高原環境下柴油機燃用生物柴油排放研究進展及展望＊

韓雅南 ， 劉學淵

（西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224）

0 引言

我國擁有廣闊的高原，其中海拔在1000米以上的地區占國土面積的58%以上，海拔2000米以上的地區占國土面積的33%以上。高原環境具有地勢復雜、大氣壓低、含氧量不足、氣候條件多變等特點。柴油機在高原地區運行時，受大氣壓力與溫度降低的影響，進入柴油機機缸內的空氣量減小，壓縮終點混合氣壓力和溫度降低，使得噴入缸內的燃油不能及時著火，造成燃燒滯后，引發燃燒惡化，從而導致一系列問題出現，如功率下降、油耗增加、排放惡化，嚴重降低了柴油機動力和經濟性[1]。因此，改善高原下柴油機性能是當前亟待解決的重要問題。

根據對柴油機在高原地區的排放規律及改善柴油機排放的對策措施的研究，其中柴油機燃燒摻混生物柴油情況下燃燒排放改善明顯。本文綜合敘述了關于生物柴油的研究及高原環境下柴油機燃用生物柴油的研究，并對高原環境下柴油機燃用生物柴油實驗研究方向進行了展望。

1 燃用生物柴油研究

1.1 燃用新型生物柴油排放研究

生物柴油由于其與柴油的相似之處，在燃料領域具有重要意義。它還因其可再生性、生物降解性、無毒性、閃點高、溫室氣體排放減少等優點而受到人們的廣泛關注。生物柴油沸點高于柴油，是一種低煙排放的環保燃料，并且生物柴油的來源廣泛。近年來，生物柴油的研究多集中在探索以及摻混新型生物柴油對柴油機性能排放的影響。Suleyman Sinmsek等[2]分別以植物（VEBD）和廢棄動物油脂（AFBD）為原材料制造的生物柴油進行實驗研究。實驗結果表明：AFBD100（0%柴油、100%廢棄動物油脂生物柴油）與VEBD100(0%柴油、100%植物生物柴油）的制動比熱效率降低，燃料消耗率增加，燃用兩種生物柴油的一氧化碳和碳氫化合物以及碳煙與柴油相比明顯減少，氮氧化物和二氧化碳的排放增加。M.N. Nabi 等[3]研究了兩種不可食用的廢食用油和澳洲堅果油對柴油發動機性能、排放和燃燒特性的影響。實驗結果表明：與柴油相比，燃用柴油與生物柴油混合物的柴油機性能沒有顯著變化，但燃燒效率較高；其中排放均顯著減少，氮氧化物排放略有減少。P.K. Sahoo等[4]利用不可食用的麻風樹油為原料生產生物柴油，并與柴油混合進行排放實驗研究。結果表明：在額定速度下，50%麻風樹生物柴油和柴油混合物的功率增加。所有生物柴油和柴油的燃油消耗率隨著混合而增加，隨速度而降低。與柴油相比，所有生物柴油及其混合物的碳煙都會減少。

1.2 燃用含有添加劑的生物柴油研究

眾多學者為提高燃用生物柴油的排放效果，將生物柴油與醇類添加劑混合。Huang Jiaqi等[5]利用大豆生物柴油、甲醇與大豆生物柴油混合的兩種比例進行實驗。實驗結果表明：這三種燃料的氣缸壓力都會隨著負荷的增加而增加，并且在中高負荷下，氣缸峰值壓力隨著甲醇混合比的升高而增大；三種燃料的一氧化碳和碳氫排放量均下降，隨著柴油機負荷的增加一氧化碳和碳氫排放量略有上升。在高負荷下，純生物柴油的一氧化碳排放比混合燃料的增長更快，甲醇混合比的上升促進了所有負荷下的氫氮排放。S. Senthur Prabu等[6]研究柴油機燃用廢食用油生物柴油與添加劑混合燃料的發動機性能排放影響，在六種不同比例下進行了實驗，結果表明，B30在排放和性能上相比其他比例混合物是效果最好的。

2 高原下柴油機燃用生物柴油研究

國內昆明理工大學和北京理工大學對高原環境燃用生物柴油的研究較多。昆明理工大學因地處云貴高原而具有得天獨厚的優勢，云貴高原平均海拔2000米左右，便于對高原生物柴油進行研究。昆明理工大學的黃金鳳等[7]在高原環境下對柴油機燃用不同比例的生物柴油混合燃料的排放特性進行了實驗研究。實驗結果表明：與燃用柴油相比，在各個工況下，碳氫、一氧化碳和碳煙的排放都有不同程度的降低。在高負荷、低轉速工況下效果尤為明顯；氮氧化物的排放也得到明顯改善，只有純生物柴油的氮氧化物排放量增加，燃用其他比例生物柴油均下降。余林嘯[8]在3個不同海拔高度的地點進行了實際海拔高度下的燃燒與排放試驗，結果表明：隨著海拔高度增加，柴油機在相同工況點的最高燃燒壓力下降，燃燒始點推遲，燃燒持續期縮短，預混合燃燒比例增加，最高平均溫度上升。達到最大轉矩轉速時一氧化碳排放均增加，而標定轉速的一氧化碳排放則在中等負荷略有下降；氮氧化物排放隨海拔高度的變化不明顯，在大部分工況點沒有顯著的增加或減少。顆粒物排放質量顯著增加，最大轉矩轉速的增幅大于標定轉速的增幅。劉少華等[9]為了了解不同類別的含氧生物質燃料在高原缺氧環境下對發動機性能和排放的影響，進行了實驗研究。實驗結果表明：在不對柴油機做任何調整的情況下，燃用含氧生物質混合燃料后，柴油機動力性下降，外特性轉矩均下降，燃油消耗率均低于柴油。沈穎剛等[10]研究了高原環境下發動機燃用生物柴油和大氣壓力對壓燃式發動機性能與排放特性的影響規律與作用機理。研究結果表明，隨著大氣壓力下降，自然吸氣柴油機的最大扭矩和有效熱效率下降幅度逐漸加劇，其最大扭矩輸出隨生物柴油摻混比增大先升后降；而渦輪增壓柴油機最大扭矩隨生物柴油摻混比的增加一直呈線性下降。對于自然吸氣柴油機，隨大氣壓力降低。劉勝吉等[11]在3個不同海拔高度進行了柴油機的燃燒和排放試驗，較高海拔的試驗環境通過內燃機高海拔大氣狀態模擬試驗系統獲得。結果表明：海拔高度升高，同工況下柴油機的最大燃燒壓力減小，燃燒始點推遲，滯燃期延長，預混燃燒比重增加，缸內最高燃燒溫度升高。海拔高度增加，碳氫排放量明顯增加，且在中小負荷時增大明顯；一氧化碳排放在大負荷和小負荷時增加，在中等負荷附近出現持平或不同程度的下降；氮氧化物排放隨海拔升高變化最小。

3 生物柴油實驗研究展望

通過對生物柴油以及高原環境下柴油機燃燒生物柴油研究的綜述，對生物柴油在高原環境未來的實驗研究方向進行展望：

1）生物柴油的原材料來源廣泛，開發新型生物柴油并對在高原環境下進行柴油機燃用的綜合性能排放實驗分析。

2）研究高原環境下以柴油機為主要動力的農業機械、工業機械等燃用生物柴油的性能排放情況。

3）研究生物柴油燃燒反應機理，為柴油機機內凈化機制和尾氣改善機制提供理論支撐和實驗依據。