（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

引言

生物質(zhì)柴油有綠色、環(huán)保、可再生能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并能直接用于柴油機(jī)上，因此在全球引起了較高的重視并迅猛發(fā)展。關(guān)于高寒低壓的高原地理環(huán)境導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變差的問(wèn)題，國(guó)外研究較早，近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者也展開研究[1-4]。北京理工大學(xué)余林嘯等人[5]研究得出生物柴油高海拔地區(qū)使用生物柴油使得著火時(shí)刻提前并降低預(yù)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(duì)NOx排放量影響不大。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的鄭培教授等人[6-7]在內(nèi)蒙古高原和模擬平原條件下進(jìn)行生物柴油與35 號(hào)柴油的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，得出高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的轉(zhuǎn)矩、功率和油耗也相應(yīng)增加。目前降低發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的技術(shù)方案主要包括前處理技術(shù)、基于新燃燒理論的缸內(nèi)凈化技術(shù)和尾氣后處理技術(shù)3 部分[8]，每一種技術(shù)措施在降低某種排氣成分時(shí)效果有限，通過(guò)改變噴射策略分析柴油機(jī)排放性能具有重要意義

1 高原地區(qū)生物柴油與柴油排放性研究

內(nèi)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(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)，設(shè)定模型轉(zhuǎn)速1 500 r/min，初始進(jìn)氣溫度8 ℃，初始?xì)鈮?9 000 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(qū)柴油和純生物柴油在曲軸轉(zhuǎn)角-9.5°CA、19.5°CA、和29.5°CA 下的SOOT 和NOx濃度場(chǎng)分布如圖1 所示。

圖1 高原地區(qū)柴油和生物柴油的NOx 和SOOT 濃度場(chǎng)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(zhǎng)的趨勢(shì)。如圖1 所示，因?yàn)樯锊裼椭泻醒踉?，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(huì)增加。在9.5°CA 時(shí)刻碳煙和氮氧化物排放物集中于油束附近區(qū)域，說(shuō)明在預(yù)混合燃燒階段就開始生成。在19.5°CA 時(shí)刻N(yùn)Ox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(yīng)階段就開始生成，迅速生成后基本穩(wěn)定，但是由于缸內(nèi)氧含量降低導(dǎo)致碳煙得不到充分燃燒。因此高寒環(huán)境下氮氧化物排放量逐漸減少，SOOT 因不能被充分氧化導(dǎo)致排放惡化

2 油束夾角對(duì)缸內(nèi)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(yīng)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(zhuǎn)角增大，氧化反應(yīng)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(dǎo)致NOx生成量大幅提高，在158°油束夾角下使得缸內(nèi)湍流和擾動(dòng)速度加快，缸內(nèi)溫度迅速提高，因此NOx排放量最大。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加，NOx排放量維持穩(wěn)定。NOx和SOOT 的此消彼長(zhǎng)關(guān)系使得碳煙排放相對(duì)降低，但是158°油束夾角下燃燒室中心利用率降低導(dǎo)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(nèi)排放對(duì)比圖

3 結(jié)論

1）高寒條件下燃用生物柴油燃料，缸內(nèi)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(huì)增加。隨著曲軸轉(zhuǎn)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(duì)于與樣機(jī)同類型的柴油機(jī)而言，在高寒環(huán)境下盡量不改變發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變噴油器的油束夾角實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃燒過(guò)程并降低排放，樣機(jī)的NOx隨著油束夾角的增大呈上升趨勢(shì)最后趨于穩(wěn)定，SOOT 排放隨著油束夾角的增大呈下降趨勢(shì)。