高原环境下柴油机燃用生物柴油排放研究进展及展望＊

韩雅南 ， 刘学渊

（西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224）

0 引言

我国拥有广阔的高原，其中海拔在1000米以上的地区占国土面积的58%以上，海拔2000米以上的地区占国土面积的33%以上。高原环境具有地势复杂、大气压低、含氧量不足、气候条件多变等特点。柴油机在高原地区运行时，受大气压力与温度降低的影响，进入柴油机机缸内的空气量减小，压缩终点混合气压力和温度降低，使得喷入缸内的燃油不能及时着火，造成燃烧滞后，引发燃烧恶化，从而导致一系列问题出现，如功率下降、油耗增加、排放恶化，严重降低了柴油机动力和经济性[1]。因此，改善高原下柴油机性能是当前亟待解决的重要问题。

根据对柴油机在高原地区的排放规律及改善柴油机排放的对策措施的研究，其中柴油机燃烧掺混生物柴油情况下燃烧排放改善明显。本文综合叙述了关于生物柴油的研究及高原环境下柴油机燃用生物柴油的研究，并对高原环境下柴油机燃用生物柴油实验研究方向进行了展望。

1 燃用生物柴油研究

1.1 燃用新型生物柴油排放研究

生物柴油由于其与柴油的相似之处，在燃料领域具有重要意义。它还因其可再生性、生物降解性、无毒性、闪点高、温室气体排放减少等优点而受到人们的广泛关注。生物柴油沸点高于柴油，是一种低烟排放的环保燃料，并且生物柴油的来源广泛。近年来，生物柴油的研究多集中在探索以及掺混新型生物柴油对柴油机性能排放的影响。Suleyman Sinmsek等[2]分别以植物（VEBD）和废弃动物油脂（AFBD）为原材料制造的生物柴油进行实验研究。实验结果表明：AFBD100（0%柴油、100%废弃动物油脂生物柴油）与VEBD100(0%柴油、100%植物生物柴油）的制动比热效率降低，燃料消耗率增加，燃用两种生物柴油的一氧化碳和碳氢化合物以及碳烟与柴油相比明显减少，氮氧化物和二氧化碳的排放增加。M.N. Nabi 等[3]研究了两种不可食用的废食用油和澳洲坚果油对柴油发动机性能、排放和燃烧特性的影响。实验结果表明：与柴油相比，燃用柴油与生物柴油混合物的柴油机性能没有显著变化，但燃烧效率较高；其中排放均显著减少，氮氧化物排放略有减少。P.K. Sahoo等[4]利用不可食用的麻风树油为原料生产生物柴油，并与柴油混合进行排放实验研究。结果表明：在额定速度下，50%麻风树生物柴油和柴油混合物的功率增加。所有生物柴油和柴油的燃油消耗率随着混合而增加，随速度而降低。与柴油相比，所有生物柴油及其混合物的碳烟都会减少。

1.2 燃用含有添加剂的生物柴油研究

众多学者为提高燃用生物柴油的排放效果，将生物柴油与醇类添加剂混合。Huang Jiaqi等[5]利用大豆生物柴油、甲醇与大豆生物柴油混合的两种比例进行实验。实验结果表明：这三种燃料的气缸压力都会随着负荷的增加而增加，并且在中高负荷下，气缸峰值压力随着甲醇混合比的升高而增大；三种燃料的一氧化碳和碳氢排放量均下降，随着柴油机负荷的增加一氧化碳和碳氢排放量略有上升。在高负荷下，纯生物柴油的一氧化碳排放比混合燃料的增长更快，甲醇混合比的上升促进了所有负荷下的氢氮排放。S. Senthur Prabu等[6]研究柴油机燃用废食用油生物柴油与添加剂混合燃料的发动机性能排放影响，在六种不同比例下进行了实验，结果表明，B30在排放和性能上相比其他比例混合物是效果最好的。

2 高原下柴油机燃用生物柴油研究

国内昆明理工大学和北京理工大学对高原环境燃用生物柴油的研究较多。昆明理工大学因地处云贵高原而具有得天独厚的优势，云贵高原平均海拔2000米左右，便于对高原生物柴油进行研究。昆明理工大学的黄金凤等[7]在高原环境下对柴油机燃用不同比例的生物柴油混合燃料的排放特性进行了实验研究。实验结果表明：与燃用柴油相比，在各个工况下，碳氢、一氧化碳和碳烟的排放都有不同程度的降低。在高负荷、低转速工况下效果尤为明显；氮氧化物的排放也得到明显改善，只有纯生物柴油的氮氧化物排放量增加，燃用其他比例生物柴油均下降。余林啸[8]在3个不同海拔高度的地点进行了实际海拔高度下的燃烧与排放试验，结果表明：随着海拔高度增加，柴油机在相同工况点的最高燃烧压力下降，燃烧始点推迟，燃烧持续期缩短，预混合燃烧比例增加，最高平均温度上升。达到最大转矩转速时一氧化碳排放均增加，而标定转速的一氧化碳排放则在中等负荷略有下降；氮氧化物排放随海拔高度的变化不明显，在大部分工况点没有显著的增加或减少。颗粒物排放质量显著增加，最大转矩转速的增幅大于标定转速的增幅。刘少华等[9]为了了解不同类别的含氧生物质燃料在高原缺氧环境下对发动机性能和排放的影响，进行了实验研究。实验结果表明：在不对柴油机做任何调整的情况下，燃用含氧生物质混合燃料后，柴油机动力性下降，外特性转矩均下降，燃油消耗率均低于柴油。沈颖刚等[10]研究了高原环境下发动机燃用生物柴油和大气压力对压燃式发动机性能与排放特性的影响规律与作用机理。研究结果表明，随着大气压力下降，自然吸气柴油机的最大扭矩和有效热效率下降幅度逐渐加剧，其最大扭矩输出随生物柴油掺混比增大先升后降；而涡轮增压柴油机最大扭矩随生物柴油掺混比的增加一直呈线性下降。对于自然吸气柴油机，随大气压力降低。刘胜吉等[11]在3个不同海拔高度进行了柴油机的燃烧和排放试验，较高海拔的试验环境通过内燃机高海拔大气状态模拟试验系统获得。结果表明：海拔高度升高，同工况下柴油机的最大燃烧压力减小，燃烧始点推迟，滞燃期延长，预混燃烧比重增加，缸内最高燃烧温度升高。海拔高度增加，碳氢排放量明显增加，且在中小负荷时增大明显；一氧化碳排放在大负荷和小负荷时增加，在中等负荷附近出现持平或不同程度的下降；氮氧化物排放随海拔升高变化最小。

3 生物柴油实验研究展望

通过对生物柴油以及高原环境下柴油机燃烧生物柴油研究的综述，对生物柴油在高原环境未来的实验研究方向进行展望：

1）生物柴油的原材料来源广泛，开发新型生物柴油并对在高原环境下进行柴油机燃用的综合性能排放实验分析。

2）研究高原环境下以柴油机为主要动力的农业机械、工业机械等燃用生物柴油的性能排放情况。

3）研究生物柴油燃烧反应机理，为柴油机机内净化机制和尾气改善机制提供理论支撑和实验依据。