生物柴油/甲醇混合燃料发动机的性能和排放

喻 武， 张志远， 陈财森， 黄佐华， 徐玉国

(1. 装甲兵工程学院教练团， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072；3. 装甲兵工程学院科研部， 北京 100072； 4. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室， 陕西 西安 710049；5. 装甲兵工程学院技术保障工程系，北京 100072)

生物柴油/甲醇混合燃料发动机的性能和排放

喻 武1， 张志远2， 陈财森3， 黄佐华4， 徐玉国5

(1. 装甲兵工程学院教练团， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072；3. 装甲兵工程学院科研部， 北京 100072； 4. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室， 陕西 西安 710049；5. 装甲兵工程学院技术保障工程系，北京 100072)

基于生物柴油和甲醇的互补特性，研究了掺混不同比例甲醇对燃用生物柴油的发动机性能和各种污染物排放的影响。研究表明:在生物柴油中掺混甲醇后，发动机的有效燃油消耗率增加，但是有效热效率变化不大;在预喷阶段，随着生物柴油/甲醇混合燃料中甲醇比例的增加，燃料预喷阶段的放热率峰值降低并且放热开始时刻推迟；在主喷射对应的放热阶段，掺混甲醇导致放热率峰值增大，放热持续时间减少;生物柴油掺混甲醇后，发动机HC和CO排放增加，NOx排放在中小负荷下减小，在高负荷下增加;发动机的碳烟排放随燃料中含氧比例增加而逐渐减小;使用生物柴油/甲醇燃料时，柴油机NOx排放与碳烟排放的trade-off关系在中小负荷下有所改善。

生物柴油；甲醇；柴油机；排放

能源危机和环境保护激发了人们对控制内燃机排放的研究兴趣。尽管柴油机的效率和可靠性高，且CO和HC排放低，但是它的NOx和PM排放很高。在柴油机中用含氧燃料作为替代燃料或添加剂来降低PM排放的方法已被广泛应用。生物柴油作为动物脂肪酸甲酯或植物油酸甲酯混合物，是很好的柴油替代燃料。文献[1-3]作者指出：柴油机中燃用生物柴油可以减少CO、HC和PM的排放。然而，生物柴油的高黏度不利于其在燃烧室中的喷油雾化[4]；而且，燃料中氧含量的增加会提高燃烧温度，增加NOx的排放。

甲醇是另一种含氧燃料，含氧量高、气化潜热高、黏性低等特点促使其成为潜在的生物柴油添加剂。文献[5-7]作者在一台配备泵管嘴喷射系统的柴油发动机上，研究了燃用生物柴油掺混小比例甲醇对发动机排放的影响，与燃用柴油相比，在发动机运行的某些工况，柴油机燃用生物柴油/甲醇混合燃料实现了NOx和PM排放的同时降低。然而，除了上述研究工作之外，国内外文献中尚无其他关于发动机燃用生物柴油/甲醇混合燃料实验的相关报道。因此，有必要在更多类型的发动机实验台架以及不同的发动机工况下，利用检测设备对发动机燃用生物柴油/甲醇混合燃料的性能、燃烧和排放进行更加深入和系统的研究。此外，在混合燃料中可以考虑进一步增大甲醇的比例，从而分析燃料掺混不同比例甲醇对发动机性能和排放的影响。

本研究的目的是对比柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇混合燃料在共轨柴油机上的性能和排放，并验证通过使用生物柴油/甲醇混合燃料，同时改进发动机性能和排放的可能性。为了深入研究添加甲醇对燃用生物柴油的发动机性能和排放的影响，混合燃料中甲醇的体积分数最高达到30%。

1 实验装置和步骤

实验采用的发动机为GW2.8TC共轨柴油机。表1为发动机的主要参数，测试系统如图1所示。发动机与一台涡流测功机相连，发动机控制系统(Powerlink FC 2000)用来控制发动机负荷和转速；发动机缸压用缸压传感器(Kisterler 6055c)和角标(Kistler2614A)测量；缸压信号和曲轴转角信号用数据采样系统(Yokogawa DL750)记录；放热率根据单区模型用缸压计算[8]；燃料流量由精度为0.1 g的电子秤测量;HC和CO由Horiba MEXA-554JA废气分析器测量;NOx由Horiba MEXA-720 NOx分析器测量;碳烟由SV-5Y烟度计检测。

表1 发动机的主要参数

图1 测试系统

本实验所用的燃料包括柴油、生物柴油(大豆脂肪酸甲酯)和甲醇，表2为这些燃料的理化特性。实验中配置了3种生物柴油/甲醇的混合燃料，其中甲醇的体积分数分别为10%、20%、30%，并分别命名为BM10、BM20、BM30。随着甲醇比例的增加，混合燃料的含氧量提高，混合燃料的十六烷值和热值减少。本实验中发动机的转速n为1 600、2 600 r/min，负荷为35、69、102、136、170 N·m，对应的平均有效压力分别为0.159、0.313、0.463、0.617、0.771 MPa。在每个测试工况下，发动机转速和扭矩的误差分别控制在5 r/min和0.1 N·m之内。每个测量重复3次，并取其平均值进行分析。

表2 实验用燃料的理化特性

2 发动机性能测试结果与讨论

图2为不同工况下发动机燃用不同燃料的有效燃油消耗率随平均有效压力的变化曲线，可以看出：1)转速相同时，发动机的有效燃油消耗率随负荷的增大而减小，这是由于负荷增大时，发动机机械效率增加而使油耗降低；2)当负荷一定，发动机转速从1 600 r/min变化到2 600 r/min时，有效燃油消耗率升高，这是因为转速增高导致燃料燃烧时间缩短、燃烧恶化，同时活塞和轴承摩擦也有所增加；3)在相同工况下，发动机燃用生物柴油的有效燃油消耗率比燃用柴油高，且随着生物柴油中甲醇掺混比例的增加而增加。虽然燃料中含氧量增加可以改善燃烧过程，降低有效燃油消耗率，但也会导致燃料热值降低，因此，发动机要保持相同的输出功率，需要消耗更多的燃料。

图2 不同工况下发动机燃用不同燃料的有效燃油消耗率随平均有效压力的变化曲线

发动机燃用不同燃料时，其有效热效率更能有效地表征燃料的经济性。图3为不同工况下发动机燃用不同燃料的有效热效率随平均有效压力的变化曲线，可以看出:1)与有效燃油消耗率随负荷的增加而减小、随转速的增加而升高相对应，发动机的有效热效率随负荷的增加而增加、随转速的增加而减小;2)发动机燃用生物柴油的有效热效率比燃用柴油高，这是由于生物柴油中的氧可以改善燃烧过程，提高燃烧效率;3)在生物柴油中添加甲醇后，发动机的有效热效率变化不大。这是因为虽然添加甲醇会降低燃料的十六烷值，增加燃料的着火滞燃期，导致更多的燃料处于预混模式，从而使有效热效率增加，但是由于甲醇的汽化潜热值高于生物柴油，掺混甲醇后燃料的汽化潜热增加，燃料蒸发带走更多的热量，这又可能导致有效热效率有所减小。在本实验中，这2个相反的因素相互抵消，最终发动机燃用生物柴油/甲醇混合燃料的有效热效率与燃用生物柴油相比，在各个工况均变化很小。

图3 不同工况下发动机燃用不同燃料的有效热效率随平均有效压力的变化曲线

图4为不同工况下发动机燃用不同燃料的过量空气系数随平均有效压力的变化曲线，可以看出:1)发动机燃用生物柴油时的过量空气系数比燃用柴油时略高，而燃料掺混甲醇后，则变化不大；2)对于所有燃料，发动机的过量空气系数均随负荷的增加而逐渐减小，但转速改变对过量空气系数的影响不大。这是因为负荷的增加会使燃油喷射增加，缸内空燃比减小,而提高发动机转速后，尽管喷油有所增加，但是涡轮增压器的功率同时升高，导致每次循环进入气缸的空气总量增多，因此发动机的过量空气系数变化很小。

图4 不同工况下发动机燃用不同燃料的过量空气系数随平均有效压力的变化曲线

图5为不同工况下发动机燃用不同燃料的排气温度随平均有效压力的变化曲线,可以看出：1)当转速一定时，发动机的排气温度随着负荷的增大而逐渐升高，这是由于负荷增大时，喷入气缸的燃油增加，燃料燃烧产生更多的热量；2)当负荷一定、转速升高时，由于燃油喷射增加并且散热损失减小，排气温度也有一定程度的升高；3)在相同工况下，生物柴油的排气温度低于柴油，这是因为生物柴油的绝热火焰温度低于柴油[9]，在生物柴油中添加甲醇后，由于甲醇自身的挥发性较强并且其燃烧过程中产生的碳氢化合物也具有一定挥发性，因此生物柴油/甲醇混合燃料的排气温度随着甲醇掺混比例的增加逐渐降低。

图5 不同工况下发动机燃用不同燃料的排气温度随平均有效压力的变化曲线

发动机的燃烧特性主要由其运行时的气缸压力曲线和燃烧放热率曲线表征。图6为不同工况下发动机燃用不同燃料的气缸压力随曲轴转角的变化曲线，可以看出：1)发动机的转速升高或者负荷增大时，气缸压力的峰值增大，这是因为转速和负荷增大会使发动机喷油量增加；2)当使用不同燃料时，发动机气缸压力曲线的形式变化不大。

图7为不同工况下发动机燃用不同燃料的燃烧放热率随曲轴转角的变化曲线，由此可得如下结论。

1) 本实验发动机整体呈现出2段放热的特点，这与配备泵管嘴喷油系统的柴油机放热规律不同，这2段放热现象分别是由燃油预喷和主喷造成的。

2) 生物柴油第1阶段快速放热开始的时刻晚于柴油，并且其放热率曲线的第1个峰值低于柴油放热率曲线相应的峰值。其原因是：第1阶段放热对应的燃油预喷射持续期较短，喷嘴响应时间在喷油持续期中占的比例较高，生物柴油黏度高、喷油雾化效果差的特性对喷射过程的不利影响较大；然而，随着生物柴油中甲醇掺混比例的增加，尽管甲醇蒸发较快并且黏度较低的特性会使燃料的喷油雾化效果得到改善，但是燃料第1阶段快速放热开始的时刻进一步推迟并且放热率曲线的第1个峰值也逐渐减小；甲醇热值较低和蒸发潜热较高的理化特性是导致这一现象的主要原因。

3) 在燃油主喷射引起的第2阶段放热期间，生物柴油添加甲醇后，快速放热开始的时间也被推迟，

图6 不同工况下发动机燃用不同燃料的气缸压力随曲轴转角的变化曲线

图7 不同工况下发动机燃用不同燃料的放热率随曲轴转角的变化曲线

但是放热率的峰值逐渐增大，这是由于甲醇的十六烷值较低，增加的着火延迟使得更多的燃料处于预混燃烧模式。

4) 混合燃料第2阶段放热持续时间随甲醇掺混比例的增加而减少，这是因为甲醇的高含氧量改善了燃烧过程(尤其是扩散燃烧过程)。

3 发动机排放测试结果和讨论

3.1 CO和HC排放

图8、9分别为在不同工况下发动机燃用不同燃料的CO和HC排放随平均有效压力的变化曲线。CO和HC是不完全燃烧的主要产物，生物柴油中的含氧量促进了其燃烧，从而减少了CO和HC的排放。然而，从图8、9可以看出：1)加入甲醇后，CO和HC的排放在中、低负荷时显著增加，甲醇的易挥发性导致未燃碳氢化合物增多是产生这一现象的主要原因；2)高负荷时，由于缸内温度较高，挥发的甲醇被氧化的可能性增大，因此，生物柴油和混合燃料之间CO和HC排放的差别缩小了。

CO2是一种温室气体，对全球气候变暖起主要作用。图10为不同工况下发动机燃用不同燃料的CO2排放随平均有效压力的变化曲线，可以看出：燃料中含氧量可以改善燃烧过程，在相同工况下，随着燃料中含氧比例的升高，发动机CO2的排放逐渐增加，尤其是在高转速时，增幅较为明显。

图8 不同工况下发动机燃用不同燃料的CO排放随平均有效压力的变化曲线

图9 不同工况下发动机燃用不同燃料的HC排放随平均有效压力的变化曲线

图10 不同工况下发动机燃用不同燃料的CO2排放随平均有效压力的变化曲线

3.2 NOx排放

图11为不同工况下发动机燃用不同燃料的NOx排放随平均有效压力的变化曲线，由此可得如下结论。

图11 不同工况下发动机燃用不同燃料的NOx排放随平均有效压力的变化曲线

1) 在转速一定时，NOx排放呈现出随负荷增大先减小后增加的趋势。这是因为NOx生成主要与缸内气体的温度有关[10-12]，但是混合气的氧浓度对其也有一定影响。在小负荷时，虽然缸内气体温度较低，但由于过量空气系数较大，因此NOx排放较多，并且在一定负荷范围内，NOx排放随负荷增大而逐渐减小；当负荷增大到一定程度时，缸内气体温度较高，温度对NOx排放影响加剧，这时NOx排放又呈现出随负荷继续增大而逐渐增加的趋势。

2) 对于生物柴油/甲醇混合燃料，其NOx排放随燃料中甲醇掺混比例的增加在中小负荷时减小，在高负荷时增大。掺混甲醇对NOx生成的影响在于：甲醇较高的蒸发潜热倾向于降低燃烧温度；燃料喷油雾化和燃烧改善倾向于提高燃烧温度，并且甲醇的低十六烷延长了着火滞燃期，使更多的燃料处于预混燃烧模式，这也有利于提高燃烧温度。结合实验结果和分析研究,可以得到生物柴油燃料掺混甲醇对发动机NOx排放的影响:在中低负荷时，蒸发潜热起主要作用；在高负荷时，燃料喷油雾化和燃烧改善则起决定作用。

3.3 碳烟排放

图12为利用不透光度表征的不同工况下发动机燃用不同燃料的碳烟排放随平均有效压力的变化曲线,可见：1)与传统泵管嘴喷油系统柴油机[12]相比，高压共轨柴油机的碳烟排放水平很低，但是在大负荷时，由于燃油喷射量较多，碳烟排放能较为明显地观察到;2)当转速增大时，由于燃烧时间缩短，燃料燃烧恶化，发动机碳烟排放也有所增加;3)在相同工况下，当燃料中含氧量增加时，碳烟排放有减小趋势,这是由于燃料中的氧有利于改善燃烧过程、抑制碳烟先驱物的生成以及进一步对碳烟进行氧化。发动机的碳烟主要产生于燃料的扩散燃烧阶段，生物柴油中添加甲醇导致的燃料着火滞燃期延长，有利于减少处于扩散燃烧模式的燃料总量。

图12 不同工况下发动机燃用不同燃料的碳烟排放随平均有效压力的变化曲线

图13为实验工况下发动机NOx排放和碳烟排放随不透光度的变化曲线,可以看出:1)在使用含氧燃料时，传统柴油机NOx排放和碳烟排放的trade-off关系有所改善;2)在中小负荷时，发动机燃用生物柴油/甲醇混合燃料可在不增加NOx排放的同时减小碳烟排放。

图13 NOx排放和碳烟排放随不透光度的变化曲线

4 结论

利用共轨柴油机对比研究发动机燃用柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇燃料的燃烧以及各种污染物排放特性，分析了掺混不同比例甲醇对燃用生物柴油的发动机性能和排放的影响，得到的主要结论如下。

1) 在相同转速和负荷下，当使用生物柴油燃料时，发动机的燃油消耗率高于使用燃用柴油时，同时发动机热效率也有所增大。在生物柴油中掺混甲醇后，发动机的燃油消耗率进一步提高，但是热效率变化不大。

2) 发动机燃油采用预喷和主喷2次喷射时，燃料的放热也相应地分为2段。生物柴油预喷阶段的放热量低于柴油。随着生物柴油/甲醇混合燃料中甲醇比例的增加，燃料预喷阶段的放热率峰值降低并且放热开始时刻推迟。在主喷射对应的放热阶段，掺混甲醇导致放热率峰值增大，放热持续时间缩短。

3) 在相同转速和负荷下，发动机燃用生物柴油的HC和CO排放比燃用柴油低。但是燃用生物柴油/甲醇后，发动机排放的HC和CO随着甲醇掺混比的增加逐渐升高。发动机的CO2排放随燃料中碳氢比的减少逐渐升高。

4) 随着生物柴油/甲醇燃料中甲醇比例的增加，发动机的NOx排放在中小负荷时逐渐减小，在高负荷时逐渐升高。在相同工况下，发动机的碳烟排放随着燃料中含氧比例增大逐渐降低。在中小负荷时，发动机燃用生物柴油/甲醇混合燃料可以在不增加NOx排放的同时减小碳烟排放。

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(责任编辑:尚菲菲)

Performance and Emissions of Engine Fueled with Biodiesel/Methanol Blends

YU Wu1, ZHANG Zhi-yuan2, CHEN Cai-sen3, HUANG Zuo-hua4, XU Yu-guo5

(1. Department of Drill Master Regiment, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;3. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;4. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;5. Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Based on the complementary advantages between biodiesel and methanol, the influence of methanol addition to biodiesel on engine performance and emissions is investigated. Experimental results show that, with the increase of methanol fraction in blended fuels, the brake specific fuel consumption increases while the brake thermal efficiency varies little at most engine loads; with the increase of methanol proportion in the blends of biodiesel and methanol, the peak of heat release rate in the pilot injection decreases and the heat release start time is delayed, the peak of heat release rate in the main injection increases after blended with methanol while heat release duration decreases; after the biodiesel is blended with methanol, CO and HC emissions of engine increase dramatically, NOxemissions decrease at low and medium loads, while increases at high load; soot emissions decrease as oxygen proportion is increased. When using biodiesel-methanol fuel, the trade-off correlation of NOxemissions and soot emissions is improved at low and medium loads.

biodiesel; methanol; diesel engine; emission

1672-1497(2015)03-0047-08

2015-01-06

喻 武(1984-)，男，工程师，博士。

TK42

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.010