某型柴油機摻燒生物柴油的排放特性分析

姚宏越，李若冰，金建文，韓云龍，劉桂英，劉鈺璇

（1.中國石油集團濟柴動力有限公司，山東濟南 250306；2.洛陽石化工程設計有限公司，河南洛陽 471000）

0 引言

能源問題和環境污染問題正在制約社會經濟的發展，為此濟柴動力有限公司研制的某型高壓共軌柴油機，通過使用普通柴油摻燒生物柴油來達到節能減排的目的。本文主要通過在柴油機上摻燒不同比例的生物柴油，來研究摻燒后NOx和碳煙的排放特性。因此，對該型柴油機的摻燒排放性能進行必要的研究，有利于降低該型柴油機的排放指標[1-3]。

1 生物柴油的概念

1.1 定義

生物柴油是從有機物（如植物油、動物脂肪、植物油和藻類）中制備的一種柴油，主要是通過對這些有機物的酯化反應而生成的一種鏈脂肪酸甲烷基脂。生物柴油是一種清潔能源，用于替代傳統的石油柴油，可以用于發動機，如汽油發動機、柴油發動機、柴油發電機組、柴油熱水器、熱水爐和柴油發電機等。

1.2 來源

早期生物柴油的來源主要是大豆、菜籽和花生等富含植物油的食物，成本較高。后來又從棕櫚樹、地溝油和動物油脂等中提取，成本相對較低并起到保護環境的作用。但是以上兩種方式的生成效率較低，與普通柴油相比成本優勢不大。為提高效率和降低成本，發展出以藻類來生成生物柴油的技術，其原理是，藻類利用太陽光的能量，通過光合作用將CO2和水轉化為糖類和氧氣；糖類經過一系列代謝反應，最終轉化為生物柴油；生物柴油被提取并進行精煉，最終成為可用的燃料[2-4]。

1.3 優缺點

（1）燃燒溫度低，對發動機的磨損相對較小，排放的污染物也較少，更加環保。

（2）具有熱值較高、燃燒效率高和燃油消耗量低的優點，因此具有良好的燃料特性。

（3）污染排放低，具有較少的硫化物、氮氧化物和碳煙的產生，排放指標也比較好。

（4）制備成本低，整個制備過程對資源的消耗更少，使用成本也低，更加經濟實惠。

（5）生產過程可以通過回收有機廢物進行再利用，并具有很高的降解性，它的儲量非常大，供應量大且永不枯竭，對環境非常友好。但是用生物柴油替代普通柴油時，柴油機的動力性有一定下降，因此摻燒比例的選擇十分必要。

2 排放試驗

2.1 試驗方案

試驗采用的發動機型號為6L，4 沖程，L 形排列，缸數為6個，額定功率P額為450 kW，額定轉速n額為1500 r/min。

使用純柴油啟動發動機，待各項參數穩定后，分別使用純柴油以及混合10%、20%、30%、50%生物柴油含量的混合柴油，分別在15%、30%、45%和60%的額定功率下，使用專用儀器進行排放測量，并對比在不同摻燒比例、在不同功率段下的氮氧化物、碳煙的排放情況[1-4]。

2.2 氮氧化物的排放對比

氮氧化合物是指有機物中氮元素和氧元素結合形成的污染物排放。氮氧化合物排放會對環境造成污染，特別是對大氣環境造成的污染更為嚴重。它們會形成大氣酸雨，對植物、水體和建筑物等都有害，并且會刺激人的肺部，易形成哮喘等疾病。

根據NOx的生成機制可知，燃燒的溫度、氧氣濃度和燃燒反應時間是3 個主要因素。由圖1 可以看出，在使用純柴油的模式下，隨著功率的增大，氣缸內的燃燒溫度的逐漸升高、含量逐漸減少，柴油混合氣的濃度也逐漸增高，而反應時間也相對減少，NOx排放呈現變大的趨勢，純柴油模式的排放隨功率增大而增加。

圖1 純柴油在不同功率下的NOx 排放曲線

由圖2 可以看出，在額定功率45%以下的低負荷時，不同摻燒比例的混合柴油的NOx排放與純柴油模式相差不大，具有類似的排放特性。而在額定功率60%以上較高負荷時，隨著功率的再次提高，不同摻燒比例的混合柴油的NOx排放差別較大，呈現摻燒生物柴油的比例越高、NOx的排放量越高的趨勢。對比純柴油的排放情況，在摻燒比例為15%的生物柴油時，混合柴油的NOx排放與純柴油模式相差不大。但在摻燒生物柴油的比例為30%左右的情況下，混合柴油各功率段NOx的排放情況相對較優，且可以兼顧摻燒生物柴油的比例（圖3）。

圖2 不同摻燒比例在不同功率下的NOx 排放曲線

圖3 30%摻燒比例與純柴油在不同功率下的NOx 排放曲線

經分析，在額定功率15%、摻燒30%的生物柴油時，NOx的排放略優于純柴油：在30%～45%額定功率的低負荷時，由于燃燒溫度相對較低、過量空氣系數較高，純柴油和各摻燒比例的混合柴油的燃燒均較充分，因此與純柴油相比，不同摻燒比例的混合柴油排放情況相差不大，燃燒排放去向基本重合；在45%～60%額定功率的較高負荷時，過量空氣系數相對較低、生物柴油的含氧量高、燃燒溫度也更高，因此NOx的排放也較高；而在60%以上的功率段時，氣缸內的過量空氣系數更低、燃燒溫度也更高，NOx的排放也更高[5]。

2.3 碳煙的排放對比

柴油機的碳煙度是指柴油機在運行時，由于空氣量跟不上噴油量的變化速率，瞬態空氣過量系數降低，導致柴油和潤滑油在發動機氣缸內的不充分燃燒，其燃燒質量下降，排出的煙氣中碳煙的濃度升高，排放煙度迅速惡化。這種碳煙的排放可以污染大氣、使空氣的能見度降低，碳煙中的有害物質也會隨著降雨而污染水源河流[3]。

另外，柴油機燃燒后產生的碳煙會附著一些乙醛和硫化物等可溶性有機物氣體。這種帶有特殊氣味的氣體，具有一定毒性，會刺激動物和人的呼吸道，長期吸入會引起頭暈惡心等癥狀，嚴重者可以致癌、危及生命。一般來說，柴油機的碳煙度越低，其燃燒的效率越高，燃燒經濟性也更高，對環境污染也越小（圖4）。

圖4 不同摻燒比例在不同功率下的碳煙排放曲線

由圖4 可以看出，在不同摻燒比例和純柴油時，15%額定功率時的碳煙排放較高，在30%額定功率時排放逐漸降低，之后隨著功率的逐漸增加碳煙的排放逐漸降低。在60%額定功率時，碳煙排放在整個對比曲線中，各個摻燒比例的混合柴油和純柴油的碳煙排放達到最低點。在60%額定功率以后出現拐點，各個摻燒比例的混合柴油和純柴油的碳煙排放又再一次升高。

另外，根據圖4 的曲線可以看出，在同一功率時，生物柴油的摻燒比例越高，其碳煙的排放就越低；而隨著功率的逐漸升高，純柴油和不同摻燒比例的混合柴油碳煙的排放呈現先高后低，在出現最低點的拐點后又再次升高的規律。

經分析，碳煙生成的三大條件主要是高溫、高壓和缺氧程度。而生物柴油的含氧量遠高于普通柴油，因此在高功率段時過量空氣數較低，高摻燒比例的柴油其含氧量也更高，為燃燒提供了良好的條件，因此碳煙的排放更低[5]。

3 結論

隨著柴油機功率的升高，純柴油和各種摻燒比例的混合柴油的NOx排放量均出現持續升高情況，低負荷時NOx的排放差別不大，而高負荷時純柴油的NOx的排放情況要優于各摻燒比例的混合柴油。對于碳煙的排放，各摻燒比例的混合柴油均優于純柴油，且均存在隨功率的升高排放先高后低再高的特點。綜合來看，隨著生物柴油摻燒比例的升高，其碳煙的排放下降。

因此，在純柴油中摻燒一定比例的生物柴油有利于降低碳煙的排放，但對NOx的排放控制效果并不理想。經驗證，兼顧NOx和碳煙的排放，生物柴油最佳的摻燒比例宜控制在10%～30%。