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柴油組分對柴油機燃油消耗率的影響
2022-01-08 20:04:43· 來源：內燃機學報
柴油是由各種中間烴類餾分調和而成的，柴油的理化性質主要由這些烴類物質決定，因而探明烴類物質組分與柴油理化性質、發(fā)動機性能之間的關系，對柴油燃料高效利用
柴油是由各種中間烴類餾分調和而成的，柴油的理化性質主要由這些烴類物質決定，因而探明烴類物質組分與柴油理化性質、發(fā)動機性能之間的關系，對柴油燃料高效利用具有重要指導意義。摻混的過程是改變燃油組分的過程，但這些研究多是針對部分組分含量的變化對燃燒和排放的影響，并未全面分析燃油全部組分的影響規(guī)律，為了探究柴油具體組分對經(jīng)濟性的影響，筆者選用14 種油品進行試驗，利用回歸分析法與主成分分析法分析了柴油組分與質量燃油消耗率、體積燃油消耗率之間的關系。同時，將組分對柴油機動力性和排放影響分析相結合，提出改善柴油機燃油消耗率的燃料組分方法，以期為改進燃油構型、降低燃油消耗率提供參考。
01、試驗裝置與研究方法
試驗發(fā)動機為一臺排量為8.42 L 的電控高壓共軌重型柴油機。試驗工況選擇國Ⅳ排放ESC 測試循環(huán)的13 個穩(wěn)態(tài)工況點進行，評價不同組分柴油對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響。其詳細的實驗參數(shù)及實驗方案見參考文獻[1]。
02、試驗結果及分析
2.1 柴油組分對質量燃油消耗率的影響
圖1 為柴油組分、柴油質量熱值和質量燃油消耗率的擬合關系。在試驗的14 種燃料的組分范圍內，當總飽和烴含量從45%增加到90%時，質量燃油消耗率下降6.5%左右；當總芳烴含量從10%增加到55%時，質量燃油消耗率增加6.0%左右；當苊類含量從0.3%增加到9.5%時，質量燃油消耗率增加5.4%左右；當苊烯類含量從0.4%增加到5.3%時，質量燃油消耗率增加5%左右；當總雙環(huán)芳烴含量從1.5%增加到29.0%時，質量燃油消耗率增加5.4%左右。這是因為在功率一定時，要保證噴入的燃油具有一定的熱值，質量燃油消耗率與燃油的質量熱值相關。圖1f 中，當燃油的質量熱值增大時，質量燃油消耗率顯著降低。進一步來講，當燃油中的鏈烷烴等飽和烴增多時，會使H/C 增大、CN變大，從而質量熱值變大；另一方面，燃燒過程也會對燃油消耗率產生影響，不同的燃料會產生不同的燃燒過程。
圖1 柴油組分、柴油質量熱值與質量燃油消耗率的擬合關系
2.2 柴油組分對體積燃油消耗率的影響
從圖2 可以看出，在試驗的14 種燃料的組分范圍內，當鏈烷烴含量從30.5%增加到99.0%時，體積燃油消耗率增加11.0%左右；當總飽和烴含量從44.4%增加到93.5%時，體積燃油消耗率增加7.0%左右；當萘的含量從0.2%增加到0.9%時，體積燃油消耗率降低6.6%左右；當總芳烴含量從6.5%增加到55.0%時，體積燃油消耗率降低8.0%左右。這是因為功率一定時，要保證噴入的燃油具有一定的熱值，則體積燃油消耗率與燃油的體積熱值相關。從圖2e可以看出，當燃油的體積熱值增大時，體積燃油消耗率顯著降低。體積熱值受到燃油質量熱值與燃油密度的綜合影響，芳烴組分增多后導致密度增大，體積熱值升高，因而芳烴組分的提高使得柴油機的體積燃油消耗率減小。
圖2 柴油組分、柴油體積熱值與體積燃油消耗率的擬合關系
2.3不同燃油對動力性及排放性的影響
圖3 為國Ⅳ法規(guī)條件下發(fā)動機燃用14 種燃料的動力性對比。整體的動力性隨著體積熱值提高而增大。燃料體積熱值從35.8 MJ/L 升高到39.9 MJ/L，功率最大升高近14%。這是因為發(fā)動機外特性下ECU噴射等脈寬，即相同脈寬條件下噴入氣缸燃料的體積基本相同，燃料的體積熱值越大，噴入能量越高，動力性越好，但是高體積熱值、高芳烴、高密度燃料更易形成積碳，進而造成拉缸、噴油器損壞等發(fā)動機故障，同時會造成冷起動困難和低負荷燃燒穩(wěn)定性差。由分析結果可知，可以通過適當增加燃油的體積熱值來提高動力性。
圖3 不同體積熱值燃料的功率
2.4燃油組分優(yōu)化結果
根據(jù)燃油組分對質量燃油消耗率、體積燃油消耗率、動力性和排放性的影響，得出了兼顧優(yōu)化各項性能的燃油組分的優(yōu)化結果，如表1 所示。最佳質量分數(shù)范圍是針對測試燃料獲取的結果，在實際柴油的生產過程還需要綜合考慮制備方法、成本和燃油法規(guī)等因素。比較14 種燃油和4 種市售柴油的組分參數(shù)可知，這4 種市售柴油各組分含量基本處于研究結果所示的最佳濃度范圍內。
表1 燃油組分最佳質量分數(shù)范圍
03、結論
(1) 利用回歸分析法和主成分分析法分析的柴油組分含量與質量燃油消耗率間關系基本一致，可以將各組分在第一主成分上的載荷作為一組評價該柴油質量燃油消耗率的參數(shù)；利用回歸分析法和主成分分析法分析的柴油組分含量與體積燃油消耗率的結果雖然有些差異，但各組分在第一主成分上的載荷仍能描述組分含量與體積燃油消耗率之間總的關系。
(2) 可通過適當降低苊類、苊烯類、總雙環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴的含量使總芳烴含量處于較低范圍，適當增加總飽和烴含量的方式降低質量燃油消耗率；可以通過適當降低鏈烷烴和總飽和烴含量，在允許的范圍內適當增加總芳烴、苊類、苊烯類、總雙環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴等組分含量的方式降低體積燃油消耗率。
(3) 總芳烴、苊類和苊烯類等組分對質量燃油消耗率和體積燃油消耗率的影響呈相反的趨勢，但可以根據(jù)研究結果找到一個最佳狀態(tài)，使質量燃油消耗率與體積燃油消耗率同時較低。
04、參考文獻
[1]劉海峰,孔祥恩,王 燦,等.柴油組分對柴油機燃油消耗率的影響[J].內燃機學報,2021,(06):523-530.
期刊
《內燃機學報》是由中國內燃機學會主辦的國家級高級學術刊物，是國務院學位委員會與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計用刊，被工程索引(EI)等多個國內外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目”能源與動力工程類前列。
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