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
【摘 要】摘要： 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。 【期刊名称】车用发动机 【年(卷),期】2017(000)006 【总页数】6
【关键词】 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： COVX=× 100%。
甲醇-生物柴油对发动机循环变动的影响
