十六烷值對甲醇/生物柴油排放污染物影響的試驗研究

李瑞娜,王 忠,李銘迪,趙 洋,倪培永,劉 帥 (江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

十六烷值對甲醇/生物柴油排放污染物影響的試驗研究

李瑞娜,王 忠*,李銘迪,趙 洋,倪培永,劉 帥 (江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

在186F柴油機上進行了臺架試驗,測定了柴油機燃用十六烷值分別為46、50、55的甲醇/生物柴油的排放污染物及燃油消耗.考察了十六烷值對柴油機燃燒甲醇/生物柴油的排放污染物、經濟性的影響.結果表明:在標定工況時,當甲醇/生物柴油的十六烷值為 46、50、55 時,NOx濃度分別為 155×10-6、142×10-6、135×10-6;煙度分別為 3.4、2.3、3.0;HC 濃度分別為 89×10-6、193×10-6、284×10-6;CO 濃度分別為0.5%、0.8%、1.2%.隨著甲醇/生物柴油十六烷值的增加,柴油機排放污染物中的NOx濃度和煙度降低,但HC和CO濃度增加.甲醇/生物柴油的十六烷值不能過高,否則會使柴油機排放污染物急劇增加.

生物柴油；甲醇；十六烷值；濃度

隨著我國汽車保有量的增加,城市機動車輛的排放污染物對環(huán)境產生了嚴重的影響[1-3].采用含氧燃料,可以有效降低碳煙.含氧燃料主要包括醇、酯等,可以促進燃料的完燃燒全[4].甲醇可由煤制取,是中國化工行業(yè)中的成熟產業(yè).生物柴油可由動植物油脂通過酯交換反應制取,可以直接在柴油機上燃用,動力性、經濟性變化不大[5].甲醇、生物柴油分別含有 50%、11%的氧,且甲醇的汽化潛熱大,柴油機燃用甲醇/生物柴油的混合燃料,可以降低缸內燃燒溫度,改變柴油機碳煙和 NOx的“trade-off”關系,使碳煙和 NOx同時降低[6-7].

然而,甲醇的十六烷值是 5,當甲醇與生物柴油的摻混比大于10%時,甲醇/生物柴油的十六烷值大幅度降低,著火特性變差,對柴油機的排放也會產生影響[8].十六烷值高,燃料噴入氣缸后能迅速著火燃燒,使氣缸內壓力升高率不致過高,柴油機工作柔和.研究表明[9-10],適當提高燃料的十六烷值,可以降低柴油機及排氣中的NOx和顆粒.通常,柴油機燃料的十六烷值在 45～60之間較為合適.針對柴油機代用燃料及十六烷值改進劑,國內外學者進行了相關研究.呂興才等[11]研究了氣口預噴射乙醇、缸內直噴生物柴油雙燃料系統(tǒng)的燃燒特性和排放污染物.結果表明,隨著乙醇預混合比的增加,著火時刻推遲;HC和CO排放增加,但NOx和碳煙降低;在 1800r/min各種負荷時,NOx和碳煙排放比生物柴油降低 35%～85%.黃佐華等[12]對柴油機燃用柴油/乙醇混合燃料的性能及排放進行了研究.結果表明:隨著燃料中乙醇摻混比例的增加,有效燃油消耗率及有效熱效率增加,排氣煙度隨乙醇含量的增加而下降;添加十六烷值改進劑,排氣煙度的下降更快.美國學者Yilmaz[13]研究了柴油機燃用摻混 15%乙醇的生物柴油的排放污染物,結果表明,乙醇的高汽化潛熱對柴油機排放影響較大,采用進氣預熱可以降低燃油消耗以及HC和CO排放,但會導致NOx和排氣溫度升高.英國學者Ladommatos等[14]按8種不同的比例,將十六烷值改進劑添加到柴油中,臺架試驗結果表明,HC和 NOx排放隨十六烷值改進劑添加比例的增加而降低,但碳煙有所升高.

本試驗將十六烷值改進劑添加到甲醇/生物柴油中,通過改變十六烷值改進劑的添加比例,配制3種不同十六烷值的甲醇/生物柴油混合燃料,并將混合燃料在單缸柴油機上進行臺架試驗.通過測量柴油機的燃油消耗率和排放污染物,考察十六烷值對柴油機經濟性、排放污染物的影響.

1 燃料配制及理化特性

1.1 燃料的配制

試驗用油為甲醇/生物柴油(BM10)、添加0.1%(wt)十六烷值改進劑的甲醇/生物柴油(CN1)、添加 0.3%(wt)十六烷值改進劑的甲醇/生物柴油(CN2).BM10中,甲醇的摻混量為10%(wt).甲醇與生物柴油的極性相近,配制過程無需添加助溶劑.試驗用燃料的理化特性見表1.

表1 燃料的理化特性Table 1 The physical-chemical properties of the fuels

1.2 十六烷值的估算

研究表明,添加0.1%的十六烷值改進劑可使甲醇/生柴油的十六烷值提高2～9個單位[15-16].直接測量甲醇/生柴油的十六烷值,過程較為復雜.根據(jù)研究經驗,對添加十六烷值改進劑的甲醇/生物柴油的十六烷值,按照式(1)進行估算,結果如表1所示.

式中:CN 為甲醇/生柴油的十六烷值;CN1、CN2分別為生物柴油、甲醇的十六烷值;ω1、ω2、ω3分別為生物柴油、甲醇、十六烷值改進劑的添加比例.

2 試驗設備及方案

臺架試驗的示意如圖 1所示.試驗用機為186F直噴柴油機,主要技術參數(shù)見表2.主要測試設備及儀器:MCS–960油耗儀、FQD-102A 數(shù)字式煙度計、G5020五氣體分析儀.

圖1 柴油機臺架示意Fig.1 Schematic diagram of the diesel engine bench test

表2 柴油機主要技術參數(shù)Table 2 The main specifications of the diesel engine

試驗時,柴油機的結構不做調整.測量標定轉速和最大扭矩轉速,10%、25%、50%、75%、100%負荷時柴油機的經濟性、排放污染物濃度.每個工況分別測量3次,取3次測量數(shù)據(jù)的平均值作為試驗結果.

3 排放污染物

3.1 排氣溫度

柴油機的排氣溫度在一定程度上可以反應缸內的燃燒溫度.缸內燃燒越高,排氣溫度也越高.圖2為不同十六烷值燃料的排氣溫度.可以看出,不同十六烷值燃料排氣溫度變化不大,隨著十六烷值改進劑添加量的增加,柴油機燃用甲醇/生物柴油的排氣溫度略有增加.燃料十六烷值增加,著火反應開始時刻提前,燃燒過程更容易進行,燃燒溫度有所上升.

圖2 不同工況下的排氣溫度Fig.2 The exhaust temperature at different conditions

3.2 HC濃度

尾氣中的 HC主要是由燃料不完全燃燒產生.研究表明,柴油機燃用生物柴油等含氧燃料,可以降低 HC的排放濃度[17];而醇類燃料的汽化潛熱較大,與生物柴油摻混時,甲醇/生柴油的蒸發(fā)和油氣混合速率減慢,HC排放增加[18].圖3為柴油機燃用不同十六烷值的甲醇/生物柴油的HC排放濃度.從速度特性看,低轉速時的 HC濃度比高轉速時低;從負荷特性看,HC排放濃度隨柴油機負荷的增加先降低后上升.HC濃度隨十六烷值的增加而升高.標定工況時, BM10、CN1、CN2 的 HC 濃度分別為 89×10-6、193×10-6、284×10-6.十六烷值增加,甲醇/生物柴油的滯燃期縮短.隨著滯燃期的縮短,預混燃燒階段的可燃混合氣量減少,擴散燃燒階段的可燃混合氣量增加.擴散燃燒過程中,過濃或過稀的混合氣都將產生HC.因此,十六烷值增加,柴油機燃用甲醇/生物柴油的 HC增加.由圖 3可以看出,柴油機在1800r/min和3000r/min時,HC濃度隨負荷的變化規(guī)律基本一致.

圖3 HC濃度隨柴油機負荷的變化Fig.3 The variation of HC concentration with diesel engine loads

3.3 CO濃度

CO是燃燒過程中產生的主要中間產物.氧濃度低、反應溫度低、反應時間短都會造成 CO濃度增加.中、低負荷時,過量空氣系數(shù)大,CO濃度較少;大負荷時,過量空氣系數(shù)小,燃燒室中局部缺氧地區(qū)增加,CO濃度增加.圖4為柴油機燃用不同十六烷值的甲醇/生物柴油時CO濃度.可以看出,中、低負荷時,CO 濃度量少,隨負荷變化不大;100%負荷時,CO濃度急劇升高;十六烷值增加,CO濃度增加.標定工況時,BM10、CN1、CN2的CO濃度分別為0.5%、0.8%、1.2%.試驗結果可以從以下三個方面進行分析:(1)甲醇/生物柴油含氧量高,有利于燃料的完全燃燒.(2)甲醇的汽化潛熱高,缸內燃燒溫度降低,不利于燃燒反應的進行.(3)燃料十六烷值增加,柴油機的滯燃期縮短,預混燃燒期內形成的可燃混合氣量減少,擴散燃燒期內的燃油量增加,導致CO增加.綜合以上分析,柴油機缸內溫度降低和滯燃期縮短促進了CO的生成.

圖4 CO濃度隨柴油機負荷的變化Fig.4 The variation of CO concentration with diesel engine loads

3.4 NOx濃度

柴油機的碳煙與NOx存在trade-off關系,很難使碳煙與NOx同時降低.甲醇的汽化潛熱高,可以降低缸內燃燒溫度,促進碳煙與NOx的降低[9].影響NOx形成主要因素有O2濃度和高溫持續(xù)的時間.Fenimore[19]提出的反應機理中,認為在過量空氣系數(shù)小于 1的情況下,碳氫燃料在火焰面內急劇生成大量的NOx.在富燃料區(qū)域內,碳氫化合物燃燒分解生成的烴基(CH、CH2、C2、C和C2H),破壞了N2分子鍵,形成NOx.

圖5為柴油機燃用甲醇/生物柴油時的NOx濃度.可以看出,低負荷時,NOx變化較小,中負荷時,NOx隨負荷的增加而增加,NOx增加緩慢;標定工況時,BM10、CN1、CN2的 NOx濃度分別為155×10-6、142×10-6、135×10-6,CN1、CN2 比 BM10分別降低了 8.39%、12.90%.這可能是由于十六烷值改進劑裂解的自由基具有強氧化性,容易奪取燃料分子中的氫,從而減少了烴基與氮分子的反應量,使 NOx的生成量減少.隨著甲醇/生物柴油十六烷值的上升,柴油機缸內燃燒溫度升高,使NOx的生成量增加.因此,柴油機燃用CN2時,NOx濃度量反而略有上升.

圖5 NOx濃度隨柴油機負荷的變化Fig.5 The variation of NOx concentration with diesel engine loads

3.5 煙度

碳煙的形成過程主要包括粒子成核、碰撞凝聚和表面生長.研究表明,柴油機燃用生物柴油等含氧燃料可使碳煙降低[20].圖 6為柴油機燃用BM10、CN1、CN2的煙度.可以看出,在小負荷時,煙度較低;中負荷時,煙度緩慢上升;大負荷時,煙度急劇增大.增加十六烷值,甲醇/生物柴油燃料的煙度下降.但中、高負荷,CN2的煙度比CN1略高.這可能有兩方面的原因:(1)隨著甲醇/生物柴油十六烷值的增加,柴油機排氣溫度有所上升;(2),燃料十六烷值的增加,使得柴油機滯燃期縮短,預混燃燒期內形成的可燃混合氣少,擴散燃燒期內的燃油量增加,尤其在大負荷時,柴油機噴油量較多,而滯燃期短,導致擴散燃燒期內的燃油量明顯增加,空燃比小,油氣混合變差,排氣煙度大幅度升高.在標定工況時,BM10、CN1、CN2的煙度分別為3.4、2.3、3,CN1、CN2分別比BM10降低了32.35%、11.76%.

圖6 柴油機煙度與負荷的關系Fig.6 The relationship of smoke and diesel engine loads

試驗結果表明,增加甲醇/生物柴油的十六烷值,柴油機的HC、CO濃度升高,尤其是在高負荷時增加明顯;柴油機排氣中的NOx濃度和煙度降低,這與呂興才等[8,21]對乙醇/柴油的研究的結論相一致.Wang等[3,22]也開展了十六烷值對柴油機排放污染物影響的研究,認為十六烷值改進劑能夠使得燃料著火提前,但不能改變燃料整體的著火特性.因此,添加十六烷值改進劑,對顆粒的影響不大,但有利于降低NOx.本試驗的結果還表明,當甲醇/生物柴油的十六烷值達到 55,在高負荷時,NOx和煙度會有所升高.因此,甲醇/生物柴油的十六烷值不適宜提高過多.

4 燃油消耗率

圖7 燃油消耗率隨柴油機負荷的變化Fig.7 The variation of specific fuel consumption with diesel engine loads

圖7為柴油機燃用BM10、CN1、CN2時的燃油消耗率.從圖7a、7b中可以看出,燃油消耗率隨著負荷的增加而快速降低,在 100%負荷時略有上升;相同負荷時,柴油機在 3000r/min時的燃油消耗率比 1800r/min時高.同一工況時,柴油機燃用BM10、CN1、CN2的燃油消耗率變化不大,十六烷值對燃油消耗率的影響不大.

5 結論

5.1 柴油機燃用甲醇/生物柴油,在中低負荷時,HC和CO濃度較小;高負荷時,HC和CO濃度急劇增加.十六烷值增加,使HC和CO濃度增加.

5.2 在標定工況時,柴油機燃用 CN1、CN2的NOx濃度比 BM10分別降低了8.39%、12.90%,煙度分別降低了32.35%、11.76%.隨著十六烷值的增加,柴油機的NOx和碳煙降低.

5.3 隨著負荷的增加,柴油機的燃油消耗率先降低后上升.增加甲醇/生物柴油的十六烷值,柴油機的燃油消耗率變化不大.

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Experimental study of cetane number on methanol/biodiesel emission of pollutant.

LI Rui-na, WANG Zhong*, LI Ming-di, ZHAO Yang, NI Pei-yong, LIU Shuai (School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1684～1689

The engine bench test was carried out on 186F diesel engine fuelled with methanol/biodiesel blend. The cetane number of the blend was 46, 50 and 55. The emission pollutants and fuel consumption of the engine fuelled with methanol/biodiesel was measured to investigate the effect of cetane number on pollutant and economy. Results show that,at rated condition, when the cetane number of methanol/biodiesel is 46, 50 and 55, the NOx concentration is 155×10-6,142×10-6and 135×10-6, smoke is 3.4, 2.3, 3.0, the HC concentration is 89×10-6, 193×10-6and 284×10-6, and the CO concentration is 0.5%, 0.8% and 1.2%. With the increase of cetane number, the NOxconcentration and smoke are reduced,but HC and CO concentrations are increased. Excessively high cetane number of methanol/biodiesel will significantly increase the pollutant concentration.

biodiesel；methanol；cetane number；concentration

X511,TK406

A

1000-6923(2014)07-1684-06

2013-10-30

國家自然科學基金資助項目(51376083);江蘇省高校自然科學基金(10KJA470009);江蘇省 2013年研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXZZ13_0672);江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目(PAPD)

* 責任作者, 教授, wangzhong@ujs.edu.cn

李瑞娜(1988-),女,河南鄭州人,博士研究生,主要從事柴油機代用燃料方面的研究.