甲醇-生物柴油对发动机循环变动的影响

王忠，杨丹，李瑞娜，赵怀北

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

甲醇-生物柴油对发动机循环变动的影响

王忠，杨丹，李瑞娜，赵怀北

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

在单缸柴油机上通过测量得到了燃用不同掺混比甲醇-生物柴油时的燃烧示功图，对不同柴油机工况下甲醇-生物柴油燃烧的循环变动进行了研究，分析了最大压力升高率循环变动系数(COV(dp/dφ)max)、平均指示压力循环变动系数(COVpmi)、最高燃烧压力的变动系数(COVpmax)、最高燃烧压力对应曲轴转角的标准偏差(SDφpmax)等循环变动的评价参数。研究结果表明：工况一定时，随着甲醇掺混比增加，COV(dp/dφ)max，COVpmi等循环变动系数均有所增大；与生物柴油相比，甲醇掺混比为10%和20%时循环变动系数变化较小，当甲醇掺混比为30%时，COV(dp/dφ)max增加了6.2%，COVpmi增加了24.2%，COVφpmax增加了8.4%；当甲醇掺混比不变时，随着转速的增加，COV(dp/dφ)max降低，COVpmi以及COVpmax先降低后增高；负荷增加时，各压力参数的循环变动系数均降低，SDφpmax略微上升。

甲醇；生物柴油；燃烧；循环变动；掺混比

生物柴油和甲醇都是优质的柴油机替代燃料。柴油机燃用甲醇-生物柴油混合燃料，可以降低对石化燃料的依赖度、减少柴油机排放污染物[1]。由于甲醇的十六烷值低，汽化潜热高，随着甲醇掺混比的增加，燃烧过程中吸热量增加，预混初期燃烧速率降低，着火滞燃期延长，形成的可燃混合气不均匀，扩散燃烧过程速率高，燃烧不稳定，对发动机的性能及使用寿命产生很大影响。

近年来，科研人员已开始对醇燃料柴油机的燃烧稳定性和循环变动进行研究。Panagiotis Kyrtatos等[2]对柴油机的循环变动进行了研究，结果表明，燃烧过程中的气缸振动会使得缸内气体产生径向模式振动，导致预混燃烧持续期增加，缸内压力峰值升高，压力变动增加，且滞燃期、进气充量等都会对柴油机的燃烧循环变动产生影响。天津大学的姚春德等[3]研究了燃用柴油-甲醇混合燃料时发动机缸内压力及温度变化，结果表明，随着甲醇喷射量增加，燃烧始点比采用纯柴油时延迟了2°～4°，但是柴油-甲醇的燃烧速度快，气缸峰值压力比燃烧纯柴油时高，放热率曲线呈单峰形，最高燃烧温度比燃烧纯柴油时有所降低。太原理工的葛宇振等[4]研究了燃烧F-T柴油-甲醇混合燃料对发动机燃烧循环变动的影响，结果表明，压力峰值相位的循环变动随转速的增加稍有增大，但变动范围在 0.45% 以内，甲醇掺混比为5%，10%，15%时，随甲醇掺混比的增加，燃烧始点的循环变动系数先增大后减小，放热率峰值的循环变动系数变动较大，其对应相位的循环变动系数基本不变。长安大学陈昊等[5]以柴油-生物柴油为研究对象，研究了甲醇掺混比对CT2100Q柴油机燃烧循环变动及排放的影响，结果表明，1 500 r/min时，与M0相比，M5与M10的最高燃烧压力及最大燃烧放热率较高，最高燃烧压力以及最大燃烧放热率对应的曲轴转角滞后，循环变动加强；炭烟排放分别降低了58.59%，70.38%，降低的幅度随甲醇比例增加而增大。陈志恒等[6]对循环变动表征参数的经济样本容量进行了研究，结果表明，样本容量对最高燃烧压力循环变动等评价参数以及计算精度有重要影响，在考虑精度要求的情况下，每个试验点的经济样本容量以1 000～2 000个循环较为适宜。

在186FA单缸柴油机上开展了柴油机燃用甲醇-生物柴油混合燃料的台架试验，测量了不同柴油机转速、负荷以及甲醇掺混比时的示功图，分析了采样循环数对循环变动数据处理的影响，着重探讨了燃用不同甲醇掺混比燃料的柴油机最大压力升高率(dp/dφ)max、平均指示压力(pmi)、最高燃烧压力(pmax)、缸内压力峰值相位(φpmax)等的循环变动随转速及负荷的变化规律。

1 循环变动评价指标及试验方案

1.1 循环变动评价指标

燃烧循环变动是反映发动机燃烧稳定性的重要参数，是指在发动机以某一工况稳定运转时，相邻循环燃烧过程的不断变化[7]，具体表现在压力曲线、火焰传播以及发动机功率输出的变动。循环变动的评价方法较多，用光变化曲线的特征参数来评价燃烧火焰光谱线在不同工况下的光强变化，反映了燃烧过程及燃烧的时间特性[8]。评价燃烧循环变动的参数是基于研究目的和研究对象提出的，有不同的适用性和特殊性。一般的循环变动评价参数有气缸压力、燃烧放热与火焰传播参数和其他表征参数[7]。本研究主要分析了气缸压力的燃烧循环变动，分别采用最大压力升高率、平均指示压力、最高燃烧压力及其曲轴转角的循环变动作为评价指标。

数学方法上利用非线性动力学分析燃烧过程，相空间中的点代表状态，相空间中的轨线表示燃烧过程随时间发展的情况。符号时间序列方法在燃烧循环变动特征分析中也有应用。在数理统计学中通常使用标准差系数作为反映样本变动程度的相对指标，一般将标准差系数称作循环变动系数(COV)。以某一工况下发动机的气缸压力特征参数或者燃烧特征参数的变动水平来评价循环变动的程度，数学表达式如下：

(1)

(2)

式中：N为特征参数的样本个数，即所采集的循环数，本研究中N=100；Xi为特征参数中第i循环的值。最大压力升高率、平均指示压力、最高燃烧压力的循环变动系数分别用COV(dp/dφ)max，COVpmi，COVpmax表示。

1.2 试验方案及设备

为研究甲醇掺混比对柴油机运转性能的影响，测量了甲醇的体积掺混比分别为0%，10%，20%，30%时，在不同转速及不同负荷下压力参数的变化情况。试验过程中，每个试验工况采集了多个循环的气缸压力数据。分析比较了不同掺混比时最大压力升高率、平均指示压力、每循环最高燃烧压力及其对应的曲轴转角。利用这些压力参数的变化表征柴油机在甲醇掺混比变化时缸内压力及缸内燃烧过程的变化情况，即掺混比所引起的压力参数循环变动的变化情况。

试验用柴油机为186FA单缸柴油机，主要的技术参数见表1。试验所用的仪器有测功机(中成)、DEWE-800-CA-SE 燃烧分析仪(奥地利 DEWETRON 公司)和Kistler压力传感器。

表1 柴油机相关参数

试验用燃料为生物柴油和甲醇体积掺混比分别为0%，10%，20%，30%的甲醇-生物柴油混合燃料，分别记为B100，BM10，BM20，BM30。燃料的部分理化性质见表2。从表2可以看出，混合燃料的十六烷值、低热值以及黏度、密度随着甲醇掺混比的增加而降低。

表2 混合燃料的部分理化性质

1.3 循环采样数的影响

循环的采样数对循环间的变动分析结果有较大影响。在发动机燃烧过程统计分析时，某一个单独的循环或若干个循环都不能代表发动机工作的总体变动状况，尤其是进行燃烧过程试验时，掺混甲醇改变了柴油机的纯柴油燃烧模式，对燃烧循环的采样也会产生一定误差。通过试验测录缸内气体压力曲线，由于存在循环变动，在所测录的各组数据中有些循环的压力值明显偏高或偏低。因此，在对内燃机缸内压力进行分析时，需要对示功图进行多循环平均，循环数的多少需根据循环变动的程度来确定。

图1示出了20%甲醇掺混比下，采样数分别为25，50，100，150时的缸内压力曲线。从图中可以看出当采样数为25，50时曲线不够平顺，随着采样数的增加，压力曲线趋于顺滑，采样数为150时，压力曲线与采样数为100时几乎重合。由此可见，当采样数达到一定的数值之后，输出结果的变化很小，几乎可以忽略不计。

图1 不同采样数下的缸压曲线

图2示出了20%甲醇掺混比时，最高燃烧压力循环变动系数随循环采样数增加的变化规律。从图中可以看出，COVpmax随着循环采样数的增加而增大，但增长幅度随着循环采样数的增加而减小，当循环采样数大于100时，COVpmax的变化小于0.8%，pmax的循环变动系数为4.8%，变化趋于收敛。统计结果表明，循环采样数大于100时，不正常燃烧的循环对统计结果的影响很小，循环采样数取值为100较为合理，可以对燃烧循环变动的参数进行分析。

图2 不同采样数下的最高燃烧压力循环变动系数

2 结果分析

图3示出了2 700 r/min，100%负荷工况下，不同甲醇掺混比时缸内压力随曲轴转角的变化曲线，采用的是100个循环内的缸压平均值。从图中可以看出，该工况下，缸内压力曲线出现明显的双峰现象，缸内压力曲线的第一个峰值出现在压缩上止点附近，此时缸内压力和温度比较低。第二个峰值明显高于第一个峰值，是混合燃料经过了预混燃烧和扩散燃烧，同时由生物柴油-甲醇的预混燃烧相互耦合所产生的燃烧压力峰。随着甲醇掺混比的增加，最高燃烧压力降低，最高燃烧压力对应的曲轴转角也相应后移。甲醇的热值较低，掺混甲醇后，缸内燃烧产生的最大压力低于生物柴油燃烧时的压力。

图3 不同甲醇掺混比下的缸内压力

图4示出了2 700 r/min，100%负荷工况，不同甲醇掺混比时燃烧滞燃期的变化规律。从图中可以看出，生物柴油的滞燃期为8.3°，随着甲醇掺混比的增加，十六烷值降低，汽化潜热增加，影响了混合燃料的着火过程，着火时间推迟，滞燃期延长。BM10，BM20，BM30的滞燃期分别为上止点后9.1°，9.9°，13.0°。

图4 不同甲醇掺混比下的燃烧滞燃期

2.1 最大压力升高率循环变动系数

图5示出了不同甲醇掺混比下燃料的最大压力升高率循环变动系数随转速及负荷的变化规律。从图5a可以看出，随着转速的增加，最大压力升高率的循环变动系数降低，在中高转速时降低的幅度较小。随着甲醇掺混比的增加，COV(dp/dφ)max增加，高掺混比时增加的幅度较大。由于掺混甲醇后，混合燃料的滞燃期延长，导致滞燃期内积累的热量增加，缸内温度升高，使燃烧化学反应速度加快。燃烧速度过大，容易产生较大的热负荷冲击，形成压力振荡，燃烧过程粗暴。

从图5b可以看出，在整个负荷范围内，生物柴油的循环变动率随负荷的增加而降低，但变化波动不大，在 4.9% ～ 5.5% 范围内。燃用BM10,BM10 和 BM30时，压力升高率峰值的循环变动系数随负荷的增加而减小。低负荷时，压力升高率峰值的循环变动系数高于生物柴油，10% 负荷时，BM30 的COV(dp/dφ)max达到 6.3%；中高负荷时，BM30 的COV(dp/dφ)max低于生物柴油。这是由于低负荷时，混合燃料的压力升高率峰值平均值低，造成循环变动率偏高。中高负荷时，进气充量增加，且甲醇汽化潜热大，混合燃料在滞燃期内形成的可燃混合气的量小，燃烧环境较好，循环变动率低。

图5 不同掺混比时COV(dp/dφ)max随转速和负荷的变化规律

2.2 平均指示压力循环变动系数

平均指示压力的变动系数是评价发动机燃烧稳定性的主要参数。图6示出了燃用不同甲醇掺混比燃料时，缸内平均指示压力的循环变动系数随转速及负荷的变化规律。从图6a中可以看出，平均指示压力循环变动系数随转速的增加先降低后增加，掺混甲醇后变动的幅度比燃用生物柴油时小。从图6b可以看出，随着负荷增加，4 种燃料的平均指示压力循环变动率降低，掺混比较大时，COVpmi较大。当甲醇掺混比为10%，20%时，平均指示压力的循环变动几乎相同，基本在 0.45%～0.55%之间；当掺混比增加到30%时，COVpmi明显增大。这是由于甲醇掺混比过大时，燃烧的滞燃期增加，缸内的燃烧环境相对变差，燃料不完全燃烧和失火现象出现的概率增加，导致COVpmi大幅增大。

图6 不同掺混比时COVpmi随转速和负荷的变化规律

2.3 最高燃烧压力及其曲轴转角循环变动系数

最高燃烧压力对应的曲轴转角也能非常清晰地反映出燃料在缸内着火及火焰传播的情况，是一个表征发动机燃烧循环变动常用的参数。图7示出了燃用不同甲醇掺混燃料时，缸内的最高燃烧压力循环变动系数随转速及负荷的变化规律。图7a示出了 75%工况时，甲醇掺混比为0%，10%，20%和 30% 时，最高燃烧压力的循环变动系数随转速的变化规律。从图中可以看出，不同甲醇掺混比燃料的燃烧压力峰值循环变动系数均随转速的增加先降低后增加。这是由于，转速较低时，缸内气流速度小，不利于燃烧，转速较高时，缸内混合气流速较高，散热加快，燃烧过程的循环变动增大。甲醇掺混比为10%，20%时，随着掺混比的增加，pmax的循环变动系数先降低后增加，但与生物柴油的相差不大，中低转速时，COVpmi基本在0.3%～0.75%间变动；当掺混比达到30%时，循环变动增加幅度较大，在标定点转速，BM30的循环变动系数较纯生物柴油增加了36%。

图7b示出不同负荷下最高燃烧压力循环变动系数的变化规律。由图可知，燃烧压力峰值循环变动系数随负荷的增加逐渐降低，中小负荷时，BM10，BM20的压力峰值循环变动与纯生物柴油相当。随负荷增大，混合气浓度增加，混合气中氧含量增加，燃烧速率增加，燃烧质量提高，燃烧稳定性增加；同时，燃烧室温度增加，燃油蒸发速率加快，混合气均质化程度提高，甲醇气化潜热的影响减小，燃烧稳定性提高。随着甲醇掺混比的增加，pmax的循环变动系数增加。

图7 不同掺混比的COVpmax随转速和负荷的变化规律

最高燃烧压力相位(φpmax)是一系列的点集，探讨最高燃烧压力相位的变动时用标准偏差代替循环变动系数，它能反映样本偏离真值的离散程度，标准偏差越大，说明样本中的数值离平均值就越大，变动也就越大。图8示出了不同掺混比时，COVφpmax随转速和负荷的变化规律。从图8a可以看出，最高燃烧压力对应的曲轴转角循环变动随着转速的增加变化的幅度较小，但随甲醇掺混比的增加而增加。当掺混比为10%时，最高燃烧压力相位的变动系数与生物柴油基本一致，在0.8%～1.4%间变动；当甲醇掺混比达到30%时，各转速下的循环变动系数大幅度上升，最大变动系数达到2.5%，几乎为BM10循环变动系数的2倍。从图8b可以看出，随着负荷的增加，最高燃烧压力对应曲轴转角的变动系数呈上升的趋势。中低负荷时，掺混甲醇后的循环变动系数明显高于生物柴油。

图8 不同掺混比时SDφpmax随转速和负荷的变化规律

3 结论

a) 循环数大于100时，COVpmax的变化小于0.8%，且缸压曲线在循环数达到100后曲线波动呈现收敛的趋势，可以反映燃烧循环的总体平均水平；

b) 当掺混比不变时，随着转速的增加，最大压力升高率循环变动系数降低，平均指示压力以及最高燃烧压力的变动系数先降低后增高；负荷增加时，各压力参数的循环变动系数均降低，最高燃烧压力对应的曲轴转角变动略微上升；

c) 工况一定时，掺混比增加，各压力参数的变动系数变化均增加，2 700 r/min,100%负荷时，与生物柴油相比，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

姜晓博]

2017-06-12；

2017-09-29

国家自然科学基金(51376083)

王忠(1961—)，男，教授，博士，主要研究方向为内燃机代用燃料及工作过程数值计算；wangzhong@ujs.edu.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.003

TK428.9

B

1001-2222(2017)06-0013-06