王忠，楊丹，李瑞娜，趙懷北

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

甲醇-生物柴油對發(fā)動機循環(huán)變動的影響

王忠，楊丹，李瑞娜，趙懷北

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

在單缸柴油機上通過測量得到了燃用不同摻混比甲醇-生物柴油時的燃燒示功圖，對不同柴油機工況下甲醇-生物柴油燃燒的循環(huán)變動進(jìn)行了研究，分析了最大壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)(COV(dp/dφ)max)、平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)(COVpmi)、最高燃燒壓力的變動系數(shù)(COVpmax)、最高燃燒壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SDφpmax)等循環(huán)變動的評價參數(shù)。研究結(jié)果表明：工況一定時，隨著甲醇摻混比增加，COV(dp/dφ)max，COVpmi等循環(huán)變動系數(shù)均有所增大；與生物柴油相比，甲醇摻混比為10%和20%時循環(huán)變動系數(shù)變化較小，當(dāng)甲醇摻混比為30%時，COV(dp/dφ)max增加了6.2%，COVpmi增加了24.2%，COVφpmax增加了8.4%；當(dāng)甲醇摻混比不變時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，COV(dp/dφ)max降低，COVpmi以及COVpmax先降低后增高；負(fù)荷增加時，各壓力參數(shù)的循環(huán)變動系數(shù)均降低，SDφpmax略微上升。

甲醇；生物柴油；燃燒；循環(huán)變動；摻混比

生物柴油和甲醇都是優(yōu)質(zhì)的柴油機替代燃料。柴油機燃用甲醇-生物柴油混合燃料，可以降低對石化燃料的依賴度、減少柴油機排放污染物[1]。由于甲醇的十六烷值低，汽化潛熱高，隨著甲醇摻混比的增加，燃燒過程中吸熱量增加，預(yù)混初期燃燒速率降低，著火滯燃期延長，形成的可燃混合氣不均勻，擴散燃燒過程速率高，燃燒不穩(wěn)定，對發(fā)動機的性能及使用壽命產(chǎn)生很大影響。

近年來，科研人員已開始對醇燃料柴油機的燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動進(jìn)行研究。Panagiotis Kyrtatos等[2]對柴油機的循環(huán)變動進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，燃燒過程中的氣缸振動會使得缸內(nèi)氣體產(chǎn)生徑向模式振動，導(dǎo)致預(yù)混燃燒持續(xù)期增加，缸內(nèi)壓力峰值升高，壓力變動增加，且滯燃期、進(jìn)氣充量等都會對柴油機的燃燒循環(huán)變動產(chǎn)生影響。天津大學(xué)的姚春德等[3]研究了燃用柴油-甲醇混合燃料時發(fā)動機缸內(nèi)壓力及溫度變化，結(jié)果表明，隨著甲醇噴射量增加，燃燒始點比采用純柴油時延遲了2°～4°，但是柴油-甲醇的燃燒速度快，氣缸峰值壓力比燃燒純柴油時高，放熱率曲線呈單峰形，最高燃燒溫度比燃燒純柴油時有所降低。太原理工的葛宇振等[4]研究了燃燒F-T柴油-甲醇混合燃料對發(fā)動機燃燒循環(huán)變動的影響，結(jié)果表明，壓力峰值相位的循環(huán)變動隨轉(zhuǎn)速的增加稍有增大，但變動范圍在 0.45% 以內(nèi)，甲醇摻混比為5%，10%，15%時，隨甲醇摻混比的增加，燃燒始點的循環(huán)變動系數(shù)先增大后減小，放熱率峰值的循環(huán)變動系數(shù)變動較大，其對應(yīng)相位的循環(huán)變動系數(shù)基本不變。長安大學(xué)陳昊等[5]以柴油-生物柴油為研究對象，研究了甲醇摻混比對CT2100Q柴油機燃燒循環(huán)變動及排放的影響，結(jié)果表明，1 500 r/min時，與M0相比，M5與M10的最高燃燒壓力及最大燃燒放熱率較高，最高燃燒壓力以及最大燃燒放熱率對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后，循環(huán)變動加強；炭煙排放分別降低了58.59%，70.38%，降低的幅度隨甲醇比例增加而增大。陳志恒等[6]對循環(huán)變動表征參數(shù)的經(jīng)濟(jì)樣本容量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，樣本容量對最高燃燒壓力循環(huán)變動等評價參數(shù)以及計算精度有重要影響，在考慮精度要求的情況下，每個試驗點的經(jīng)濟(jì)樣本容量以1 000～2 000個循環(huán)較為適宜。

在186FA單缸柴油機上開展了柴油機燃用甲醇-生物柴油混合燃料的臺架試驗，測量了不同柴油機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及甲醇摻混比時的示功圖，分析了采樣循環(huán)數(shù)對循環(huán)變動數(shù)據(jù)處理的影響，著重探討了燃用不同甲醇摻混比燃料的柴油機最大壓力升高率(dp/dφ)max、平均指示壓力(pmi)、最高燃燒壓力(pmax)、缸內(nèi)壓力峰值相位(φpmax)等的循環(huán)變動隨轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的變化規(guī)律。

1 循環(huán)變動評價指標(biāo)及試驗方案

1.1 循環(huán)變動評價指標(biāo)

燃燒循環(huán)變動是反映發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù)，是指在發(fā)動機以某一工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，相鄰循環(huán)燃燒過程的不斷變化[7]，具體表現(xiàn)在壓力曲線、火焰?zhèn)鞑ヒ约鞍l(fā)動機功率輸出的變動。循環(huán)變動的評價方法較多，用光變化曲線的特征參數(shù)來評價燃燒火焰光譜線在不同工況下的光強變化，反映了燃燒過程及燃燒的時間特性[8]。評價燃燒循環(huán)變動的參數(shù)是基于研究目的和研究對象提出的，有不同的適用性和特殊性。一般的循環(huán)變動評價參數(shù)有氣缸壓力、燃燒放熱與火焰?zhèn)鞑?shù)和其他表征參數(shù)[7]。本研究主要分析了氣缸壓力的燃燒循環(huán)變動，分別采用最大壓力升高率、平均指示壓力、最高燃燒壓力及其曲軸轉(zhuǎn)角的循環(huán)變動作為評價指標(biāo)。

數(shù)學(xué)方法上利用非線性動力學(xué)分析燃燒過程，相空間中的點代表狀態(tài)，相空間中的軌線表示燃燒過程隨時間發(fā)展的情況。符號時間序列方法在燃燒循環(huán)變動特征分析中也有應(yīng)用。在數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中通常使用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)作為反映樣本變動程度的相對指標(biāo)，一般將標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)稱作循環(huán)變動系數(shù)(COV)。以某一工況下發(fā)動機的氣缸壓力特征參數(shù)或者燃燒特征參數(shù)的變動水平來評價循環(huán)變動的程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：N為特征參數(shù)的樣本個數(shù)，即所采集的循環(huán)數(shù)，本研究中N=100；Xi為特征參數(shù)中第i循環(huán)的值。最大壓力升高率、平均指示壓力、最高燃燒壓力的循環(huán)變動系數(shù)分別用COV(dp/dφ)max，COVpmi，COVpmax表示。

1.2 試驗方案及設(shè)備

為研究甲醇摻混比對柴油機運轉(zhuǎn)性能的影響，測量了甲醇的體積摻混比分別為0%，10%，20%，30%時，在不同轉(zhuǎn)速及不同負(fù)荷下壓力參數(shù)的變化情況。試驗過程中，每個試驗工況采集了多個循環(huán)的氣缸壓力數(shù)據(jù)。分析比較了不同摻混比時最大壓力升高率、平均指示壓力、每循環(huán)最高燃燒壓力及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。利用這些壓力參數(shù)的變化表征柴油機在甲醇摻混比變化時缸內(nèi)壓力及缸內(nèi)燃燒過程的變化情況，即摻混比所引起的壓力參數(shù)循環(huán)變動的變化情況。

試驗用柴油機為186FA單缸柴油機，主要的技術(shù)參數(shù)見表1。試驗所用的儀器有測功機(中成)、DEWE-800-CA-SE 燃燒分析儀(奧地利 DEWETRON 公司)和Kistler壓力傳感器。

表1 柴油機相關(guān)參數(shù)

試驗用燃料為生物柴油和甲醇體積摻混比分別為0%，10%，20%，30%的甲醇-生物柴油混合燃料，分別記為B100，BM10，BM20，BM30。燃料的部分理化性質(zhì)見表2。從表2可以看出，混合燃料的十六烷值、低熱值以及黏度、密度隨著甲醇摻混比的增加而降低。

表2 混合燃料的部分理化性質(zhì)

1.3 循環(huán)采樣數(shù)的影響

循環(huán)的采樣數(shù)對循環(huán)間的變動分析結(jié)果有較大影響。在發(fā)動機燃燒過程統(tǒng)計分析時，某一個單獨的循環(huán)或若干個循環(huán)都不能代表發(fā)動機工作的總體變動狀況，尤其是進(jìn)行燃燒過程試驗時，摻混甲醇改變了柴油機的純柴油燃燒模式，對燃燒循環(huán)的采樣也會產(chǎn)生一定誤差。通過試驗測錄缸內(nèi)氣體壓力曲線，由于存在循環(huán)變動，在所測錄的各組數(shù)據(jù)中有些循環(huán)的壓力值明顯偏高或偏低。因此，在對內(nèi)燃機缸內(nèi)壓力進(jìn)行分析時，需要對示功圖進(jìn)行多循環(huán)平均，循環(huán)數(shù)的多少需根據(jù)循環(huán)變動的程度來確定。

圖1示出了20%甲醇摻混比下，采樣數(shù)分別為25，50，100，150時的缸內(nèi)壓力曲線。從圖中可以看出當(dāng)采樣數(shù)為25，50時曲線不夠平順，隨著采樣數(shù)的增加，壓力曲線趨于順滑，采樣數(shù)為150時，壓力曲線與采樣數(shù)為100時幾乎重合。由此可見，當(dāng)采樣數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值之后，輸出結(jié)果的變化很小，幾乎可以忽略不計。

圖1 不同采樣數(shù)下的缸壓曲線

圖2示出了20%甲醇摻混比時，最高燃燒壓力循環(huán)變動系數(shù)隨循環(huán)采樣數(shù)增加的變化規(guī)律。從圖中可以看出，COVpmax隨著循環(huán)采樣數(shù)的增加而增大，但增長幅度隨著循環(huán)采樣數(shù)的增加而減小，當(dāng)循環(huán)采樣數(shù)大于100時，COVpmax的變化小于0.8%，pmax的循環(huán)變動系數(shù)為4.8%，變化趨于收斂。統(tǒng)計結(jié)果表明，循環(huán)采樣數(shù)大于100時，不正常燃燒的循環(huán)對統(tǒng)計結(jié)果的影響很小，循環(huán)采樣數(shù)取值為100較為合理，可以對燃燒循環(huán)變動的參數(shù)進(jìn)行分析。

圖2 不同采樣數(shù)下的最高燃燒壓力循環(huán)變動系數(shù)

2 結(jié)果分析

圖3示出了2 700 r/min，100%負(fù)荷工況下，不同甲醇摻混比時缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線，采用的是100個循環(huán)內(nèi)的缸壓平均值。從圖中可以看出，該工況下，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象，缸內(nèi)壓力曲線的第一個峰值出現(xiàn)在壓縮上止點附近，此時缸內(nèi)壓力和溫度比較低。第二個峰值明顯高于第一個峰值，是混合燃料經(jīng)過了預(yù)混燃燒和擴散燃燒，同時由生物柴油-甲醇的預(yù)混燃燒相互耦合所產(chǎn)生的燃燒壓力峰。隨著甲醇摻混比的增加，最高燃燒壓力降低，最高燃燒壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也相應(yīng)后移。甲醇的熱值較低，摻混甲醇后，缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的最大壓力低于生物柴油燃燒時的壓力。

圖3 不同甲醇摻混比下的缸內(nèi)壓力

圖4示出了2 700 r/min，100%負(fù)荷工況，不同甲醇摻混比時燃燒滯燃期的變化規(guī)律。從圖中可以看出，生物柴油的滯燃期為8.3°，隨著甲醇摻混比的增加，十六烷值降低，汽化潛熱增加，影響了混合燃料的著火過程，著火時間推遲，滯燃期延長。BM10，BM20，BM30的滯燃期分別為上止點后9.1°，9.9°，13.0°。

圖4 不同甲醇摻混比下的燃燒滯燃期

2.1 最大壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)

圖5示出了不同甲醇摻混比下燃料的最大壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)隨轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的變化規(guī)律。從圖5a可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大壓力升高率的循環(huán)變動系數(shù)降低，在中高轉(zhuǎn)速時降低的幅度較小。隨著甲醇摻混比的增加，COV(dp/dφ)max增加，高摻混比時增加的幅度較大。由于摻混甲醇后，混合燃料的滯燃期延長，導(dǎo)致滯燃期內(nèi)積累的熱量增加，缸內(nèi)溫度升高，使燃燒化學(xué)反應(yīng)速度加快。燃燒速度過大，容易產(chǎn)生較大的熱負(fù)荷沖擊，形成壓力振蕩，燃燒過程粗暴。

從圖5b可以看出，在整個負(fù)荷范圍內(nèi)，生物柴油的循環(huán)變動率隨負(fù)荷的增加而降低，但變化波動不大，在 4.9% ～ 5.5% 范圍內(nèi)。燃用BM10,BM10 和 BM30時，壓力升高率峰值的循環(huán)變動系數(shù)隨負(fù)荷的增加而減小。低負(fù)荷時，壓力升高率峰值的循環(huán)變動系數(shù)高于生物柴油，10% 負(fù)荷時，BM30 的COV(dp/dφ)max達(dá)到 6.3%；中高負(fù)荷時，BM30 的COV(dp/dφ)max低于生物柴油。這是由于低負(fù)荷時，混合燃料的壓力升高率峰值平均值低，造成循環(huán)變動率偏高。中高負(fù)荷時，進(jìn)氣充量增加，且甲醇汽化潛熱大，混合燃料在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣的量小，燃燒環(huán)境較好，循環(huán)變動率低。

圖5 不同摻混比時COV(dp/dφ)max隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律

2.2 平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)

平均指示壓力的變動系數(shù)是評價發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的主要參數(shù)。圖6示出了燃用不同甲醇摻混比燃料時，缸內(nèi)平均指示壓力的循環(huán)變動系數(shù)隨轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的變化規(guī)律。從圖6a中可以看出，平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加先降低后增加，摻混甲醇后變動的幅度比燃用生物柴油時小。從圖6b可以看出，隨著負(fù)荷增加，4 種燃料的平均指示壓力循環(huán)變動率降低，摻混比較大時，COVpmi較大。當(dāng)甲醇摻混比為10%，20%時，平均指示壓力的循環(huán)變動幾乎相同，基本在 0.45%～0.55%之間；當(dāng)摻混比增加到30%時，COVpmi明顯增大。這是由于甲醇摻混比過大時，燃燒的滯燃期增加，缸內(nèi)的燃燒環(huán)境相對變差，燃料不完全燃燒和失火現(xiàn)象出現(xiàn)的概率增加，導(dǎo)致COVpmi大幅增大。

圖6 不同摻混比時COVpmi隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律

2.3 最高燃燒壓力及其曲軸轉(zhuǎn)角循環(huán)變動系數(shù)

最高燃燒壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也能非常清晰地反映出燃料在缸內(nèi)著火及火焰?zhèn)鞑サ那闆r，是一個表征發(fā)動機燃燒循環(huán)變動常用的參數(shù)。圖7示出了燃用不同甲醇摻混燃料時，缸內(nèi)的最高燃燒壓力循環(huán)變動系數(shù)隨轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的變化規(guī)律。圖7a示出了 75%工況時，甲醇摻混比為0%，10%，20%和 30% 時，最高燃燒壓力的循環(huán)變動系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖中可以看出，不同甲醇摻混比燃料的燃燒壓力峰值循環(huán)變動系數(shù)均隨轉(zhuǎn)速的增加先降低后增加。這是由于，轉(zhuǎn)速較低時，缸內(nèi)氣流速度小，不利于燃燒，轉(zhuǎn)速較高時，缸內(nèi)混合氣流速較高，散熱加快，燃燒過程的循環(huán)變動增大。甲醇摻混比為10%，20%時，隨著摻混比的增加，pmax的循環(huán)變動系數(shù)先降低后增加，但與生物柴油的相差不大，中低轉(zhuǎn)速時，COVpmi基本在0.3%～0.75%間變動；當(dāng)摻混比達(dá)到30%時，循環(huán)變動增加幅度較大，在標(biāo)定點轉(zhuǎn)速，BM30的循環(huán)變動系數(shù)較純生物柴油增加了36%。

圖7b示出不同負(fù)荷下最高燃燒壓力循環(huán)變動系數(shù)的變化規(guī)律。由圖可知，燃燒壓力峰值循環(huán)變動系數(shù)隨負(fù)荷的增加逐漸降低，中小負(fù)荷時，BM10，BM20的壓力峰值循環(huán)變動與純生物柴油相當(dāng)。隨負(fù)荷增大，混合氣濃度增加，混合氣中氧含量增加，燃燒速率增加，燃燒質(zhì)量提高，燃燒穩(wěn)定性增加；同時，燃燒室溫度增加，燃油蒸發(fā)速率加快，混合氣均質(zhì)化程度提高，甲醇?xì)饣瘽摕岬挠绊憸p小，燃燒穩(wěn)定性提高。隨著甲醇摻混比的增加，pmax的循環(huán)變動系數(shù)增加。

圖7 不同摻混比的COVpmax隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律

最高燃燒壓力相位(φpmax)是一系列的點集，探討最高燃燒壓力相位的變動時用標(biāo)準(zhǔn)偏差代替循環(huán)變動系數(shù)，它能反映樣本偏離真值的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，說明樣本中的數(shù)值離平均值就越大，變動也就越大。圖8示出了不同摻混比時，COVφpmax隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律。從圖8a可以看出，最高燃燒壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角循環(huán)變動隨著轉(zhuǎn)速的增加變化的幅度較小，但隨甲醇摻混比的增加而增加。當(dāng)摻混比為10%時，最高燃燒壓力相位的變動系數(shù)與生物柴油基本一致，在0.8%～1.4%間變動；當(dāng)甲醇摻混比達(dá)到30%時，各轉(zhuǎn)速下的循環(huán)變動系數(shù)大幅度上升，最大變動系數(shù)達(dá)到2.5%，幾乎為BM10循環(huán)變動系數(shù)的2倍。從圖8b可以看出，隨著負(fù)荷的增加，最高燃燒壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的變動系數(shù)呈上升的趨勢。中低負(fù)荷時，摻混甲醇后的循環(huán)變動系數(shù)明顯高于生物柴油。

圖8 不同摻混比時SDφpmax隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律

3 結(jié)論

a) 循環(huán)數(shù)大于100時，COVpmax的變化小于0.8%，且缸壓曲線在循環(huán)數(shù)達(dá)到100后曲線波動呈現(xiàn)收斂的趨勢，可以反映燃燒循環(huán)的總體平均水平；

b) 當(dāng)摻混比不變時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)降低，平均指示壓力以及最高燃燒壓力的變動系數(shù)先降低后增高；負(fù)荷增加時，各壓力參數(shù)的循環(huán)變動系數(shù)均降低，最高燃燒壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變動略微上升；

c) 工況一定時，摻混比增加，各壓力參數(shù)的變動系數(shù)變化均增加，2 700 r/min,100%負(fù)荷時，與生物柴油相比，BM30的COV(dp/dφ)max增加了6.2%，COVpmi增加了24.2%，COVφpmax增加了8.4%。

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EffectsofMethanol/BiodieselonEngineCyclicVariation

WANG Zhong，YANG Dan，LI Ruina，ZHAO Huaibei

(School of Automotive and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The combustion indicator diagrams were measured on a single cylinder diesel engine fueled with different blended fuels of diesel and methanol. The combustion cyclic variation of blended fuel was studied under different conditions, which analyzed the evaluation parameters of cyclic variation such as the maximum pressure rise rate coefficientCOV(dp/dφ)maxthe mean indicated pressure coefficientCOVpmi, the maximum combustion pressure coefficientCOVpmaxand the standard error of its corresponding crank angleSDφpmax. The results show thatCOV(dp/dφ)maxandCOVpmiincrease with the increase of methanol mixing ratio. Compared with biodiesel, the changes of cyclic variation coefficients are smaller when the mixing ratios are 10% and 20%.When the mixing ratio of methanol increases to 30%, theCOV(dp/dφ)maxincreases by 6.2%,COVpmiincreases by 24.2%, andCOVpmaxincreases by 8.4%. For the constant mixing ratio,COV(dp/dφ)maxdecreases andCOVpmiandCOVpmaxfirst decrease and then increase with the increase of speed. With the increase of load, the cyclic variation coefficients of all pressure parameters decrease, but the corresponding standard error of maximum combustion pressure slightly increases.

methanol；biodiesel；combustion；cyclic variation；blending ratio

姜曉博]

2017-06-12；

2017-09-29

國家自然科學(xué)基金(51376083)

王忠(1961—)，男，教授，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機代用燃料及工作過程數(shù)值計算；wangzhong@ujs.edu.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.003

TK428.9

B

1001-2222(2017)06-0013-06