電噴高壓共軌柴油機(jī)燃用生物柴油性能研究

張?jiān)狼?，馮玉橋，劉 憲，王建昕

（1．北京市機(jī)動(dòng)車排放管理中心，北京 100176；2. 清華大學(xué)汽車研究所，北京 100084）

0 引 言

汽車工業(yè)飛速發(fā)展，給人們帶來物質(zhì)便利和享受的同時(shí)，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的有害排放物在大氣污染中占的比重越來越高；另一方面，石油燃料為不可再生能源，汽車面臨能源危機(jī)和日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)的雙重挑戰(zhàn)，為此人們一直在進(jìn)行有關(guān)代用燃料的研究工作。生物柴油就是近幾年在國際上引起人們特別關(guān)注的綠色油品[1]。

生物柴油是通過可再生的天然油脂資源生產(chǎn)的一種柴油替代燃料，生物柴油的生物原料來源廣泛，可采用菜籽油、花生油、棉籽油、大豆油、甘蔗油、椰子油、餐飲廢棄油脂等[2]。由此可見，生物柴油的主要原料是可再生資源，生物柴油是可再生性能源[3]。

生物柴油分子的碳鏈長度為 C18，柴油的碳鏈長度在C16～C23之間[4]，相比于其他柴油替代燃料其理化特性與普通柴油更接近。生物柴油的含氧量可達(dá)到11%，高于普通柴油。生物柴油基本不含硫，而且閃點(diǎn)高、無毒，具有較好的潤滑性能和溶解性能[5-6]。

許多研究表明，生物柴油既可獨(dú)立作為柴油機(jī)的燃料使用，也可以一定比例與柴油混合后作為柴油機(jī)的燃料使用，而不用對(duì)柴油機(jī)做較大的調(diào)整[7-8]。20%的生物柴油與80%的柴油摻混形成的混合柴油被標(biāo)為 B20，純生物柴油被標(biāo)為B100，在發(fā)動(dòng)機(jī)不做任何改動(dòng)和調(diào)整時(shí)，B20比B100更適合成為替代燃料[9-10]。

生物柴油由于含氧能夠部分降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，特別是顯著降低柴油機(jī)的碳煙排放。美國環(huán)保署（EPA）公布的數(shù)據(jù)表明，生物柴油含有10%左右的氧，在柴油中使用能有效降低 PM、HC、CO排放，NOx排放略有上升[11]。

DS的排放隨著含氧量的增加而大幅度降低，柴油機(jī)燃用含氧燃料生物柴油后DS排放改善程度高于PM。關(guān)于含氧燃料降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放的機(jī)理已有一定研究，含氧量的增加對(duì)降低DS有明顯的效果[12-13]。文中在一臺(tái)滿足歐Ⅲ排放法規(guī)的高壓共軌電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行任何調(diào)整的情況下，進(jìn)行了棉籽油B100、B20和柴油的性能試驗(yàn)，并對(duì)PM進(jìn)行分解，分析生物柴油對(duì)PM及其排放的影響。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架

圖1為試驗(yàn)臺(tái)架的總體布置圖。主要包括如下幾個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機(jī)、測功機(jī)及其控制系統(tǒng)、燃油供給裝置和油耗測量系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)水冷控制系統(tǒng)、氣體排放分析儀和微粒采集系統(tǒng)。試驗(yàn)采用AVLCEB排氣分析儀對(duì)排放中的CO、CO2、O2、HC和NOx濃度進(jìn)行測量。其中CO和CO2采用非紅外線吸收型分析儀（NDIR），HC排放采用氫火焰離子分析儀（FID），NOx采用化學(xué)發(fā)光型分析儀（CLD）。采用AVL公司SPC472排放微粒與采集系統(tǒng)，對(duì)柴油機(jī)尾氣中的微粒進(jìn)行稀釋和采集。

1.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

研究使用了滿足歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的CUMMINS-ISBe6系列高壓共軌電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，表1為主要參數(shù)。

表1 CUMMINS-ISBe6發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)所用的柴油是市場銷售的 0號(hào)柴油，生物柴油由中國某生物能源公司提供，其原材料主要是棉花籽油。試驗(yàn)所用燃料為3種，即柴油（代號(hào)為B0）、生物柴油（代號(hào)為B100）和柴油、生物柴油體積分?jǐn)?shù)分別為80%和20%的混合燃料（代號(hào)為 B20 ）。試驗(yàn)用燃油的主要指標(biāo)見表2。

表2 燃料的主要特性參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在CUMMINS-ISBe6系列電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)不做任何調(diào)整，分別燃用B0柴油、B100生物柴油和B20混合燃料。進(jìn)行外特性試驗(yàn)考查動(dòng)力性，進(jìn)行1500r/min的負(fù)荷特性試驗(yàn)考察燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。測量發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、氣態(tài)排放物和微?？偭?。采用萃取的方法將PM分解為可溶性有機(jī)物成分SOF、DS和硫酸鹽3部分。

1.5 試驗(yàn)條件

（1）冷卻液的出口溫度控制在88 ±5℃；

（2）機(jī)油溫度控制在90±5℃；

（3）柴油溫度控制在35 ±5℃；

（4）以額定功率點(diǎn)2500r/min為前提，中冷后溫度控制在49±2℃，燃用柴油額定功率點(diǎn)中冷器的壓降9.25 kPa，排氣背壓10.6 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及考察

2.1 動(dòng)力性

動(dòng)力性如圖2所示。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油B0和生物柴油B100、混合燃料B20的外特性轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的外特性轉(zhuǎn)矩相比柴油有所下降。同柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油B100外特性轉(zhuǎn)矩平均下降10%，B20平均下降2%。使用生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性下降的主要原因是生物柴油燃料含氧使得其熱值比柴油低，在發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)行調(diào)整的情況下，會(huì)導(dǎo)致功率下降。

2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用B0、B100和混合燃料B20，在1500r/min負(fù)荷特性下的燃油消耗率如圖3所示。從圖3可以看出，生物柴油燃油消耗率相比柴油有一定程度的增加。相比柴油，發(fā)動(dòng)機(jī)使用生物柴油 B100油耗平均增加 15%，使用 B20生物柴油耗油率平均增加3%。造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率上升的主要原因是燃料低熱值不同，使得BSFC隨含氧量增加而上升。要使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出相同的功率，需要消耗更多低熱值較低的燃料。

2.3 DS和PM排放特性

DS排放如圖4所示

PM排放如圖5所示。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用B0、B100和B20，在1500r/min負(fù)荷特性下的DS排放如圖 4所示。使用含氧燃料生物柴油 B100、B20后，DS排放在不同負(fù)荷下都有明顯降低。同柴油相比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用生物柴油B100的DS排放降低 80%～85%，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用 B20的DS排放降低30%～40%。這是由于生物柴油燃料含氧，改善了局部缺氧的狀況，抑制碳煙生成。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用B0、B100和B20 在1500r/min的負(fù)荷特性下PM排放如圖5所示。生物柴油的PM排放在各負(fù)荷都比柴油有大幅下降，其中大負(fù)荷降低程度較大。同柴油相比，生物柴油B100的PM排放降低 50%～75%，B20的 PM 排放降低20%～35%。PM排放的降低除了因?yàn)樯锊裼秃鯇?dǎo)致DS下降，也因?yàn)樯锊裼筒缓亓?，從而降低了PM中硫酸鹽排放量。

柴油機(jī)燃用含氧燃料生物柴油后，DS排放改善程度高于 PM，同時(shí)由圖可以看出，PM 與DS并非同步降低，小負(fù)荷條件下雖然生物柴油的DS排放下降很多，但PM排放下降程度相對(duì)較少，可能是SOF成分變化的影響。

2.4 NOx排放

NOx排放如圖6所示。

CUMMINS-ISBe6發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min負(fù)荷特性下，生物柴油的NOx排放比柴油有所上升。同柴油相比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油 B100，NOx排放升高5%～20%，B20與B100的NOx排放基本相當(dāng)。由于生物柴油含氧，燃燒更充分，從而提高氣缸內(nèi)的溫度，導(dǎo)致了NOx排放上升，大負(fù)荷特性時(shí)上升趨勢更為明顯。

2.5 HC和CO排放

HC和CO排放如圖7、圖8所示。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min負(fù)荷特性下HC排放如圖7所示。由圖7、圖8可見，CO排放和 HC排放具有類似的趨勢。生物柴油 B100和B20的HC、CO排放均比柴油有所降低。相比柴油，B100的HC排放降低45%～70%，CO排放降低15%～55%；B20的HC排放降低15%～25%，CO排放降低5%～20%。這是因?yàn)榫鶆蚍植荚谌剂现械难踉卦鰪?qiáng)了混合氣中的氧化氛圍，改善局部缺氧狀況，提高了局部空燃比，使得燃燒更完全，從而降低HC和CO的排放。

2.6 CO2 排放

CO2排放如圖9所示。

CUMMINS-ISBe6電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min負(fù)荷特性下的CO2排放如圖9所示。生物柴油B100和B20與柴油的CO2排放相差不大，差異在5%以內(nèi)。

3 結(jié) 論

將以棉籽油為原料制取的生物柴油（B100）及其混合燃料（B20）在CUMMINS-ISBe6電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上同柴油進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得到如下結(jié)論；

（1）同柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油B100外特性轉(zhuǎn)矩平均降低10%，B20平均降低2%。

（2）同柴油相比，B100生物柴油油耗平均增加15%，B20生物柴油油耗平均增加3%。

（3）同柴油相比，生物柴油 B100的 DS排放降低 80%～85%，PM 排放降低 50%～75%；B20的 DS排放降低 30%～40%，PM排放降低20%～35%。柴油機(jī)燃用生物柴油的 DS排放改善程度高于PM，且PM與DS并非同步降低，在不同負(fù)荷條件下的降低趨勢并不相同。

（4）同柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油B100的NOx排放升高5%～20%。

（5）生物柴油B100和B20的HC、CO排放均比柴油有所降低。相比柴油，B100的HC排放降低45%～70%，CO排放降低15%～55%，B20的HC排放降低15%～25%，CO排放降低5%～20%。

（6）生物柴油 B100、B20的 CO2排放同柴油相比無明顯變化。

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