自-柴油机喷射系统应用生物柴油燃料时的性能
柴油机喷射系统应用生物柴油燃料时的性能【美】Sybit J P oemn A I摘要：众所周知，柴油机应用生物柴油燃料时会使N0排放量增加。这被认为是由于生物柴油的可压缩性低而引起喷射定时不同的缘故。对柴油和一系列生物柴油混合物(0100）的喷射定时和喷射持续期进行了比较。把一台四冲程单缸4 h风冷直喷式柴油机的喷油器装到一个喷雾室中,发动机被拖动时，燃油通过发动机上的燃油泵供给喷油器。使用发动机视频示波器,观察氦氖激光的光衰减以及测量燃油的管路压力，在喷雾室中进行喷雾的可视化和喷射定时的定量化,并与曲轴位置同步。观察到不同燃料混合物之间的喷射定时有变动,在柴油和纯生物柴油(10)之间喷射定时约有。A的差异。还进行了燃烧研究，以便观察喷射定时的变动对燃烧过程定时的影响。使用B1O0时，着火提前达。CA,这至少可以部分归咎于喷射定时的提前。关键词：柴油机喷射系统 生物柴油性能前言植物油甲基脂或生物柴油受到关注在于它们是可再生燃料资源,并且其所产生的颗粒物比传统柴油要少。不过,许多研究者认为,生物柴油O 排放较多 一。NOx排放增加的原因尚未完全解释清楚。已得到很好证明的趋势是Nox排放量随着缸内峰值压力的提高而增加,而燃油喷射定时的提前就具有这种作用。 。已有报告说,当使用生物柴油时,燃油喷射定时提前。hoi等人一认为,使用生物柴油占40 体积的混合燃油,燃油喷射提前06oC。Moye 等人 认为,在Jh Dere 46直喷式发动机上使用纯生物柴油时，基于燃油管路压力得出的燃油喷射提前2.3。CA；而使用生物柴油占0体积的混合燃油时，则为050.5。CA。并进一步表明，无论使用什么燃油，N0 排放和实际的喷射始点都有线性的依赖关系L 。燃油物理性质的差异能够改变燃油的喷射定时。Ch等人把燃油喷射定时的改变归咎于生物柴油较高的粘度。生物柴油的粘度为4.1 ct,而2号柴油的粘度只有2.S】。不过没有说明较高的燃油粘度提前燃油喷射的机理。Tat等人s一认为，影响声速的弹性模量的差异可能造成燃油喷射定时的差异。关于生物柴油和柴油的压缩弹性模量,是在压力从大气压到35Pa的范围内测量的。这两种燃油的弹性模量都随着压力的提高而线性增长。在研究的压力范围内，生物柴油的弹性模量总是要比柴油高 10 9/6。koolos和Hountaas 一模拟了一种柴油喷射系统。该系统被分成5个控制容积。假设在任意给定的时间,泵送室、出油阀室、喷射器主容积和压力室容积这4个控制容积为定压。在这些控制容积中,对模拟压力与时间成函数关系的唯一燃油性质是压缩弹性模量。压缩性较小的燃油将导致各室和容积中的压力较快增加。第5个控制容积,即从泵到喷射器的燃油管路,其中的压力不能假设为定压 燃油性质中只有燃油的密度和声速对模拟燃油管路中压力与时间的函数关系起重要作用，这两者都依赖于压缩弹性模量。未发现燃油粘度对燃油喷射定时有影响。rcuans 给出燃油喷射系统一个类似模型，针对燃油弹性模量对燃油喷射定时的影响进行了灵敏度分析。燃油的压缩性增加1，燃油喷射提前05。C。相比之下，发现燃油密度的差异对燃油喷射始点的影响可以忽略不计。也未发现燃油粘度对燃油喷射定时有影响。除了燃油喷射定时的提前,生物柴油的十六烷值一般比柴油更高，因此着火滞燃期更短。一些研究者 已报道,从放热量数据观察到预混合燃烧始点有所提前。无论小负荷或大负荷，基准燃油和纯生物柴油在喷油定时方面的差异均为.9。C左右。图4为75负荷喷射终点时的喷束图像。生物柴油的喷射终点大约要比基准柴油早2。CA.喷射持续期缩短略多于1A。在负荷时有相似的趋势(图5）。喷射持续期缩短的一种解释是燃油密度的差异。生物柴油的密度为09 m ,而柴油为0/cm。所以，当使用生物柴油时，每次喷射中要喷入体积较小的燃油。hoi和Ritz r 在进行CFD模拟时不得不缩短生物柴油混合燃料的喷射持续期,以便得到与实测放热数据相吻合的模型。虽然密度加大必然导致喷射持续期缩短,但只有密度不大的差异还是不能解释喷射持续期缩短的量值。图9和10表示喷射终了定时的差异。基准柴油和纯生物柴油在75负荷时的差异为2。CA，在5 负荷时为30。C。这再次证明了生物柴油缩短了喷射持续期。燃烧分析图l4和为缸内压力曲线，有两个峰值点。第一个峰值点是由于压缩发生在0。CA附近,第二个则是由于预混合燃烧引起压力升高。随着生物柴油体积分数的增加,预混合燃烧的始点不断提前。着火提前导致更高的燃烧压力和燃烧温度。在燃烧期间,较高的缸内温度和压力导致NO排放浓度的升高 。在7 负荷时，纯生物柴油的预混合燃烧着火要比基准燃油早15。CA，正如前文所述,生物柴油的喷射定时约提前1。A。在2 负荷时,着火定时的差异比高负荷时更大。例如,纯生物柴油和基准燃油的着火定时相差4。CA，而喷射定时的差异仅为1。C。通过三种不同的测量技术，观察到当混合燃油中生物柴油含量增加时,燃油喷射提前。这种结果与燃油喷射模型的预测相符。预测燃油喷射提前的原因是燃油的压缩弹性模量的增加,而粘度没有影响。燃油喷束图像技术是测量喷射开始情况的一种有效方法，但它每次喷射只能摄取一张图片,这使它高度依赖循环间的重复性。喷射定时循环间的差异用激光衰减和测量燃油管路压力两种方法测得。这种差异只在一定的燃油和一定的喷射条件下出现,可认为这是燃油弹性模量改变造成的结果，但还需做更多的研究以解释这一点。燃油喷射提前大约1。CA 左右,但预混合燃烧始点提前更大。其他研究者也看到相同的趋势，并把着火提前的原因归结为较高的十六烷值。本研究中，基准柴油的十六烷值比生物柴油更高,因此这种解释不成立。难以区分十六烷值和喷射定时对着火提前的影响。因为不同时间喷人的燃油受到气缸内不同环境压力和温度的影响,所以喷射定时提前1。CA有可能引起着火提前更多。另外一个引起着火提前的可能是直喷燃油喷束中的差异引起着火过程的差异,而这不能用按标准测定的十六烷值进行充分的解释。燃油在直喷式柴油机中经历的条件与十六烷值试验机不同,后者是非直喷式柴油机。试验测量了生物柴油对燃油喷射定时的影响。燃油喷射定时通过数字图像技术、激光衰减和燃油管路压力三种方法测量。所有的测量技术测得的数据都有0.1。CA 的分辨率。这三种测量技术都很吻合。测量结果显示生物柴油提前了柴油机中的燃油喷射定时，且随着混合燃油中生物柴油体积分数的增加燃油喷射电不断提前,喷射持续期则缩短。缸内压力曲线揭示了生物柴油喷射的提前导致更早的着火,尽管生物柴油有较低的十六烷值。预混合燃烧的提前将导致燃烧期问更高的缸内温度。这种现象有助于解释其他研究者所报告的、使用生物柴油导致更高的NO 排放量的事实。
