柴油機(jī)用生物柴油的排放特性研究

張義俊 郭簫玥 (河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451450)

0 引言

生物柴油又名脂肪酸酯，是一種經(jīng)過(guò)化學(xué)作用從植物或者動(dòng)物中提取的[1]。因此，要解決溫室效應(yīng)和全球變暖問(wèn)題生物柴油的使用是個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是生物柴油的使用可能會(huì)消耗地球的碳儲(chǔ)量，其實(shí)換個(gè)角度來(lái)看它也提升了自然碳循環(huán)的速度和利用率。反之，我們使用的普通柴油能源是直接使用地球上的碳儲(chǔ)存，不管未來(lái)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)多么先進(jìn)，只要內(nèi)燃機(jī)燃燒化石能源，二氧化碳的排放都是一系列不可避免的因素，從而增加了溫室效應(yīng)并加速全球變暖，這是威脅氣候問(wèn)題的根本原因。

1 生物柴油

目前，全球車輛尾氣排放規(guī)定變得極其嚴(yán)苛。新的歐5法規(guī)限制了顆粒物排放。鑒此，汽車尾氣中顆粒物的產(chǎn)生機(jī)理和測(cè)定方法引起了研究人員的關(guān)注。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物是影響空氣的主要污染源，數(shù)據(jù)顯示，直徑小于1000nm的顆粒是潛在的致癌物，可增加呼吸道和心血管疾病的發(fā)病率和死亡率。

生物柴油作為未來(lái)可再生替代能源，因?yàn)槠湮⒘Ｎ锾貏e是極小微粒的排放特性而得到許多學(xué)者的重視。當(dāng)前，大多數(shù)現(xiàn)有研究集中在符合歐Ⅵ和初始排放規(guī)范的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上。生物柴油的主要來(lái)源是植物或者一些廢棄油。研究表明，使用生物柴油通常使得顆粒數(shù)目和顆粒濃度增加，凝結(jié)顆粒數(shù)目和濃度減少。燃料的類別、運(yùn)轉(zhuǎn)條件、燃燒特征、物理和化學(xué)特征等都對(duì)柴油機(jī)顆粒物的施放特性產(chǎn)生影響。但因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)上的不同，來(lái)源不同的生物柴油也有著不一樣的顆粒釋放特征。在從多種來(lái)源(例如棕櫚油)收集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，尤其是從文獻(xiàn)最新的研究中，對(duì)于生物柴油顆粒物排放特征的研究仍然有著不足之處。

2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)臺(tái)使用軟件控制油門控制器和測(cè)力計(jì)上的負(fù)載，以測(cè)量實(shí)時(shí)燃油消耗；尾氣分析儀和煙度計(jì)同時(shí)滿足測(cè)試所需的各種工作要求，用于分別測(cè)量柴油機(jī)的廢氣和煙氣；串行通訊收集實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)力計(jì)之間使用牢固的互連，并且尾氣分析儀和煙度計(jì)分別放置在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管中進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)功機(jī)用于監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的輸出功率，設(shè)定測(cè)試范圍和誤差精度。根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，測(cè)試中使用的測(cè)功機(jī)是來(lái)自湘益電力測(cè)試儀器公司的系列測(cè)功機(jī)。測(cè)功機(jī)是一種渦流測(cè)功機(jī)，主要由制動(dòng)器，測(cè)力機(jī)構(gòu)和測(cè)速裝置組成。應(yīng)變型拉伸壓力傳感器用于扭矩測(cè)定，而脈沖磁速度傳感器用于速度測(cè)量。

節(jié)氣門控制器主要用于控制柴油機(jī)的節(jié)氣門開(kāi)度。為了進(jìn)行測(cè)試，選擇了襄樊電力測(cè)試儀器有限公司的油門執(zhí)行器，并選擇了最大扭矩、旋轉(zhuǎn)角度和有效行程。節(jié)氣門開(kāi)度由控制裝置設(shè)置的方法控制，內(nèi)燃機(jī)的節(jié)氣門增減，通過(guò)角位移傳感器測(cè)量執(zhí)行器的位移行程，并將位移行程反饋給控制器設(shè)備執(zhí)行閉環(huán)控制[2]。

測(cè)試用油耗表使用湘宜電力檢測(cè)儀器公司智能油耗表，智能油耗表顯示裝置采用固定時(shí)間測(cè)量重量的方法。該測(cè)量單元使用精密電阻應(yīng)變計(jì)稱重傳感器，高度穩(wěn)定、精確穩(wěn)定的電源以及用于燃料和周期測(cè)量的可編程控制放大器。

使用英國(guó)公司制造的DMS500高速顆粒分析儀測(cè)量顆粒發(fā)射特性。該儀器的最大測(cè)量頻率為10Hz，可以測(cè)量5～1000nm粒徑范圍內(nèi)的總共22個(gè)等級(jí)的顆粒，并可用于驗(yàn)證測(cè)得的顆粒，用對(duì)數(shù)正態(tài)分布近似估算粒子數(shù)和凝固粒子數(shù)，以獲得噴霧霧滴的濃度和尺寸的分布。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)因素、運(yùn)行工況和燃料特性是影響有害物排放的三個(gè)主要因素。在此次測(cè)試中，前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件相同，因此生物柴油與常規(guī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之間的排放差異主要是由于燃料特性的差異。由于生物柴油的燃燒熱值、黏度、密度、芳香族化合物和硫含量不同，因此在柴油機(jī)中燃燒后生物柴油和柴油的尾氣排放組成也不同。

3.1 一氧化碳排放

在實(shí)驗(yàn)中可以看出，在低負(fù)荷下，三種燃料(生物柴油、柴油、生物柴油-柴油)的CO排放量沒(méi)有顯著差異，但是在高負(fù)荷下，生物柴油燃燒的CO排放量顯著降低。還可以看到，生物柴油比普通柴油在高、中、低三種負(fù)荷的工況下一氧化碳排放量減少了29%。根據(jù)一氧化碳的產(chǎn)生機(jī)理，其具有兩個(gè)主要作用：首先，生物柴油是一種含氧燃料，氧的含量大約為10%，因此生物燃料可以得到更加充分地燃燒，尤其是在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下。其次，生物柴油比普通柴油擁有更多的十六烷值，這是衡量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可燃性的指標(biāo)。研究結(jié)果表明，在冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)和其他運(yùn)行條件下，十六烷值每增加10個(gè)單位，CO排放量分別減少0.496g/kW·h，0.590g/kW·h和0.576g/kW·h。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著生物柴油在混合燃料中的比例增加，CO排放量呈線性下降。這表明使用柴油和生物柴油的混合物，不僅可以降低燃料燃燒尾氣排放中顆粒物的排放，也會(huì)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減少。因此在滿足燃料霧化條件下，生物柴油和柴油可以任意比例混合用于柴油機(jī)的燃燒。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

隨著負(fù)載的升高，純柴油在混合燃料中的混合比例逐漸降低。純柴油除外，當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在2000r/min的中、輕負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，燃油耗油率隨著柴油含量的提升而增高。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：首先，生物柴油中的氧可在中等和低負(fù)荷條件下促進(jìn)燃料加速燃燒，與純柴油相比可減少燃料消耗。其次，負(fù)載越高，發(fā)動(dòng)機(jī)速率越快，燃燒溫度越高，此時(shí)，燃燒狀態(tài)相對(duì)良好，并且氧對(duì)燃燒狀態(tài)的影響相對(duì)較弱。生物柴油燃燒熱值比普通柴油略低，混合燃料的燃料消耗稍有增加。在高負(fù)載下，降低了柴油機(jī)的熱傳導(dǎo)消耗，提高了燃料的熱效率，并減少了燃油的消耗。生物柴油的熱值低，單位質(zhì)量的產(chǎn)熱量比柴油低，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況都相同時(shí)，測(cè)功機(jī)輸出扭矩燃用純柴油的扭矩更大。根據(jù)電控高壓共軌柴油機(jī)的MAP數(shù)據(jù)顯示，相應(yīng)的燃料噴射提前角大，高溫混合燃料進(jìn)入氣缸后燃料束與外界空氣的混合時(shí)間長(zhǎng)，燃燒發(fā)生前的準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，氣相和液相能夠均勻混合。

3.3 顆粒物排放濃度

在1980、2400、2820r/min的中輕負(fù)載下，一種燃料的最大顆粒濃度為0.0018μg/cm3，另一種濃度為0.0021μg/cm3。與柴油相比，加入不同比例的生物柴油，顆粒物濃度沒(méi)有明顯不同。在中高負(fù)荷(＞50%負(fù)荷)下，石化柴油的顆粒濃度要比生物柴油高，并且伴隨混合生物柴油的增多，顆粒物的濃度慢慢降低。就外部特性而言，樣品1中最大顆粒質(zhì)量濃度為0.0301μg/cm3，樣品2的最大顆粒質(zhì)量濃度為0.002μg/cm3，樣品3顆粒濃度比樣品4的濃度低71.5%。

上述結(jié)果主要是由于試驗(yàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的高燃油噴射壓力，良好的霧化和燃燒以及原始發(fā)動(dòng)機(jī)在中等和輕載條件下的低顆粒排放所致。因此，生物柴油燃燒后顆粒物的質(zhì)量濃度變化不大，但隨著高負(fù)荷而變化。氣缸內(nèi)的燃燒溫度升高，空燃比局部降低，導(dǎo)致PM排放量上升[3]。當(dāng)前，生物柴油的氧含量和煙灰前體的低產(chǎn)率在降低顆粒物質(zhì)的質(zhì)量濃度中起作用，效果很明顯。

3.4 煙塵排放

實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，與純柴油相比，純生物柴油排放的煙塵幾乎減少了50%。這有兩個(gè)主要原因：第一，生物柴油含有相對(duì)較少的芳香烴。通常，極少的油煙具有較高的芳族含量，而極少的油煙具有較高的鋁含量。純生物柴油排放的煙塵少于純柴油，這是因?yàn)榉甲寤衔锏臒N質(zhì)量比(C/H)遠(yuǎn)高于烷烴。第二，生物柴油含有氧氣。燃料中的氧原子(高達(dá)10%的氧氣)在燃料燃燒過(guò)程中起作用，尤其是在高燃料濃度的區(qū)域(例如噴嘴芯)中。燃料中所含的氧氣可以加快燃料的燃燒，使燃料燃燒更充分，從而減少煙塵排放。同樣，煙灰排放隨混合燃料中生物柴油比例的增加而線性降低。

3.5 HC排放

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)看，生物柴油中放出的碳?xì)浠衔镆纫话悴裼蜕?，生物柴油的HC排放量比傳統(tǒng)柴油低24.98%。這是因?yàn)樵诓裼椭杏幸环N叫做芳香族化合物的成分，他在生物柴油里的含量很低，通常情況下，HC的排放與芳族含量有關(guān)，其值越低阻燃的時(shí)間就越短。其次，還有一種物質(zhì)叫做十六烷值，它會(huì)使得燃料的點(diǎn)火性能增強(qiáng)，在充分燃燒下或斷鏈的碳?xì)浠衔锖烤蜁?huì)降低。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，石化燃料的過(guò)度使用，造成了環(huán)境的污染。生物柴油的燃放使大氣污染不再那么嚴(yán)重，所以隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，生物柴油將會(huì)逐漸走入燃油領(lǐng)域。想要減少現(xiàn)在的溫室效應(yīng)不只是從交通工具入手，也要從燃料入手，開(kāi)發(fā)清潔能源、環(huán)保能源，生物柴油就是一種很好的燃料。

生物柴油中的顆粒平均直徑通常比石化柴油的顆粒幾何平均直徑小，并且只要將上述兩種柴油按照一定的比例混合，混合比例增加，那么排放物中顆粒的平均直徑就會(huì)慢慢縮小。生物柴油的原料不同，其物理和化學(xué)特性也有差異，這對(duì)使用生物柴油的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和排放特性具有一定的影響，可以使用其他原材料生產(chǎn)生物柴油，進(jìn)而對(duì)柴油機(jī)燃用生物柴油的排放特性進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探討，以提高不同類型生物柴油的適用性。由于瞬態(tài)工況下的測(cè)量和控制設(shè)備價(jià)格較高，使用生物柴油和常規(guī)石化柴油作為燃料的柴油機(jī)瞬態(tài)工況的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展有限。燃油噴霧的形成和性質(zhì)是影響燃料燃燒的重要因素。霧化效果直接影響燃料的燃燒特性，最終影響柴油燃燒后的廢氣排放。因此，生物柴油及其混合燃料的噴霧和燃燒特性需要進(jìn)一步探討。