韓雅南 ， 劉學(xué)淵

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

0 引言

我國擁有廣闊的高原，其中海拔在1000米以上的地區(qū)占國土面積的58%以上，海拔2000米以上的地區(qū)占國土面積的33%以上。高原環(huán)境具有地勢復(fù)雜、大氣壓低、含氧量不足、氣候條件多變等特點(diǎn)。柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時，受大氣壓力與溫度降低的影響，進(jìn)入柴油機(jī)機(jī)缸內(nèi)的空氣量減小，壓縮終點(diǎn)混合氣壓力和溫度降低，使得噴入缸內(nèi)的燃油不能及時著火，造成燃燒滯后，引發(fā)燃燒惡化，從而導(dǎo)致一系列問題出現(xiàn)，如功率下降、油耗增加、排放惡化，嚴(yán)重降低了柴油機(jī)動力和經(jīng)濟(jì)性[1]。因此，改善高原下柴油機(jī)性能是當(dāng)前亟待解決的重要問題。

根據(jù)對柴油機(jī)在高原地區(qū)的排放規(guī)律及改善柴油機(jī)排放的對策措施的研究，其中柴油機(jī)燃燒摻混生物柴油情況下燃燒排放改善明顯。本文綜合敘述了關(guān)于生物柴油的研究及高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用生物柴油的研究，并對高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用生物柴油實(shí)驗研究方向進(jìn)行了展望。

1 燃用生物柴油研究

1.1 燃用新型生物柴油排放研究

生物柴油由于其與柴油的相似之處，在燃料領(lǐng)域具有重要意義。它還因其可再生性、生物降解性、無毒性、閃點(diǎn)高、溫室氣體排放減少等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注。生物柴油沸點(diǎn)高于柴油，是一種低煙排放的環(huán)保燃料，并且生物柴油的來源廣泛。近年來，生物柴油的研究多集中在探索以及摻混新型生物柴油對柴油機(jī)性能排放的影響。Suleyman Sinmsek等[2]分別以植物（VEBD）和廢棄動物油脂（AFBD）為原材料制造的生物柴油進(jìn)行實(shí)驗研究。實(shí)驗結(jié)果表明：AFBD100（0%柴油、100%廢棄動物油脂生物柴油）與VEBD100(0%柴油、100%植物生物柴油）的制動比熱效率降低，燃料消耗率增加，燃用兩種生物柴油的一氧化碳和碳?xì)浠衔镆约疤紵熍c柴油相比明顯減少，氮氧化物和二氧化碳的排放增加。M.N. Nabi 等[3]研究了兩種不可食用的廢食用油和澳洲堅果油對柴油發(fā)動機(jī)性能、排放和燃燒特性的影響。實(shí)驗結(jié)果表明：與柴油相比，燃用柴油與生物柴油混合物的柴油機(jī)性能沒有顯著變化，但燃燒效率較高；其中排放均顯著減少，氮氧化物排放略有減少。P.K. Sahoo等[4]利用不可食用的麻風(fēng)樹油為原料生產(chǎn)生物柴油，并與柴油混合進(jìn)行排放實(shí)驗研究。結(jié)果表明：在額定速度下，50%麻風(fēng)樹生物柴油和柴油混合物的功率增加。所有生物柴油和柴油的燃油消耗率隨著混合而增加，隨速度而降低。與柴油相比，所有生物柴油及其混合物的碳煙都會減少。

1.2 燃用含有添加劑的生物柴油研究

眾多學(xué)者為提高燃用生物柴油的排放效果，將生物柴油與醇類添加劑混合。Huang Jiaqi等[5]利用大豆生物柴油、甲醇與大豆生物柴油混合的兩種比例進(jìn)行實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果表明：這三種燃料的氣缸壓力都會隨著負(fù)荷的增加而增加，并且在中高負(fù)荷下，氣缸峰值壓力隨著甲醇混合比的升高而增大；三種燃料的一氧化碳和碳?xì)渑欧帕烤陆?，隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加一氧化碳和碳?xì)渑欧帕柯杂猩仙?。在高?fù)荷下，純生物柴油的一氧化碳排放比混合燃料的增長更快，甲醇混合比的上升促進(jìn)了所有負(fù)荷下的氫氮排放。S. Senthur Prabu等[6]研究柴油機(jī)燃用廢食用油生物柴油與添加劑混合燃料的發(fā)動機(jī)性能排放影響，在六種不同比例下進(jìn)行了實(shí)驗，結(jié)果表明，B30在排放和性能上相比其他比例混合物是效果最好的。

2 高原下柴油機(jī)燃用生物柴油研究

國內(nèi)昆明理工大學(xué)和北京理工大學(xué)對高原環(huán)境燃用生物柴油的研究較多。昆明理工大學(xué)因地處云貴高原而具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，云貴高原平均海拔2000米左右，便于對高原生物柴油進(jìn)行研究。昆明理工大學(xué)的黃金鳳等[7]在高原環(huán)境下對柴油機(jī)燃用不同比例的生物柴油混合燃料的排放特性進(jìn)行了實(shí)驗研究。實(shí)驗結(jié)果表明：與燃用柴油相比，在各個工況下，碳?xì)?、一氧化碳和碳煙的排放都有不同程度的降低。在高?fù)荷、低轉(zhuǎn)速工況下效果尤為明顯；氮氧化物的排放也得到明顯改善，只有純生物柴油的氮氧化物排放量增加，燃用其他比例生物柴油均下降。余林嘯[8]在3個不同海拔高度的地點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)際海拔高度下的燃燒與排放試驗，結(jié)果表明：隨著海拔高度增加，柴油機(jī)在相同工況點(diǎn)的最高燃燒壓力下降，燃燒始點(diǎn)推遲，燃燒持續(xù)期縮短，預(yù)混合燃燒比例增加，最高平均溫度上升。達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時一氧化碳排放均增加，而標(biāo)定轉(zhuǎn)速的一氧化碳排放則在中等負(fù)荷略有下降；氮氧化物排放隨海拔高度的變化不明顯，在大部分工況點(diǎn)沒有顯著的增加或減少。顆粒物排放質(zhì)量顯著增加，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的增幅大于標(biāo)定轉(zhuǎn)速的增幅。劉少華等[9]為了了解不同類別的含氧生物質(zhì)燃料在高原缺氧環(huán)境下對發(fā)動機(jī)性能和排放的影響，進(jìn)行了實(shí)驗研究。實(shí)驗結(jié)果表明：在不對柴油機(jī)做任何調(diào)整的情況下，燃用含氧生物質(zhì)混合燃料后，柴油機(jī)動力性下降，外特性轉(zhuǎn)矩均下降，燃油消耗率均低于柴油。沈穎剛等[10]研究了高原環(huán)境下發(fā)動機(jī)燃用生物柴油和大氣壓力對壓燃式發(fā)動機(jī)性能與排放特性的影響規(guī)律與作用機(jī)理。研究結(jié)果表明，隨著大氣壓力下降，自然吸氣柴油機(jī)的最大扭矩和有效熱效率下降幅度逐漸加劇，其最大扭矩輸出隨生物柴油摻混比增大先升后降；而渦輪增壓柴油機(jī)最大扭矩隨生物柴油摻混比的增加一直呈線性下降。對于自然吸氣柴油機(jī)，隨大氣壓力降低。劉勝吉等[11]在3個不同海拔高度進(jìn)行了柴油機(jī)的燃燒和排放試驗，較高海拔的試驗環(huán)境通過內(nèi)燃機(jī)高海拔大氣狀態(tài)模擬試驗系統(tǒng)獲得。結(jié)果表明：海拔高度升高，同工況下柴油機(jī)的最大燃燒壓力減小，燃燒始點(diǎn)推遲，滯燃期延長，預(yù)混燃燒比重增加，缸內(nèi)最高燃燒溫度升高。海拔高度增加，碳?xì)渑欧帕棵黠@增加，且在中小負(fù)荷時增大明顯；一氧化碳排放在大負(fù)荷和小負(fù)荷時增加，在中等負(fù)荷附近出現(xiàn)持平或不同程度的下降；氮氧化物排放隨海拔升高變化最小。

3 生物柴油實(shí)驗研究展望

通過對生物柴油以及高原環(huán)境下柴油機(jī)燃燒生物柴油研究的綜述，對生物柴油在高原環(huán)境未來的實(shí)驗研究方向進(jìn)行展望：

1）生物柴油的原材料來源廣泛，開發(fā)新型生物柴油并對在高原環(huán)境下進(jìn)行柴油機(jī)燃用的綜合性能排放實(shí)驗分析。

2）研究高原環(huán)境下以柴油機(jī)為主要動力的農(nóng)業(yè)機(jī)械、工業(yè)機(jī)械等燃用生物柴油的性能排放情況。

3）研究生物柴油燃燒反應(yīng)機(jī)理，為柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化機(jī)制和尾氣改善機(jī)制提供理論支撐和實(shí)驗依據(jù)。