共軌柴油機燃用生物柴油-汽油混合燃料的性能與排放研究

楊傳通，賀晶晶，李權威，陳昊

(長安大學汽車學院，陜西 西安 710000)

由于熱效率高、動力性好，柴油機廣泛用于車輛和工程機械中。然而，隨著排放法規的日益嚴格，傳統柴油機同時減少氮氧化物和炭煙排放以達到排放目標是一個巨大的挑戰。生物柴油作為一種綠色環保和可持續的柴油替代燃料，受到了廣泛的關注[1-3]。生物柴油是主要以植物油、動物脂肪或者餐飲廢棄油脂為原料生產的燃油，屬于生物質能源，其主要成分是脂肪酸甲酯，通常通過使脂質與醇(主要是甲醇)化學反應產生脂肪酸酯而制成[4]。生物柴油理化性能與石化柴油相似，在不改動柴油機現有結構基礎上可直接應用[5]。國內外已有大量研究表明，與傳統柴油燃料相比，柴油機燃用生物柴油時的CO、HC和炭煙排放均有所降低，但是NOx排放較高[6-8]。

此外，生物柴油存在著黏度高、密度高、低溫流動性差和熱值低等缺點[9]。生物柴油的噴霧特性與柴油相似，但其噴霧貫穿距離比柴油大，而噴霧錐角約為柴油的一半。生物柴油較大的密度導致大直徑油滴數量較多，影響噴霧貫穿距離，而高黏度和低揮發性導致噴霧錐角變小，影響霧化質量[10-11]。改善燃料揮發性和降低燃料黏度可以改善油霧化的質量。而生物柴油的低熱值也會導致柴油機燃油消耗率的增加[12]。為了解決生物柴油理化性質方面存在的缺點，許多研究者采用添加含氧燃料的方法。堯命發等[13]采用進氣道噴正丁醇和缸內直噴生物柴油的方法實現了高預混燃燒，有效降低NOx和炭煙排放。文獻[14]將PODE與生物柴油混合，通過改善生物柴油的黏度和低溫流動性實現了降低柴油機炭煙的效果。

綜上所述，國內外對于低比例汽油摻混生物柴油的研究較少。低比例汽油摻混生物柴油可以通過降低燃料運動黏度和提高揮發性來改善生物柴油性能。本研究選用不同摻混比的生物柴油-汽油混合燃料(汽油體積比小于20%)，在一臺增壓中冷、直列6缸高壓共軌柴油機上測試了3種燃料在1 400 r/min，不同負荷下的燃燒和排放性能。此外，還對超細顆粒物(D<220 nm)的數濃度進行了研究。

1 試驗設備及方法

試驗采用的是一臺直列6缸四沖程高壓共軌電控YC6G270-30柴油機，具體參數見表1。

表1 發動機主要參數

試驗燃料為餐飲廢油制成的生物柴油，分別摻混0%，10%和17%汽油，配制成BD100，BD90G10和BD83G17 3種燃料。燃料的部分理化特性見表2。 混合燃料的傾點和凝固點低于BD100，有助于提高低溫流動性。 BD90G10和BD83G17的黏度明顯下降，有利于噴霧和霧化的改善。汽油的95%蒸餾溫度低于生物柴油，因此BD90G10和BD83G17具有更高的揮發性。

表2 生物柴油-汽油混合燃料理化性質

試驗采用凱邁CW260電渦流測功機控制轉速和扭矩，使用Kistler 6052A壓電式缸壓傳感器采集發動機氣缸壓力信號，經過Kistler5019B電荷放大器將信號傳輸到KiBox燃燒分析儀。排放測試系統包括廢氣分析儀(AVL Digas4000：HC，CO和NOx；AVL Dismoke 4000：煙度)和空氣動力學粒度分光計(SMPS-3936)。 空氣動力學粒度分光計(SMPS-3936)主要參數見表3。由表3可以明確看出，該儀器檢測濃度最低可達1個/cm3，且對于每個工況點的顆粒物采集均可在64 s內完成。該儀器測量精度高、反應時間快，完全滿足試驗需求。通過體積分數分析HC，CO和NOx排放；炭煙排放由不透光度描述，通過數濃度分析超細顆粒物。試驗中發動機轉速穩定在1 400 r/min，其平均有效壓力分別為0.16 MPa，0.32 MPa，0.48 MPa，0.64 MPa，0.81 MPa，0.97 MPa，1.3 MPa。純生物柴油的發動機運行工況和原機噴射策略見表4。由測量的缸壓信號計算瞬時放熱率和燃燒溫度。

表3 SMPS-3936型空氣動力學粒度分光計主要參數

表4 發動機轉速1 400 r/min時的原機參數

2 試驗結果與分析

2.1 噴射時刻

表5列出發動機在不同負荷時的噴射時刻和噴射持續期。在部分負荷時采用了預噴射和主噴射的二次噴射策略，在中高負荷采用一次噴射。對于同種燃料來說，隨著負荷增加，噴射始點提前，噴射持續期增大，燃油消耗量增多。此外，對于發動機所有負荷工況，隨著汽油摻混比例增加，主噴射時刻稍微延遲并且持續期減小。這是由汽油-生物柴油混合燃料的理化性質決定的。摻混汽油使混合燃料的熱值增加，輸出同等功率，混合燃料消耗量相比生物柴油減少。

2.2 燃燒特性

圖1示出汽油-生物柴油混合燃料在1 400 r/min時的缸內壓力、瞬時放熱率和燃燒溫度與燃用純生物柴油的比較。0.48 MPa，0.64 MPa，1.3 MPa分別代表部分負荷，中等負荷和大負荷。3種缸內壓力曲線變化幾乎沒有差異，混合燃料的峰值燃燒壓力略高于BD100。在部分、中等負荷下，與BD100相比，BD90G10和BD83G17的燃燒始點滯后。隨著混合燃料中汽油摻混增多，其自燃性變差，使得滯燃期延長，燃燒始點滯后。大負荷時3種燃料相差不大，隨著負荷的增加，缸內溫度升高，缸內熱力狀況得到有效改善，十六烷值對燃燒始點和滯燃期的影響弱化。

在部分負荷和中等負荷下，混合燃料的峰值放熱率明顯高于BD100。在0.64 MPa下，BD90G10和BD83G17的峰值放熱率為232.47 J/(°)和236.66 J/(°)，而BD100的峰值放熱率僅為222.3 J/(°)。在0.81 MPa下，BD100，BD90G10和BD83G17的放熱率峰值分別為234.9 J/(°)，237.7 J/(°)和238.0 J/(°)。這種現象可歸因于混合燃料的高熱值和滯燃期延長。在高負荷下峰值放熱率略有上升：一方面，混合燃料的燃燒始點幾乎相同；另一方面，高汽化潛熱抵消了高熱值對峰值放熱率的影響。

表5 噴射時刻及噴射持續期

由于混合燃料滯燃期長，熱值高，加之部分負荷及中等負荷下的峰值放熱率大，因此混合燃料的燃燒溫度相比純生物柴油有所增加。在平均有效壓力為1.3 MPa時，缸內熱狀態得到改善，汽油可燃性差的特點對燃燒始點的影響減弱。汽油具有比生物柴油更高的汽化潛熱，可吸收更多的缸內熱量，該效果平衡了由高熱值和高放熱率峰值引起的燃燒溫度的增加趨勢。因此，在高負荷下摻混汽油后燃燒溫度幾乎沒有增加。

2.3 有效燃油消耗率

有效燃油消耗率是反映燃料經濟性能的一個重要指標。圖2示出在1 400 r/min 時，發動機燃用生物柴油以及生物柴油-汽油混合燃料(BD100，BD90G10，BD83G17)的負荷特性油耗對比。由圖2可知，燃料的有效燃油消耗率隨著汽油摻混比例增加而降低。燃料的熱值隨著汽油含量的增加而提高，生物柴油-汽油混合燃料熱值增加，要輸出相同的功率會減少燃料的消耗。因此，隨著汽油摻混比的提高，燃料有效燃油消耗率降低。從圖2還可以看出，隨著汽油摻混比的增加，混合燃料的有效熱效率比生物柴油的更高。汽油含量的增加使得燃料霧化質量提高，燃料燃燒更加充分，有效熱效率增加。

圖2 發動機有效燃油消耗率

2.4 排放特性分析

2.4.1NOx排放

圖3示出發動機在1 400 r/min時燃用BD100，BD90G10和BD83G17燃料的NOx排放對比。由圖3可知，與BD100相比，BD90G10和BD83G17的NOx排放較高。相同工況下，隨著汽油摻混比例的增加，燃料的NOx排放逐漸增加。這是因為隨著汽油摻混比例的提高，混合燃料峰值燃燒溫度升高，故導致NOx排放增多。

2.4.2炭煙排放

燃油中的碳在高溫和缺氧條件下，受缸內可燃混合氣的均勻性、燃料的性質、燃料的霧化及燃燒室內燃料的積聚等因素的影響而生成炭煙[16]。圖4示出生物柴油-汽油混合燃料的炭煙隨發動機負荷的變化。由于BD90G10和BD83G17的運動黏度低于BD100，生物柴油-汽油混合燃料的霧化質量優于生物柴油，故BD90G10和BD83G17兩種燃料的預混燃燒強度高于BD100，柴油機燃用生物柴油-汽油混合燃料時極大地減少了燃料處于高溫缺氧環境中的概率，故相同工況下，隨著汽油摻混比例的增加，炭煙排放降低。

圖3 1 400 r/min時NOx排放負荷特性

圖4 1 400 r/min時煙度負荷特性

2.4.3超細顆粒物排放

柴油機的顆粒物排放是造成城市大氣環境惡化的主要原因之一，而且許多研究表明，超細顆粒物易進入肺泡、血液、神經系統等，其和白血病、心血管疾病的發生有一定關聯[17-18]。超細顆粒物按照不同物理形成機制分為3種模態：成核態顆粒物(D<50 nm)、愛根模態顆粒物(50 nm

圖6示出發動機轉速為1 400 r/min時的超細顆粒物數濃度負荷特性。由圖6看出，隨著負荷的增加，BD100和BD90G10的超細顆粒物數濃度呈先增大后減小的趨勢。BD100的超細顆粒物數濃度最大，平均有效壓力為0.48 MPa時達到最大值，BD90G10在0.32 MPa時顆粒物數濃度達到最大值。BD83G17數濃度總體呈隨著負荷增加而減小的趨勢。在低負荷和部分負荷時，炭煙排放較低，但是超細顆粒物數濃度較高。這主要是因為在此負荷工況下，缸內溫度較低，燃料霧化效果差，低熱效率導致的不完全燃燒造成超細顆粒物數濃度的顯著增加。然而，隨著發動機負荷的增加，缸內燃燒溫度增加，缸內熱狀態得到顯著改善，空氣與燃料混合均勻，因此超細顆粒物數濃度明顯降低。與BD100相比，生物柴油-汽油混合燃料明顯降低了柴油機的超細顆粒物排放，這主要因為摻混汽油有效改善了燃料空氣混合物的霧化質量。在低負荷和部分負荷下，混合燃料超細顆粒物數濃度隨著汽油摻混比增大而顯著降低；在高負荷下，BD90G10和BD83G17的數濃度相差不大，表明汽油摻混比的進一步增大對超細顆粒物排放的減少影響不大。

圖5 1 400 r/min時超細顆粒物數濃度對比

圖6 1 400 r/min時超細顆粒物數濃度負荷特性

3 結論

a) 在部分負荷和中等負荷下，BD90G10和BD83G17的峰值燃燒壓力、峰值放熱率和燃燒溫度都略高于BD100，在大負荷下，3種燃料相差不大；生物柴油摻混汽油可以一定程度降低柴油機有效燃油消耗率；

b) 柴油機的NOx排放與汽油摻混比例成正比；與生物柴油相比較，BD90G10和BD83G17的NOx排放平均增加4.2%和6.7%，同時炭煙排放有所降低；

c) 3種燃料超細顆粒物數濃度都隨著負荷的增大呈先增加后減小的趨勢，在大負荷下，BD90G10和BD83G17的數濃度相差不大，表明汽油摻混比的進一步增大對超細顆粒物排放的減少影響不大。