電噴高壓共軌柴油機燃用生物柴油性能研究

張岳秋，馮玉橋，劉 憲，王建昕

（1．北京市機動車排放管理中心，北京 100176；2. 清華大學汽車研究所，北京 100084）

0 引 言

汽車工業飛速發展，給人們帶來物質便利和享受的同時，內燃機產生的有害排放物在大氣污染中占的比重越來越高；另一方面，石油燃料為不可再生能源，汽車面臨能源危機和日趨嚴格的排放法規的雙重挑戰，為此人們一直在進行有關代用燃料的研究工作。生物柴油就是近幾年在國際上引起人們特別關注的綠色油品[1]。

生物柴油是通過可再生的天然油脂資源生產的一種柴油替代燃料，生物柴油的生物原料來源廣泛，可采用菜籽油、花生油、棉籽油、大豆油、甘蔗油、椰子油、餐飲廢棄油脂等[2]。由此可見，生物柴油的主要原料是可再生資源，生物柴油是可再生性能源[3]。

生物柴油分子的碳鏈長度為 C18，柴油的碳鏈長度在C16～C23之間[4]，相比于其他柴油替代燃料其理化特性與普通柴油更接近。生物柴油的含氧量可達到11%，高于普通柴油。生物柴油基本不含硫，而且閃點高、無毒，具有較好的潤滑性能和溶解性能[5-6]。

許多研究表明，生物柴油既可獨立作為柴油機的燃料使用，也可以一定比例與柴油混合后作為柴油機的燃料使用，而不用對柴油機做較大的調整[7-8]。20%的生物柴油與80%的柴油摻混形成的混合柴油被標為 B20，純生物柴油被標為B100，在發動機不做任何改動和調整時，B20比B100更適合成為替代燃料[9-10]。

生物柴油由于含氧能夠部分降低發動機的排放，特別是顯著降低柴油機的碳煙排放。美國環保署（EPA）公布的數據表明，生物柴油含有10%左右的氧，在柴油中使用能有效降低 PM、HC、CO排放，NOx排放略有上升[11]。

DS的排放隨著含氧量的增加而大幅度降低，柴油機燃用含氧燃料生物柴油后DS排放改善程度高于PM。關于含氧燃料降低柴油發動機碳煙排放的機理已有一定研究，含氧量的增加對降低DS有明顯的效果[12-13]。文中在一臺滿足歐Ⅲ排放法規的高壓共軌電噴柴油發動機上，不對發動機進行任何調整的情況下，進行了棉籽油B100、B20和柴油的性能試驗，并對PM進行分解，分析生物柴油對PM及其排放的影響。

1 試驗裝置及方法

1.1 發動機性能試驗臺架

圖1為試驗臺架的總體布置圖。主要包括如下幾個部分：發動機、測功機及其控制系統、燃油供給裝置和油耗測量系統、發動機水冷控制系統、氣體排放分析儀和微粒采集系統。試驗采用AVLCEB排氣分析儀對排放中的CO、CO2、O2、HC和NOx濃度進行測量。其中CO和CO2采用非紅外線吸收型分析儀（NDIR），HC排放采用氫火焰離子分析儀（FID），NOx采用化學發光型分析儀（CLD）。采用AVL公司SPC472排放微粒與采集系統，對柴油機尾氣中的微粒進行稀釋和采集。

1.2 試驗發動機

研究使用了滿足歐Ⅲ排放標準的CUMMINS-ISBe6系列高壓共軌電噴柴油發動機，表1為主要參數。

表1 CUMMINS-ISBe6發動機參數

1.3 試驗燃料

試驗所用的柴油是市場銷售的 0號柴油，生物柴油由中國某生物能源公司提供，其原材料主要是棉花籽油。試驗所用燃料為3種，即柴油（代號為B0）、生物柴油（代號為B100）和柴油、生物柴油體積分數分別為80%和20%的混合燃料（代號為 B20 ）。試驗用燃油的主要指標見表2。

表2 燃料的主要特性參數

1.4 試驗方法

試驗在CUMMINS-ISBe6系列電噴柴油發動機上進行。試驗過程中發動機不做任何調整，分別燃用B0柴油、B100生物柴油和B20混合燃料。進行外特性試驗考查動力性，進行1500r/min的負荷特性試驗考察燃油經濟性和排放性。測量發動機的動力性、燃油經濟性、氣態排放物和微?？偭?。采用萃取的方法將PM分解為可溶性有機物成分SOF、DS和硫酸鹽3部分。

1.5 試驗條件

（1）冷卻液的出口溫度控制在88 ±5℃；

（2）機油溫度控制在90±5℃；

（3）柴油溫度控制在35 ±5℃；

（4）以額定功率點2500r/min為前提，中冷后溫度控制在49±2℃，燃用柴油額定功率點中冷器的壓降9.25 kPa，排氣背壓10.6 kPa。

2 試驗結果及考察

2.1 動力性

動力性如圖2所示。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發動機燃用柴油B0和生物柴油B100、混合燃料B20的外特性轉矩曲線如圖2所示，發動機燃用生物柴油的外特性轉矩相比柴油有所下降。同柴油相比，發動機燃用生物柴油B100外特性轉矩平均下降10%，B20平均下降2%。使用生物柴油發動機的動力性下降的主要原因是生物柴油燃料含氧使得其熱值比柴油低，在發動機不進行調整的情況下，會導致功率下降。

2.2 燃油經濟性

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發動機燃用B0、B100和混合燃料B20，在1500r/min負荷特性下的燃油消耗率如圖3所示。從圖3可以看出，生物柴油燃油消耗率相比柴油有一定程度的增加。相比柴油，發動機使用生物柴油 B100油耗平均增加 15%，使用 B20生物柴油耗油率平均增加3%。造成發動機燃油消耗率上升的主要原因是燃料低熱值不同，使得BSFC隨含氧量增加而上升。要使發動機發出相同的功率，需要消耗更多低熱值較低的燃料。

2.3 DS和PM排放特性

DS排放如圖4所示

PM排放如圖5所示。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發動機燃用B0、B100和B20，在1500r/min負荷特性下的DS排放如圖 4所示。使用含氧燃料生物柴油 B100、B20后，DS排放在不同負荷下都有明顯降低。同柴油相比，柴油發動機使用生物柴油B100的DS排放降低 80%～85%，柴油發動機使用 B20的DS排放降低30%～40%。這是由于生物柴油燃料含氧，改善了局部缺氧的狀況，抑制碳煙生成。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發動機燃用B0、B100和B20 在1500r/min的負荷特性下PM排放如圖5所示。生物柴油的PM排放在各負荷都比柴油有大幅下降，其中大負荷降低程度較大。同柴油相比，生物柴油B100的PM排放降低 50%～75%，B20的 PM 排放降低20%～35%。PM排放的降低除了因為生物柴油含氧導致DS下降，也因為生物柴油不含元素硫，從而降低了PM中硫酸鹽排放量。

柴油機燃用含氧燃料生物柴油后，DS排放改善程度高于 PM，同時由圖可以看出，PM 與DS并非同步降低，小負荷條件下雖然生物柴油的DS排放下降很多，但PM排放下降程度相對較少，可能是SOF成分變化的影響。

2.4 NOx排放

NOx排放如圖6所示。

CUMMINS-ISBe6發動機燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min負荷特性下，生物柴油的NOx排放比柴油有所上升。同柴油相比，柴油發動機燃用生物柴油 B100，NOx排放升高5%～20%，B20與B100的NOx排放基本相當。由于生物柴油含氧，燃燒更充分，從而提高氣缸內的溫度，導致了NOx排放上升，大負荷特性時上升趨勢更為明顯。

2.5 HC和CO排放

HC和CO排放如圖7、圖8所示。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發動機燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min負荷特性下HC排放如圖7所示。由圖7、圖8可見，CO排放和 HC排放具有類似的趨勢。生物柴油 B100和B20的HC、CO排放均比柴油有所降低。相比柴油，B100的HC排放降低45%～70%，CO排放降低15%～55%；B20的HC排放降低15%～25%，CO排放降低5%～20%。這是因為均勻分布在燃料中的氧元素增強了混合氣中的氧化氛圍，改善局部缺氧狀況，提高了局部空燃比，使得燃燒更完全，從而降低HC和CO的排放。

2.6 CO2 排放

CO2排放如圖9所示。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發動機燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min負荷特性下的CO2排放如圖9所示。生物柴油B100和B20與柴油的CO2排放相差不大，差異在5%以內。

3 結 論

將以棉籽油為原料制取的生物柴油（B100）及其混合燃料（B20）在CUMMINS-ISBe6電噴柴油發動機上同柴油進行對比試驗，得到如下結論；

（1）同柴油相比，發動機燃用生物柴油B100外特性轉矩平均降低10%，B20平均降低2%。

（2）同柴油相比，B100生物柴油油耗平均增加15%，B20生物柴油油耗平均增加3%。

（3）同柴油相比，生物柴油 B100的 DS排放降低 80%～85%，PM 排放降低 50%～75%；B20的 DS排放降低 30%～40%，PM排放降低20%～35%。柴油機燃用生物柴油的 DS排放改善程度高于PM，且PM與DS并非同步降低，在不同負荷條件下的降低趨勢并不相同。

（4）同柴油相比，發動機燃用生物柴油B100的NOx排放升高5%～20%。

（5）生物柴油B100和B20的HC、CO排放均比柴油有所降低。相比柴油，B100的HC排放降低45%～70%，CO排放降低15%～55%，B20的HC排放降低15%～25%，CO排放降低5%～20%。

（6）生物柴油 B100、B20的 CO2排放同柴油相比無明顯變化。

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