石天翔 王金龍 余 凱 肖 進(jìn)

（上海交通大學(xué)動力機(jī)械及工程教育部重點實驗室 上海 200210）

引言

柴油機(jī)自從1892 年問世以來，經(jīng)過120 多年的發(fā)展，憑借其動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等諸多方面的優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代交通運輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、采礦設(shè)備和發(fā)電等行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的動力機(jī)械。然而，柴油機(jī)燃燒過程所產(chǎn)生的碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）是造成大氣污染的主要污染物[1-3]。近年來，有關(guān)污染物排放和燃料消耗的嚴(yán)格規(guī)定以及化石燃料資源的快速消耗，極大地限制了柴油機(jī)的發(fā)展。

為了解決日益嚴(yán)重的環(huán)境問題、滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)要求以及解決能源安全問題，柴油機(jī)行業(yè)內(nèi)進(jìn)行了一系列替代燃料的研究。生物燃料由于具有解決能源安全問題和減少污染物排放的潛力，在全球范圍內(nèi)被作為車用燃料的替代者或補充者，獲得了越來越多的關(guān)注[4-6]。生物柴油是由動植物油脂與甲醇或乙醇等短鏈醇進(jìn)行酯化、酯交換后得到的脂肪酸甲酯，是一種清潔的可再生替代燃料。生物柴油具有較低的熱值和十六烷值，但氧含量比柴油高[7-9]。將生物柴油與柴油摻混形成混合燃料，能有效降低煙度，但依然存在NOx排放偏高的問題。

為了進(jìn)一步改善燃料的特性以降低柴油機(jī)的NOx排放，國內(nèi)外學(xué)者在柴油/生物柴油混合燃料中摻入適量水及乳化劑，利用水的較高汽化潛熱來降低缸內(nèi)燃燒溫度，從而降低NOx排放[10-11]。

本文將由動植物脂肪及餐廚廢棄油為原料制成的生物柴油、乳化劑、水、丁醇與柴油混合，在柴油機(jī)臺架上進(jìn)行發(fā)動機(jī)燃燒特性、動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性研究，得到不同添加劑成分對國Ⅴ柴油、生物柴油與生物乳化柴油性能的影響，對尋找綜合性能最優(yōu)的摻混比例具有借鑒意義。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗油品及配方

試驗采用上海紐孚爾能源技術(shù)有限公司制備的燃油，所用油品為國Ⅴ柴油（D）、生物柴油B100、B10、B15，生物乳化柴油EB10、EB15 等，共計6 種。其中，生物柴油B100、B10、B15 是以動植物脂肪和餐廚廢棄油為原料制備的。生物乳化柴油EB10、EB15 是以柴油為基底原料，按不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻混水、乳化劑、丁醇、生物柴油制備而成的。各種燃油的組成成分見表1，理化特性見表2。

表1 燃油油品組分

表2 燃油油品特性

1.2 試驗發(fā)動機(jī)及測試設(shè)備

試驗用柴油機(jī)采用濰柴WP6.240 直列四沖程增壓中冷直噴柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為2 300 r/min，額定功率為134 kW，具體技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

測試設(shè)備主要包括：奕科機(jī)電公司的EIM0301D型發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、CE-52HA 型電渦流測功機(jī)、Vector 公司的CANape ECU 標(biāo)定軟件、Horiba 公司的MEXA7000 型氣體排放分析儀、D2T 公司的OSIRIS Revolution II 型燃燒分析儀、湘儀動力公司的CF050M319N6BZMZZZ 型智能油耗儀、銳宏電子公司的DISMOKE4000 型不透光煙度計等。

1.3 試驗工況

本試驗主要研究2 070r/min 轉(zhuǎn)速（90%額定轉(zhuǎn)速）下的負(fù)荷特性，選取柴油機(jī)負(fù)荷為25%、50%、75%和100%的工況，比較生物柴油和生物乳化柴油性能的差別。

2 試驗結(jié)果

2.1 燃燒特性

2.1.1 氣缸壓力

100%負(fù)荷下，6 種燃油的氣缸壓力規(guī)律如圖1所示。

從圖1 可以看出，相比于柴油，生物柴油和生物乳化柴油的氣缸壓力峰值均有所下降，其中，B100的氣缸壓力峰值最低；EB10 的氣缸壓力曲線與柴油最為接近；B10、B15 與EB15 等3 種燃油的氣缸壓力峰值有所降低但彼此差異不大。

圖1 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-100%負(fù)荷下燃油氣缸壓力對比

2.1.2 放熱率

圖2 為100%負(fù)荷下，6 種燃油的放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。

圖2 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-100%負(fù)荷下燃油放熱率對比

從圖2 可以看出，EB10 的放熱率峰值最高，B100 最低；生物乳化柴油的放熱率與柴油接近，均高于生物柴油。由表2 可知，生物乳化柴油的凈熱值和十六烷值雖然低，但會導(dǎo)致點火時刻推遲，滯燃期變長，使油氣混合更加充分；另一方面，生物乳化柴油燃燒時發(fā)生的微爆效應(yīng)能改善燃油霧化效果。加上生物乳化柴油的含氧量較高，燃燒效率升高，使放熱率增加，EB10 的放熱率峰值甚至超過柴油。但隨著摻混比例的提高，生物柴油與生物乳化柴油的放熱率均有所降低，這主要是由于凈熱值的影響。

2.1.3 缸內(nèi)燃燒溫度

本文使用缸內(nèi)氣體平均溫度來表征缸內(nèi)燃燒溫度，燃燒分析儀中，取100 個循環(huán)的氣體溫度平均值代表各工況下的缸內(nèi)燃燒溫度。100%負(fù)荷下，缸內(nèi)燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律見圖3。

圖3 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-100%負(fù)荷下燃油燃燒溫度對比

從圖3 可以看出，生物柴油B100 的缸內(nèi)燃燒溫度最高。這是因為生物柴油B100 的含氧量最高，燃燒更加充分，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度增加。生物柴油B10、B15 的燃燒溫度略低于柴油，生物乳化柴油EB10，EB15 的燃燒溫度更低。同時，隨著水和丁醇摻混比例的增加，燃燒溫度降低。這是因為生物乳化柴油中水和丁醇的熱值低，汽化潛熱值較高，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度降低。

2.1.4 滯燃期

本文中，燃燒起點定義為噴油后放熱率開始急劇增加的時刻所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；燃燒終點定義為累計放熱量為循環(huán)總放熱量90%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA90；滯燃期為燃燒起點與主噴時刻之間所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。不同負(fù)荷下的滯燃期規(guī)律如圖4 所示。

圖4 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-負(fù)荷特性下燃油滯燃期對比

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷時，生物柴油與生物乳化柴油的滯燃期均比柴油長，高負(fù)荷時，差異變小。低負(fù)荷時，隨著摻混比例的增加，滯燃期延長，這是因為摻混生物柴油、水和丁醇的比例越大，燃油的十六烷值越低，汽化潛熱值越大，導(dǎo)致滯燃期變長。中高負(fù)荷時，缸內(nèi)燃燒溫度和壓力較高，燃油十六烷值的影響作用降低。

2.1.5 燃燒持續(xù)期

燃燒持續(xù)期為燃燒始點和終點之間所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，圖5 為燃燒持續(xù)期隨負(fù)荷的變化趨勢。

圖5 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-負(fù)荷特性下燃油燃燒持續(xù)期對比

從圖5 可以看出，發(fā)動機(jī)負(fù)荷對燃燒持續(xù)期有較大的影響。隨著負(fù)荷的增加，6 種燃油的燃燒持續(xù)期均逐漸增加。這是因為負(fù)荷增加時，噴油脈寬變長，噴入缸內(nèi)的燃油增多，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期變長。相比柴油，生物柴油B10、B15 的燃燒持續(xù)期有所縮短，而生物柴油B100 與生物乳化柴油EB10，EB15 的燃燒持續(xù)期縮短幅度較大。這主要有2 個方面的原因，一方面是因為生物柴油及生物乳化柴油的滯燃期長，燃油和空氣的混合更加充分，預(yù)混燃燒速度快，使得燃燒持續(xù)期縮短；另一方面，生物乳化柴油燃燒時發(fā)生的微爆效應(yīng)能改善燃油霧化效果，優(yōu)化燃燒質(zhì)量，快速燃燒會縮短燃燒持續(xù)期[12]。

2.2 動力性

6 種燃油在負(fù)荷特性下的動力性對比見圖6。

圖6 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-負(fù)荷特性下燃油有效功率對比

從圖6 可以看出，相比柴油，生物柴油B10、B15、B100 及生物乳化柴油EB10、EB15 的有效功率均有所降低。在100%負(fù)荷時，相比柴油，B10 的有效功率降低了4.2%，B15 降低了4.7%，EB10 降低了7.2%，EB15 降低了8.0%，B100 降低了9.1%，這主要是因為不同燃油間熱值的差異所造成的。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

圖7 為6 種燃油的燃油消耗率（BSFC）隨負(fù)荷的變化規(guī)律。

圖7 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-負(fù)荷特性下燃油經(jīng)濟(jì)性對比

從圖7 可以看出，在所有負(fù)荷下，B100 的BSFC最高；在高負(fù)荷與低負(fù)荷時，柴油的BSFC 最低；在中負(fù)荷時，EB10 的BSFC 比柴油略低。與柴油相比，100%負(fù)荷時，B10 的BSFC 降低了2.4%，B15 降低了3.2%，EB10 降低了2.0%，EB15 降低了1.5%，B100降低了6.8%。綜合來看，EB10 的BSFC 與柴油最為接近。

2.4 排放特性

2.4.1 NOx排放

圖8 為6 種燃油的NOx排放隨負(fù)荷的變化規(guī)律。

圖8 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-負(fù)荷特性下NOx排放對比

從圖8 可以看出，6 種燃油的NOx排放都隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加而增加。各個負(fù)荷下，生物柴油B10、B15、B100 的NOx排放均高于柴油，這是因為生物柴油的含氧量較高，燃燒持續(xù)期短，燃燒效率高，快速燃燒增加了缸內(nèi)燃燒溫度。而生物乳化柴油EB10、EB15 的NOx排放均低于柴油，100%負(fù)荷時，分別降低了4.5%和3.5%。原因主要有2 個方面，一是摻混水、乳化劑、丁醇后，水的汽化潛熱值高，發(fā)生微爆效應(yīng)時水蒸氣需要在缸內(nèi)吸收熱量，水的冷卻作用能降低缸內(nèi)燃燒溫度；另一方面，丁醇的熱值低，飽和蒸汽壓力高，同樣能降低缸內(nèi)燃燒溫度，從而降低NOx排放[13]。

2.4.2 煙度

圖9 為6 種燃油的煙度隨負(fù)荷的變化規(guī)律。

圖9 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-負(fù)荷特性下煙度對比

從圖9 可以看出，柴油的煙度高于其他燃油，B100 的煙度最低。隨著摻混比例的提高，煙度均有所降低，這與生物乳化柴油的燃燒條件改善和缸內(nèi)燃燒溫度降低有關(guān)。EB10、EB15 的煙度相對于柴油和生物柴油有明顯降低，相比柴油，分別降低了67.7%和71.0%。這是由于摻混丁醇后，燃油的含氧量增加，燃燒效率升高。此外，丁醇中硫含量較少，混合燃油整體含硫量降低，硫酸的生成量降低，導(dǎo)致煙度降低；摻混水后，微爆效應(yīng)是降低碳煙排放的主要機(jī)理，使得燃燒更加完全，碳煙排放更低；此外，缸內(nèi)燃燒溫度降低抑制了熱解反應(yīng)的發(fā)生，也能降低碳煙排放[13]。

2.4.3 CO 排放

圖10 是負(fù)荷特性下6 種燃油的CO 排放對比。

從圖10 可以看出，各種負(fù)荷下，B10、B15、B100的CO 排放均低于柴油，這與國內(nèi)外大量的研究結(jié)果一致。EB10、EB15 的CO 排放均略高于柴油，100%負(fù)荷時，分別增加了4.8%和6.0%。這是由于摻入丁醇后，氧含量的增加會加劇碳原子氧化成CO，并且較低的缸內(nèi)燃燒溫度不能完全將CO 氧化成CO2，導(dǎo)致CO 排放增加。摻水后，缸內(nèi)燃燒溫度降低，加劇燃油的不完全燃燒以及抑制CO 氧化成CO2。另外，混合氣中的OH 基含量增加導(dǎo)致更多的碳原子氧化成CO。在75%負(fù)荷時，各種燃油的CO 排放相差不大，尤其是EB10，幾乎與柴油相同。

圖10 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-負(fù)荷特性下CO 排放對比

2.4.4 HC 排放

圖11 是負(fù)荷特性下6 種燃油的HC 排放對比。

圖11 2 070 r/min 轉(zhuǎn)速-負(fù)荷特性下HC 排放對比

從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，在各種負(fù)荷下，生物柴油B10、B15、B100 的HC 排放均低于柴油，尤其是B100有明顯降低。原因是生物柴油中的氧含量高，缸內(nèi)燃燒溫度高，燃油燃燒比較充分，使得HC 排放較低。生物乳化柴油EB10 和EB15 的HC 排放較柴油有所增加，原因是EB10 和EB15 的汽化潛熱值變大，蒸發(fā)吸熱多，缸內(nèi)燃燒溫度降低，不完全燃燒的比例增加，導(dǎo)致HC 排放增加。雖然摻水后能改善霧化效果，優(yōu)化燃燒，但對于EB10 和EB15 來說，溫度降低對HC 排放的影響起主導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

1）100%負(fù)荷時，燃油的氣缸壓力曲線均位于柴油和B100 之間，其中，EB10 的氣缸壓力曲線與柴油最為接近，其余3 種燃油相差不大。

2）生物乳化柴油的放熱率與柴油接近，均高于生物柴油，且EB10 的放熱率峰值最大。隨著摻混比例提高，放熱率峰值降低。

3）生物乳化柴油的缸內(nèi)燃燒溫度低于柴油和生物柴油，燃燒溫度隨水和丁醇摻混比例增加而降低。

4）低負(fù)荷時，生物柴油與生物乳化柴油的滯燃期均比柴油長，且隨著摻混比例的增加，滯燃期延長；高負(fù)荷時，差異變小。相比柴油，生物柴油B10、B15 的燃燒持續(xù)期稍有縮短，生物柴油B100 與生物乳化柴油EB10、EB15 的燃燒持續(xù)期縮短幅度較大。

5）與柴油相比，生物柴油和生物乳化柴油的有效功率都有一定程度的降低。100%負(fù)荷時，B10、B15、EB10、EB15、B100 的有效功率較柴油分別降低了4.2%、4.7%、7.2%、8.0%、9.1%。

6）與柴油相比，生物柴油和生物乳化柴油的BSFC都有一定程度的降低。100%負(fù)荷時，B10、B15、EB10、EB15、B100 的BSFC 分別降低了2.4%、3.2%、2.0%、1.5%、6.8%。其中，生物乳化柴油EB10、EB15 的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于生物柴油。

7）與柴油和生物柴油相比，生物乳化柴油的NOx排放和煙度均有所降低。生物柴油的NOx排放隨摻混比例的上升而增加，但生物乳化柴油的NOx排放隨水和丁醇摻混比例的上升而減少。100%負(fù)荷時，EB10 和EB15 的NOx排放較柴油分別降低了4.5%和3.5%；煙度分別降低了67.7%和71.0%。生物乳化柴油的CO 排放和HC 排放有所增加，且隨著乳化劑摻混比例的增加而增加，這主要是因為燃燒溫度較低。

8）生物乳化柴油的動力性雖然有所降低，但經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于生物柴油，同時可顯著降低NOx排放和PM排放，雖然CO 和HC 排放略有增加，但總的排放較低，尤其可改善生物柴油NOx排放較高的缺點。從經(jīng)濟(jì)性和排放特性等方面綜合考慮，生物乳化柴油EB10 可作為柴油的替代燃料。