柴油機用生物柴油的排放特性研究

張義俊 郭簫玥 (河南農業職業學院，河南 鄭州 451450)

0 引言

生物柴油又名脂肪酸酯，是一種經過化學作用從植物或者動物中提取的[1]。因此，要解決溫室效應和全球變暖問題生物柴油的使用是個不錯的選擇，但是生物柴油的使用可能會消耗地球的碳儲量，其實換個角度來看它也提升了自然碳循環的速度和利用率。反之，我們使用的普通柴油能源是直接使用地球上的碳儲存，不管未來的內燃機技術多么先進，只要內燃機燃燒化石能源，二氧化碳的排放都是一系列不可避免的因素，從而增加了溫室效應并加速全球變暖，這是威脅氣候問題的根本原因。

1 生物柴油

目前，全球車輛尾氣排放規定變得極其嚴苛。新的歐5法規限制了顆粒物排放。鑒此，汽車尾氣中顆粒物的產生機理和測定方法引起了研究人員的關注。柴油發動機排放的顆粒物是影響空氣的主要污染源，數據顯示，直徑小于1000nm的顆粒是潛在的致癌物，可增加呼吸道和心血管疾病的發病率和死亡率。

生物柴油作為未來可再生替代能源，因為其微粒物特別是極小微粒的排放特性而得到許多學者的重視。當前，大多數現有研究集中在符合歐Ⅵ和初始排放規范的柴油發動機上。生物柴油的主要來源是植物或者一些廢棄油。研究表明，使用生物柴油通常使得顆粒數目和顆粒濃度增加，凝結顆粒數目和濃度減少。燃料的類別、運轉條件、燃燒特征、物理和化學特征等都對柴油機顆粒物的施放特性產生影響。但因為標準上的不同，來源不同的生物柴油也有著不一樣的顆粒釋放特征。在從多種來源(例如棕櫚油)收集數據的過程中，尤其是從文獻最新的研究中，對于生物柴油顆粒物排放特征的研究仍然有著不足之處。

2 測量實驗準備

試驗臺使用軟件控制油門控制器和測力計上的負載，以測量實時燃油消耗；尾氣分析儀和煙度計同時滿足測試所需的各種工作要求，用于分別測量柴油機的廢氣和煙氣；串行通訊收集實時測量數據；柴油發動機和測力計之間使用牢固的互連，并且尾氣分析儀和煙度計分別放置在柴油發動機的排氣管中進行測量。

測功機用于監測柴油機的輸出功率，設定測試范圍和誤差精度。根據柴油發動機的輸出功率，測試中使用的測功機是來自湘益電力測試儀器公司的系列測功機。測功機是一種渦流測功機，主要由制動器，測力機構和測速裝置組成。應變型拉伸壓力傳感器用于扭矩測定，而脈沖磁速度傳感器用于速度測量。

節氣門控制器主要用于控制柴油機的節氣門開度。為了進行測試，選擇了襄樊電力測試儀器有限公司的油門執行器，并選擇了最大扭矩、旋轉角度和有效行程。節氣門開度由控制裝置設置的方法控制，內燃機的節氣門增減，通過角位移傳感器測量執行器的位移行程，并將位移行程反饋給控制器設備執行閉環控制[2]。

測試用油耗表使用湘宜電力檢測儀器公司智能油耗表，智能油耗表顯示裝置采用固定時間測量重量的方法。該測量單元使用精密電阻應變計稱重傳感器，高度穩定、精確穩定的電源以及用于燃料和周期測量的可編程控制放大器。

使用英國公司制造的DMS500高速顆粒分析儀測量顆粒發射特性。該儀器的最大測量頻率為10Hz，可以測量5～1000nm粒徑范圍內的總共22個等級的顆粒，并可用于驗證測得的顆粒，用對數正態分布近似估算粒子數和凝固粒子數，以獲得噴霧霧滴的濃度和尺寸的分布。

3 實驗結果分析

發動機結構因素、運行工況和燃料特性是影響有害物排放的三個主要因素。在此次測試中，前兩個實驗條件相同，因此生物柴油與常規柴油發動機之間的排放差異主要是由于燃料特性的差異。由于生物柴油的燃燒熱值、黏度、密度、芳香族化合物和硫含量不同，因此在柴油機中燃燒后生物柴油和柴油的尾氣排放組成也不同。

3.1 一氧化碳排放

在實驗中可以看出，在低負荷下，三種燃料(生物柴油、柴油、生物柴油-柴油)的CO排放量沒有顯著差異，但是在高負荷下，生物柴油燃燒的CO排放量顯著降低。還可以看到，生物柴油比普通柴油在高、中、低三種負荷的工況下一氧化碳排放量減少了29%。根據一氧化碳的產生機理，其具有兩個主要作用：首先，生物柴油是一種含氧燃料，氧的含量大約為10%，因此生物燃料可以得到更加充分地燃燒，尤其是在高負荷運轉下。其次，生物柴油比普通柴油擁有更多的十六烷值，這是衡量柴油發動機可燃性的指標。研究結果表明，在冷啟動、熱啟動和其他運行條件下，十六烷值每增加10個單位，CO排放量分別減少0.496g/kW·h，0.590g/kW·h和0.576g/kW·h。

實驗數據表明，隨著生物柴油在混合燃料中的比例增加，CO排放量呈線性下降。這表明使用柴油和生物柴油的混合物，不僅可以降低燃料燃燒尾氣排放中顆粒物的排放，也會大大降低CO的排放，SOx的排放也由于石化柴油的混合量降低而減少。因此在滿足燃料霧化條件下，生物柴油和柴油可以任意比例混合用于柴油機的燃燒。

3.2 經濟效益

隨著負載的升高，純柴油在混合燃料中的混合比例逐漸降低。純柴油除外，當柴油發動機在2000r/min的中、輕負載下運行時，燃油耗油率隨著柴油含量的提升而增高。

產生上述現象的原因：首先，生物柴油中的氧可在中等和低負荷條件下促進燃料加速燃燒，與純柴油相比可減少燃料消耗。其次，負載越高，發動機速率越快，燃燒溫度越高，此時，燃燒狀態相對良好，并且氧對燃燒狀態的影響相對較弱。生物柴油燃燒熱值比普通柴油略低，混合燃料的燃料消耗稍有增加。在高負載下，降低了柴油機的熱傳導消耗，提高了燃料的熱效率，并減少了燃油的消耗。生物柴油的熱值低，單位質量的產熱量比柴油低，當發動機的工況都相同時，測功機輸出扭矩燃用純柴油的扭矩更大。根據電控高壓共軌柴油機的MAP數據顯示，相應的燃料噴射提前角大，高溫混合燃料進入氣缸后燃料束與外界空氣的混合時間長，燃燒發生前的準備時間長，氣相和液相能夠均勻混合。

3.3 顆粒物排放濃度

在1980、2400、2820r/min的中輕負載下，一種燃料的最大顆粒濃度為0.0018μg/cm3，另一種濃度為0.0021μg/cm3。與柴油相比，加入不同比例的生物柴油，顆粒物濃度沒有明顯不同。在中高負荷(＞50%負荷)下，石化柴油的顆粒濃度要比生物柴油高，并且伴隨混合生物柴油的增多，顆粒物的濃度慢慢降低。就外部特性而言，樣品1中最大顆粒質量濃度為0.0301μg/cm3，樣品2的最大顆粒質量濃度為0.002μg/cm3，樣品3顆粒濃度比樣品4的濃度低71.5%。

上述結果主要是由于試驗柴油發動機的高燃油噴射壓力，良好的霧化和燃燒以及原始發動機在中等和輕載條件下的低顆粒排放所致。因此，生物柴油燃燒后顆粒物的質量濃度變化不大，但隨著高負荷而變化。氣缸內的燃燒溫度升高，空燃比局部降低，導致PM排放量上升[3]。當前，生物柴油的氧含量和煙灰前體的低產率在降低顆粒物質的質量濃度中起作用，效果很明顯。

3.4 煙塵排放

實驗測量表明，與純柴油相比，純生物柴油排放的煙塵幾乎減少了50%。這有兩個主要原因：第一，生物柴油含有相對較少的芳香烴。通常，極少的油煙具有較高的芳族含量，而極少的油煙具有較高的鋁含量。純生物柴油排放的煙塵少于純柴油，這是因為芳族化合物的烴質量比(C/H)遠高于烷烴。第二，生物柴油含有氧氣。燃料中的氧原子(高達10%的氧氣)在燃料燃燒過程中起作用，尤其是在高燃料濃度的區域(例如噴嘴芯)中。燃料中所含的氧氣可以加快燃料的燃燒，使燃料燃燒更充分，從而減少煙塵排放。同樣，煙灰排放隨混合燃料中生物柴油比例的增加而線性降低。

3.5 HC排放

根據實驗結果數據來看，生物柴油中放出的碳氫化合物要比一般柴油少，生物柴油的HC排放量比傳統柴油低24.98%。這是因為在柴油中有一種叫做芳香族化合物的成分，他在生物柴油里的含量很低，通常情況下，HC的排放與芳族含量有關，其值越低阻燃的時間就越短。其次，還有一種物質叫做十六烷值，它會使得燃料的點火性能增強，在充分燃燒下或斷鏈的碳氫化合物含量就會降低。

4 結語

綜上所述，石化燃料的過度使用，造成了環境的污染。生物柴油的燃放使大氣污染不再那么嚴重，所以隨著社會的進步與發展，生物柴油將會逐漸走入燃油領域。想要減少現在的溫室效應不只是從交通工具入手，也要從燃料入手，開發清潔能源、環保能源，生物柴油就是一種很好的燃料。

生物柴油中的顆粒平均直徑通常比石化柴油的顆粒幾何平均直徑小，并且只要將上述兩種柴油按照一定的比例混合，混合比例增加，那么排放物中顆粒的平均直徑就會慢慢縮小。生物柴油的原料不同，其物理和化學特性也有差異，這對使用生物柴油的柴油發動機的功能和排放特性具有一定的影響，可以使用其他原材料生產生物柴油，進而對柴油機燃用生物柴油的排放特性進行進一步實驗探討，以提高不同類型生物柴油的適用性。由于瞬態工況下的測量和控制設備價格較高，使用生物柴油和常規石化柴油作為燃料的柴油機瞬態工況的實驗研究發展有限。燃油噴霧的形成和性質是影響燃料燃燒的重要因素。霧化效果直接影響燃料的燃燒特性，最終影響柴油燃燒后的廢氣排放。因此，生物柴油及其混合燃料的噴霧和燃燒特性需要進一步探討。