高寒地區單缸柴油機燃用生物柴油的排放研究

（內蒙古工業大學能源與動力工程學院 內蒙古 呼和浩特 010051）

引言

生物質柴油有綠色、環保、可再生能力強的特點，并能直接用于柴油機上，因此在全球引起了較高的重視并迅猛發展。關于高寒低壓的高原地理環境導致發動機動力性和經濟性變差的問題，國外研究較早，近幾年國內學者也展開研究[1-4]。北京理工大學余林嘯等人[5]研究得出生物柴油高海拔地區使用生物柴油使得著火時刻提前并降低預混燃燒階段比例，PM、HC 及CO 的排放量隨海拔升高而減少，海拔高度對NOx排放量影響不大。內蒙古工業大學的鄭培教授等人[6-7]在內蒙古高原和模擬平原條件下進行生物柴油與35 號柴油的動力性和經濟性試驗，得出高原環境下發動機燃用生物柴油的轉矩、功率和油耗也相應增加。目前降低發動機污染物排放的技術方案主要包括前處理技術、基于新燃燒理論的缸內凈化技術和尾氣后處理技術3 部分[8]，每一種技術措施在降低某種排氣成分時效果有限，通過改變噴射策略分析柴油機排放性能具有重要意義

1 高原地區生物柴油與柴油排放性研究

內蒙古高原平均海拔在1 000～1 500 m 之間，平均氣壓88 000～89 000 Pa，平均氣溫8～21 ℃。因此依據發動機技術參數，設定模型轉速1 500 r/min，初始進氣溫度8 ℃，初始氣壓89 000 Pa，缸壁溫度160 ℃，活塞頂溫度280 ℃，缸蓋溫度250 ℃，噴油溫度68 ℃。

高原地區柴油和純生物柴油在曲軸轉角-9.5°CA、19.5°CA、和29.5°CA 下的SOOT 和NOx濃度場分布如圖1 所示。

圖1 高原地區柴油和生物柴油的NOx 和SOOT 濃度場分布（單位：kg）

SOOT 的生成條件是高溫缺氧，NOx的生成條件是高溫富氧，呈此消彼長的趨勢。如圖1 所示，因為生物柴油中含有氧原子，因此相較柴油而言，碳煙成分有比較明顯的降低，但是排放物中的氮氧化物含量會增加。在9.5°CA 時刻碳煙和氮氧化物排放物集中于油束附近區域，說明在預混合燃燒階段就開始生成。在19.5°CA 時刻NOx和SOOT 開始大量生成，主要集中于燃燒室凹坑位置和氣缸間隙。NOx在低溫反應階段就開始生成，迅速生成后基本穩定，但是由于缸內氧含量降低導致碳煙得不到充分燃燒。因此高寒環境下氮氧化物排放量逐漸減少，SOOT 因不能被充分氧化導致排放惡化

2 油束夾角對缸內排放特性的影響

如圖2 所示，隨著噴射錐角增大，生物柴油碰壁面積和碰壁量增大，燃料霧化水平提高使得油束與空氣混合充分，氧化反應加快，且壁面溫度高能更早引燃燃料并充分燃燒。隨著曲軸轉角增大，氧化反應速度降低，排放物生成量減少。NOx的生成條件是高溫富氧，SOOT 的生成條件是高溫缺氧，生物柴油的富氧性導致NOx生成量大幅提高，在158°油束夾角下使得缸內湍流和擾動速度加快，缸內溫度迅速提高，因此NOx排放量最大。隨著曲軸轉角的增加，NOx排放量維持穩定。NOx和SOOT 的此消彼長關系使得碳煙排放相對降低，但是158°油束夾角下燃燒室中心利用率降低導致燃燒性下降，SOOT 的排放量又小幅度升高。

圖2 不同油束夾角的缸內排放對比圖

3 結論

1）高寒條件下燃用生物柴油燃料，缸內碳煙濃度有比較明顯的降低，但是排放物中的氮氧化物含量會增加。隨著曲軸轉角的增加，生物柴油的氮氧化物排放量逐漸減少，SOOT 排放惡化。

2）對于與樣機同類型的柴油機而言，在高寒環境下盡量不改變發動機整體結構，通過改變噴油器的油束夾角實現優化燃燒過程并降低排放，樣機的NOx隨著油束夾角的增大呈上升趨勢最后趨于穩定，SOOT 排放隨著油束夾角的增大呈下降趨勢。