 1 800 r/min 时， 三种燃料在 25%负荷时缸内压力差异较小，在 100%负荷时差异增加；当转速为 2 900 r/min 时，B10E10、N5E10 的最大爆发压力高于柴油，100%负荷工况下，三种燃料最大爆发压力对应相位基本相同。燃料特性对放热
16、率的影响为：25%负荷时，N5E10 放热峰值B10E10 放热峰值柴油放热峰值；100%负荷时，柴油放热峰值柴油B10E10 放热峰值N5E10 放热峰值。在转速为 1800 r/min，负荷为 25% 的工况下，放热曲线呈双峰分布；在其余工况下，柴油机放热两阶段的界限并不明显，总体呈单峰分布。 （2）预混合和扩散燃烧阶段变化规律：与柴油相比，乙醇柴油预混合燃烧期和扩散燃烧期均缩短，且在高负荷时更明显。燃烧重心变化规律：与柴油相比，柴油机燃用乙醇柴油时放热率曲线型心随柴油机负荷的增加先偏离上止点，然后向上止点靠近。 参考文献（References）： 颜文胜，陈泓，申立中，等. 不同大气压力
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