电喷高压共轨柴油机燃用生物柴油性能研究

张岳秋，冯玉桥，刘 宪，王建昕

（1．北京市机动车排放管理中心，北京 100176；2. 清华大学汽车研究所，北京 100084）

0 引 言

汽车工业飞速发展，给人们带来物质便利和享受的同时，内燃机产生的有害排放物在大气污染中占的比重越来越高；另一方面，石油燃料为不可再生能源，汽车面临能源危机和日趋严格的排放法规的双重挑战，为此人们一直在进行有关代用燃料的研究工作。生物柴油就是近几年在国际上引起人们特别关注的绿色油品[1]。

生物柴油是通过可再生的天然油脂资源生产的一种柴油替代燃料，生物柴油的生物原料来源广泛，可采用菜籽油、花生油、棉籽油、大豆油、甘蔗油、椰子油、餐饮废弃油脂等[2]。由此可见，生物柴油的主要原料是可再生资源，生物柴油是可再生性能源[3]。

生物柴油分子的碳链长度为 C18，柴油的碳链长度在C16～C23之间[4]，相比于其他柴油替代燃料其理化特性与普通柴油更接近。生物柴油的含氧量可达到11%，高于普通柴油。生物柴油基本不含硫，而且闪点高、无毒，具有较好的润滑性能和溶解性能[5-6]。

许多研究表明，生物柴油既可独立作为柴油机的燃料使用，也可以一定比例与柴油混合后作为柴油机的燃料使用，而不用对柴油机做较大的调整[7-8]。20%的生物柴油与80%的柴油掺混形成的混合柴油被标为 B20，纯生物柴油被标为B100，在发动机不做任何改动和调整时，B20比B100更适合成为替代燃料[9-10]。

生物柴油由于含氧能够部分降低发动机的排放，特别是显著降低柴油机的碳烟排放。美国环保署（EPA）公布的数据表明，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的排放随着含氧量的增加而大幅度降低，柴油机燃用含氧燃料生物柴油后DS排放改善程度高于PM。关于含氧燃料降低柴油发动机碳烟排放的机理已有一定研究，含氧量的增加对降低DS有明显的效果[12-13]。文中在一台满足欧Ⅲ排放法规的高压共轨电喷柴油发动机上，不对发动机进行任何调整的情况下，进行了棉籽油B100、B20和柴油的性能试验，并对PM进行分解，分析生物柴油对PM及其排放的影响。

1 试验装置及方法

1.1 发动机性能试验台架

图1为试验台架的总体布置图。主要包括如下几个部分：发动机、测功机及其控制系统、燃油供给装置和油耗测量系统、发动机水冷控制系统、气体排放分析仪和微粒采集系统。试验采用AVLCEB排气分析仪对排放中的CO、CO2、O2、HC和NOx浓度进行测量。其中CO和CO2采用非红外线吸收型分析仪（NDIR），HC排放采用氢火焰离子分析仪（FID），NOx采用化学发光型分析仪（CLD）。采用AVL公司SPC472排放微粒与采集系统，对柴油机尾气中的微粒进行稀释和采集。

1.2 试验发动机

研究使用了满足欧Ⅲ排放标准的CUMMINS-ISBe6系列高压共轨电喷柴油发动机，表1为主要参数。

表1 CUMMINS-ISBe6发动机参数

1.3 试验燃料

试验所用的柴油是市场销售的 0号柴油，生物柴油由中国某生物能源公司提供，其原材料主要是棉花籽油。试验所用燃料为3种，即柴油（代号为B0）、生物柴油（代号为B100）和柴油、生物柴油体积分数分别为80%和20%的混合燃料（代号为 B20 ）。试验用燃油的主要指标见表2。

表2 燃料的主要特性参数

1.4 试验方法

试验在CUMMINS-ISBe6系列电喷柴油发动机上进行。试验过程中发动机不做任何调整，分别燃用B0柴油、B100生物柴油和B20混合燃料。进行外特性试验考查动力性，进行1500r/min的负荷特性试验考察燃油经济性和排放性。测量发动机的动力性、燃油经济性、气态排放物和微粒总量。采用萃取的方法将PM分解为可溶性有机物成分SOF、DS和硫酸盐3部分。

1.5 试验条件

（1）冷却液的出口温度控制在88 ±5℃；

（2）机油温度控制在90±5℃；

（3）柴油温度控制在35 ±5℃；

（4）以额定功率点2500r/min为前提，中冷后温度控制在49±2℃，燃用柴油额定功率点中冷器的压降9.25 kPa，排气背压10.6 kPa。

2 试验结果及考察

2.1 动力性

动力性如图2所示。

CUMMINS-ISBe6电喷柴油发动机燃用柴油B0和生物柴油B100、混合燃料B20的外特性转矩曲线如图2所示，发动机燃用生物柴油的外特性转矩相比柴油有所下降。同柴油相比，发动机燃用生物柴油B100外特性转矩平均下降10%，B20平均下降2%。使用生物柴油发动机的动力性下降的主要原因是生物柴油燃料含氧使得其热值比柴油低，在发动机不进行调整的情况下，会导致功率下降。

2.2 燃油经济性

CUMMINS-ISBe6电喷柴油发动机燃用B0、B100和混合燃料B20，在1500r/min负荷特性下的燃油消耗率如图3所示。从图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，发动机使用生物柴油 B100油耗平均增加 15%，使用 B20生物柴油耗油率平均增加3%。造成发动机燃油消耗率上升的主要原因是燃料低热值不同，使得BSFC随含氧量增加而上升。要使发动机发出相同的功率，需要消耗更多低热值较低的燃料。

2.3 DS和PM排放特性

DS排放如图4所示

PM排放如图5所示。

CUMMINS-ISBe6电喷柴油发动机燃用B0、B100和B20，在1500r/min负荷特性下的DS排放如图 4所示。使用含氧燃料生物柴油 B100、B20后，DS排放在不同负荷下都有明显降低。同柴油相比，柴油发动机使用生物柴油B100的DS排放降低 80%～85%，柴油发动机使用 B20的DS排放降低30%～40%。这是由于生物柴油燃料含氧，改善了局部缺氧的状况，抑制碳烟生成。

CUMMINS-ISBe6电喷柴油发动机燃用B0、B100和B20 在1500r/min的负荷特性下PM排放如图5所示。生物柴油的PM排放在各负荷都比柴油有大幅下降，其中大负荷降低程度较大。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排放的降低除了因为生物柴油含氧导致DS下降，也因为生物柴油不含元素硫，从而降低了PM中硫酸盐排放量。

柴油机燃用含氧燃料生物柴油后，DS排放改善程度高于 PM，同时由图可以看出，PM 与DS并非同步降低，小负荷条件下虽然生物柴油的DS排放下降很多，但PM排放下降程度相对较少，可能是SOF成分变化的影响。

2.4 NOx排放

NOx排放如图6所示。

CUMMINS-ISBe6发动机燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min负荷特性下，生物柴油的NOx排放比柴油有所上升。同柴油相比，柴油发动机燃用生物柴油 B100，NOx排放升高5%～20%，B20与B100的NOx排放基本相当。由于生物柴油含氧，燃烧更充分，从而提高气缸内的温度，导致了NOx排放上升，大负荷特性时上升趋势更为明显。

2.5 HC和CO排放

HC和CO排放如图7、图8所示。

CUMMINS-ISBe6电喷柴油发动机燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min负荷特性下HC排放如图7所示。由图7、图8可见，CO排放和 HC排放具有类似的趋势。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%。这是因为均匀分布在燃料中的氧元素增强了混合气中的氧化氛围，改善局部缺氧状况，提高了局部空燃比，使得燃烧更完全，从而降低HC和CO的排放。

2.6 CO2 排放

CO2排放如图9所示。

CUMMINS-ISBe6电喷柴油发动机燃用柴油和生物柴油B100、B20在1500r/min负荷特性下的CO2排放如图9所示。生物柴油B100和B20与柴油的CO2排放相差不大，差异在5%以内。

3 结 论

将以棉籽油为原料制取的生物柴油（B100）及其混合燃料（B20）在CUMMINS-ISBe6电喷柴油发动机上同柴油进行对比试验，得到如下结论；

（1）同柴油相比，发动机燃用生物柴油B100外特性转矩平均降低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%。柴油机燃用生物柴油的 DS排放改善程度高于PM，且PM与DS并非同步降低，在不同负荷条件下的降低趋势并不相同。

（4）同柴油相比，发动机燃用生物柴油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排放同柴油相比无明显变化。

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