共軌柴油機燃用生物柴油-汽油混合燃料的性能與排放研究

楊傳通，賀晶晶，李權(quán)威，陳昊

(長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710000)

由于熱效率高、動力性好，柴油機廣泛用于車輛和工程機械中。然而，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)柴油機同時減少氮氧化物和炭煙排放以達(dá)到排放目標(biāo)是一個巨大的挑戰(zhàn)。生物柴油作為一種綠色環(huán)保和可持續(xù)的柴油替代燃料，受到了廣泛的關(guān)注[1-3]。生物柴油是主要以植物油、動物脂肪或者餐飲廢棄油脂為原料生產(chǎn)的燃油，屬于生物質(zhì)能源，其主要成分是脂肪酸甲酯，通常通過使脂質(zhì)與醇(主要是甲醇)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生脂肪酸酯而制成[4]。生物柴油理化性能與石化柴油相似，在不改動柴油機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上可直接應(yīng)用[5]。國內(nèi)外已有大量研究表明，與傳統(tǒng)柴油燃料相比，柴油機燃用生物柴油時的CO、HC和炭煙排放均有所降低，但是NOx排放較高[6-8]。

此外，生物柴油存在著黏度高、密度高、低溫流動性差和熱值低等缺點[9]。生物柴油的噴霧特性與柴油相似，但其噴霧貫穿距離比柴油大，而噴霧錐角約為柴油的一半。生物柴油較大的密度導(dǎo)致大直徑油滴數(shù)量較多，影響噴霧貫穿距離，而高黏度和低揮發(fā)性導(dǎo)致噴霧錐角變小，影響霧化質(zhì)量[10-11]。改善燃料揮發(fā)性和降低燃料黏度可以改善油霧化的質(zhì)量。而生物柴油的低熱值也會導(dǎo)致柴油機燃油消耗率的增加[12]。為了解決生物柴油理化性質(zhì)方面存在的缺點，許多研究者采用添加含氧燃料的方法。堯命發(fā)等[13]采用進氣道噴正丁醇和缸內(nèi)直噴生物柴油的方法實現(xiàn)了高預(yù)混燃燒，有效降低NOx和炭煙排放。文獻[14]將PODE與生物柴油混合，通過改善生物柴油的黏度和低溫流動性實現(xiàn)了降低柴油機炭煙的效果。

綜上所述，國內(nèi)外對于低比例汽油摻混生物柴油的研究較少。低比例汽油摻混生物柴油可以通過降低燃料運動黏度和提高揮發(fā)性來改善生物柴油性能。本研究選用不同摻混比的生物柴油-汽油混合燃料(汽油體積比小于20%)，在一臺增壓中冷、直列6缸高壓共軌柴油機上測試了3種燃料在1 400 r/min，不同負(fù)荷下的燃燒和排放性能。此外，還對超細(xì)顆粒物(D<220 nm)的數(shù)濃度進行了研究。

1 試驗設(shè)備及方法

試驗采用的是一臺直列6缸四沖程高壓共軌電控YC6G270-30柴油機，具體參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

試驗燃料為餐飲廢油制成的生物柴油，分別摻混0%，10%和17%汽油，配制成BD100，BD90G10和BD83G17 3種燃料。燃料的部分理化特性見表2。 混合燃料的傾點和凝固點低于BD100，有助于提高低溫流動性。 BD90G10和BD83G17的黏度明顯下降，有利于噴霧和霧化的改善。汽油的95%蒸餾溫度低于生物柴油，因此BD90G10和BD83G17具有更高的揮發(fā)性。

表2 生物柴油-汽油混合燃料理化性質(zhì)

試驗采用凱邁CW260電渦流測功機控制轉(zhuǎn)速和扭矩，使用Kistler 6052A壓電式缸壓傳感器采集發(fā)動機氣缸壓力信號，經(jīng)過Kistler5019B電荷放大器將信號傳輸?shù)終iBox燃燒分析儀。排放測試系統(tǒng)包括廢氣分析儀(AVL Digas4000：HC，CO和NOx；AVL Dismoke 4000：煙度)和空氣動力學(xué)粒度分光計(SMPS-3936)。 空氣動力學(xué)粒度分光計(SMPS-3936)主要參數(shù)見表3。由表3可以明確看出，該儀器檢測濃度最低可達(dá)1個/cm3，且對于每個工況點的顆粒物采集均可在64 s內(nèi)完成。該儀器測量精度高、反應(yīng)時間快，完全滿足試驗需求。通過體積分?jǐn)?shù)分析HC，CO和NOx排放；炭煙排放由不透光度描述，通過數(shù)濃度分析超細(xì)顆粒物。試驗中發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 400 r/min，其平均有效壓力分別為0.16 MPa，0.32 MPa，0.48 MPa，0.64 MPa，0.81 MPa，0.97 MPa，1.3 MPa。純生物柴油的發(fā)動機運行工況和原機噴射策略見表4。由測量的缸壓信號計算瞬時放熱率和燃燒溫度。

表3 SMPS-3936型空氣動力學(xué)粒度分光計主要參數(shù)

表4 發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 400 r/min時的原機參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 噴射時刻

表5列出發(fā)動機在不同負(fù)荷時的噴射時刻和噴射持續(xù)期。在部分負(fù)荷時采用了預(yù)噴射和主噴射的二次噴射策略，在中高負(fù)荷采用一次噴射。對于同種燃料來說，隨著負(fù)荷增加，噴射始點提前，噴射持續(xù)期增大，燃油消耗量增多。此外，對于發(fā)動機所有負(fù)荷工況，隨著汽油摻混比例增加，主噴射時刻稍微延遲并且持續(xù)期減小。這是由汽油-生物柴油混合燃料的理化性質(zhì)決定的。摻混汽油使混合燃料的熱值增加，輸出同等功率，混合燃料消耗量相比生物柴油減少。

2.2 燃燒特性

圖1示出汽油-生物柴油混合燃料在1 400 r/min時的缸內(nèi)壓力、瞬時放熱率和燃燒溫度與燃用純生物柴油的比較。0.48 MPa，0.64 MPa，1.3 MPa分別代表部分負(fù)荷，中等負(fù)荷和大負(fù)荷。3種缸內(nèi)壓力曲線變化幾乎沒有差異，混合燃料的峰值燃燒壓力略高于BD100。在部分、中等負(fù)荷下，與BD100相比，BD90G10和BD83G17的燃燒始點滯后。隨著混合燃料中汽油摻混增多，其自燃性變差，使得滯燃期延長，燃燒始點滯后。大負(fù)荷時3種燃料相差不大，隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)溫度升高，缸內(nèi)熱力狀況得到有效改善，十六烷值對燃燒始點和滯燃期的影響弱化。

在部分負(fù)荷和中等負(fù)荷下，混合燃料的峰值放熱率明顯高于BD100。在0.64 MPa下，BD90G10和BD83G17的峰值放熱率為232.47 J/(°)和236.66 J/(°)，而BD100的峰值放熱率僅為222.3 J/(°)。在0.81 MPa下，BD100，BD90G10和BD83G17的放熱率峰值分別為234.9 J/(°)，237.7 J/(°)和238.0 J/(°)。這種現(xiàn)象可歸因于混合燃料的高熱值和滯燃期延長。在高負(fù)荷下峰值放熱率略有上升：一方面，混合燃料的燃燒始點幾乎相同；另一方面，高汽化潛熱抵消了高熱值對峰值放熱率的影響。

表5 噴射時刻及噴射持續(xù)期

由于混合燃料滯燃期長，熱值高，加之部分負(fù)荷及中等負(fù)荷下的峰值放熱率大，因此混合燃料的燃燒溫度相比純生物柴油有所增加。在平均有效壓力為1.3 MPa時，缸內(nèi)熱狀態(tài)得到改善，汽油可燃性差的特點對燃燒始點的影響減弱。汽油具有比生物柴油更高的汽化潛熱，可吸收更多的缸內(nèi)熱量，該效果平衡了由高熱值和高放熱率峰值引起的燃燒溫度的增加趨勢。因此，在高負(fù)荷下?lián)交炱秃笕紵郎囟葞缀鯖]有增加。

2.3 有效燃油消耗率

有效燃油消耗率是反映燃料經(jīng)濟性能的一個重要指標(biāo)。圖2示出在1 400 r/min 時，發(fā)動機燃用生物柴油以及生物柴油-汽油混合燃料(BD100，BD90G10，BD83G17)的負(fù)荷特性油耗對比。由圖2可知，燃料的有效燃油消耗率隨著汽油摻混比例增加而降低。燃料的熱值隨著汽油含量的增加而提高，生物柴油-汽油混合燃料熱值增加，要輸出相同的功率會減少燃料的消耗。因此，隨著汽油摻混比的提高，燃料有效燃油消耗率降低。從圖2還可以看出，隨著汽油摻混比的增加，混合燃料的有效熱效率比生物柴油的更高。汽油含量的增加使得燃料霧化質(zhì)量提高，燃料燃燒更加充分，有效熱效率增加。

圖2 發(fā)動機有效燃油消耗率

2.4 排放特性分析

2.4.1NOx排放

圖3示出發(fā)動機在1 400 r/min時燃用BD100，BD90G10和BD83G17燃料的NOx排放對比。由圖3可知，與BD100相比，BD90G10和BD83G17的NOx排放較高。相同工況下，隨著汽油摻混比例的增加，燃料的NOx排放逐漸增加。這是因為隨著汽油摻混比例的提高，混合燃料峰值燃燒溫度升高，故導(dǎo)致NOx排放增多。

2.4.2炭煙排放

燃油中的碳在高溫和缺氧條件下，受缸內(nèi)可燃混合氣的均勻性、燃料的性質(zhì)、燃料的霧化及燃燒室內(nèi)燃料的積聚等因素的影響而生成炭煙[16]。圖4示出生物柴油-汽油混合燃料的炭煙隨發(fā)動機負(fù)荷的變化。由于BD90G10和BD83G17的運動黏度低于BD100，生物柴油-汽油混合燃料的霧化質(zhì)量優(yōu)于生物柴油，故BD90G10和BD83G17兩種燃料的預(yù)混燃燒強度高于BD100，柴油機燃用生物柴油-汽油混合燃料時極大地減少了燃料處于高溫缺氧環(huán)境中的概率，故相同工況下，隨著汽油摻混比例的增加，炭煙排放降低。

圖3 1 400 r/min時NOx排放負(fù)荷特性

圖4 1 400 r/min時煙度負(fù)荷特性

2.4.3超細(xì)顆粒物排放

柴油機的顆粒物排放是造成城市大氣環(huán)境惡化的主要原因之一，而且許多研究表明，超細(xì)顆粒物易進入肺泡、血液、神經(jīng)系統(tǒng)等，其和白血病、心血管疾病的發(fā)生有一定關(guān)聯(lián)[17-18]。超細(xì)顆粒物按照不同物理形成機制分為3種模態(tài)：成核態(tài)顆粒物(D<50 nm)、愛根模態(tài)顆粒物(50 nm

圖6示出發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時的超細(xì)顆粒物數(shù)濃度負(fù)荷特性。由圖6看出，隨著負(fù)荷的增加，BD100和BD90G10的超細(xì)顆粒物數(shù)濃度呈先增大后減小的趨勢。BD100的超細(xì)顆粒物數(shù)濃度最大，平均有效壓力為0.48 MPa時達(dá)到最大值，BD90G10在0.32 MPa時顆粒物數(shù)濃度達(dá)到最大值。BD83G17數(shù)濃度總體呈隨著負(fù)荷增加而減小的趨勢。在低負(fù)荷和部分負(fù)荷時，炭煙排放較低，但是超細(xì)顆粒物數(shù)濃度較高。這主要是因為在此負(fù)荷工況下，缸內(nèi)溫度較低，燃料霧化效果差，低熱效率導(dǎo)致的不完全燃燒造成超細(xì)顆粒物數(shù)濃度的顯著增加。然而，隨著發(fā)動機負(fù)荷的增加，缸內(nèi)燃燒溫度增加，缸內(nèi)熱狀態(tài)得到顯著改善，空氣與燃料混合均勻，因此超細(xì)顆粒物數(shù)濃度明顯降低。與BD100相比，生物柴油-汽油混合燃料明顯降低了柴油機的超細(xì)顆粒物排放，這主要因為摻混汽油有效改善了燃料空氣混合物的霧化質(zhì)量。在低負(fù)荷和部分負(fù)荷下，混合燃料超細(xì)顆粒物數(shù)濃度隨著汽油摻混比增大而顯著降低；在高負(fù)荷下，BD90G10和BD83G17的數(shù)濃度相差不大，表明汽油摻混比的進一步增大對超細(xì)顆粒物排放的減少影響不大。

圖5 1 400 r/min時超細(xì)顆粒物數(shù)濃度對比

圖6 1 400 r/min時超細(xì)顆粒物數(shù)濃度負(fù)荷特性

3 結(jié)論

a) 在部分負(fù)荷和中等負(fù)荷下，BD90G10和BD83G17的峰值燃燒壓力、峰值放熱率和燃燒溫度都略高于BD100，在大負(fù)荷下，3種燃料相差不大；生物柴油摻混汽油可以一定程度降低柴油機有效燃油消耗率；

b) 柴油機的NOx排放與汽油摻混比例成正比；與生物柴油相比較，BD90G10和BD83G17的NOx排放平均增加4.2%和6.7%，同時炭煙排放有所降低；

c) 3種燃料超細(xì)顆粒物數(shù)濃度都隨著負(fù)荷的增大呈先增加后減小的趨勢，在大負(fù)荷下，BD90G10和BD83G17的數(shù)濃度相差不大，表明汽油摻混比的進一步增大對超細(xì)顆粒物排放的減少影響不大。