王继文 谭雪友 李钟婷 胡杰 姜峰

摘  要：将生物柴油与纯柴油以不同体积比进行掺合，对某大功率机车柴油机燃用不同配比生物柴油进行台架试验，研究不同配比生物柴油对该大功率机车柴油机的动力性、经济性和排放性等基础性能的影响。试验结果表明：该大功率机车柴油机燃用不同配比生物柴油时，其扭矩、燃油消耗率、NOx排放量、碳烟排放量以及缸内最高燃烧压力的变化趋势与燃用纯柴油时的变化趋势基本一致;碳烟排放量随着生物柴油配比的增大而降低，当配比由B10提升到B20时，碳烟排放量平均降低了12.90%，由B20提升到B50时，碳烟排放量平均降低了8.90%，在手柄位5工况下，燃用B50碳烟排放量比B0降低了35.10%。该台架试验获得的基础性能指标数据，对后续大功率机车柴油机仿真模型的建立与性能优化具有借鉴意义。

关键词：机车柴油机;生物柴油;基础性能;碳烟排放量

中图分类号：TK421.2            DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.001

0    引言

近年来，我国铁路对高速、重载列车的要求越来越高，同时为了满足日趋严格的排放法规要求，生物柴油作为柴油的替代燃料成为新的发展趋势。生物柴油作为一种绿色可再生能源，可供内燃機使用，它能够降低一氧化碳（CO）、碳氢（HC）和颗粒物（PM）的排放，与普通柴油相比有着明显的优点[1-5]。但是，普通柴油机在不做任何技术调整的情况下燃用生物柴油时，NOx排放有所提高。国内外对生物柴油在柴油机技术的应用和开发中做了大量的研究[6-9]。楼狄明等[6]基于一台国V柴油机，研究不同比例餐饮废油制成的生物柴油的理化特性对柴油机排放性能的影响。梅德清等[7]在一台YZ4102QF直喷式自然吸气柴油机上燃用不同比例豆油甲酯、棉籽油甲酯与0#柴油混合燃料，研究了混合燃料产生的有害排放物CO、HC、NOx及排烟的变化趋势与规律。Zhang等[8]以低水位水-生物柴油乳状液燃料（质量分数为2%、4%和6%）和纯生物柴油燃料为研究对象，研究了加水对中速柴油机喷雾、燃烧和排放特性的影响。朱磊[9]基于Isuzu 4HF1柴油机从燃料设计的角度对生物柴油橡胶相容性和喷雾特性、燃烧和排放特性等进行了研究，以燃料设计和低温燃烧模式相组合的方式，研究用燃料设计来优化柴油低温燃烧模式以达到降低NOx排放和碳烟排放的目的，并从燃料分子结构微观角度来分析生物柴油对燃烧排放的影响。尽管国内外研究人员对汽车、轮船用柴油机燃用不同类型生物柴油对柴油机性能的影响做了许多研究，但是关于铁路机车大功率柴油机燃用生物柴油对动力性、经济性以及排放性等基本性能指标的研究报道甚少。

当前国家提出了“碳达峰”“碳中和”的愿景。结合铁路内燃机车利用可再生能源（生物柴油）与“碳达峰”“碳中和”的排放愿景，本文以某大功率机车柴油机为研究对象，基于机车柴油机试验台架进行不同配比生物柴油在不同工况下的试验与相关分析，研究不同配比生物柴油和纯柴油对机车柴油机动力性、经济性、排放性的影响。该研究对将来优化和改进内燃机车性能有一定的促进作用。

1    机车柴油机试验与分析

本文试验所用的生物柴油以大豆油作为原料，与纯柴油以不同体积比例进行掺合。生物柴油在混合燃料中的体积分数分别为0、10%、20%、50%、100%，柴油为普通0号柴油，不同配比柴油-生物柴油混合燃料标记为B0、B10、B20、B50、B100[2]。柴油和生物柴油的部分理化特性如表1所示。

根据《机车车辆动力学性能台架试验方法》 （TB/T 3115—2005）和《铁路牵引用柴油机排放试验的规范》（TB/T 2783—2006）[10-11]要求，布置机车柴油机台架、控制试验等设备，包括电机、油耗仪、排放分析仪、烟度计、压力传感器等。其中，排放分析仪为Horiba MEXA-1600DS测量仪，烟度计为奥地利AVL公司生产的AVL439消光式烟度计。通过数据采集仪，经CAN总线传输到显示设备，实时显示和监控试验数据。试验台架布置如图1所示。该大功率机车柴油机型式为四冲程、直接喷射、废气涡轮增压、增压中冷，其主要技术参数如表2所示。

1.1   机车柴油机燃用纯柴油试验分析

根据《铁路牵引用柴油机排放试验的规范》 （TB/T 2783—2006）要求，大功率机车柴油机进行8个手柄位转速下的试验，每个手柄位有对应的转速和功率值，由确定的功率反馈至柴油机电喷系统提供响应，实现一个循环供油量[12]。同时，柴油机带动电机转动，电机产生对应的功率，当柴油机转速达到1 000 r/min时，若此时柴油机功率满足不了电机功率，则电机会反向抑制柴油机转速的升高，维持转速在1 000 r/min。因此，电机分为不同功率档位，可确保柴油机在1 000 r/min转速下不同手柄位（手柄位5—手柄位8）有一个精确的循环供油量。

现行机车柴油机标准以油耗最佳模式进行数据采集与标定。该机车柴油机在8个不同手柄位工况下燃用0号柴油，在Engine_R 对应数值下所测试的基础试验数据如表3所示。

表3中，Engine_R是反映实时基本脉冲宽度的参数，其影响因素有柴油机传感器提供的性能数据、实时脉冲宽度、软件编写的提前角图和脉宽图[13]。 Engine_R正常值要小于85%，对下限值没有要求，但为了保证柴油机的一致性，最佳状态是将Engine_R控制在78%～84%[13]。表4为8个手柄位工况下功率与缸内最高燃烧压力测试值。由表3—表4中8个不同工况试验值可知，该机车柴油机在Engine_R为83.5%，标定转速为1 000 r/min，标定功率为4 660 kW时，缸内燃烧压力最大，达到16.7 MPa，其中BTDC表示上止点前。

图2、图3为该柴油机在8个不同手柄位工况下燃用纯柴油时，在Engine_R对应数值下的燃油消耗率与扭矩值。

由图2可知，随着转速增大，燃油消耗率降低。在转速为400 r/min时，燃油消耗率为      224.8 g/（kW·h）;当手柄位为5、转速为1 000 r/min时，燃油消耗率降低到215 g/（kW·h）。随着手柄位增大，转速保持在1 000 r/min，燃油消耗率下降幅度较大，在手柄位8时，燃油消耗率为195 g/（kW·h）。由发动机负荷特性可知，在高转速条件下，机车柴油机是以油耗最佳的模式确定数据标定。因此，燃油消耗率随着转速上升而下降，且在达到标定转速1 000 r/min时，手柄位增大，油耗率下降幅度较大。

由图3可知，随着转速增大，扭矩随之增大。在转速为400 r/min时，扭矩为7.100 kN·m;当手柄位为5、转速1 000 r/min时，扭矩增大到21.300 kN·m。随着手柄位增大，转速保持在1 000 r/min，扭矩值增大幅度较大，在手柄位8时，扭矩为44.505 kN·m。由发动机负荷特性可知，在标定转速1 000 r/min条件下，负荷增大意味着柴油机动力输出增大，随之扭矩亦增大。因此，在柴油机达到标定转速1 000 r/min时，手柄位增大，扭矩增大幅度较大。

1.2    不同配比生物柴油台架试验与分析

由机车柴油机燃用纯柴油试验可知，未改变任何结构参数，以油耗最佳模式在8个不同手柄位工况下，分别燃用B10、B20、B50等 3种配比生物柴油进行试验，得出3种配比生物柴油下的扭矩、油耗、缸内压力等数据。由于B100纯生物柴油易出现机车柴油机喷孔堵塞，导致整机停机、维修等复杂问题，同时也容易出现燃油通道清洗困难等现实问题，因此，本次不同配比生物柴油台架试验以最高配比B50为上限。

图4为机车柴油机燃用不同配比生物柴油（B10、B20、B50）在8个不同手柄位工况下的扭矩。由图4可知，相同转速条件下，柴油机扭矩随配比增加而降低，B10、B20平均降低幅度分别为1.59%、3.21%，B50平均降低幅度达到7.90%。随着转速提高，柴油机燃用不同配比生物柴油扭矩变化趋势与燃用纯柴油扭矩变化趋势相似。不同配比生物柴油在8个不同手柄位工况下的功率曲线可由对应的扭矩与功率关系得出。

由于不同配比生物柴油热值比纯柴油要低且密度较大，在循环喷油量保持不变时，随着生物柴油比例增加，扭矩输出逐渐降低。为了保证柴油机的动力性，应选择燃用配比在50%以内的生物柴油进行研究。

在8个不同手柄位工况下燃用不同配比生物柴油所产生的燃油消耗率变化趋势如图5所示。由图5可知，燃油消耗率随着配比增加而增大。柴油机处于较低转速工况下，掺合生物柴油对燃油经济的影响较为明显;在较高转速工况下，特别是       900 r/min以上时，燃油消耗率的增長幅度不大。由图5的试验数据可知，B50在转速400 r/min工况下的燃油消耗率比B0增加了13.10%;在转速           1 000 r/min，手柄位8工况下，燃油消耗率增长率为6.45%;在标定转速1 000 r/min，手柄位5—手柄位8时的燃油消耗率变化与B0曲线一致。B10、B20对应的燃油消耗率曲线变化规律趋于一致，由试验数据可知，生物柴油配比由B10提升到B20，平均燃油消耗率大致提高1.83%，由B20提升到B50，平均燃油消耗率大致提高4.60%。

分析认为，机车柴油机在转速400～550 r/min时处于小负荷状态，缸内燃烧温度较低，由于生物柴油低热值较小使其汽化时吸热较大，使缸内最高温度下降，膨胀做功减少，因此，在低速时燃油消耗率增大幅度较高。当机车柴油处于较高转速（高于750 r/min）时，缸内燃烧温度较高，生物柴油对缸内燃烧温度影响较小，高转速工况下的缸内空燃比低于低转速工况，因此，随着柴油机转速升高（手柄位增大），不同配比生物柴油的燃油消耗率越接近B0燃油消耗率曲线。

图6、图7所示为8个不同工况下燃用不同配比生物柴油所产生的NOx和碳烟（soot）排放趋势。

由图6、图7可知，NOx排放量随着不同配比生物柴油增大而增加，而碳烟排放量随着配比增大而减少。当柴油机转速由400 r/min上升到1 000    r/min（手柄位1—手柄位5）时，燃用各配比生物柴油时柴油机产生的NOx与碳烟排放量均呈现小幅下降趋势。这是由于该手柄位工况下，柴油机输出功率较小且转速1 000 r/min、手柄位5时为转折点。当转速为1 000 r/min时，随着手柄位增大，不同配比燃料混合充分，柴油机输出功率增大，负荷随之增大，NOx排放量不断下降。这是由于在手柄位5—手柄位8时，燃用不同配比生物柴油的燃油消耗率下降较大，使NOx排放量下降。随着输出功率增加，混合燃料燃烧相对充分，碳烟排放量下降，当手柄位7上升至手柄位8时，处于最大负荷，碳烟排放出现反弹上升。这是由于柴油机在极限工况下，部分燃料混合不充分，燃烧不完全，导致碳烟排放增加。

由图6、图7试验数据可知，燃用B50在转速1 000 r/min、手柄位5工况下，相比B0时NOx排放量增加58.60%、碳烟排放量降低35.10%。在各转速下燃用不同配比生物柴油产生的NOx与碳烟排放量变化与燃用B0时曲线一致。由试验数据可知，生物柴油配比由B10提升到B20，NOx排放量平均提高13.50%，碳烟排放量平均降低12.90%;由B20提升到B50，NOx排放量平均提高6.90%，碳烟排放量平均降低8.90%。

图8所示为机车柴油机在未改变Engine_R参数条件下，不同配比生物柴油在8个不同手柄位工况下的最高燃烧压力值。

由图8可知，在各转速Engine_R参数未变化时，即：相同转速不同配比生物柴油循环喷油量相同，最高压力随生物柴油体积含量增加而逐渐下降。8个手柄工况点中，在400 r/min工况下，B50较B0最高压力最大下降幅度达到5.58%，手柄位为8、转速1 000 r/min时，最高压力下降幅度为3.62%;B20较B0最高压力下降范围在1.45%～3.93%;B10较B0最高压力变化不大，下降范围在0.73%～1.23%。

由圖8试验数据可知，随着柴油机转速升高，相同配比生物柴油的缸内最高燃烧压力较B0呈现减小趋势，且随着生物柴油配比增大，缸内最高燃烧压力较B0呈下降趋势;柴油机转速不变时，随着生物柴油配比增大，缸内最高燃烧压力较B0呈现减小趋势，且随着柴油机转速升高，缸内最高燃烧压力较B0亦呈现下降趋势。这是由于生物柴油燃料热值小于纯柴油，生物柴油体积分数越高，燃料热值越小，低配比生物柴油热值与纯柴油热值接近，在同一质量状态下纯柴油放热量高于生物柴油，燃用生物柴油使缸内燃烧放热率下降，缸内最高爆发压力随着生物柴油体积配比增大呈现下降的趋势。

2    结论

对大功率机车柴油机进行燃用不同配比柴油的台架试验，得出不同工况下的各性能指标。

1）相同转速下，柴油机扭矩随配比增加而降低，B10、B20平均降低幅度分别为1.59%、3.21%，B50平均降低幅度为7.90%;不同配比生物柴油扭矩变化趋势与燃用纯柴油扭矩变化趋势 相似。

2）不同配比生物柴油燃油消耗率变化趋势与燃用纯柴油变化趋势一致。生物柴油配比由B10提升到B20，平均燃油消耗率大致提高1.83%;由B20提升到B50，平均燃油消耗率大致提高4.60%。

3）NOx排放量随着不同配比生物柴油增大而增加，碳烟排放量随着配比增大而减少;在手柄位1—手柄位5工况下，各配比生物柴油产生的NOx与碳烟排放量呈现小幅下降，手柄位5为转折点;由手柄位7升至手柄位8时，碳烟排放量反弹上升;在手柄位5工况下，燃用B50的NOx排放量比燃用B0的增加58.60%、碳烟排放量降低35.10%;生物柴油配比由B10提升到B20时，NOx排放量平均提高13.50%，碳烟排放量平均降低12.90%;由B20提升到B50时，NOx排放量平均提高6.90%，碳烟排放量平均降低8.90%。缸内最高燃烧压力随着生物柴油配比增加而下降，在手柄位8时，B50较B0最高压力下降3.62%，B10较B0下降1.00%左右。

4）相同配比生物柴油，随着柴油机转速升高，缸内最高燃烧压力较B0呈现减小趋势;柴油机转速不变时，随着生物柴油配比增大，缸内最高燃烧压力较B0呈现减小趋势。

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Experimental analysis of high-power locomotive diesel engine

fueled with biodiesel

WANG Jiwen1， TAN Xueyou*2， LI Zhongting3， HU Jie2， JIANG Feng2

（1. Guangxi Automobile and Tractor Research Institute Co.， Ltd， Liuzhou 545001， China; 2. School of

Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China; 3.Guilin Iinstitute of Product Quality Inspection， Guilin 541004， China）

Abstract： The bench test of biodiesel-diesel blends with different volume ratios was carried out to     discover the effects of these blends on the power， economy and emission characteristics of a            high-power locomotive diesel engine. The results show that the variation trends of torque， fuel           consumption， NOx emissions， soot emissions and maximum combustion pressure in the cylinder of the high-power locomotive diesel engine fueled with different proportions of biodiesel were basically     consistent with those of pure diesel fuel. Soot emissions decreased with the increase of biodiesel ratio， decreasing by an average of 12.90% when the ratio was increased from B10 to B20， and by 8.90% from B20 to B50. Under the operating condition of handle position 5， the soot emissions of B50 was reduced by 35.10% compared to B0. The basic performance index data obtained from the bench test can provide reliability verification for the subsequent simulation model establishment and performance optimization of high-power locomotive diesel engine.

Key words： locomotive diesel engine; biodiesel; basic performance; soot emission

（責任编辑：黎   娅）