油酸甲酯温度对发动机性能的影响

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油酸甲酯温度对发动机性能的影响

仇世侃1，王冀白1，赵福磊1，蹇小平1,2

(1.长安大学　汽车学院，陕西　西安　710064; 2.交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室，陕西　西安　710064)

摘要： 为了研究油酸甲酯温度对发动机性能的影响，在1台两缸直喷式柴油机上设计了加热与恒温装置，对不同燃油温度条件下油酸甲酯的动力性、经济性、燃烧特性和排放特性进行了测试与对比研究。研究发现：随着温度的增加，油酸甲酯发动机动力性下降，经济性变化不明显；油酸甲酯燃烧压力曲线及燃烧放热率曲线后移，且高负荷时曲线后移明显；峰值燃烧压力和峰值瞬时燃烧放热率降低，且高负荷时降低的幅度增加；后燃期内放热率增加；在1 500 r/min 下，与10 ℃油温相比，25, 40, 55 ℃下油酸甲酯的NOx排放分别平均降低17.5%, 19.6%, 20.3%, 碳烟排放分别平均增加84.9%, 96.6%, 165.5%。结果表明：进油温度对油酸甲酯的性能有重要影响，可以作为基础参数来控制油酸甲酯的燃烧与排放。

关键词： 汽车工程；燃烧与排放；试验研究；进油温度；油酸甲酯

0　引言

在传统柴油机工作过程中，如果没有进行控制，燃料温度基本上只与环境温度有关[1-2]。温度变化将引起燃料弹性模量、密度、声速及黏度等性质发生变化。液体燃料性质的变化直接影响柴油机的燃烧过程[1]，进而对排放产生显著的影响。

生物柴油是指以各种油料植物油脂、工程微藻油脂以及动物油脂、餐饮废油等为原料，通过酯交换反应制成的甲酯或乙酯燃料[3-5]。生物柴油是柴油机的一种清洁替代燃料。柴油机燃用生物柴油或不同比例混合燃料时，不需要对发动机做任何改动[6-9]。

目前国内外对各种原料生物柴油的基础与应用研究集中于以下几个方面[8-12]：(1)生物柴油的燃烧特性；(2)生物柴油的喷雾特性；(3)柴油机燃用生物柴油的动力性、经济性与排放特性。生物柴油闪点为130 ℃，远高于柴油的70 ℃，这说明将生物柴油适当加热没有安全问题。加拿大温莎大学Sobiesiak教授提出：“在试验过程中，除了控制生物柴油NOx排放的常规方法外，试验发现提高喷油泵进口处油温可以明显降低NOx的排放，这种现象反映了进油温度对生物柴油燃烧过程与排放污染物的形成有着重要的影响，期待进一步的研究与讨论”。国内有论文对生物柴油进油温度进行了研究，但是该项研究存在明显缺陷：(1)将柴油滤清器装入恒温器，没有加热油箱里的燃油，实际上柴油机工作后，柴油的流动很快(回油量很大)，仅仅依靠恒温器的温度设定，并不能立刻将燃油加热至指定温度，从而不能正确反映喷油泵进口的进油温度；(2)试验结果明显与国外的相关研究存在矛盾现象。总体来看，国内外关于柴油机进油温度的研究非常少。

生物柴油的主要组分为油酸甲酯、亚油酸甲酯与亚麻酸甲酯，3种成分的质量分数达到75%以上[13]，其中油酸甲酯是最主要的组分之一。本文在几位国外专家的研究基础上，以油酸甲酯为对象，完善油温控制方案，改变喷油泵进口处的燃料温度；分析进油温度对油酸甲酯燃烧与排放的影响；拓展生物柴油的基础性研究，丰富生物柴油的使用方法，以进一步推动生物柴油的研究与应用。

1　试验条件

1.1　试验用柴油机

试验用柴油机的主要参数如表1所示。

1.2　试验用燃料

试验用油酸甲酯(纯度95%)的主要参数如表2所示。

1.3　试验方案

1.3.1　工况选择

CT2100Q柴油机的最大转矩点在1 500～1 700 r/min之间，因此在1 500 r/min及1 800 r/min两个负荷特性下测试不同油酸甲酯的温度排放特性。选择1 500 r/min、30 N·m，1500 r/min、80 N·m，1 800 r/min、30 N·m，1 800 r/min、70 N·m共4个工况点测录燃烧压力并计算放热率。

表1　柴油机主要参数

Tab.1　Main parameters of diesel engine

参数参数值参数参数值缸数2 缸径 行程/mm100/105活塞总排量/L1.65标定功率/kW25标定转速/(r·min-1)2300压缩比17最低转速/(r·min-1)700

表2　油酸甲酯主要参数

Tab.2　Main parameters of methyl oleate

参数参数值参数参数值密度/(g·mL-1)0.86低热值/(kJ·kg-1)38.368气化潜热/(kJ·kg-1)200闪点/℃16040℃黏度/(mm2·s-1)5.4十六烷值52

1.3.2　燃烧压力与排放测试

(1)燃烧压力测试

采用CB566燃烧分析仪测录柴油机缸内压力。设置连续采集50个循环并进行平均计算，得到每个工况点的缸内压力。

(2)排放测试

选择奥地利AVL Digas4000气体分析仪测量柴油机燃用不同温度油酸甲酯的排放体积浓度；选择AVL Dismoke4000不透光烟度计测量柴油机燃用不同温度油酸甲酯的排气烟度，选择消光系数K来表示烟度值。

1.3.3　进油温度控制方案

本试验研究的关键是油酸甲酯温度的控制。试验采用对油箱与滤清器双加热的方法，并在油箱、滤清器以及两个加热器内安装温度传感器，监控各位置油酸甲酯的温度[12]。首先，将油箱内的油酸甲酯加热至比试验指定油温高1 ℃。第二，将油酸甲酯滤清器放入恒温器中。在发动机工作时，当滤清器内油温低于指定温度0.5 ℃时，油箱与滤清器同时开始加热，至滤清器内油温高于指定温度0.5 ℃时，加热结束。

试验在2013年12月进行，外界温度5 ℃，室内油温(有暖气)10 ℃。以室内油温为基础，15 ℃为步长，最高油温55 ℃。燃烧曲线较为密集，选取4个油温进行对比。油耗与排放选取所有油温进行对比。在整个试验过程中，滤清器内油温与指定温度的变化范围小于1 ℃，以成功控制喷油泵进口处的进油温度。

2　试验结果与分析

2.1　柴油机性能

表3为外特性下不同燃油温度的柴油机功率。可以看出，随着油酸甲酯温度的增加，功率降低。这是因为随着燃油温度的增加，燃油密度降低，进入缸内的燃油质量降低。

表3　外特性下不同燃油温度柴油机功率(单位：kW)

Tab.3　Diesel engine power at different fuel temperatures

under full load(unit: kW)

燃油温度/℃外特性/(r·min-1)12001500180020001012.8715.4417.9821.052512.5415.3117.7920.944012.4915.1017.7120.765512.3514.8617.5420.46

图1为外特性为1 500 r/min及1 800 r/min下的比油耗负荷特性。可以看出，由于燃料相同，比油耗随油温的变化没有明显规律。

图1　不同油温下的比油耗对比
Fig.1　Comparison of specific fuel consumption at 
different fuel temperatures

2.2　燃烧特性

2.2.1　燃烧压力

图2分别为不同工况下，不同燃油温度时缸内的燃烧压力。可以看出：(1)1 500 r/min、30 N·m时，随着油酸甲酯温度的增加，燃烧始点和压力曲线远离上止点；负荷为80 N·m时，压力曲线后移更加明显。温度增加导致油酸甲酯的密度、声速和等熵弹性模量降低，提高了油酸甲酯的可压缩性，可压缩性的提高导致燃料在高压油管内传播的时间增加，进而导致喷射始点相对滞后，喷油率降低，导致燃烧始点滞后[12]。(2)1 500 r/min、30 N·m时，25，40，55 ℃油酸甲酯缸内峰值燃烧压力分别为5.13，5.08，4.93 MPa；1 500 r/min、80 N·m时，25，40，55 ℃油酸甲酯缸内峰值燃烧压力分别为5.70，5.61，5.53 MPa；1 800 r/min、30 N·m时，25，40，55 ℃油酸甲酯缸内峰值燃烧压力分别为5.19，5.16，5.14 MPa；1 800 r/min、70 N·m时，25，40，55 ℃油酸甲酯缸内峰值燃烧压力分别为5.70，5.62，5.47 MPa。在各工况下，燃油温度增加，缸内峰值压力降低，这是由于：(1)燃烧滞后导致燃烧远离压缩上止点；(2)喷油率降低，针阀开启持续期相对于基准状态有所延长；(3)在中小负荷范围内，随着进油温度的增加，峰值压力对应的曲轴转角有远离上止点的趋势，在高负荷时，温度对峰值压力对应角度没有明显影响。

2.2.2　燃烧放热率

图3分别为不同工况下，不同油温油酸甲酯的瞬时燃烧放热率。可以得出以下结论：(1)1 500 r/min、30 N·m 时，燃油温度增加，燃烧放热始点远离上止点，80 N·m时，放热始点后移更加明显，1 800 r/min 有类似规律；(2)随着油酸甲酯温度的增加，柴油机峰值燃烧放热率逐渐降低，且高负荷时温度增加，第1峰值燃烧放热率降低的幅度也增加；(3)燃油温度对第1峰值燃烧放热率对应角度没有明显影响；(4)燃油温度对第2峰值燃烧放热率及其对应角度没有明显影响，但是随着油温的增加，后期燃烧明显增加，这与“进油温度增加导致燃油压缩性提高，柴油机喷油定时推迟，喷油速率减少，针阀开启持续期有所增加[1]”是一致的。

图2　不同油温下的燃烧压力对比
Fig.2　Comparison of combustion pressures at different fuel temperatures

图3　不同油温下的燃烧放热率对比
Fig.3　Comparison of heat release ratios at different fuel temperatures

2.3　排放特性

2.3.1　NOx排放

图4分别为1 500 r/min及1 800 r/min负荷特性下NOx的排放规律。可以得出以下结论：在负荷特性下，随着燃油温度的增加，NOx排放明显降低，与油温10 ℃相比，25，40，55 ℃ NOx排放在1 500 r/min时分别平均降低17.5%，19.6%，20.3%；在1 800 r/min 时分别平均降低8.7%，10.2%，11.7%。由燃烧分析可知，油酸甲酯温度增加导致喷油开始时间推迟，燃烧放热始点远离上止点，导致后燃量增加，后燃量增加导致燃烧温度降低，NOx排放降低。

图4　不同进油温度NOx排放对比
Fig.4 Comparison of NOx emission at different fuel 
temperatures

2.3.2　碳烟排放

图5分别为1 500 r/min及1 800 r/min负荷特性下碳烟的排放规律。可以得出以下结论：(1)随着柴油机油酸甲酯温度的增加，碳烟排放大幅度增加，与10 ℃相比，25，40，55 ℃碳烟排放在1 500 r/min时分别平均增加84.9%，96.6%，165.5%。增加幅度虽然很大，但基本上是在小负荷与大负荷时，此外，油温10 ℃碳烟排放绝对值低也是重要原因。(2)油温低时，随着负荷的增加，碳烟排放逐渐增加，油温高时，随着负荷增加，碳烟排放先明显降低再明显增加，且变化幅度随油温增加而增加。当油温增加至55 ℃时，碳烟排放呈先降低后增加的规律。

图5　碳烟排放对比
Fig.5　Comparison of smoke emission at different 
fuel temperatures

从柴油机的主要排放污染物来分析，油温提高的缺点是导致燃烧滞后且峰值燃烧放热率降低，不完全燃烧产物碳烟排放增加；优点是NOx排放明显降低。从应用的角度来看，控制碳烟排放的措施很多，可以将提高油温与控制碳烟排放的措施结合，使得碳烟与NOx排放得到有效的控制与平衡。

3　结论

(1)在整个负荷范围内，油酸甲酯温度增加，燃烧压力曲线远离上止点；峰值燃烧压力逐渐降低，且高负荷时峰值压力降低的幅度增加；在中小负荷范围内，峰值压力对应的曲轴转角有远离上止点的趋势，在高负荷时，峰值压力对应角度基本一致。

(2)油酸甲酯温度增加，柴油机峰值燃烧放热率降低，高负荷时峰值燃烧放热率降低的幅度增加；后燃期放热率明显增加。

(3)油酸甲酯温度增加，油酸甲酯NOx排放明显降低。

(4)油酸甲酯温度增加，碳烟排放在小负荷与大负荷时大幅度增加。

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Influence of Methyl Oleate Temperature on Engine Performance

QIU Shi-kan1, WANG Ji-bai1, ZHAO Fu-lei1, JIAN Xiao-ping1,2

(1. School of Automobile, Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China; 2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Development,Application of New Transport Energy and Energy Saving, Xi’an Shaanxi 710064，China)

Abstract： To study the influence of methyl oleate temperature on engine performance, a heating and temperature maintaining equipment is designed on a two-cylinder direct injection diesel engine to test and compare the power, economy, combustion and emission performances of methyl oleate at different temperatures. It is found that (1) with the increase of fuel temperature, the power performance weakens, the economy performance varies unclearly; (2) the combustion pressure and the heat release rate curve of methyl oleate combustion leave far away from the top dead center, at high loads the curves delay obviously; (3) the peak combustion pressure and the peak instantaneous heat release rate decrease, at high loads the reduction increases; (4) the heat release rate at after-combustion period increases; (5) at 1 500 r/min, compared with the status at 10 ℃, NOx emissions of methyl oleate at 25, 40, 55 ℃ averagely decrease 17.5%, 19.6% and 20.3% respectively, but smoke emissions averagely increase 84.9%, 96.6% and 165.5%. The result indicates that fuel inlet temperature has important influence on performance of methyl oleate, it can be selected as a basic parameter to control the combustion and emission of methyl oleate.

Key words： automotive engineering; combustion and emission; experimental research; fuel inlet temperature; methyl oleate

中图分类号： TK42

文献标识码： A

文章编号： 1002-0268(2016)04-0153-06

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.024

作者简介：仇世侃(1974-)，男，陕西西安人，硕士.([e-mail])

基金项目：陕西省自然科学基金项目(2014JQ7268)

收稿日期：2015-04-20