生物柴油/甲醇混合燃料發動機的性能和排放

喻 武， 張志遠， 陳財森， 黃佐華， 徐玉國

(1. 裝甲兵工程學院教練團， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072；3. 裝甲兵工程學院科研部， 北京 100072； 4. 西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室， 陜西 西安 710049；5. 裝甲兵工程學院技術保障工程系，北京 100072)

生物柴油/甲醇混合燃料發動機的性能和排放

喻 武1， 張志遠2， 陳財森3， 黃佐華4， 徐玉國5

(1. 裝甲兵工程學院教練團， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072；3. 裝甲兵工程學院科研部， 北京 100072； 4. 西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室， 陜西 西安 710049；5. 裝甲兵工程學院技術保障工程系，北京 100072)

基于生物柴油和甲醇的互補特性，研究了摻混不同比例甲醇對燃用生物柴油的發動機性能和各種污染物排放的影響。研究表明:在生物柴油中摻混甲醇后，發動機的有效燃油消耗率增加，但是有效熱效率變化不大;在預噴階段，隨著生物柴油/甲醇混合燃料中甲醇比例的增加，燃料預噴階段的放熱率峰值降低并且放熱開始時刻推遲；在主噴射對應的放熱階段，摻混甲醇導致放熱率峰值增大，放熱持續時間減少;生物柴油摻混甲醇后，發動機HC和CO排放增加，NOx排放在中小負荷下減小，在高負荷下增加;發動機的碳煙排放隨燃料中含氧比例增加而逐漸減小;使用生物柴油/甲醇燃料時，柴油機NOx排放與碳煙排放的trade-off關系在中小負荷下有所改善。

生物柴油；甲醇；柴油機；排放

能源危機和環境保護激發了人們對控制內燃機排放的研究興趣。盡管柴油機的效率和可靠性高，且CO和HC排放低，但是它的NOx和PM排放很高。在柴油機中用含氧燃料作為替代燃料或添加劑來降低PM排放的方法已被廣泛應用。生物柴油作為動物脂肪酸甲酯或植物油酸甲酯混合物，是很好的柴油替代燃料。文獻[1-3]作者指出：柴油機中燃用生物柴油可以減少CO、HC和PM的排放。然而，生物柴油的高黏度不利于其在燃燒室中的噴油霧化[4]；而且，燃料中氧含量的增加會提高燃燒溫度，增加NOx的排放。

甲醇是另一種含氧燃料，含氧量高、氣化潛熱高、黏性低等特點促使其成為潛在的生物柴油添加劑。文獻[5-7]作者在一臺配備泵管嘴噴射系統的柴油發動機上，研究了燃用生物柴油摻混小比例甲醇對發動機排放的影響，與燃用柴油相比，在發動機運行的某些工況，柴油機燃用生物柴油/甲醇混合燃料實現了NOx和PM排放的同時降低。然而，除了上述研究工作之外，國內外文獻中尚無其他關于發動機燃用生物柴油/甲醇混合燃料實驗的相關報道。因此，有必要在更多類型的發動機實驗臺架以及不同的發動機工況下，利用檢測設備對發動機燃用生物柴油/甲醇混合燃料的性能、燃燒和排放進行更加深入和系統的研究。此外，在混合燃料中可以考慮進一步增大甲醇的比例，從而分析燃料摻混不同比例甲醇對發動機性能和排放的影響。

本研究的目的是對比柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇混合燃料在共軌柴油機上的性能和排放，并驗證通過使用生物柴油/甲醇混合燃料，同時改進發動機性能和排放的可能性。為了深入研究添加甲醇對燃用生物柴油的發動機性能和排放的影響，混合燃料中甲醇的體積分數最高達到30%。

1 實驗裝置和步驟

實驗采用的發動機為GW2.8TC共軌柴油機。表1為發動機的主要參數，測試系統如圖1所示。發動機與一臺渦流測功機相連，發動機控制系統(Powerlink FC 2000)用來控制發動機負荷和轉速；發動機缸壓用缸壓傳感器(Kisterler 6055c)和角標(Kistler2614A)測量；缸壓信號和曲軸轉角信號用數據采樣系統(Yokogawa DL750)記錄；放熱率根據單區模型用缸壓計算[8]；燃料流量由精度為0.1 g的電子秤測量;HC和CO由Horiba MEXA-554JA廢氣分析器測量;NOx由Horiba MEXA-720 NOx分析器測量;碳煙由SV-5Y煙度計檢測。

表1 發動機的主要參數

圖1 測試系統

本實驗所用的燃料包括柴油、生物柴油(大豆脂肪酸甲酯)和甲醇，表2為這些燃料的理化特性。實驗中配置了3種生物柴油/甲醇的混合燃料，其中甲醇的體積分數分別為10%、20%、30%，并分別命名為BM10、BM20、BM30。隨著甲醇比例的增加，混合燃料的含氧量提高，混合燃料的十六烷值和熱值減少。本實驗中發動機的轉速n為1 600、2 600 r/min，負荷為35、69、102、136、170 N·m，對應的平均有效壓力分別為0.159、0.313、0.463、0.617、0.771 MPa。在每個測試工況下，發動機轉速和扭矩的誤差分別控制在5 r/min和0.1 N·m之內。每個測量重復3次，并取其平均值進行分析。

表2 實驗用燃料的理化特性

2 發動機性能測試結果與討論

圖2為不同工況下發動機燃用不同燃料的有效燃油消耗率隨平均有效壓力的變化曲線，可以看出：1)轉速相同時，發動機的有效燃油消耗率隨負荷的增大而減小，這是由于負荷增大時，發動機機械效率增加而使油耗降低；2)當負荷一定，發動機轉速從1 600 r/min變化到2 600 r/min時，有效燃油消耗率升高，這是因為轉速增高導致燃料燃燒時間縮短、燃燒惡化，同時活塞和軸承摩擦也有所增加；3)在相同工況下，發動機燃用生物柴油的有效燃油消耗率比燃用柴油高，且隨著生物柴油中甲醇摻混比例的增加而增加。雖然燃料中含氧量增加可以改善燃燒過程，降低有效燃油消耗率，但也會導致燃料熱值降低，因此，發動機要保持相同的輸出功率，需要消耗更多的燃料。

圖2 不同工況下發動機燃用不同燃料的有效燃油消耗率隨平均有效壓力的變化曲線

發動機燃用不同燃料時，其有效熱效率更能有效地表征燃料的經濟性。圖3為不同工況下發動機燃用不同燃料的有效熱效率隨平均有效壓力的變化曲線，可以看出:1)與有效燃油消耗率隨負荷的增加而減小、隨轉速的增加而升高相對應，發動機的有效熱效率隨負荷的增加而增加、隨轉速的增加而減小;2)發動機燃用生物柴油的有效熱效率比燃用柴油高，這是由于生物柴油中的氧可以改善燃燒過程，提高燃燒效率;3)在生物柴油中添加甲醇后，發動機的有效熱效率變化不大。這是因為雖然添加甲醇會降低燃料的十六烷值，增加燃料的著火滯燃期，導致更多的燃料處于預混模式，從而使有效熱效率增加，但是由于甲醇的汽化潛熱值高于生物柴油，摻混甲醇后燃料的汽化潛熱增加，燃料蒸發帶走更多的熱量，這又可能導致有效熱效率有所減小。在本實驗中，這2個相反的因素相互抵消，最終發動機燃用生物柴油/甲醇混合燃料的有效熱效率與燃用生物柴油相比，在各個工況均變化很小。

圖3 不同工況下發動機燃用不同燃料的有效熱效率隨平均有效壓力的變化曲線

圖4為不同工況下發動機燃用不同燃料的過量空氣系數隨平均有效壓力的變化曲線，可以看出:1)發動機燃用生物柴油時的過量空氣系數比燃用柴油時略高，而燃料摻混甲醇后，則變化不大；2)對于所有燃料，發動機的過量空氣系數均隨負荷的增加而逐漸減小，但轉速改變對過量空氣系數的影響不大。這是因為負荷的增加會使燃油噴射增加，缸內空燃比減小,而提高發動機轉速后，盡管噴油有所增加，但是渦輪增壓器的功率同時升高，導致每次循環進入氣缸的空氣總量增多，因此發動機的過量空氣系數變化很小。

圖4 不同工況下發動機燃用不同燃料的過量空氣系數隨平均有效壓力的變化曲線

圖5為不同工況下發動機燃用不同燃料的排氣溫度隨平均有效壓力的變化曲線,可以看出：1)當轉速一定時，發動機的排氣溫度隨著負荷的增大而逐漸升高，這是由于負荷增大時，噴入氣缸的燃油增加，燃料燃燒產生更多的熱量；2)當負荷一定、轉速升高時，由于燃油噴射增加并且散熱損失減小，排氣溫度也有一定程度的升高；3)在相同工況下，生物柴油的排氣溫度低于柴油，這是因為生物柴油的絕熱火焰溫度低于柴油[9]，在生物柴油中添加甲醇后，由于甲醇自身的揮發性較強并且其燃燒過程中產生的碳氫化合物也具有一定揮發性，因此生物柴油/甲醇混合燃料的排氣溫度隨著甲醇摻混比例的增加逐漸降低。

圖5 不同工況下發動機燃用不同燃料的排氣溫度隨平均有效壓力的變化曲線

發動機的燃燒特性主要由其運行時的氣缸壓力曲線和燃燒放熱率曲線表征。圖6為不同工況下發動機燃用不同燃料的氣缸壓力隨曲軸轉角的變化曲線，可以看出：1)發動機的轉速升高或者負荷增大時，氣缸壓力的峰值增大，這是因為轉速和負荷增大會使發動機噴油量增加；2)當使用不同燃料時，發動機氣缸壓力曲線的形式變化不大。

圖7為不同工況下發動機燃用不同燃料的燃燒放熱率隨曲軸轉角的變化曲線，由此可得如下結論。

1) 本實驗發動機整體呈現出2段放熱的特點，這與配備泵管嘴噴油系統的柴油機放熱規律不同，這2段放熱現象分別是由燃油預噴和主噴造成的。

2) 生物柴油第1階段快速放熱開始的時刻晚于柴油，并且其放熱率曲線的第1個峰值低于柴油放熱率曲線相應的峰值。其原因是：第1階段放熱對應的燃油預噴射持續期較短，噴嘴響應時間在噴油持續期中占的比例較高，生物柴油黏度高、噴油霧化效果差的特性對噴射過程的不利影響較大；然而，隨著生物柴油中甲醇摻混比例的增加，盡管甲醇蒸發較快并且黏度較低的特性會使燃料的噴油霧化效果得到改善，但是燃料第1階段快速放熱開始的時刻進一步推遲并且放熱率曲線的第1個峰值也逐漸減小；甲醇熱值較低和蒸發潛熱較高的理化特性是導致這一現象的主要原因。

3) 在燃油主噴射引起的第2階段放熱期間，生物柴油添加甲醇后，快速放熱開始的時間也被推遲，

圖6 不同工況下發動機燃用不同燃料的氣缸壓力隨曲軸轉角的變化曲線

圖7 不同工況下發動機燃用不同燃料的放熱率隨曲軸轉角的變化曲線

但是放熱率的峰值逐漸增大，這是由于甲醇的十六烷值較低，增加的著火延遲使得更多的燃料處于預混燃燒模式。

4) 混合燃料第2階段放熱持續時間隨甲醇摻混比例的增加而減少，這是因為甲醇的高含氧量改善了燃燒過程(尤其是擴散燃燒過程)。

3 發動機排放測試結果和討論

3.1 CO和HC排放

圖8、9分別為在不同工況下發動機燃用不同燃料的CO和HC排放隨平均有效壓力的變化曲線。CO和HC是不完全燃燒的主要產物，生物柴油中的含氧量促進了其燃燒，從而減少了CO和HC的排放。然而，從圖8、9可以看出：1)加入甲醇后，CO和HC的排放在中、低負荷時顯著增加，甲醇的易揮發性導致未燃碳氫化合物增多是產生這一現象的主要原因；2)高負荷時，由于缸內溫度較高，揮發的甲醇被氧化的可能性增大，因此，生物柴油和混合燃料之間CO和HC排放的差別縮小了。

CO2是一種溫室氣體，對全球氣候變暖起主要作用。圖10為不同工況下發動機燃用不同燃料的CO2排放隨平均有效壓力的變化曲線，可以看出：燃料中含氧量可以改善燃燒過程，在相同工況下，隨著燃料中含氧比例的升高，發動機CO2的排放逐漸增加，尤其是在高轉速時，增幅較為明顯。

圖8 不同工況下發動機燃用不同燃料的CO排放隨平均有效壓力的變化曲線

圖9 不同工況下發動機燃用不同燃料的HC排放隨平均有效壓力的變化曲線

圖10 不同工況下發動機燃用不同燃料的CO2排放隨平均有效壓力的變化曲線

3.2 NOx排放

圖11為不同工況下發動機燃用不同燃料的NOx排放隨平均有效壓力的變化曲線，由此可得如下結論。

圖11 不同工況下發動機燃用不同燃料的NOx排放隨平均有效壓力的變化曲線

1) 在轉速一定時，NOx排放呈現出隨負荷增大先減小后增加的趨勢。這是因為NOx生成主要與缸內氣體的溫度有關[10-12]，但是混合氣的氧濃度對其也有一定影響。在小負荷時，雖然缸內氣體溫度較低，但由于過量空氣系數較大，因此NOx排放較多，并且在一定負荷范圍內，NOx排放隨負荷增大而逐漸減小；當負荷增大到一定程度時，缸內氣體溫度較高，溫度對NOx排放影響加劇，這時NOx排放又呈現出隨負荷繼續增大而逐漸增加的趨勢。

2) 對于生物柴油/甲醇混合燃料，其NOx排放隨燃料中甲醇摻混比例的增加在中小負荷時減小，在高負荷時增大。摻混甲醇對NOx生成的影響在于：甲醇較高的蒸發潛熱傾向于降低燃燒溫度；燃料噴油霧化和燃燒改善傾向于提高燃燒溫度，并且甲醇的低十六烷延長了著火滯燃期，使更多的燃料處于預混燃燒模式，這也有利于提高燃燒溫度。結合實驗結果和分析研究,可以得到生物柴油燃料摻混甲醇對發動機NOx排放的影響:在中低負荷時，蒸發潛熱起主要作用；在高負荷時，燃料噴油霧化和燃燒改善則起決定作用。

3.3 碳煙排放

圖12為利用不透光度表征的不同工況下發動機燃用不同燃料的碳煙排放隨平均有效壓力的變化曲線,可見：1)與傳統泵管嘴噴油系統柴油機[12]相比，高壓共軌柴油機的碳煙排放水平很低，但是在大負荷時，由于燃油噴射量較多，碳煙排放能較為明顯地觀察到;2)當轉速增大時，由于燃燒時間縮短，燃料燃燒惡化，發動機碳煙排放也有所增加;3)在相同工況下，當燃料中含氧量增加時，碳煙排放有減小趨勢,這是由于燃料中的氧有利于改善燃燒過程、抑制碳煙先驅物的生成以及進一步對碳煙進行氧化。發動機的碳煙主要產生于燃料的擴散燃燒階段，生物柴油中添加甲醇導致的燃料著火滯燃期延長，有利于減少處于擴散燃燒模式的燃料總量。

圖12 不同工況下發動機燃用不同燃料的碳煙排放隨平均有效壓力的變化曲線

圖13為實驗工況下發動機NOx排放和碳煙排放隨不透光度的變化曲線,可以看出:1)在使用含氧燃料時，傳統柴油機NOx排放和碳煙排放的trade-off關系有所改善;2)在中小負荷時，發動機燃用生物柴油/甲醇混合燃料可在不增加NOx排放的同時減小碳煙排放。

圖13 NOx排放和碳煙排放隨不透光度的變化曲線

4 結論

利用共軌柴油機對比研究發動機燃用柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇燃料的燃燒以及各種污染物排放特性，分析了摻混不同比例甲醇對燃用生物柴油的發動機性能和排放的影響，得到的主要結論如下。

1) 在相同轉速和負荷下，當使用生物柴油燃料時，發動機的燃油消耗率高于使用燃用柴油時，同時發動機熱效率也有所增大。在生物柴油中摻混甲醇后，發動機的燃油消耗率進一步提高，但是熱效率變化不大。

2) 發動機燃油采用預噴和主噴2次噴射時，燃料的放熱也相應地分為2段。生物柴油預噴階段的放熱量低于柴油。隨著生物柴油/甲醇混合燃料中甲醇比例的增加，燃料預噴階段的放熱率峰值降低并且放熱開始時刻推遲。在主噴射對應的放熱階段，摻混甲醇導致放熱率峰值增大，放熱持續時間縮短。

3) 在相同轉速和負荷下，發動機燃用生物柴油的HC和CO排放比燃用柴油低。但是燃用生物柴油/甲醇后，發動機排放的HC和CO隨著甲醇摻混比的增加逐漸升高。發動機的CO2排放隨燃料中碳氫比的減少逐漸升高。

4) 隨著生物柴油/甲醇燃料中甲醇比例的增加，發動機的NOx排放在中小負荷時逐漸減小，在高負荷時逐漸升高。在相同工況下，發動機的碳煙排放隨著燃料中含氧比例增大逐漸降低。在中小負荷時，發動機燃用生物柴油/甲醇混合燃料可以在不增加NOx排放的同時減小碳煙排放。

[1] Lapuerta M, Armas O, Rodríguez-Fernández J. Effect of Biodiesel Fuels on Diesel Engine Emissions[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34(2): 198-223.

[2] Demirbas A. Progress and Recent Trends in Biodiesel Fuels[J]. Energy Conversion and Management, 2009, 50(1): 14-34.

[3] Murugesan A, Umarani C, Subramanian R, et al. Biodiesel as an Alternative Fuel for Diesel Engines: A Review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009, 13(1): 653-662.

[4] Suh H K, Roh H G, Lee C S. Spray and Combustion Characteristics of Biodiesel/diesel Blended Fuel in a Direct Injection Common-rail Diesel Engine[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2008, 130(3): 032807-032809.

[5] Cheung C S, Zhu L, Huang Z. Regulated and Unregulated Emissions from a Diesel Engine Fueled with Biodiesel and Biodiesel Blended with Methanol[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(32): 4865-4872.

[6] Zhu L, Cheung C S, Zhang W G, et al. Emissions Characteristics of a Diesel Engine Operating on Biodiesel and Biodiesel Blended with Ethanol and Methanol[J]. Science of The Total Environment, 2010, 408(4): 914-921.

[7] Zhu L, Cheung C S, Zhang W G, et al. Influence of Methanol-biodiesel Blends on the Particulate Emissions of a Direct Injection Diesel Engine[J]. Aerosol Science and Technology, 2010, 44(5): 362-369.

[8] Huang Z H, Lu H B, Jiang D M, et al. Combustion Characteri-stics and Heat Release Analysis of a Compression Ignition Engine Operating on a Diesel/methanol Blend[J]. Part D: Journal of Automobile Engineering, 2004,218(1): 1011-1024.

[9] Nabi N, Akhter S, Shahadat Z. Improvement of Engine Emissions with Conventional Dieselfuel and Diesel-biodiesel Blends[J]. Bioresource Technology,2006, 97(3)： 372-378.

[10] Wu F, Wang J, Chen W, et al. A Study on Emission Performance of a Diesel Engine Fueled with Five Typical Methyl Ester Biodiesels[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(7): 1481-1485.

[11] Al-Shemmeri T T, Oberweis S. Correlation of the NOxEmission and Exhaust Gas Temperature for Biodiesel[J]. Applied Thermal Engineering, 2001,31(1): 1682-1688.

[12] Huang Z, Lu H, Jiang D, et al. Engine Performance and Emissions of a Compression Ignition Engine Operating on the Diesel-methanol Blends[J]. Journal of Automobile Engineering, 2004, 218(4): 435-447.

(責任編輯:尚菲菲)

Performance and Emissions of Engine Fueled with Biodiesel/Methanol Blends

YU Wu1, ZHANG Zhi-yuan2, CHEN Cai-sen3, HUANG Zuo-hua4, XU Yu-guo5

(1. Department of Drill Master Regiment, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;3. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;4. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;5. Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Based on the complementary advantages between biodiesel and methanol, the influence of methanol addition to biodiesel on engine performance and emissions is investigated. Experimental results show that, with the increase of methanol fraction in blended fuels, the brake specific fuel consumption increases while the brake thermal efficiency varies little at most engine loads; with the increase of methanol proportion in the blends of biodiesel and methanol, the peak of heat release rate in the pilot injection decreases and the heat release start time is delayed, the peak of heat release rate in the main injection increases after blended with methanol while heat release duration decreases; after the biodiesel is blended with methanol, CO and HC emissions of engine increase dramatically, NOxemissions decrease at low and medium loads, while increases at high load; soot emissions decrease as oxygen proportion is increased. When using biodiesel-methanol fuel, the trade-off correlation of NOxemissions and soot emissions is improved at low and medium loads.

biodiesel; methanol; diesel engine; emission

1672-1497(2015)03-0047-08

2015-01-06

喻 武(1984-)，男，工程師，博士。

TK42

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.010