油酸甲酯-柴油混合燃料排放特性試驗研究

謝 陽，麻 劍，羅麒元，許滄粟

（浙江大學(xué)動力機械及車輛工程研究所，浙江杭州310027）

油酸甲酯-柴油混合燃料排放特性試驗研究

謝 陽，麻 劍，羅麒元，許滄粟

（浙江大學(xué)動力機械及車輛工程研究所，浙江杭州310027）

為了研究生物燃料的成分對燃料排放特性的影響，配置了5種不同摻混體積比的油酸甲酯-柴油混合燃料（0％，20％，40％，60％和80％）.在不改變柴油機供油系統(tǒng)的前提下，用四缸四沖程柴油機機對油酸甲酯-柴油混合燃料進行排放特性研究，包括NOx、顆粒物、CO、非甲烷碳?xì)洌∟MHC）、甲醛以及芳香烴排放.研究表明：摻混油酸甲酯后，排放物隨負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與純柴油相似；NOx隨負(fù)荷的增加而增長，混合燃料的NOx排放略高于純柴油；顆粒物隨負(fù)荷的增加而增加，但隨摻混比的增加而下降；CO隨著負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和摻混比的增加而下降，在高轉(zhuǎn)速下隨負(fù)荷增加的降幅普遍大于低轉(zhuǎn)速的降幅；NMHC排放隨負(fù)荷增加或者摻混比的提高呈對數(shù)型下降趨勢；甲醛排放隨著負(fù)荷的增加先減后增，在中負(fù)荷時達到最小值；在摻混油酸甲酯后，NMHC和甲醛排放大幅降低；芳香烴排放隨負(fù)荷的增加而下降，隨轉(zhuǎn)速的上升而增加.

柴油機；排放；油酸甲酯；生物柴油

隨著能源問題與汽車尾氣污染日益嚴(yán)峻，生物質(zhì)燃料受到了越來越多的關(guān)注.生物質(zhì)燃料的來源廣泛，根據(jù)原料的不同可以分為3種：三酸甘油酯類生物質(zhì)、淀粉或糖類生物質(zhì)以及纖維素類生物質(zhì)[1-2].其中，三酸甘油酯類生物質(zhì)的占比最大，包括植物油、動物酯肪、烹飪廢油以及藻類提質(zhì)油等[3].就目前來說，植物油，特別是其中占比較大的大豆油，成為了提煉生物質(zhì)燃油的主要原料.

由于生物質(zhì)燃料多包含長鏈分子，其特性與柴油更接近，并且生物質(zhì)燃油含氧，具有更高的十六烷值，且低硫.因此，柴油機燃用較高摻混比柴油—生物質(zhì)燃油混合燃料，在一定程度上能夠提高發(fā)動機的排放性能.很多研究表明[4-6]：不同的燃料摻混比會影響柴油機的動力、經(jīng)濟以及排放特性.在無明顯NOx排放變化的情況下，摻混生物質(zhì)燃油能夠帶來更好的HC和CO等排放.

目前的研究主要集中在燃用生物質(zhì)燃油（如大豆生物柴油、菜籽生物柴油、棕櫚生物柴油等）對柴油機動力、經(jīng)濟以及常規(guī)排放的影響，忽略了柴油機的非常規(guī)排放（如SO2、甲醛、芳香烴等）.同時，研究主要針對于生物質(zhì)燃油本身，對于構(gòu)成燃油的組分的獨立研究較少.因此，有必要針對組成生物質(zhì)燃油的單一組分進行常規(guī)以及非常規(guī)排放研究.

本文研究的主體是油酸甲酯（大豆生物柴油的主要成分）-柴油混合燃料.按照不同體積摻混比，配置了5種油酸甲酯-柴油（0％、20％、40％、60％和80％，分別記為M0、M20、M40、M60和M80）混合燃料.在設(shè)定轉(zhuǎn)速（2000和3000r/min）下，通過改變柴油機的負(fù)荷（10％、25％、50％、75％和100％），對比研究分析了油酸甲酯對常規(guī)排放及非常規(guī)排放的影響，包括NOx、顆粒物、CO、NMHC、甲醛及芳香烴排放.

1 試驗裝置及步驟

1.1 燃料特性

油酸甲酯是大豆生物柴油的主要成分，分子式為CH3（CH2）7CH=CH（CH2）7COOCH3.如表1所示為油酸甲酯與市售0#柴油的理化性能對比.

為了研究摻混比對于排放特性的影響，配置了5種不同體積摻混比（0％、20％、40％、60％和80％）的油酸甲酯-柴油的混合燃料.采用攪拌機，通過1000r/min的速度長時間攪拌來保證2種燃料充分的混合.配置好的油酸甲酯-柴油混合燃料在常溫下靜置24 h后未出現(xiàn)明顯的分層和液滴現(xiàn)象.可以判斷油酸甲酯與柴油具有較好的互溶性，并且混合燃料混合均勻.

表1 燃油的物性參數(shù)Tab.1 Chemical and physical properties of biodiesel and petrochemical diesel

1.2 試驗設(shè)備及方法

試驗使用一臺新柴490B柴油機作為測試機.新柴490B是一臺四缸四沖程柴油機.主要參數(shù)如表2所示.

表2 新柴490B主要參數(shù)Tab.2 Major specifications of Xinchai 490B diesel engine

試驗使用的測功機為湘儀CW160型測功機.缸內(nèi)壓力使用安裝在氣缸蓋側(cè)壁上的kistler公司的缸壓傳感器測量，測量范圍為0～100 MPa.使用DEWE-800-SE燃燒分析儀來測量缸內(nèi)燃燒參數(shù).發(fā)動機的常規(guī)和非常規(guī)排放使用AVL SESAM FTIR氣體分析儀和NHT-6型不透光計來采集分析.排氣溫度使用K型熱電偶進行測量，測量范圍為73～1123 K，精度為±0.25％.試驗臺架如圖1所示.

試驗時的環(huán)境溫度為18～24℃，相對濕度為60％～64％，大氣壓力為0.101 MPa，進氣溫度為（21±2）℃，發(fā)動機的冷卻水、機油溫度采用PID控制，分別控制在80～88℃和90～95℃.試驗前，對所有儀器進行標(biāo)定，使其滿足試驗誤差的要求.試驗時，將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速設(shè)定為2000和3000r/min，在不改變噴油時刻以及供油系統(tǒng)的前提下，通過調(diào)整發(fā)動機的負(fù)荷（10％、25％、50％、75％和100％）來研究不同摻混比燃料對排放特性的影響.在各工況切換過程中，發(fā)動機至少運行5 min，待所有參數(shù)穩(wěn)定后進行下一次的測試.

圖1 排放特性試驗臺架示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of test-bed

2 常規(guī)排放

2.1 NOx排放

NOx和SO2是形成酸雨的主要誘因，有效地控制這2種物質(zhì)的排放顯得十分必要.很多實驗表明：燃燒過程中的高溫以及富氧環(huán)境都會促成NOx的主要因素[7-9].NOx排放體積分?jǐn)?shù)如圖2所示.圖中，L為負(fù)荷.在設(shè)定轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)的燃燒溫度隨負(fù)荷的增加而上升，5種燃料的NOx排放隨之增加.同時，純柴油摻混油酸甲酯后，NOx排放趨向于上升，并且在滿負(fù)荷時，NOx隨摻混比的上升而上升，M20、M40、M60、M80相比于M0的增幅為12.2％、11.8％、6.7％、3.9％和19.4％@2000r/min；21.3％、9.7％、8.2％、11.4％和14.9％@3000r/min.這主要是由于油酸甲酯的熱值略高于柴油，混合燃料在缸內(nèi)燃燒時會釋放出更多的能量.此外，油酸甲酯分子帶有氧原子，增加了燃燒氛圍的氧摩爾分?jǐn)?shù)，加劇了NOx的生成.此外，在中低負(fù)荷下（10％、25％、50％和75％），3000r/min下的NOx排放較優(yōu)，而在滿負(fù)荷下，結(jié)果卻相反.

NOx排放主要由NO與NO2組成.NO在NOx排放中的占比可以反映出燃燒過程中的氧在空氣中的摩爾分?jǐn)?shù).如圖3所示為NO在NOx排放中的占比.NO與NOx的體積比隨著負(fù)荷的增長，整體呈對數(shù)型上升趨勢.隨著負(fù)荷的增加，NO與NOx的體積比不斷上升，因此過高的燃燒溫度會阻礙NO向NOx轉(zhuǎn)化.在各工況下，M20和M40相比于M0燃料，NO與NOx的體積比無明顯的變化趨勢.在50％負(fù)荷，2000r/min下，燃用M60和M80后NOx排放體積分?jǐn)?shù)較高.此外，混合燃料中較高的氧體積分?jǐn)?shù)促使NO反應(yīng)為NOx，這使得NO與NOx的體積比下降.

圖2 NOx排放Fig.2 NOxemissions

圖3 NO與NOx排放體積比Fig.3 NO/NOxvolume ratio

2.2 顆粒物排放

在試驗中，利用不透光計測量尾氣的不透光度N從側(cè)面反映尾氣中的顆粒物排放.如圖4所示為不同燃料隨負(fù)荷變化的顆粒物排放情況.可以看出，顆粒物排放有較好的一致性.隨著負(fù)荷從10％增長至100％，顆粒物排放不斷增長.在同一工況下，顆粒物排放隨著摻混比的增加而下降.相比于純柴油，燃用M80時，顆粒物排放下降比例隨負(fù)荷的增長依次為62.8％、73.6％、65.9％、68.5％和64.8％@2000r/min以及64.3％、60.6％、69.0％、70.3％和72.7％@3000r/min.在相同負(fù)荷下，轉(zhuǎn)速上升會導(dǎo)致顆粒物的排放增加.顆粒物排放取決于充量系數(shù)及缸內(nèi)燃燒溫度[6].高溫缺氧條件會促進顆粒物的形成.顆粒物的組成核心是碳原子，因此油酸甲酯分子較低的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及較高的氧含量有助于降低顆粒物排放.

為了清晰地闡釋摻混油酸甲酯后，顆粒物排放的下降效果，定義一個效率系數(shù)K.K為各工況平均下降比例與摻混比例之比，即為降幅——摻混比數(shù)據(jù)的斜率，公式如下：

式中：Ra為平均下降幅度，M為摻混比.可以看出，K越大，效率越高.

M20、M40、M60和M80的K分別為0.58、0.655、0.72、0.875@2000r/min以及0.62、0.605、0.798和0.842@3000r/min.如圖5所示，K隨M的提升而增大，即降幅——摻混比數(shù)據(jù)的斜率不斷變大.這表明提高摻混比，有利于加快顆粒物排放的下降速度.

圖5 顆粒物去除效率Fig.5 Soot removal efficiency

2.3 CO排放

如圖6所示為發(fā)動機燃用5種不同摻混比燃料時的CO排放特性.在不同的設(shè)定轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的增長，CO排放逐漸降低，M0、M20、M40、M60和M80相比于M0的降幅分別為33.2％、26.8％、38.4％、30.7％和34.0％@2000r/min；41.4％、47.6％、34.1％、38.0％和47.1％@3000r/min.在相同負(fù)荷下，轉(zhuǎn)速上升會加劇CO的排放；在高轉(zhuǎn)速時，CO排放隨負(fù)荷增加的降幅更大.這主要是由于在低負(fù)荷時，較低的缸內(nèi)燃燒溫度和充量系數(shù)使得缸內(nèi)燃燒不充分，CO不能及時轉(zhuǎn)化為CO2.當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時，過濃燃料混合氣導(dǎo)致更高的CO排放.

相比于純柴油，摻混油酸甲酯后，CO排放隨著摻混比的提高趨向于下降.出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是由于油酸甲酯較高的熱值以及本身含氧的特性.

圖6 CO排放Fig.6 CO emissions

2.4 非甲烷碳?xì)渑欧牛∟MHC排放）

5種燃油的非甲烷碳?xì)渑欧湃鐖D7所示.NMHC排放主要來源于未燃燃油以及燃燒中間產(chǎn)物.在低負(fù)荷下，NMHC排放相對較高.在相同轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的增加，NMHC排放呈對數(shù)型下降趨勢.在柴油中摻混油酸甲酯后，尾氣中的NMHC排放大幅下降，并且這種降幅隨著油酸甲酯摻混比的增加有擴大的趨勢.M80燃油在10％、25％、50％、75％和100％負(fù)荷下，相比于M0，降幅分別為82.6％、82.9％、86.8％、84.0％和79.4％@2000r/min；84.2％、85.6％、88.2％、84.6％和81.3％@ 3000r/min.出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因如下：油酸甲酯的氧原子能夠促進氧化過程，并且其較高的十六烷值縮短了滯燃期，加速了急燃期.如圖8所示為缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖.可以看出，M20的滯燃期與M0相似，而M60滯燃期明顯較短.同時，M60的急燃期較短，更快地達到了最高壓力點.在柴油中摻混油酸甲酯能夠促進完全燃燒，提高燃燒效率.同時，在相同負(fù)荷下，隨著轉(zhuǎn)速的上升，NMHC排放小幅下降.這主要是因為在高轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)燃燒溫度較高，促進了碳?xì)淙剂系姆磻?yīng).

圖7 非甲烷碳?xì)渑欧臚ig.7 NMHC emissions

3 非常規(guī)排放

3.1 甲醛排放

圖82000 r·min-1滿負(fù)荷時的缸內(nèi)壓力圖Fig.8 Pressure diagram for test fuels at2000 r·min-1under full load

圖9 甲醛排放Fig.9 Formaldehyde emissions

柴油機的尾氣中包含了數(shù)百種物質(zhì)，它們以氣態(tài)或者固態(tài)同時存在.其中包含了一些致癌物質(zhì)，如甲醛和芳香族化合物等.在這些物質(zhì)中，甲醛占總排放的絕大部分.甲醛作為I類致癌物，濃度超標(biāo)時會導(dǎo)致眼睛和黏膜細(xì)胞的傷害.甲醛排放主要來源于缸內(nèi)燃料的不完全燃燒以及尾氣中的后續(xù)氧化.如圖9所示，在相同的轉(zhuǎn)速下，甲醛排放隨著負(fù)荷的增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，純柴油在50％負(fù)荷時達到最小值.甲醛在高溫環(huán)境中不能長期穩(wěn)定的存在，因此隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)燃燒溫度上升，抑制了部分甲醛的生成.對于尾氣中后續(xù)的氧化過程，排氣溫度對甲醛的生產(chǎn)影響比較明顯，溫度過低則生成甲醛的反應(yīng)緩慢，溫度過高則會加速甲醛的氧化.排氣溫度隨著負(fù)荷的增加逐漸升高，加快了甲醛的生成.同時，在中高負(fù)荷下（50％、75％和100％），柴油摻混油酸甲酯后，可以有效降低70％以上的甲醛排放.同時，隨著轉(zhuǎn)速的上升，同一負(fù)荷下的甲醛排放略有下降.

3.2 芳香烴排放

作為同樣致癌的芳香烴類化合物，排放如圖10所示.相比于甲醛排放，芳香烴排放較低，均低于10-5.在2種不同的轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的增長，芳香烴排放呈對數(shù)型下降；芳香烴排放在高轉(zhuǎn)速下略微上升.在各工況下，摻混油酸甲酯可以有效地降低芳香烴排放.相比于純柴油，M80在各工況下能夠降低20％以上的芳香烴排放，特別是在10％負(fù)荷時，M80可以降低50％以上的芳香烴排放.提高油酸甲酯的摻混比，芳香烴的排放無明顯的變化趨勢.

圖10 芳香烴排放Fig.10 Arometic HC emissions

4 結(jié) 論

（1）摻混油酸甲酯后，排放特性的規(guī)律與純柴油相似.

（2）在各轉(zhuǎn)速下，5種燃料的NOx排放隨負(fù)荷的增加而增長.相比于純柴油，油酸甲酯-柴油混合燃料的NOx排放略有上升.M20和M40相比于M0，NO/NOx無明顯的變化趨勢.

（3）顆粒物排放隨負(fù)荷的增加而增長.在同一工況下，顆粒物排放隨著摻混比的增加而下降，但是顆粒物的排放隨轉(zhuǎn)速的增加而增加.同時，提高摻混比，有利于加快顆粒物排放的下降速度.

（4）CO隨著負(fù)荷和油酸甲酯摻混比的增加而下降；在相同負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速升高，CO的排放增加，并且隨負(fù)荷增加的降幅更大.

（5）NMHC排放隨負(fù)荷的增加呈對數(shù)型下降趨勢.同時，尾氣中的NMHC排放隨摻混比的提高不斷下降；摻混油酸甲酯可以有效地降低NMHC排放.

（6）甲醛排放隨著負(fù)荷的增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，在中負(fù)荷時達到最小值.同時，隨著轉(zhuǎn)速的上升，甲醛排放略有下降.混合燃料的甲醛排放遠(yuǎn)低于純柴油.

（7）芳香烴排放隨負(fù)荷的增加呈對數(shù)型下降，并且隨轉(zhuǎn)速的上升略微增加.

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Research on exhaust emissions with methyl oleate-diesel fuel

XIE Yang，MA Jian，LUO Qi-yuan，XU Cang-su

（Institute of Power-Driven Machinery and Vehicle Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Methyl ester and petroleum diesel fuel was mixed at volume fractions of0％，20％，40％，60％ and 80％in order to investigate regulated and unregulated exhaust emissions with petroleum diesel fuel and methyl ester which is the main component of Soybean bio-diesel.Without changing the ignition and injection system of the diesel engine，four regulated emissions and two typical unregulated emissions were examined：NOx，Soot，CO，nonmethane hydro carbon（NMHC），formaldehyde and AHC（arometic HC）.Emissions characteristics of blended fuels were similar to that of disel.The NOxemissions of the five fuels continuously increased as load increased.The NOxemissions of blended flues were a little higher.Growth of both load and blend ratio speeded up the drop in soot emissions.The CO emissions decreased with the increase in load and blend ratio.Both the growth of load and blend ratio contributed to the drop in NMHC emissions.Formaldehyde emissions first increased then decrease as loads increased，achieving the minimum at medium load.Methyl ester contributed to a sharp fall in NMHC and formaldehyde emissions.AHC emissions decreased with the increase in load，while increased as the speed increases.

diesel engine；emission；methyl ester；biodiesel

TK 464

A

1008-973X（2015）10-1849-06

2014-08-23.浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn/eng

臺州市黃巖區(qū)科技資助項目（2013006）.

謝陽（1990—），男，碩士生，從事新能源燃燒機理的研究.ORCID：0000-0002-8534-8959.E-mail：xieyang-auto@163.com

許滄粟，男，副教授.E-mail：xcs0929@163.com