某型柴油机掺烧生物柴油的排放特性分析

姚宏越，李若冰，金建文，韩云龙，刘桂英，刘钰璇

（1.中国石油集团济柴动力有限公司，山东济南 250306；2.洛阳石化工程设计有限公司，河南洛阳 471000）

0 引言

能源问题和环境污染问题正在制约社会经济的发展，为此济柴动力有限公司研制的某型高压共轨柴油机，通过使用普通柴油掺烧生物柴油来达到节能减排的目的。本文主要通过在柴油机上掺烧不同比例的生物柴油，来研究掺烧后NOx和碳烟的排放特性。因此，对该型柴油机的掺烧排放性能进行必要的研究，有利于降低该型柴油机的排放指标[1-3]。

1 生物柴油的概念

1.1 定义

生物柴油是从有机物（如植物油、动物脂肪、植物油和藻类）中制备的一种柴油，主要是通过对这些有机物的酯化反应而生成的一种链脂肪酸甲烷基脂。生物柴油是一种清洁能源，用于替代传统的石油柴油，可以用于发动机，如汽油发动机、柴油发动机、柴油发电机组、柴油热水器、热水炉和柴油发电机等。

1.2 来源

早期生物柴油的来源主要是大豆、菜籽和花生等富含植物油的食物，成本较高。后来又从棕榈树、地沟油和动物油脂等中提取，成本相对较低并起到保护环境的作用。但是以上两种方式的生成效率较低，与普通柴油相比成本优势不大。为提高效率和降低成本，发展出以藻类来生成生物柴油的技术，其原理是，藻类利用太阳光的能量，通过光合作用将CO2和水转化为糖类和氧气；糖类经过一系列代谢反应，最终转化为生物柴油；生物柴油被提取并进行精炼，最终成为可用的燃料[2-4]。

1.3 优缺点

（1）燃烧温度低，对发动机的磨损相对较小，排放的污染物也较少，更加环保。

（2）具有热值较高、燃烧效率高和燃油消耗量低的优点，因此具有良好的燃料特性。

（3）污染排放低，具有较少的硫化物、氮氧化物和碳烟的产生，排放指标也比较好。

（4）制备成本低，整个制备过程对资源的消耗更少，使用成本也低，更加经济实惠。

（5）生产过程可以通过回收有机废物进行再利用，并具有很高的降解性，它的储量非常大，供应量大且永不枯竭，对环境非常友好。但是用生物柴油替代普通柴油时，柴油机的动力性有一定下降，因此掺烧比例的选择十分必要。

2 排放试验

2.1 试验方案

试验采用的发动机型号为6L，4 冲程，L 形排列，缸数为6个，额定功率P额为450 kW，额定转速n额为1500 r/min。

使用纯柴油启动发动机，待各项参数稳定后，分别使用纯柴油以及混合10%、20%、30%、50%生物柴油含量的混合柴油，分别在15%、30%、45%和60%的额定功率下，使用专用仪器进行排放测量，并对比在不同掺烧比例、在不同功率段下的氮氧化物、碳烟的排放情况[1-4]。

2.2 氮氧化物的排放对比

氮氧化合物是指有机物中氮元素和氧元素结合形成的污染物排放。氮氧化合物排放会对环境造成污染，特别是对大气环境造成的污染更为严重。它们会形成大气酸雨，对植物、水体和建筑物等都有害，并且会刺激人的肺部，易形成哮喘等疾病。

根据NOx的生成机制可知，燃烧的温度、氧气浓度和燃烧反应时间是3 个主要因素。由图1 可以看出，在使用纯柴油的模式下，随着功率的增大，气缸内的燃烧温度的逐渐升高、含量逐渐减少，柴油混合气的浓度也逐渐增高，而反应时间也相对减少，NOx排放呈现变大的趋势，纯柴油模式的排放随功率增大而增加。

图1 纯柴油在不同功率下的NOx 排放曲线

由图2 可以看出，在额定功率45%以下的低负荷时，不同掺烧比例的混合柴油的NOx排放与纯柴油模式相差不大，具有类似的排放特性。而在额定功率60%以上较高负荷时，随着功率的再次提高，不同掺烧比例的混合柴油的NOx排放差别较大，呈现掺烧生物柴油的比例越高、NOx的排放量越高的趋势。对比纯柴油的排放情况，在掺烧比例为15%的生物柴油时，混合柴油的NOx排放与纯柴油模式相差不大。但在掺烧生物柴油的比例为30%左右的情况下，混合柴油各功率段NOx的排放情况相对较优，且可以兼顾掺烧生物柴油的比例（图3）。

图2 不同掺烧比例在不同功率下的NOx 排放曲线

图3 30%掺烧比例与纯柴油在不同功率下的NOx 排放曲线

经分析，在额定功率15%、掺烧30%的生物柴油时，NOx的排放略优于纯柴油：在30%～45%额定功率的低负荷时，由于燃烧温度相对较低、过量空气系数较高，纯柴油和各掺烧比例的混合柴油的燃烧均较充分，因此与纯柴油相比，不同掺烧比例的混合柴油排放情况相差不大，燃烧排放去向基本重合；在45%～60%额定功率的较高负荷时，过量空气系数相对较低、生物柴油的含氧量高、燃烧温度也更高，因此NOx的排放也较高；而在60%以上的功率段时，气缸内的过量空气系数更低、燃烧温度也更高，NOx的排放也更高[5]。

2.3 碳烟的排放对比

柴油机的碳烟度是指柴油机在运行时，由于空气量跟不上喷油量的变化速率，瞬态空气过量系数降低，导致柴油和润滑油在发动机气缸内的不充分燃烧，其燃烧质量下降，排出的烟气中碳烟的浓度升高，排放烟度迅速恶化。这种碳烟的排放可以污染大气、使空气的能见度降低，碳烟中的有害物质也会随着降雨而污染水源河流[3]。

另外，柴油机燃烧后产生的碳烟会附着一些乙醛和硫化物等可溶性有机物气体。这种带有特殊气味的气体，具有一定毒性，会刺激动物和人的呼吸道，长期吸入会引起头晕恶心等症状，严重者可以致癌、危及生命。一般来说，柴油机的碳烟度越低，其燃烧的效率越高，燃烧经济性也更高，对环境污染也越小（图4）。

图4 不同掺烧比例在不同功率下的碳烟排放曲线

由图4 可以看出，在不同掺烧比例和纯柴油时，15%额定功率时的碳烟排放较高，在30%额定功率时排放逐渐降低，之后随着功率的逐渐增加碳烟的排放逐渐降低。在60%额定功率时，碳烟排放在整个对比曲线中，各个掺烧比例的混合柴油和纯柴油的碳烟排放达到最低点。在60%额定功率以后出现拐点，各个掺烧比例的混合柴油和纯柴油的碳烟排放又再一次升高。

另外，根据图4 的曲线可以看出，在同一功率时，生物柴油的掺烧比例越高，其碳烟的排放就越低；而随着功率的逐渐升高，纯柴油和不同掺烧比例的混合柴油碳烟的排放呈现先高后低，在出现最低点的拐点后又再次升高的规律。

经分析，碳烟生成的三大条件主要是高温、高压和缺氧程度。而生物柴油的含氧量远高于普通柴油，因此在高功率段时过量空气数较低，高掺烧比例的柴油其含氧量也更高，为燃烧提供了良好的条件，因此碳烟的排放更低[5]。

3 结论

随着柴油机功率的升高，纯柴油和各种掺烧比例的混合柴油的NOx排放量均出现持续升高情况，低负荷时NOx的排放差别不大，而高负荷时纯柴油的NOx的排放情况要优于各掺烧比例的混合柴油。对于碳烟的排放，各掺烧比例的混合柴油均优于纯柴油，且均存在随功率的升高排放先高后低再高的特点。综合来看，随着生物柴油掺烧比例的升高，其碳烟的排放下降。

因此，在纯柴油中掺烧一定比例的生物柴油有利于降低碳烟的排放，但对NOx的排放控制效果并不理想。经验证，兼顾NOx和碳烟的排放，生物柴油最佳的掺烧比例宜控制在10%～30%。