柴油机用生物柴油的排放特性研究

张义俊 郭箫玥 (河南农业职业学院，河南 郑州 451450)

0 引言

生物柴油又名脂肪酸酯，是一种经过化学作用从植物或者动物中提取的[1]。因此，要解决温室效应和全球变暖问题生物柴油的使用是个不错的选择，但是生物柴油的使用可能会消耗地球的碳储量，其实换个角度来看它也提升了自然碳循环的速度和利用率。反之，我们使用的普通柴油能源是直接使用地球上的碳储存，不管未来的内燃机技术多么先进，只要内燃机燃烧化石能源，二氧化碳的排放都是一系列不可避免的因素，从而增加了温室效应并加速全球变暖，这是威胁气候问题的根本原因。

1 生物柴油

目前，全球车辆尾气排放规定变得极其严苛。新的欧5法规限制了颗粒物排放。鉴此，汽车尾气中颗粒物的产生机理和测定方法引起了研究人员的关注。柴油发动机排放的颗粒物是影响空气的主要污染源，数据显示，直径小于1000nm的颗粒是潜在的致癌物，可增加呼吸道和心血管疾病的发病率和死亡率。

生物柴油作为未来可再生替代能源，因为其微粒物特别是极小微粒的排放特性而得到许多学者的重视。当前，大多数现有研究集中在符合欧Ⅵ和初始排放规范的柴油发动机上。生物柴油的主要来源是植物或者一些废弃油。研究表明，使用生物柴油通常使得颗粒数目和颗粒浓度增加，凝结颗粒数目和浓度减少。燃料的类别、运转条件、燃烧特征、物理和化学特征等都对柴油机颗粒物的施放特性产生影响。但因为标准上的不同，来源不同的生物柴油也有着不一样的颗粒释放特征。在从多种来源(例如棕榈油)收集数据的过程中，尤其是从文献最新的研究中，对于生物柴油颗粒物排放特征的研究仍然有着不足之处。

2 测量实验准备

试验台使用软件控制油门控制器和测力计上的负载，以测量实时燃油消耗；尾气分析仪和烟度计同时满足测试所需的各种工作要求，用于分别测量柴油机的废气和烟气；串行通讯收集实时测量数据；柴油发动机和测力计之间使用牢固的互连，并且尾气分析仪和烟度计分别放置在柴油发动机的排气管中进行测量。

测功机用于监测柴油机的输出功率，设定测试范围和误差精度。根据柴油发动机的输出功率，测试中使用的测功机是来自湘益电力测试仪器公司的系列测功机。测功机是一种涡流测功机，主要由制动器，测力机构和测速装置组成。应变型拉伸压力传感器用于扭矩测定，而脉冲磁速度传感器用于速度测量。

节气门控制器主要用于控制柴油机的节气门开度。为了进行测试，选择了襄樊电力测试仪器有限公司的油门执行器，并选择了最大扭矩、旋转角度和有效行程。节气门开度由控制装置设置的方法控制，内燃机的节气门增减，通过角位移传感器测量执行器的位移行程，并将位移行程反馈给控制器设备执行闭环控制[2]。

测试用油耗表使用湘宜电力检测仪器公司智能油耗表，智能油耗表显示装置采用固定时间测量重量的方法。该测量单元使用精密电阻应变计称重传感器，高度稳定、精确稳定的电源以及用于燃料和周期测量的可编程控制放大器。

使用英国公司制造的DMS500高速颗粒分析仪测量颗粒发射特性。该仪器的最大测量频率为10Hz，可以测量5～1000nm粒径范围内的总共22个等级的颗粒，并可用于验证测得的颗粒，用对数正态分布近似估算粒子数和凝固粒子数，以获得喷雾雾滴的浓度和尺寸的分布。

3 实验结果分析

发动机结构因素、运行工况和燃料特性是影响有害物排放的三个主要因素。在此次测试中，前两个实验条件相同，因此生物柴油与常规柴油发动机之间的排放差异主要是由于燃料特性的差异。由于生物柴油的燃烧热值、黏度、密度、芳香族化合物和硫含量不同，因此在柴油机中燃烧后生物柴油和柴油的尾气排放组成也不同。

3.1 一氧化碳排放

在实验中可以看出，在低负荷下，三种燃料(生物柴油、柴油、生物柴油-柴油)的CO排放量没有显著差异，但是在高负荷下，生物柴油燃烧的CO排放量显着降低。还可以看到，生物柴油比普通柴油在高、中、低三种负荷的工况下一氧化碳排放量减少了29%。根据一氧化碳的产生机理，其具有两个主要作用：首先，生物柴油是一种含氧燃料，氧的含量大约为10%，因此生物燃料可以得到更加充分地燃烧，尤其是在高负荷运转下。其次，生物柴油比普通柴油拥有更多的十六烷值，这是衡量柴油发动机可燃性的指标。研究结果表明，在冷启动、热启动和其他运行条件下，十六烷值每增加10个单位，CO排放量分别减少0.496g/kW·h，0.590g/kW·h和0.576g/kW·h。

实验数据表明，随着生物柴油在混合燃料中的比例增加，CO排放量呈线性下降。这表明使用柴油和生物柴油的混合物，不仅可以降低燃料燃烧尾气排放中颗粒物的排放，也会大大降低CO的排放，SOx的排放也由于石化柴油的混合量降低而减少。因此在满足燃料雾化条件下，生物柴油和柴油可以任意比例混合用于柴油机的燃烧。

3.2 经济效益

随着负载的升高，纯柴油在混合燃料中的混合比例逐渐降低。纯柴油除外，当柴油发动机在2000r/min的中、轻负载下运行时，燃油耗油率随着柴油含量的提升而增高。

产生上述现象的原因：首先，生物柴油中的氧可在中等和低负荷条件下促进燃料加速燃烧，与纯柴油相比可减少燃料消耗。其次，负载越高，发动机速率越快，燃烧温度越高，此时，燃烧状态相对良好，并且氧对燃烧状态的影响相对较弱。生物柴油燃烧热值比普通柴油略低，混合燃料的燃料消耗稍有增加。在高负载下，降低了柴油机的热传导消耗，提高了燃料的热效率，并减少了燃油的消耗。生物柴油的热值低，单位质量的产热量比柴油低，当发动机的工况都相同时，测功机输出扭矩燃用纯柴油的扭矩更大。根据电控高压共轨柴油机的MAP数据显示，相应的燃料喷射提前角大，高温混合燃料进入气缸后燃料束与外界空气的混合时间长，燃烧发生前的准备时间长，气相和液相能够均匀混合。

3.3 颗粒物排放浓度

在1980、2400、2820r/min的中轻负载下，一种燃料的最大颗粒浓度为0.0018μg/cm3，另一种浓度为0.0021μg/cm3。与柴油相比，加入不同比例的生物柴油，颗粒物浓度没有明显不同。在中高负荷(＞50%负荷)下，石化柴油的颗粒浓度要比生物柴油高，并且伴随混合生物柴油的增多，颗粒物的浓度慢慢降低。就外部特性而言，样品1中最大颗粒质量浓度为0.0301μg/cm3，样品2的最大颗粒质量浓度为0.002μg/cm3，样品3颗粒浓度比样品4的浓度低71.5%。

上述结果主要是由于试验柴油发动机的高燃油喷射压力，良好的雾化和燃烧以及原始发动机在中等和轻载条件下的低颗粒排放所致。因此，生物柴油燃烧后颗粒物的质量浓度变化不大，但随着高负荷而变化。气缸内的燃烧温度升高，空燃比局部降低，导致PM排放量上升[3]。当前，生物柴油的氧含量和烟灰前体的低产率在降低颗粒物质的质量浓度中起作用，效果很明显。

3.4 烟尘排放

实验测量表明，与纯柴油相比，纯生物柴油排放的烟尘几乎减少了50%。这有两个主要原因：第一，生物柴油含有相对较少的芳香烃。通常，极少的油烟具有较高的芳族含量，而极少的油烟具有较高的铝含量。纯生物柴油排放的烟尘少于纯柴油，这是因为芳族化合物的烃质量比(C/H)远高于烷烃。第二，生物柴油含有氧气。燃料中的氧原子(高达10%的氧气)在燃料燃烧过程中起作用，尤其是在高燃料浓度的区域(例如喷嘴芯)中。燃料中所含的氧气可以加快燃料的燃烧，使燃料燃烧更充分，从而减少烟尘排放。同样，烟灰排放随混合燃料中生物柴油比例的增加而线性降低。

3.5 HC排放

根据实验结果数据来看，生物柴油中放出的碳氢化合物要比一般柴油少，生物柴油的HC排放量比传统柴油低24.98%。这是因为在柴油中有一种叫做芳香族化合物的成分，他在生物柴油里的含量很低，通常情况下，HC的排放与芳族含量有关，其值越低阻燃的时间就越短。其次，还有一种物质叫做十六烷值，它会使得燃料的点火性能增强，在充分燃烧下或断链的碳氢化合物含量就会降低。

4 结语

综上所述，石化燃料的过度使用，造成了环境的污染。生物柴油的燃放使大气污染不再那么严重，所以随着社会的进步与发展，生物柴油将会逐渐走入燃油领域。想要减少现在的温室效应不只是从交通工具入手，也要从燃料入手，开发清洁能源、环保能源，生物柴油就是一种很好的燃料。

生物柴油中的颗粒平均直径通常比石化柴油的颗粒几何平均直径小，并且只要将上述两种柴油按照一定的比例混合，混合比例增加，那么排放物中颗粒的平均直径就会慢慢缩小。生物柴油的原料不同，其物理和化学特性也有差异，这对使用生物柴油的柴油发动机的功能和排放特性具有一定的影响，可以使用其他原材料生产生物柴油，进而对柴油机燃用生物柴油的排放特性进行进一步实验探讨，以提高不同类型生物柴油的适用性。由于瞬态工况下的测量和控制设备价格较高，使用生物柴油和常规石化柴油作为燃料的柴油机瞬态工况的实验研究发展有限。燃油喷雾的形成和性质是影响燃料燃烧的重要因素。雾化效果直接影响燃料的燃烧特性，最终影响柴油燃烧后的废气排放。因此，生物柴油及其混合燃料的喷雾和燃烧特性需要进一步探讨。