油酸甲酯-柴油混合燃料排放特性试验研究

谢 阳，麻 剑，罗麒元，许沧粟

（浙江大学动力机械及车辆工程研究所，浙江杭州310027）

油酸甲酯-柴油混合燃料排放特性试验研究

谢 阳，麻 剑，罗麒元，许沧粟

（浙江大学动力机械及车辆工程研究所，浙江杭州310027）

为了研究生物燃料的成分对燃料排放特性的影响，配置了5种不同掺混体积比的油酸甲酯-柴油混合燃料（0％，20％，40％，60％和80％）.在不改变柴油机供油系统的前提下，用四缸四冲程柴油机机对油酸甲酯-柴油混合燃料进行排放特性研究，包括NOx、颗粒物、CO、非甲烷碳氢（NMHC）、甲醛以及芳香烃排放.研究表明：掺混油酸甲酯后，排放物随负荷、转速的变化规律与纯柴油相似；NOx随负荷的增加而增长，混合燃料的NOx排放略高于纯柴油；颗粒物随负荷的增加而增加，但随掺混比的增加而下降；CO随着负荷、转速和掺混比的增加而下降，在高转速下随负荷增加的降幅普遍大于低转速的降幅；NMHC排放随负荷增加或者掺混比的提高呈对数型下降趋势；甲醛排放随着负荷的增加先减后增，在中负荷时达到最小值；在掺混油酸甲酯后，NMHC和甲醛排放大幅降低；芳香烃排放随负荷的增加而下降，随转速的上升而增加.

柴油机；排放；油酸甲酯；生物柴油

随着能源问题与汽车尾气污染日益严峻，生物质燃料受到了越来越多的关注.生物质燃料的来源广泛，根据原料的不同可以分为3种：三酸甘油酯类生物质、淀粉或糖类生物质以及纤维素类生物质[1-2].其中，三酸甘油酯类生物质的占比最大，包括植物油、动物酯肪、烹饪废油以及藻类提质油等[3].就目前来说，植物油，特别是其中占比较大的大豆油，成为了提炼生物质燃油的主要原料.

由于生物质燃料多包含长链分子，其特性与柴油更接近，并且生物质燃油含氧，具有更高的十六烷值，且低硫.因此，柴油机燃用较高掺混比柴油—生物质燃油混合燃料，在一定程度上能够提高发动机的排放性能.很多研究表明[4-6]：不同的燃料掺混比会影响柴油机的动力、经济以及排放特性.在无明显NOx排放变化的情况下，掺混生物质燃油能够带来更好的HC和CO等排放.

目前的研究主要集中在燃用生物质燃油（如大豆生物柴油、菜籽生物柴油、棕榈生物柴油等）对柴油机动力、经济以及常规排放的影响，忽略了柴油机的非常规排放（如SO2、甲醛、芳香烃等）.同时，研究主要针对于生物质燃油本身，对于构成燃油的组分的独立研究较少.因此，有必要针对组成生物质燃油的单一组分进行常规以及非常规排放研究.

本文研究的主体是油酸甲酯（大豆生物柴油的主要成分）-柴油混合燃料.按照不同体积掺混比，配置了5种油酸甲酯-柴油（0％、20％、40％、60％和80％，分别记为M0、M20、M40、M60和M80）混合燃料.在设定转速（2000和3000r/min）下，通过改变柴油机的负荷（10％、25％、50％、75％和100％），对比研究分析了油酸甲酯对常规排放及非常规排放的影响，包括NOx、颗粒物、CO、NMHC、甲醛及芳香烃排放.

1 试验装置及步骤

1.1 燃料特性

油酸甲酯是大豆生物柴油的主要成分，分子式为CH3（CH2）7CH=CH（CH2）7COOCH3.如表1所示为油酸甲酯与市售0#柴油的理化性能对比.

为了研究掺混比对于排放特性的影响，配置了5种不同体积掺混比（0％、20％、40％、60％和80％）的油酸甲酯-柴油的混合燃料.采用搅拌机，通过1000r/min的速度长时间搅拌来保证2种燃料充分的混合.配置好的油酸甲酯-柴油混合燃料在常温下静置24 h后未出现明显的分层和液滴现象.可以判断油酸甲酯与柴油具有较好的互溶性，并且混合燃料混合均匀.

表1 燃油的物性参数Tab.1 Chemical and physical properties of biodiesel and petrochemical diesel

1.2 试验设备及方法

试验使用一台新柴490B柴油机作为测试机.新柴490B是一台四缸四冲程柴油机.主要参数如表2所示.

表2 新柴490B主要参数Tab.2 Major specifications of Xinchai 490B diesel engine

试验使用的测功机为湘仪CW160型测功机.缸内压力使用安装在气缸盖侧壁上的kistler公司的缸压传感器测量，测量范围为0～100 MPa.使用DEWE-800-SE燃烧分析仪来测量缸内燃烧参数.发动机的常规和非常规排放使用AVL SESAM FTIR气体分析仪和NHT-6型不透光计来采集分析.排气温度使用K型热电偶进行测量，测量范围为73～1123 K，精度为±0.25％.试验台架如图1所示.

试验时的环境温度为18～24℃，相对湿度为60％～64％，大气压力为0.101 MPa，进气温度为（21±2）℃，发动机的冷却水、机油温度采用PID控制，分别控制在80～88℃和90～95℃.试验前，对所有仪器进行标定，使其满足试验误差的要求.试验时，将发动机的转速设定为2000和3000r/min，在不改变喷油时刻以及供油系统的前提下，通过调整发动机的负荷（10％、25％、50％、75％和100％）来研究不同掺混比燃料对排放特性的影响.在各工况切换过程中，发动机至少运行5 min，待所有参数稳定后进行下一次的测试.

图1 排放特性试验台架示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of test-bed

2 常规排放

2.1 NOx排放

NOx和SO2是形成酸雨的主要诱因，有效地控制这2种物质的排放显得十分必要.很多实验表明：燃烧过程中的高温以及富氧环境都会促成NOx的主要因素[7-9].NOx排放体积分数如图2所示.图中，L为负荷.在设定转速下，缸内的燃烧温度随负荷的增加而上升，5种燃料的NOx排放随之增加.同时，纯柴油掺混油酸甲酯后，NOx排放趋向于上升，并且在满负荷时，NOx随掺混比的上升而上升，M20、M40、M60、M80相比于M0的增幅为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.这主要是由于油酸甲酯的热值略高于柴油，混合燃料在缸内燃烧时会释放出更多的能量.此外，油酸甲酯分子带有氧原子，增加了燃烧氛围的氧摩尔分数，加剧了NOx的生成.此外，在中低负荷下（10％、25％、50％和75％），3000r/min下的NOx排放较优，而在满负荷下，结果却相反.

NOx排放主要由NO与NO2组成.NO在NOx排放中的占比可以反映出燃烧过程中的氧在空气中的摩尔分数.如图3所示为NO在NOx排放中的占比.NO与NOx的体积比随着负荷的增长，整体呈对数型上升趋势.随着负荷的增加，NO与NOx的体积比不断上升，因此过高的燃烧温度会阻碍NO向NOx转化.在各工况下，M20和M40相比于M0燃料，NO与NOx的体积比无明显的变化趋势.在50％负荷，2000r/min下，燃用M60和M80后NOx排放体积分数较高.此外，混合燃料中较高的氧体积分数促使NO反应为NOx，这使得NO与NOx的体积比下降.

图2 NOx排放Fig.2 NOxemissions

图3 NO与NOx排放体积比Fig.3 NO/NOxvolume ratio

2.2 颗粒物排放

在试验中，利用不透光计测量尾气的不透光度N从侧面反映尾气中的颗粒物排放.如图4所示为不同燃料随负荷变化的颗粒物排放情况.可以看出，颗粒物排放有较好的一致性.随着负荷从10％增长至100％，颗粒物排放不断增长.在同一工况下，颗粒物排放随着掺混比的增加而下降.相比于纯柴油，燃用M80时，颗粒物排放下降比例随负荷的增长依次为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.在相同负荷下，转速上升会导致颗粒物的排放增加.颗粒物排放取决于充量系数及缸内燃烧温度[6].高温缺氧条件会促进颗粒物的形成.颗粒物的组成核心是碳原子，因此油酸甲酯分子较低的碳质量分数以及较高的氧含量有助于降低颗粒物排放.

为了清晰地阐释掺混油酸甲酯后，颗粒物排放的下降效果，定义一个效率系数K.K为各工况平均下降比例与掺混比例之比，即为降幅——掺混比数据的斜率，公式如下：

式中：Ra为平均下降幅度，M为掺混比.可以看出，K越大，效率越高.

M20、M40、M60和M80的K分别为0.58、0.655、0.72、0.875@2000r/min以及0.62、0.605、0.798和0.842@3000r/min.如图5所示，K随M的提升而增大，即降幅——掺混比数据的斜率不断变大.这表明提高掺混比，有利于加快颗粒物排放的下降速度.

图5 颗粒物去除效率Fig.5 Soot removal efficiency

2.3 CO排放

如图6所示为发动机燃用5种不同掺混比燃料时的CO排放特性.在不同的设定转速下，随着负荷的增长，CO排放逐渐降低，M0、M20、M40、M60和M80相比于M0的降幅分别为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.在相同负荷下，转速上升会加剧CO的排放；在高转速时，CO排放随负荷增加的降幅更大.这主要是由于在低负荷时，较低的缸内燃烧温度和充量系数使得缸内燃烧不充分，CO不能及时转化为CO2.当转速上升时，过浓燃料混合气导致更高的CO排放.

相比于纯柴油，掺混油酸甲酯后，CO排放随着掺混比的提高趋向于下降.出现该现象的原因主要是由于油酸甲酯较高的热值以及本身含氧的特性.

图6 CO排放Fig.6 CO emissions

2.4 非甲烷碳氢排放（NMHC排放）

5种燃油的非甲烷碳氢排放如图7所示.NMHC排放主要来源于未燃燃油以及燃烧中间产物.在低负荷下，NMHC排放相对较高.在相同转速下，随着负荷的增加，NMHC排放呈对数型下降趋势.在柴油中掺混油酸甲酯后，尾气中的NMHC排放大幅下降，并且这种降幅随着油酸甲酯掺混比的增加有扩大的趋势.M80燃油在10％、25％、50％、75％和100％负荷下，相比于M0，降幅分别为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.出现该现象的主要原因如下：油酸甲酯的氧原子能够促进氧化过程，并且其较高的十六烷值缩短了滞燃期，加速了急燃期.如图8所示为缸内压力随曲轴转角的变化图.可以看出，M20的滞燃期与M0相似，而M60滞燃期明显较短.同时，M60的急燃期较短，更快地达到了最高压力点.在柴油中掺混油酸甲酯能够促进完全燃烧，提高燃烧效率.同时，在相同负荷下，随着转速的上升，NMHC排放小幅下降.这主要是因为在高转速下，缸内燃烧温度较高，促进了碳氢燃料的反应.

图7 非甲烷碳氢排放Fig.7 NMHC emissions

3 非常规排放

3.1 甲醛排放

图82000 r·min-1满负荷时的缸内压力图Fig.8 Pressure diagram for test fuels at2000 r·min-1under full load

图9 甲醛排放Fig.9 Formaldehyde emissions

柴油机的尾气中包含了数百种物质，它们以气态或者固态同时存在.其中包含了一些致癌物质，如甲醛和芳香族化合物等.在这些物质中，甲醛占总排放的绝大部分.甲醛作为I类致癌物，浓度超标时会导致眼睛和黏膜细胞的伤害.甲醛排放主要来源于缸内燃料的不完全燃烧以及尾气中的后续氧化.如图9所示，在相同的转速下，甲醛排放随着负荷的增加呈现先减后增的趋势，纯柴油在50％负荷时达到最小值.甲醛在高温环境中不能长期稳定的存在，因此随着负荷的增加，缸内燃烧温度上升，抑制了部分甲醛的生成.对于尾气中后续的氧化过程，排气温度对甲醛的生产影响比较明显，温度过低则生成甲醛的反应缓慢，温度过高则会加速甲醛的氧化.排气温度随着负荷的增加逐渐升高，加快了甲醛的生成.同时，在中高负荷下（50％、75％和100％），柴油掺混油酸甲酯后，可以有效降低70％以上的甲醛排放.同时，随着转速的上升，同一负荷下的甲醛排放略有下降.

3.2 芳香烃排放

作为同样致癌的芳香烃类化合物，排放如图10所示.相比于甲醛排放，芳香烃排放较低，均低于10-5.在2种不同的转速下，随着负荷的增长，芳香烃排放呈对数型下降；芳香烃排放在高转速下略微上升.在各工况下，掺混油酸甲酯可以有效地降低芳香烃排放.相比于纯柴油，M80在各工况下能够降低20％以上的芳香烃排放，特别是在10％负荷时，M80可以降低50％以上的芳香烃排放.提高油酸甲酯的掺混比，芳香烃的排放无明显的变化趋势.

图10 芳香烃排放Fig.10 Arometic HC emissions

4 结 论

（1）掺混油酸甲酯后，排放特性的规律与纯柴油相似.

（2）在各转速下，5种燃料的NOx排放随负荷的增加而增长.相比于纯柴油，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无明显的变化趋势.

（3）颗粒物排放随负荷的增加而增长.在同一工况下，颗粒物排放随着掺混比的增加而下降，但是颗粒物的排放随转速的增加而增加.同时，提高掺混比，有利于加快颗粒物排放的下降速度.

（4）CO随着负荷和油酸甲酯掺混比的增加而下降；在相同负荷时，转速升高，CO的排放增加，并且随负荷增加的降幅更大.

（5）NMHC排放随负荷的增加呈对数型下降趋势.同时，尾气中的NMHC排放随掺混比的提高不断下降；掺混油酸甲酯可以有效地降低NMHC排放.

（6）甲醛排放随着负荷的增加呈现先减后增的趋势，在中负荷时达到最小值.同时，随着转速的上升，甲醛排放略有下降.混合燃料的甲醛排放远低于纯柴油.

（7）芳香烃排放随负荷的增加呈对数型下降，并且随转速的上升略微增加.

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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.浙江大学学报（工学版）网址：www.journals.zju.edu.cn/eng

台州市黄岩区科技资助项目（2013006）.

谢阳（1990—），男，硕士生，从事新能源燃烧机理的研究.ORCID：0000-0002-8534-8959.E-mail：xieyang-auto@163.com

许沧粟，男，副教授.E-mail：xcs0929@163.com