柴油機摻燒生物柴油NOx和Soot排放控制研究

鄭佳，周斌，閆嘉楠，南靖雯

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

一個世紀以來，隨著新材料、新工藝的應用以及設計水平的提高，汽車得到了長足的發展。隨著汽車保有量的逐漸增加，能源問題和環境污染問題日益顯現。汽車尾氣成為城市空氣的主要污染源，世界各國的汽車排放法規也越來越嚴。這使得替代燃油的研究越來越受到人們的重視。

生物柴油是指以植物油脂、動物油脂以及餐飲廢油等為原料通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料，其物理化學性質與0號柴油相似，不同濃度的生物柴油-0號柴油混合燃料可以直接應用于壓燃式內燃機[1]。生物柴油應用于柴油機的研究始于20世紀80年代。由于生物柴油的熱值比0號柴油低，且自身含有10%的氧，燃用生物柴油-0號柴油混合燃料導致柴油機動力性能降低、燃油消耗率增加，在排放方面，導致NOx排放增加而其他排放有所改善[2-3]。綜合考慮各方面的影響，多數學者認為生物柴油應用于柴油機的摻燒比應該在20%以內，同時也有學者指出生物柴油-0號柴油混合燃料對柴油機尾氣排放影響的研究不完善，因此，最佳混合比例問題是該研究領域所討論的熱點[4]。

本研究運用GT-Power軟件建立4JB1柴油機模型，在模型得到驗證之后仿真計算柴油機燃用生物柴油-0號柴油混合燃料對NOx和Soot排放的影響，以及引入EGR對這兩種排放物的影響。

1 仿真模型的建立

1.1 柴油機模型的建立

GT-Power軟件是一維發動機仿真分析軟件，可對發動機的各項性能進行模擬計算。本研究以排量為2.771 L的4JB1發動機為研究對象，發動機的主要技術參數見表1。根據柴油機的參數建立的GT-Power仿真模型見圖1。

表1 柴油機主要性能指標

圖1 柴油機整機模型

為驗證模型的正確性，首先對比了柴油機外特性扭矩和燃油消耗率的試驗值和計算值(見圖2)。由對比結果可以看出，扭矩的最大誤差為2.97%，燃油消耗率的最大誤差為4.35%。

圖2 試驗結果與模擬結果對比

為保證模型缸內燃燒情況與柴油機真實燃燒情況一致，對比了柴油機標定工況點的缸壓(見圖3)。對比發現，計算結果與試驗結果基本吻合。

圖3 標定工況點缸壓對比

柴油機排放的仿真值與試驗值的對比見圖4和圖5。由圖4可以看出，NOx排放的仿真結果較為合理。由于Soot排放模型是一個趨勢預測模型，在建模過程中通常保證其趨勢與試驗值一致。由圖5可以看出，仿真的Soot排放趨勢與試驗值的趨勢一致。

通過以上分析得出，本研究所建立的模型和參數設置與柴油機實際運轉情況基本吻合，可以運用該模型進行后續模擬計算。

圖4 NOx排放對比

圖5 Soot排放對比

1.2 生物柴油燃料模型的建立

生物柴油的主要性能指標和檢驗標準見表2，其生產原料為地溝油。

表2 生物柴油主要性能指標

在模型中生物柴油的密度、低熱值以及C，H，O原子的比例等參數的設置見圖6和圖7。

圖6 生物柴油主要參數設置

圖7 生物柴油氣態參數設置

完成生物柴油燃料模型設置后，在外特性下隨機選取1 600 r/min工況點對模型進行驗證，結果見表3。計算結果與試驗值基本吻合。

表3 生物柴油模型驗證

2 不同濃度混合燃料對柴油機排放的影響

B0，B10，B20，B30，B40 和 B50分別代表生物柴油體積分數為0%，10%，20%，30%，40%和50%的生物柴油-0號柴油混合燃料。首先研究了燃用不同濃度混合燃料對柴油機NOx和Soot排放的影響。由于不同濃度的生物柴油會造成柴油機輸出扭矩不同程度的降低，因此，本研究都采用比排放量研究其排放特性。

2.1 對外特性排放的影響

圖8示出燃用不同濃度混合燃料對柴油機外特性Soot排放的影響。由圖可見，燃用混合燃料的Soot排放趨勢與燃用B0燃料一致，低速時柴油機Soot排放較高，而高速時較低。這主要是由于高溫、富油、缺氧的環境有利于炭煙生成。在低速時，柴油機缸內壓力和空燃比低，噴入缸內的燃油與空氣混合不均勻，導致局部缺氧，不利于充分燃燒。在高速時，柴油機空燃比大，油氣混合均勻，燃燒充分，Soot排放較低。

圖8 外特性Soot排放對比

生物柴油的加入使得柴油機Soot排放降低，且混合燃料中生物柴油的比例越大其降低幅度越大。這主要有3個方面的原因：一是生物柴油的含氧特性改善了缺氧嚴重的擴散燃燒，使燃燒更加充分；二是生物柴油汽化潛熱大，降低了缸內最高燃燒溫度，抑制了炭煙生成；三是生物柴油不含芳香烴，使得燃燒室內部過濃區高分子因高溫缺氧裂解而產生的炭煙減少[5]。混合燃料中生物柴油的比例越大，油氣混合物的含氧量就越高、芳香烴含量越低，其降低作用就越明顯。在1 200 r/min時，燃用B10，B20，B30，B40 和 B50混合燃料比B0的Soot排放分別降低了8.02%，13.11%，18.48%，26.72%，34.31%。從圖中可以看出，隨著轉速的增加，生物柴油對柴油機Soot排放的降低作用越來越弱。這主要是因為隨著轉速的增加，發動機空燃比逐漸增大，生物柴油含氧這一優勢被削弱。在3 000 r/min后，由于生物柴油對Soot生成的降低作用小于對扭矩輸出的降低作用，使得混合燃料的Soot比排放相對于B0稍有增加。

圖9示出燃用不同濃度混合燃料對柴油機外特性NOx排放的影響。由圖可見，燃用混合燃料的NOx排放趨勢與燃用B0燃料一致，低速時柴油機NOx排放量較少，而高速時較多。影響NOx生成的主要因素是溫度、過量空氣系數和在高溫中滯留的時間。低速時，空燃比、缸內壓力和溫度較低，不利于充分燃燒。高速時，由于空燃比大、缸內壓力和溫度高等有利于NOx生成的因素存在，NOx排放高。

圖9 外特性NOx排放對比

生物柴油的加入使得NOx排放增加，且混合燃料中生物柴油的比例越大NOx排放增加幅度越大。這主要有兩個方面的原因：一是生物柴油為含氧燃料，生物柴油的加入使得燃燒區域的氧濃度提高，有利于NOx生成；二是生物柴油十六烷值較高，滯燃期短，著火時刻早，能較早觸發NOx生成[5]。混合燃料中生物柴油的比例越大，燃料中含氧量越大、十六烷值越高，增大NOx排放的作用越明顯。在柴油機的最大扭矩輸出點2 000 r/min時，燃用B10，B20，B30，B40 和 B50混合燃料比B0的NOx排放分別增加了1.28%，2.66%，4.05%，5.55%和7.09%。

2.2 對負荷特性排放的影響

柴油機的扭矩在1 800 r/min時達到最大，且該轉速為發動機常用轉速，因此，本研究對柴油機該轉速的負荷特性進行研究。圖10示出燃用不同濃度混合燃料對柴油機1 800 r/min負荷特性Soot排放的影響。由圖可見，燃用混合燃料的Soot排放趨勢與燃用B0燃料一致，隨著負荷的增加Soot排放逐漸增大。生物柴油的加入使得Soot排放降低，且混合燃料中生物柴油的比例越大其降低幅度越大。

圖10 1 800 r/min負荷特性Soot排放對比

圖11示出燃用不同濃度混合燃料對柴油機1 800 r/min負荷特性NOx排放的影響。由圖可見，燃用混合燃料的NOx排放趨勢與燃用B0燃料一致，隨著負荷的增加，NOx排放逐漸降低。生物柴油的加入使得NOx排放增加，且混合燃料中生物柴油的比例越大其增加幅度越大。

圖11 1 800 r/min負荷特性NOx排放對比

3 NOx和Soot排放控制研究

在轉速1 800 r/min，不同負荷下，研究柴油機燃用不同濃度混合燃料時EGR對NOx和Soot排放的控制作用。

3.1 EGR對柴油機扭矩輸出的影響

為了防止EGR的引入造成柴油機扭矩輸出惡化，首先研究了柴油機在1 800 r/min，不同負荷情況下EGR率對柴油機扭矩輸出的影響，結果見圖12。由圖可見，在中小負荷時，EGR的引入對扭矩輸出的影響較小，在全負荷時，EGR的引入會造成扭矩輸出的惡化。這一特性與孫劍濤學者的試驗結果一致[6]。因此，以下針對1 800 r/min中低負荷工況，研究生物柴油結合EGR對柴油機NOx和Soot排放的影響。

圖12 EGR對柴油機扭矩的影響

3.2 生物柴油結合 EGR 對 NOx 排放的影響

圖13示出1 800 r/min，80 N·m工況點，不同濃度混合燃料結合不同EGR率對柴油機NOx排放的影響。在同一濃度混合燃料下，隨著EGR率的增大，NOx排放逐漸降低。在相同EGR率下，柴油機NOx排放隨著混合燃料中生物柴油體積分數的增大而增加。EGR的引入使缸內混合氣產生以下變化：一是稀釋了混合氣，降低了氣缸中的氧濃度；二是使進氣中的CO2和水蒸汽等三原子分子氣體增加，缸內工質比熱容增大，降低了缸內最高燃燒溫度和壓力；三是使進氣中CO2等惰性氣體增加，又相應減少了N2含量。這三方面的因素都促使NOx排放減少[7]。

圖13 生物柴油結合EGR對NOx排放的影響

表4示出不同濃度混合燃料結合不同EGR率時，柴油機NOx排放相對于原機的變化率。從表中可以看出，對于同一濃度混合燃料，隨著EGR率的增大，其NOx排放逐漸由高于原機變為低于原機。

表4 NOx排放相對原機的變化率 %

3.3 生物柴油結合 EGR 對 Soot 排放的影響

圖14示出1 800 r/min，80 N·m工況點，不同濃度混合燃料結合不同EGR率對柴油機Soot排放的影響。EGR的引入稀釋了進氣新鮮充量，降低了缸內氧濃度，同時也影響了空氣與燃油混合，局部缺氧區域增多，燃料燃燒不充分，使得柴油機Soot排放增加。因此，在同一濃度混合燃料下，隨著EGR率的增大，Soot排放逐漸增加。但含氧生物柴油的加入提高了缸內含氧量，彌補了其不足。因此，在相同EGR率下，柴油機Soot排放隨著混合燃料中生物柴油體積分數的增加而降低。

圖14 生物柴油結合EGR對Soot排放的影響

表5示出不同濃度混合燃料結合不同EGR率，柴油機Soot排放相對于原機的變化率。從表中可以看出，對于同一混合燃料，隨著EGR率的增大，其Soot排放逐漸由低于原機變為高于原機。

表5 Soot排放相對原機的變化率 %

3.4 NOx和Soot排放控制研究

對表4和表5進行插值處理可以得到每種燃料Soot排放和NOx排放與原機排放相等時的EGR率，結果見圖15。從圖中可以看出，兩條曲線趨勢基本一致，且兩條曲線比較接近。當EGR率在兩條曲線之間取值時，可使柴油機NOx和Soot排放都控制到與原機相當。

圖15 1 800 r/min，80 N·m工況點綜合影響

按照同樣的方法可以算出1 800 r/min，120 N·m和1 800 r/min，160 N·m工況點，不同濃度混合燃料NOx和Soot排放與原機相等時的EGR率，其結果分別見圖16和圖17。在1 800 r/min，120 N·m工況點(見圖16)，兩條曲線比較接近，當EGR率在兩條曲線中間取值時，可使柴油機NOx和Soot排放都控制到與原機相當。

圖16 1 800 r/min，120 N·m工況點綜合影響

在1 800 r/min，160 N·m工況點(見圖17)，當生物柴油的體積分數大于30%時，兩條曲線的差值較大。因此，在該工況點僅當生物柴油體積分數在30%以內時才可以通過調節EGR率的大小使柴油機NOx和Soot排放都控制到與原機相當。

圖17 1 800 r/min，160 N·m工況點綜合影響

通過以上分析可以得出：在1 800 r/min，80 N·m和1 800 r/min，120 N·m工況點，生物柴油在體積分數小于50%時以任意比例與柴油摻燒，可通過調節引入EGR率的大小使柴油機的NOx和Soot排放都控制到與原機相當；在1 800 r/min，160 N·m工況點，生物柴油在體積分數小于30%時與柴油摻燒，通過調節引入EGR率的大小可使柴油機的NOx和Soot排放都控制到與原機相當。

4 結論

a) 燃用生物柴油-0號柴油混合燃料會使柴油機NOx排放增加，Soot排放降低，且生物柴油體積分數越大其效果越明顯；低速時生物柴油降低Soot排放的效果較高速時明顯；

b) 在1 800 r/min中低負荷工況點，生物柴油以大比例(50%以內)摻混應用于柴油機，通過調節EGR率的大小可使NOx和Soot排放都控制到與原機相當；

c) 在1 800 r/min較高負荷工況點，生物柴油以較低摻混比例(30%以內)應用于柴油機，通過調節EGR率的大小可使NOx和Soot排放都控制到與原機相當，摻混比例過高則不行。

參考文獻：

[1] Ramadhas A S,Jayaraj S.Characterization and effect of using rubber seed oil as fuel in the compression ignition engines[J].Renewable Energy,2005,30(5):795-803.

[2] Al Dawody M F,Bhatti S K. Experimental and Computational Investigations for Combustion,Performance and Emission Parameters of a Diesel Engine Fueled with Soybean Biodiesel-Diesel Blends[J].Energy Procedia,2014,52:421-430.

[3] 張珂.生物柴油混合燃料對重型柴油機燃燒及排放的影響規律[D].長春：吉林大學,2009.

[4] Labeckas,Gvidonas.Performance of direct-injection off-road diesel engine on rapeseed oil[J].Renewable Energy,2006,31(6):849-863.

[5] 何金戈,童開,肖明偉,等.地溝油生物柴油-柴油混合燃料燃燒特性和排放特性的試驗研究[J].科學技術與工程,2014,14:261-265.

[6] 孫劍濤.增壓中冷車用柴油機EGR技術試驗研究[D].長春：吉林大學,2004.

[7] 畢克剛.富氧進氣結合EGR技術對增壓柴油機排放的試驗研究[D].昆明：昆明理工大學,2010.