生物柴油-乙醇和生物柴油-甲醇混合燃料排放特性研究*

李 江 朱 輝 孟 妮

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

引言

鑒于能源危機(jī)和大氣污染的壓力，可再生的生物質(zhì)燃料近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。生物柴油作為一種可再生新型燃料，具備抗爆性好，能量密度高，降解性高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為石化柴油的替代品，對(duì)緩解能源短缺以及實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大的積極作用。但生物柴油也存在粘度過(guò)大、噴射霧化變差、導(dǎo)致燃燒不完全、熱效率降低、碳煙排放升高等問(wèn)題。甲醇/乙醇具有含氧量高、抗爆性好、凝點(diǎn)低、較好的冷卻作用、良好的經(jīng)濟(jì)性等特性。本文通過(guò)添加甲醇/乙醇對(duì)生物柴油的部分理化特性加以改進(jìn)，降低運(yùn)動(dòng)粘度，降低冷濾點(diǎn)等，使之盡可能接近市售柴油的理化性質(zhì)；研究分析柴油機(jī)燃用生物柴油-乙醇，生物柴油-甲醇混合燃料的排放性能，對(duì)其實(shí)際排放性能做出評(píng)價(jià)和所存在的問(wèn)題給予說(shuō)明，對(duì)推廣生物柴油的應(yīng)用提供部分理論依據(jù)[1-5]。

1 試驗(yàn)條件[6]

1.1 燃料制備

試驗(yàn)選用無(wú)水甲醇（分析純），西安化學(xué)試劑廠出品；生物柴油，漢中春光能源開(kāi)發(fā)有限公司出品。為了將水分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響降低到最低程度，特對(duì)試驗(yàn)用生物柴油做水分測(cè)定，以保證使用合格的生物柴油。其水分測(cè)定結(jié)果如表1 所示。

表1 生物柴油水分測(cè)定

GB/T 20828-2007《柴油機(jī)燃料調(diào)和用生物柴油（BD100）》中對(duì)生物柴油的水分含量要求≤0.05%，而本次試驗(yàn)用生物柴油水分含量為0.047 5%＜0.05%，因此滿足實(shí)驗(yàn)要求。

試驗(yàn)中所配制的混合燃料以“BXMX”和“BXEX”分別命名，其中“BX”代表生物柴油在混合燃料中所占體積分?jǐn)?shù)，“MX”表示甲醇在混合燃料中所占體積分?jǐn)?shù)，“EX”代表乙醇在混合燃料中所占體積分?jǐn)?shù)，如“B95E5”即指混合燃料中生物柴油的體積分?jǐn)?shù)為95%，乙醇的體積分?jǐn)?shù)占5%。通過(guò)互溶性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，甲醇與生物柴油的互溶性弱于乙醇，由于環(huán)境溫度的不斷變化，要想獲得長(zhǎng)期靜置（大于30d）不分層、穩(wěn)定性能承受溫度變化（不低于燃料冷濾點(diǎn)）的混合燃料，摻入甲醇的體積比不能過(guò)高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為甲醇體積分?jǐn)?shù)大于20%在溫度降低、長(zhǎng)時(shí)間靜置時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層。故為了獲得穩(wěn)定的混合燃料，本次試驗(yàn)配制混合燃料如表2 所示，圖1 是B90M10 室溫靜置30 d 以及低溫下形態(tài)變化。

表2 試驗(yàn)所用的配制油 mL

從圖1 可以看出，B90M10 在靜置30 d 后，仍然清澈透明，未出現(xiàn)分層和渾濁現(xiàn)象，可以明顯觀察到燒杯刻度；在低溫環(huán)境下（低于凝點(diǎn)溫度）凝結(jié)未出現(xiàn)分層，溫度升高融化成液態(tài)仍是穩(wěn)定的清澈油液形態(tài)。通過(guò)互溶性結(jié)論可知，其他三種混合燃料必定也均有較好的穩(wěn)定性，五種燃料的部分理化特性如表3 所示。

圖1 B90M10 靜置30 d 及低溫形態(tài)變化

表3 試驗(yàn)用燃料部分理化特性

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)單缸四沖程柴油機(jī)，具體參數(shù)如表4 所示，采用FST2C 電渦流測(cè)功機(jī)，TP-224 流量傳感器，AVL 氣體分析儀，AVL 不透光煙度計(jì)。試驗(yàn)選用B100、B95E5、B90E10、B95M5、B90M10，五種燃料按照1 500 r/min 下負(fù)荷特性的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行主要污染物排放的對(duì)比試驗(yàn)。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CO 排放

柴油機(jī)在大多數(shù)工況下都是富氧燃燒，中間產(chǎn)物CO 會(huì)進(jìn)一步被氧化為CO2，只有在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷時(shí)，由于缸內(nèi)溫度較低，缸內(nèi)紊流較弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛痛筘?fù)荷時(shí)由于混合氣變濃，擴(kuò)散燃燒加劇導(dǎo)致局部會(huì)出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，生成CO 圖2 是五種燃料負(fù)荷特性下的CO 排放對(duì)比。

圖2 五種燃料負(fù)荷特性下CO 排放對(duì)比

從圖2 可以看出：1）在小負(fù)荷時(shí)，四種混合燃料與B100 相比，CO 排放并沒(méi)有下降，反而稍有升高。這主要是由于缸內(nèi)噴油量小，工質(zhì)過(guò)稀，而醇特別是甲醇的汽化潛熱大，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，其富氧的特點(diǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)，不利于CO 進(jìn)一步被氧化。2）在大負(fù)荷時(shí)，CO 排放量增大，B100 的CO 排放量明顯高于摻醇的混合燃料。這是因?yàn)樵诖筘?fù)荷時(shí)，缸內(nèi)混合氣濃度大幅上升，過(guò)量空氣系數(shù)變小，造成局部區(qū)域缺氧燃燒，CO 生成增多。但其他4 種混合燃料的CO水平略低于B100，這是醇類自身的高氧含量在此時(shí)發(fā)揮了作用，緩解了局部缺氧，抑制了CO 的生成，并且醇類的添加，燃料的運(yùn)動(dòng)粘度有所降低，霧化蒸發(fā)稍有改善，也促進(jìn)了燃燒。

2.2 HC 排放

就柴油機(jī)而言，主要是混合氣過(guò)稀，燃料霧化蒸發(fā)不良，缸內(nèi)溫度較低，反應(yīng)不夠及時(shí)，造成HC 的生成。圖3 是五種燃料在負(fù)荷特性下的HC 排放對(duì)比。

圖3 五種燃料負(fù)荷特性下HC 排放對(duì)比

從圖3 可以分析得出：1）HC 的排放與CO 排放呈現(xiàn)類似規(guī)律，在小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)速度比較小且溫度較低，熱力狀態(tài)不佳，加之醇類的汽化潛熱高，使溫度進(jìn)一步降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p緩，燃燒反應(yīng)不及時(shí)，從而導(dǎo)致HC 排放量較高。2）大負(fù)荷時(shí)HC 排放增加，這一點(diǎn)也是由于空氣過(guò)量系數(shù)變小，出現(xiàn)局部缺氧所造成的，但摻醇形成的混合燃料HC排放的升幅較B100 稍小，這是由于醇類的高含氧量使燃燒加速，使整個(gè)反應(yīng)能及時(shí)徹底地進(jìn)行。

2.3 NOx 排放

NOx是內(nèi)燃機(jī)廢氣中一切氮氧化物的總稱。主要是在高溫富氧、有相對(duì)充足的反應(yīng)時(shí)間的環(huán)境下生成的。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)λ 在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，λ變小會(huì)引起NOx排放增大，當(dāng)λ 過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，NOx的排放都會(huì)保持一個(gè)較低水平。NOx與HC 在陽(yáng)光下會(huì)發(fā)生一系列光化學(xué)發(fā)應(yīng)，最后生成一些對(duì)人體危害更大的淺藍(lán)色煙霧，其主要成分是醛、臭氧等。這些物質(zhì)會(huì)造成人體呼吸困難、眼紅咽痛，嚴(yán)重可致中樞神經(jīng)損傷[7-9]。圖4 是五種燃料負(fù)荷特性下的NOx排放對(duì)比。

圖4 五種燃料負(fù)荷特性下NOx 排放對(duì)比

從圖4 中可以看出：1）五種燃料的NOx排放量均隨負(fù)荷的增大而增大，這一點(diǎn)很好解釋，即負(fù)荷增大，缸內(nèi)熱力狀態(tài)改善，溫度和壓力上升，高溫環(huán)境促使了NOx的生成。2）由于乙醇/甲醇的添加量小，富氧環(huán)境體現(xiàn)不夠突出，且乙醇/甲醇的較高汽化潛熱會(huì)對(duì)缸內(nèi)溫度產(chǎn)生影響，有降低燃燒溫度的作用。因此，4 種混合燃料的NOx排放量和B100 相比，沒(méi)有明顯的規(guī)律，在某一負(fù)荷點(diǎn)NOx排放量的大小由富氧和醇類對(duì)缸內(nèi)溫度的影響共同作用。3）B90M10的NOx排放量較B100 有輕微下降，形成這樣結(jié)果的原因有以下幾點(diǎn)：甲醇含氧量達(dá)50%，摻甲醇類后，混合燃料含氧量增加，燃燒速度加快，燃燒持續(xù)期縮短，高溫環(huán)境持續(xù)時(shí)間縮短，抑制了NOx的生成；甲醇的汽化潛熱是生物柴油的5 倍多，其在缸內(nèi)由液體蒸發(fā)為氣體要吸收較多的能量，從而使缸內(nèi)溫度出現(xiàn)下降，這種環(huán)境進(jìn)一步抑制了NOx的生成。

2.4 碳煙排放

碳煙是碳?xì)浠衔锶剂显诟邷睾腿毖醯沫h(huán)境下燃燒生成的，其反應(yīng)生成過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 碳煙形成過(guò)程

圖6 是五種燃料在負(fù)荷特性下的碳煙排放對(duì)比。

圖6 五種燃料負(fù)荷特性下碳煙排放對(duì)比

從圖6 中可以看出：1）隨著負(fù)荷的增大，缸內(nèi)工質(zhì)逐漸由稀變濃，局部缺氧幾率增大，特別是噴射油霧的核心極易缺氧，同時(shí)缸內(nèi)溫度升高，容易生成碳煙，所以煙度上升。2）摻混醇類后，碳煙排放明顯下降，這主要得益于甲醇和乙醇的高含氧量、低粘度、易蒸發(fā)、汽化潛熱大等特點(diǎn)。燃料較高的含氧量可以有效緩解分子缺氧裂解生成碳煙；較低的粘度有利于燃油噴射霧化、蒸發(fā)，使混合氣更均勻；汽化蒸發(fā)，吸收周圍大量的熱量，降低燃燒溫度，減小燃油局部裂解的概率；甲醇和乙醇的C/H 較生物柴油低得多，形成的混合燃料的總碳量下降。綜上所述，摻醇形成的微乳燃料碳煙排放較B100 大幅下降，下降幅度隨摻混比的增大而增大。

3 結(jié)論

與B100 相比，摻混甲醇/乙醇的混合燃料排放呈現(xiàn)出以下幾點(diǎn)特性：

1）CO 的排放量在中高負(fù)荷較B100 低，摻甲醇比摻乙醇改善效果更好，小負(fù)荷并無(wú)改善。

2）在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，摻醇的混合燃料HC 排放量都較B100 稍高，但在大負(fù)荷時(shí)，排放量升幅比B100 小。

3）四種混合燃料在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)NOx的排放量較B100 無(wú)規(guī)律，在某一負(fù)荷點(diǎn)NOx排放量由缸內(nèi)富氧環(huán)境、溫度以及高溫環(huán)境持續(xù)時(shí)間共同決定，而B(niǎo)90M10 較B100，NOx的排放量出現(xiàn)輕微下降。

4）摻醇形成的混合燃料較B100 來(lái)看，碳煙排放量全線下降。