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柴油组分对柴油机燃油消耗率的影响
2022-01-08 20:04:43· 来源：内燃机学报
柴油是由各种中间烃类馏分调和而成的，柴油的理化性质主要由这些烃类物质决定，因而探明烃类物质组分与柴油理化性质、发动机性能之间的关系，对柴油燃料高效利用
柴油是由各种中间烃类馏分调和而成的，柴油的理化性质主要由这些烃类物质决定，因而探明烃类物质组分与柴油理化性质、发动机性能之间的关系，对柴油燃料高效利用具有重要指导意义。掺混的过程是改变燃油组分的过程，但这些研究多是针对部分组分含量的变化对燃烧和排放的影响，并未全面分析燃油全部组分的影响规律，为了探究柴油具体组分对经济性的影响，笔者选用14 种油品进行试验，利用回归分析法与主成分分析法分析了柴油组分与质量燃油消耗率、体积燃油消耗率之间的关系。同时，将组分对柴油机动力性和排放影响分析相结合，提出改善柴油机燃油消耗率的燃料组分方法，以期为改进燃油构型、降低燃油消耗率提供参考。
01、试验装置与研究方法
试验发动机为一台排量为8.42 L 的电控高压共轨重型柴油机。试验工况选择国Ⅳ排放ESC 测试循环的13 个稳态工况点进行，评价不同组分柴油对发动机燃油经济性的影响。其详细的实验参数及实验方案见参考文献[1]。
02、试验结果及分析
2.1 柴油组分对质量燃油消耗率的影响
图1 为柴油组分、柴油质量热值和质量燃油消耗率的拟合关系。在试验的14 种燃料的组分范围内，当总饱和烃含量从45%增加到90%时，质量燃油消耗率下降6.5%左右；当总芳烃含量从10%增加到55%时，质量燃油消耗率增加6.0%左右；当苊类含量从0.3%增加到9.5%时，质量燃油消耗率增加5.4%左右；当苊烯类含量从0.4%增加到5.3%时，质量燃油消耗率增加5%左右；当总双环芳烃含量从1.5%增加到29.0%时，质量燃油消耗率增加5.4%左右。这是因为在功率一定时，要保证喷入的燃油具有一定的热值，质量燃油消耗率与燃油的质量热值相关。图1f 中，当燃油的质量热值增大时，质量燃油消耗率显著降低。进一步来讲，当燃油中的链烷烃等饱和烃增多时，会使H/C 增大、CN变大，从而质量热值变大；另一方面，燃烧过程也会对燃油消耗率产生影响，不同的燃料会产生不同的燃烧过程。
图1 柴油组分、柴油质量热值与质量燃油消耗率的拟合关系
2.2 柴油组分对体积燃油消耗率的影响
从图2 可以看出，在试验的14 种燃料的组分范围内，当链烷烃含量从30.5%增加到99.0%时，体积燃油消耗率增加11.0%左右；当总饱和烃含量从44.4%增加到93.5%时，体积燃油消耗率增加7.0%左右；当萘的含量从0.2%增加到0.9%时，体积燃油消耗率降低6.6%左右；当总芳烃含量从6.5%增加到55.0%时，体积燃油消耗率降低8.0%左右。这是因为功率一定时，要保证喷入的燃油具有一定的热值，则体积燃油消耗率与燃油的体积热值相关。从图2e可以看出，当燃油的体积热值增大时，体积燃油消耗率显著降低。体积热值受到燃油质量热值与燃油密度的综合影响，芳烃组分增多后导致密度增大，体积热值升高，因而芳烃组分的提高使得柴油机的体积燃油消耗率减小。
图2 柴油组分、柴油体积热值与体积燃油消耗率的拟合关系
2.3不同燃油对动力性及排放性的影响
图3 为国Ⅳ法规条件下发动机燃用14 种燃料的动力性对比。整体的动力性随着体积热值提高而增大。燃料体积热值从35.8 MJ/L 升高到39.9 MJ/L，功率最大升高近14%。这是因为发动机外特性下ECU喷射等脉宽，即相同脉宽条件下喷入气缸燃料的体积基本相同，燃料的体积热值越大，喷入能量越高，动力性越好，但是高体积热值、高芳烃、高密度燃料更易形成积碳，进而造成拉缸、喷油器损坏等发动机故障，同时会造成冷起动困难和低负荷燃烧稳定性差。由分析结果可知，可以通过适当增加燃油的体积热值来提高动力性。
图3 不同体积热值燃料的功率
2.4燃油组分优化结果
根据燃油组分对质量燃油消耗率、体积燃油消耗率、动力性和排放性的影响，得出了兼顾优化各项性能的燃油组分的优化结果，如表1 所示。最佳质量分数范围是针对测试燃料获取的结果，在实际柴油的生产过程还需要综合考虑制备方法、成本和燃油法规等因素。比较14 种燃油和4 种市售柴油的组分参数可知，这4 种市售柴油各组分含量基本处于研究结果所示的最佳浓度范围内。
表1 燃油组分最佳质量分数范围
03、结论
(1) 利用回归分析法和主成分分析法分析的柴油组分含量与质量燃油消耗率间关系基本一致，可以将各组分在第一主成分上的载荷作为一组评价该柴油质量燃油消耗率的参数；利用回归分析法和主成分分析法分析的柴油组分含量与体积燃油消耗率的结果虽然有些差异，但各组分在第一主成分上的载荷仍能描述组分含量与体积燃油消耗率之间总的关系。
(2) 可通过适当降低苊类、苊烯类、总双环芳烃和多环芳烃的含量使总芳烃含量处于较低范围，适当增加总饱和烃含量的方式降低质量燃油消耗率；可以通过适当降低链烷烃和总饱和烃含量，在允许的范围内适当增加总芳烃、苊类、苊烯类、总双环芳烃和多环芳烃等组分含量的方式降低体积燃油消耗率。
(3) 总芳烃、苊类和苊烯类等组分对质量燃油消耗率和体积燃油消耗率的影响呈相反的趋势，但可以根据研究结果找到一个最佳状态，使质量燃油消耗率与体积燃油消耗率同时较低。
04、参考文献
[1]刘海峰,孔祥恩,王 灿,等.柴油组分对柴油机燃油消耗率的影响[J].内燃机学报,2021,(06):523-530.
期刊
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。
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