單缸柴油機燃用生物柴油的排放特性分析

呂　祎　張子陽　向立明

（湖北文理學院，襄陽441053）

單缸柴油機燃用生物柴油的排放特性分析

呂祎張子陽向立明

（湖北文理學院，襄陽441053）

在EH36單缸柴油發動機試驗臺架上，進行了柴油機燃用純柴油和純生物柴油的對比性試驗，分析研究了兩種燃料的排放。結果表明：純生物柴油在負荷特性中尾氣中的NO濃度和速度特性中的煙度值大大低于相同工況下的純柴油。

柴油機純生物柴油排放煙度

生物柴油［1］是以植物果實、種子、植物導管乳汁或動物脂肪油、廢棄的食用油等作原料，與醇類經酯化反應，使其最終變成可供內燃機使用的一種甲酯或乙酯燃料。結果表明：在負荷試驗中，純生物柴油能明顯降低NO尾氣排放；在速度特性實驗中，純生物柴油的尾氣碳煙大大降低。

1　生物柴油性質

1.1物理特性

生物柴油主要有C、H、O三種元素組成，其主要是由軟脂酸、硬脂酸、油酸和亞油酸等長鏈飽和（或不飽和）脂肪酸與醇類物質所形成的脂類化合物。生物柴油具有與石化柴油相近的性能［2］，在柴油機上能直接使用。表1為純生物柴油與純柴油的理化指標比較。

表1　純生物柴油PD和純0號柴油PB的理化特性指標

1.2燃燒排放特性

柴油機的有害排放物主要成分是NOx、CO、HC化合物和碳煙顆粒等。表2為生物柴油和純柴油的排放特性。

表2　純生物柴油PD和純0號柴油PB的排放特性比較

1.3柴油燃料排放標準

針對汽車尾氣帶來的環保問題，世界各國制定了更加嚴格的燃料質量標準和汽車尾氣排放發揮。表3為歐洲車用柴油及排放標準，我國環保部門制定的柴油機排放標準［3］則見表4。

2　發動機排放特性對比實驗

2.1實驗設備及材料

表3　歐洲車用柴油機排放標準

表4　我國柴油機排放標準

實驗儀器設備見表5。

表5　實驗儀器設備

實驗用油：純0號柴油、純生物柴油。

2.2實驗結果與分析

在發動機臺架上進行不同轉速（1200rpm、1400rpm、1600rpm和1800rpm）和不同負荷（20%、40%、60%）下的負荷特性和速度特性實驗，對比純柴油和純生物柴油尾氣化合物排放。

（1）NO排放。圖1是負荷特性實驗中NO濃度（單位：×10-6體積分數）變化曲線。由圖中可以看出，在大多數工況點，純生物柴油的NO排放量比純柴油低。但在低轉速低扭矩［4］工況下，1200rpm/10N·M時，兩種燃料的NO排放量大致在230左右；1400rpm/10N·M時，純生物柴油的NO排放量比純柴油高約40。圖1（a）負荷特性實驗顯示，轉速保持不變，隨著扭矩增大，NO排放濃度保持逐漸增加的趨勢。純柴油NO濃度變化曲線中，四種轉速下均出現多個峰值。在這些工況點，純柴油滯燃點時間較短，燃料燃燒不充分，NO排放濃度攀高。1400 rpm/95N·M時的NO濃度為 1288，是相同工況點純生物柴油的 1.5倍；1600rpm/70N·M時的NO濃度為1026，是相同工況點純生物柴油的1.5倍。但是，在1800rpm/90N·M工況點，NO濃度為698，與相同工況點純生物柴油的NO濃度645比較接近。

圖1（b）負荷特性實驗中，轉速保持不變，隨著扭矩增大，NO排放濃度保持逐漸增加而后減小的趨勢。純生物柴油NO濃度變化曲線中，四種轉速下都只出現一個峰值，分別為1200rpm/80N·M、1400rpm/70N·M、1600rpm/70N· M和1800rpm/70N·M工況。

圖1　負荷特性NO濃度變化曲線

圖2是速度特性實驗中NO濃度（單位：×10-6體積分數）變化曲線。油門開度保持不變，隨著轉速增大，柴油機燃用兩種燃料的NO濃度呈緩慢上升的趨勢［5］。在圖2（c）中，20%油門開度下，純柴油NO排放量出現三個峰值，分別為 20%/750rpm、950rpm、1100rpm；40%油門開度下也出現三個峰值，分別為40%/950rpm、1200rpm、1500rpm；60%油門開度下有兩個峰值，分別為60%/1400rpm、1800rpm。對比圖2（d），20%油門開度下純柴油NO排放量出現一個峰值，20%/1100rpm；40%油門開度下出現兩個峰值，分別為40%/800rpm、1400rpm；60%油門開度下有兩個峰值，分別為60%/1000rpm、1500rpm。由于純生物柴油的低熱值比純柴油低約5～15kJ·g，在發動機加速過程中［6-8］，噴油量加大的過程中燃燒不充分，油耗率很高，造成60%油門開度下純生物柴油NO排放濃度變化不大且處于高位，平均比純柴油高出200。40%油門開度也出現類似現象，20%油門開度下純生物柴油和純柴油NO平均排放濃度基本接近。

圖2　速度特性NO濃度變化曲線

（2）尾氣煙度。圖3是兩種燃料負荷特性的煙度（單位：m-1）變化曲線。圖3（e）中，轉速保持不變，隨著柴油機轉矩增加，純柴油的尾氣煙度K值均出現3個峰值，分別為 40N·M、60N·M、80N·m處。在 1600rpm/100N·M和1800rpm/100N·M處，煙度上揚至所有工況的最高點。在低轉速低扭矩如1200rpm/70N·M以前的工況點煙度較小，均在1以下。圖3（f）中，轉速保持穩定，隨著柴油機轉矩增加，純生物柴油的尾氣煙度逐漸增大，在80N·M之后增加較快。1200rpm/90N·M達到12.84，是相同工況點純柴油的10倍，且90N·M其他轉速下的煙度是相同工況點純柴油的3.5倍。

圖3　負荷特性煙度變化曲線

圖4是柴油機速度特性實驗中煙度的濃度變化曲線。大多數工況下，純生物柴油的煙度值比純柴油的尾氣煙度要低。這主要是由于生物柴油中所含芳香烴比較少且生物柴油是富氧燃料，使缺氧狀態下的燃燒比較充分，進而降低碳煙排放。這種現象在40%和60%油門開度下最為明顯。但在20%/1000rpm工況點之后，純生物柴油的煙度卻比純柴油的K值要高，至20%/1200rpm時前者是后者的80倍，40%/1550rpm時純生物柴油的尾氣煙度值是純柴油的7倍。這種現象也說明，燃料的低燃值越低，在低負荷高轉速時，不僅需要消耗大量的燃料，而且尾氣中煙度也會大大增加。

圖4　速度特性煙度變化曲線

3　結論

（1）在負荷特性實驗中，多數工況點純生物柴油的NO排放量比純柴油低。但在低轉速低扭矩工況下，兩種燃料的NO排放量大致相當。

（2）在速度特性實驗中，純生物柴油的煙度值大都比純柴油的尾氣煙度要低，但在低負荷高轉速時，不僅需要消耗大量的燃料，而且純生物柴油的尾氣中煙度也大大增加。

（3）本實驗在室溫為0～10°C的臺架上進行，溫度是否對生物柴油的穩定性較大，尚有待在今后的實驗中進一步驗證。

［1］劉云.生物柴油工藝技術［M］.北京：化學工業出版社，2011.

［2］陳振斌，蔣盛軍，肖明偉，等.生物柴油與石化柴油性能的比較分析［J］.中國油脂，2008，（33）：11.

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［4］黃錦成，劉海峰.柴油機燃用生物柴油和柴油混合燃料的試驗研究 ［J］.廣西大學學報：自然科學版，2006，30（3）：185-189.

［5］李跟寶，周龍保，蔣德明.生物柴油對直噴式柴油機燃燒和排放的影響［J］.柴油機，2004，（02）：17.

［6］沈維道，童鈞耕.工程熱力學［M］.4版.北京：高等教育出版社，2007.

［7］徐兆坤.汽車發動機原理［M］.北京：清華大學出版社，2010.

Analysis of Emission Characteristics of Diesel Engine Fueled with Biodiesel

LV Yi，ZHANG Ziyang，LI Lingming
（Hubei College of Arts and Sciences，Xiangyang 441053）

In EH36 single cylinder diesel engine test bench，contrast test ofDiesel Engine Fueled with pure diesel and pure biologicaldieseloil，analysesandstudiesthetwokindsoffuel emissions.TheresultsshowthatthesmokedensityintheNO concentration and the velocity characteristics of the pure biodiesel is much lower than that in the same working condition.

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“機電汽車”湖北省優勢特色學科群2016年開放基金項目（XKQ2016014）。