菜籽油在越野柴油发动机中的性能评估

文|艺海探秘

编辑|艺海探秘

前言

以下我们介绍了自然吸气、四冲程、四缸、水冷、直喷柴油机在使用柴油和冷压菜籽油情况下的对比试验结果。本研究的目的是研究菜籽油在供油系统中的流动情况，可再生燃料油对高速柴油机性能效率的影响，以及在各种负载条件下喷油器结焦的情况。

测试结果显示，在全负载条件下使用菜籽油作为燃料的发动机，其最大扭矩和额定功率下的燃油比消耗量分别比使用柴油高出12.2%和12.8%。然而，两种燃料的热效率并无大差，其最大值分别为柴油的0.37-0.38，菜籽油的0.38-0.39。菜籽油在全开油门下的烟雾不透明度比柴油低约27-35%，然而，在轻负载下，其特性可能受到白色蒸汽的影响。

将油加热到60°C可以将其粘度降低到19.5mm²/s，从而确保油通过燃油过滤器的顺畅，并在轻负载下将燃油比能耗降低11.7-7.4%。进一步加热到90°C并不能带来性能上的优势。

特殊测试表明，喷油器喷嘴的结焦情况依赖于发动机的工作模式。使用纯油的第一和第二喷油器喷嘴比同时使用柴油的控制喷油器喷嘴有更多的碳质沉积。

一、实验设备和研究方法

我们在完全投入运行的四缸、四冲程、自然吸气、水冷、59kW直喷式柴油引擎D-243上进行了实验，该引擎的排量为4.75立方分米，缸径110mm，行程125mm，压缩比为16:1。燃油由直列式喷油泵通过五孔喷射单元送入活塞头中的环状压燃燃烧室。喷油泵被调整为在上死点前25°开始初始燃油供应。所有喷油器的针阀提升压力均设定为17.5±0.5MPa。

为了保持必要的油流，我们通过安装两个并联的细孔燃油过滤器、单向阀和电子温度计来改造发动机的供油系统。安装单向阀是为了减少由于RO过量引起的燃油脉动，从而提高测量精度。

燃油由电动转子输油泵送入喷油泵。从喷油泵线路返回的燃油连接到转移泵，而从喷射单元返回的管路直接插入到燃油计量器中。油在连接到引擎冷却系统的换热器中加热。油的加热温度通过改变通过换热器的流量来通过水龙头来调节。

为了得到基线参数，我们首先使用C级柴油运行发动机。在固定负载模式和常数曲轴转速（1400、1600、1800、2000和2200转/min）下获取负载特性。在从柴油运行的发动机取得负载特性后，我们在同样的发动机负载和转速范围内进行了与原生菜籽油的类似实验。

我们使用三相异步电动AC测功机（110kW，定义率±1Nm）测量发动机的扭矩。发动机的负载特性从接近零的点逐渐增加，直到其最大值290-310Nm。这意味着在额定2200转/min速度下，发动机的有效功率已从最小值增加到其额定值的110%。

曲轴的转速由通用铁氧体动态试验台转速表TSFU-1及其配套的ITE-1计数器和DTE-2测量传感器测量，这是一种航空设备，可以准确测量发动机的转速，精度为±0.2%。燃油的质量消耗通过电子秤VLK-500称重来测量，容积式空气消耗通过安装在空气罐上的旋转式气体计数器RG-400-1-1.5测量，以减少压力脉动。

为了研究菜籽油对喷油器喷嘴上碳沉积形成的影响，我们让第一和第二发动机气缸使用纯RO燃料，而第三和第四气缸则同时使用柴油运行。为此，我们在喷油泵的燃油输送通道之间安装了特殊的插头，将其分成两个体积。这种改造使我们能够保持类似的测试条件，这对于研究两种燃料对喷油器结焦的比较效果至关重要。

为了避免由于两种被测试燃料的热值不同，从而导致的发动机性能不稳定，我们将菜籽油的容积输送量增加了大约7%。在这些测试中，发动机在接近怠速的时间内运行一段时间，然后在中等扭矩下运行，最后在接近额定功率输出下运行。

每个测试阶段完成后，我们会将喷油器从发动机上拆下，详细检查并用数字相机记录其外观。然后，检查喷油器的性能，并评估油底壳油位可能发生的变化。

我们使用Bosch设备RTT100/RTT110在I—100%的范围内，精度为±0.1%，测量排气气体的烟雾不透明度D(%)。排气歧管中的气体温度由与MKD-50M连接的铬铝热电偶TChK-400U测量。

二、燃油供应系统的测试结果

当使用纯菜籽油运行时，主要问题之一与油的粘度增加有关，这可能导致燃油通过系统的流动变得困难，从而导致发动机功率下降。因为实验开始时使用的是普通的供油系统，粘稠的菜籽油增加的流动压力导致过滤器容器破裂，损坏了径向V型过滤元件的纸质微纤维层（图2b）。

后来我们明白，由于过滤器容器的身体上开有大量的圆孔，显然影响了其强度，使得这种过滤器容器容易破裂（图2a）。因此，这种过滤器无法承受增加的油压。为了消除这个问题，我们在后续的实验中只使用了如图2c所示的加固燃油过滤器。

为了解决粘度问题，我们研究了菜籽油加热对过滤元件的油压降Δp和燃油流量的影响。测试结果显示（图3），一开始，由柱塞式燃油转移泵压上去的燃油压力p1随着温度的升高而略有增加，达到0.14MPa，并在压力控制阀打开之前保持大约恒定。

燃油系统中的油流量v随着燃油过滤器的压力降Δp而平稳增加。值得注意的是，油流的增加并不与其温度成直线关系。在初始温度在25-50℃之间时，油流的增加较为缓慢，而在上部温度范围在50-65℃之间时，油压降更为迅速，相应的流量增加随之而来。进一步的油加热超过65℃的温度并不会导致燃油系统中的压力合理下降和预期的油流量。

为了获得必要的油流，柱塞式燃油供应泵被电动转子燃油转移泵取代。由直流电机驱动的旋转泵对燃油过滤器产生的油压p1比柱塞式喷油泵产生的高约0.03MPa（图4）。电动转移泵的主要优点是，它可以提前打开，使油在供油系统中循环并在发动机启动前预热。旋转燃油供应泵的另一个重要特点是，由于其更高的容量，它在大约环境温度下确保了必要的油流量，无需额外加热油。

被测试的菜籽油的密度比柴油高8.8%，因此通常由直列喷油泵使用的体积式燃油计量导致的单位质量的燃油供应量略微增加。上述原因倾向于补偿菜籽油低13.35%的净热值，因此实际每循环提供的油能量内容可能只比柴油略低。

结果，用原油替代柴油可能只会导致微小的功率输出损失。例如，在使用修改过的“Biocarkit”（Lohmann）并在底盘测功器上测试的2.4升间接喷射自然吸气ToyotaDyna发动机中，使用预热至30℃的Camelina油时，发动机的最大功率被发现为43.25千瓦，而使用矿物柴油运行时为38.50千瓦。

尽管camelina油的热值较低，但可能由于油的粘度较高，减少了内部漏油并在适当的控制杆位置提高了每循环的体积供应量，导致了显著的功率增加（12.3%）。

三、发动机测试结果与分析

由于测试结果众多，决定对以下几个重要转速下的数据进行分析：最低转速1400min/K-1，最大扭矩工况1800min/K-1，额定功率工况2200min/K-1。其他中间曲轴转速下（2000和1600min/K-1）反映发动机性能特征的结果，可以作为补充措施，以便更好地进行解释。

图5显示了柴油发动机性能图，其中等值燃料消耗（bsfc）的等高线表示为制动平均有效压力（bmep）和曲轴转速（n）的函数，该图展示了柴油和纯菜籽油燃料下的性能差异。

从数据分析结果可以看出，使用原油燃料来供给发动机不会显著改变燃料消耗图的总体特征。当使用菜籽油给发动机供油时，最低bsfc值的典型区域位于曲轴转速1600-2000K/min和bmep为0.53-0.70MPa的负载范围内，与使用传统燃料操作发动机时的区域基本相同。

唯一能够明显区分两种燃料测试的发动机性能图的特点是：制动比燃料消耗的差异。如预期的那样，使用柴油燃料给发动机供油时，最低bsfc值为225g/kWh-1而使用低热值的菜籽油操作时，bsfc增加到250g/kWh-1，增加了11.1%。在最大扭矩和额定功率工况下，发动机使用菜籽油时的bsfc质量值分别比柴油高出12.2%和12.8%。

高菜籽油消耗量的增加，主要归因于其净热值比较低，降低了13.35%（见表1）。从图5可以看出，油的比耗增加与其较低的热值大致成比例。这种情况适用于整个发动机性能范围，主要包括最大负荷和中等负荷。然而，当发动机负荷降低到一定限制以下，例如有效平均压力（bmep）为0.20-0.25兆帕时，油耗开始随着负荷下降更快地增加，甚至达到每公斤每千瓦小时380克及以上的值。

在低速和轻负荷下增加的油耗可能是由于气缸中的气体温度较低，无法完全燃烧注入的少量油。尽管在接近怠速操作模式下每个循环中提供的燃料数量微不足道，并且整体燃料-空气混合物过于稀薄，但粘性高的菜籽油在燃烧室内的雾化和分布不良也可能导致油与环境空气混合，引发不完全燃烧和错火循环。当在负荷显著降低的情况下运行时，可以观察到小颗粒的未燃烧油从排气管中喷出。

在Petter型号ACI单缸高速间接喷射柴油发动机上进行的实验表明，在标准定时下，使用菜籽油的发动机在低负荷工况下表现出较长的自燃延迟和较慢的燃烧速率，尤其是在膨胀行程期间燃烧较晚。

在正常工况和气缸中较高的气体温度下，无论使用哪种燃料，随着负荷增加和曲轴转速增加，比燃油消耗率（bsfc）特性都保持相似，这表明菜籽油有潜在的柴油燃料扩展剂的良好机会。

图6进一步显示，尽管在质量单位上bsfc较高，但菜籽油的能量转换效率似乎甚至略高于柴油燃料。制动热效率随着负荷的增加而平稳增长，菜籽油的最大效率值为0.39，柴油燃料为0.38。这意味着柴油燃料和菜籽油的燃料能量转换效率非常相似。唯一的例外是仅在有效平均压力为0.20兆帕以下的轻负荷情况下，低于1600转/分钟时，菜籽油的制动热效率低于柴油燃料。

在中等和重负荷下获得了更高的热效率，这可能是由于菜籽油的含氧性质导致了燃料富集混合物的更完全燃烧。另一方面，碳和氢之间质量比略低也可能有助于在适当负荷下更高效地燃烧油。

对单缸能量电池柴油发动机进行的类似实验表明，与矿物柴油燃料相比，纯菜籽油在标准定时下运行时的制动热效率有所提高。尽管菜籽油的净热值较低，密度和粘度较高，恶化了燃油喷雾特性并加重了蒸发和燃烧的问题，但仍然获得了更高的热效率。因此，在中等和重负荷下，以燃料能量含量为基础的菜籽油比耗略低于柴油燃料。

为了研究油加热温度对低负荷工况下发动机性能的影响，对有效平均压力为0.15和0.20兆帕的轻负荷进行了特殊实验。首先，发动机以35摄氏度的常温运行。然后，将油加热至60摄氏度，最后将油加热至最高温度90摄氏度。在这些测试中，每隔200转/分钟增加一次曲轴转速，转速范围为1400至2200转/分钟。

图7中呈现的数据分析显示，在两种负荷下，将油加热至60摄氏度，并在1400转/分钟的低转速下运行，使制动比燃料消耗（bsec）分别减少了11.7%和7.4%，表明燃料节约发生在发动机性能图的特定区域，主要是在轻负荷下。

随着发动机转速超过1600转/分钟，油加热在性能方面并没有明显的优势。将油加热到最高温度90摄氏度在轻负荷下的燃料节约效果不佳，甚至产生相反的效果，倾向于增加中等和重负荷下的制动比能量消耗。

过热的菜籽油导致的发动机性能不佳使排气管排放的烟雾浓度比未加热的油高出10-20%。因此，将油加热到约60摄氏度的最佳温度可以被视为一种有效措施，降低其粘度，提高流量能力，改善每个循环注入的少量菜籽油的雾化和燃烧。

使用BoschCR系统对菜籽油进行的测试表明，平均颗粒大小和喷雾穿透性受油温影响较小，而受喷射压力影响较大。实际上，60摄氏度的菜籽油温度并没有改善喷雾穿透性，无法达到标准油（25摄氏度）的穿透等效。

研究人员对15种不同类型的生物柴油燃料的雾化进行了测试，并确定大多数油的索特平均直径比柴油高出20%至30%。

考虑到喷油器积碳问题，决定进行特殊实验，使用改装过的直列燃油喷射泵，确保第一和第二个气缸同时使用菜籽油，而其他两个气缸使用柴油燃料。

在靠近怠速950转/分钟的工作模式下，以及轻松的18牛米扭矩下运行后的1小时，拍摄的喷油嘴照片显示，控制喷油嘴3和4略微覆盖有煤烟颗粒，而在加热至60摄氏度的菜籽油上运行的喷油嘴1和2看起来有点光滑和湿润（图8a）。

照片显示，由于负荷轻和气缸中的低气体温度，菜籽油的燃烧过程无法正常进行。这种观点得到了排气气体温度非常低（只有175摄氏度）的支持。燃烧室中小量油份的不均匀分布、缓慢蒸发和不良的自燃也可能导致不完全燃烧。

因此，在靠近怠速模式下短时间运行菜籽油后，在第一和第二喷油嘴的表面上完全没有发现碳沉积物。在这次实验中，由于油燃烧质量差，油底壳液位增加得更快。

为了获取关于喷油器积碳对性能的影响的更多信息，柴油发动机在中间速度1600转/分钟和中等69牛米扭矩下运行了2.5小时。在这种性能模式下，发动机产生11.5千瓦的制动功率，足以应对许多农业任务的标准拖拉机需求。此次测试期间的排气温度高达210摄氏度。

在完成这些测试后，将喷油器从发动机上卸下，并再次进行外观检查。控制喷油嘴3和4发现有煤烟颗粒覆盖，而喷油嘴1和2的表面则严重覆盖有碳沉积物（图8b）。碳沉积物的积累可能与氧化菜籽油的一部分有关，由于原油菜籽油的分子量大、粘度高，没有完全燃烧。与柴油燃料不同，菜籽油不经过蒸馏过程，因此其组成有所不同，在高气缸气体温度下，在燃料蒸发之前，复杂的分数会分解为较小的碳氢化合物。

最后，发动机在额定速度2050转/分钟和扭矩245牛米的条件下运行了2.0小时。在这种性能模式下，发动机产生的制动功率为52.6千瓦，相当于其额定值的89.2%。在高负荷和注入燃料的增加下，气缸气压和温度足够高，加速了原油蒸发和燃烧过程。

排气气体的温度达到550摄氏度，可以认为这是正常的。图8b和c中呈现的照片对比显示，在接近最大功率运行后，喷油嘴1和2的碳酸盐覆盖明显减少，但仍比控制喷油嘴稍微受到影响。

在每个测试阶段结束后，对喷油器表面进行了目视检查，并检查可能的功能问题。对喷嘴针开启压力的控制研究和燃油喷雾的视觉评估证实，所有喷油器仍符合进一步使用的标准。值得注意的是，第一个喷油器的喷嘴表面比其他喷油器覆盖的碳酸盐稍多一些。

可能与安装在第一气缸中的气缸压力传感器有关，它略微增加了燃烧室的容积并降低了实际压缩比。这可能会影响空燃混合物的成分，导致自燃的延迟，在这个特定的喷油嘴上产生稍微更多的碳黑颗粒形成。

结论

①使用菜籽油给柴油发动机供油时，最小的制动比燃油消耗增加了250克/千瓦时或11.1%，与柴油燃料（225克/千瓦时）相比。在最大扭矩和额定功率下，RO的bsfc较柴油燃料分别增加了12.2%和12.8%。

与柴油燃料（221-226克/千瓦时）相比，菜籽油的消耗量较高（248-255克/千瓦时），这可能与其较低的净热值有关，因为RO的最大制动热效率（0.37-0.38）略高于柴油（0.38-0.39）。

②将菜籽油加热至60摄氏度可确保燃油过滤器中的平稳流动，并在轻负荷下将制动比能量消耗降低11.7-7.4%，具体取决于负荷大小。将菜籽油加热至90摄氏度在性能方面没有优势，甚至会增加中等和重负荷下的燃油消耗量并增加可见烟雾。

③将菜籽油加热至60摄氏度的测试结果显示，在接近怠速运行1小时后，中等扭矩下进行2.5小时运行，随后以近似额定功率运行2.0小时后，喷油嘴变得湿润、光滑，并且严重覆盖着碳质沉积物，而未燃烧的碳残留物受到的影响略小一些。然而，第一和第二喷油嘴比同时运行在柴油燃料上的控制喷油嘴更容易积碳。

在将原油菜籽油用于未改装的柴油发动机供油之前，需要进行长期的耐久性测试，以了解文献中提到的潜在问题。

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