姚宏越，李若冰，金建文，韓云龍，劉桂英，劉鈺璇

（1.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東濟(jì)南 250306；2.洛陽石化工程設(shè)計(jì)有限公司，河南洛陽 471000）

0 引言

能源問題和環(huán)境污染問題正在制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為此濟(jì)柴動(dòng)力有限公司研制的某型高壓共軌柴油機(jī)，通過使用普通柴油摻燒生物柴油來達(dá)到節(jié)能減排的目的。本文主要通過在柴油機(jī)上摻燒不同比例的生物柴油，來研究摻燒后NOx和碳煙的排放特性。因此，對(duì)該型柴油機(jī)的摻燒排放性能進(jìn)行必要的研究，有利于降低該型柴油機(jī)的排放指標(biāo)[1-3]。

1 生物柴油的概念

1.1 定義

生物柴油是從有機(jī)物（如植物油、動(dòng)物脂肪、植物油和藻類）中制備的一種柴油，主要是通過對(duì)這些有機(jī)物的酯化反應(yīng)而生成的一種鏈脂肪酸甲烷基脂。生物柴油是一種清潔能源，用于替代傳統(tǒng)的石油柴油，可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)，如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、柴油熱水器、熱水爐和柴油發(fā)電機(jī)等。

1.2 來源

早期生物柴油的來源主要是大豆、菜籽和花生等富含植物油的食物，成本較高。后來又從棕櫚樹、地溝油和動(dòng)物油脂等中提取，成本相對(duì)較低并起到保護(hù)環(huán)境的作用。但是以上兩種方式的生成效率較低，與普通柴油相比成本優(yōu)勢(shì)不大。為提高效率和降低成本，發(fā)展出以藻類來生成生物柴油的技術(shù)，其原理是，藻類利用太陽光的能量，通過光合作用將CO2和水轉(zhuǎn)化為糖類和氧氣；糖類經(jīng)過一系列代謝反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為生物柴油；生物柴油被提取并進(jìn)行精煉，最終成為可用的燃料[2-4]。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)

（1）燃燒溫度低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損相對(duì)較小，排放的污染物也較少，更加環(huán)保。

（2）具有熱值較高、燃燒效率高和燃油消耗量低的優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的燃料特性。

（3）污染排放低，具有較少的硫化物、氮氧化物和碳煙的產(chǎn)生，排放指標(biāo)也比較好。

（4）制備成本低，整個(gè)制備過程對(duì)資源的消耗更少，使用成本也低，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

（5）生產(chǎn)過程可以通過回收有機(jī)廢物進(jìn)行再利用，并具有很高的降解性，它的儲(chǔ)量非常大，供應(yīng)量大且永不枯竭，對(duì)環(huán)境非常友好。但是用生物柴油替代普通柴油時(shí)，柴油機(jī)的動(dòng)力性有一定下降，因此摻燒比例的選擇十分必要。

2 排放試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為6L，4 沖程，L 形排列，缸數(shù)為6個(gè)，額定功率P額為450 kW，額定轉(zhuǎn)速n額為1500 r/min。

使用純柴油啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，待各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后，分別使用純柴油以及混合10%、20%、30%、50%生物柴油含量的混合柴油，分別在15%、30%、45%和60%的額定功率下，使用專用儀器進(jìn)行排放測(cè)量，并對(duì)比在不同摻燒比例、在不同功率段下的氮氧化物、碳煙的排放情況[1-4]。

2.2 氮氧化物的排放對(duì)比

氮氧化合物是指有機(jī)物中氮元素和氧元素結(jié)合形成的污染物排放。氮氧化合物排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，特別是對(duì)大氣環(huán)境造成的污染更為嚴(yán)重。它們會(huì)形成大氣酸雨，對(duì)植物、水體和建筑物等都有害，并且會(huì)刺激人的肺部，易形成哮喘等疾病。

根據(jù)NOx的生成機(jī)制可知，燃燒的溫度、氧氣濃度和燃燒反應(yīng)時(shí)間是3 個(gè)主要因素。由圖1 可以看出，在使用純柴油的模式下，隨著功率的增大，氣缸內(nèi)的燃燒溫度的逐漸升高、含量逐漸減少，柴油混合氣的濃度也逐漸增高，而反應(yīng)時(shí)間也相對(duì)減少，NOx排放呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)，純柴油模式的排放隨功率增大而增加。

圖1 純柴油在不同功率下的NOx 排放曲線

由圖2 可以看出，在額定功率45%以下的低負(fù)荷時(shí)，不同摻燒比例的混合柴油的NOx排放與純柴油模式相差不大，具有類似的排放特性。而在額定功率60%以上較高負(fù)荷時(shí)，隨著功率的再次提高，不同摻燒比例的混合柴油的NOx排放差別較大，呈現(xiàn)摻燒生物柴油的比例越高、NOx的排放量越高的趨勢(shì)。對(duì)比純柴油的排放情況，在摻燒比例為15%的生物柴油時(shí)，混合柴油的NOx排放與純柴油模式相差不大。但在摻燒生物柴油的比例為30%左右的情況下，混合柴油各功率段NOx的排放情況相對(duì)較優(yōu)，且可以兼顧摻燒生物柴油的比例（圖3）。

圖2 不同摻燒比例在不同功率下的NOx 排放曲線

圖3 30%摻燒比例與純柴油在不同功率下的NOx 排放曲線

經(jīng)分析，在額定功率15%、摻燒30%的生物柴油時(shí)，NOx的排放略優(yōu)于純柴油：在30%～45%額定功率的低負(fù)荷時(shí)，由于燃燒溫度相對(duì)較低、過量空氣系數(shù)較高，純柴油和各摻燒比例的混合柴油的燃燒均較充分，因此與純柴油相比，不同摻燒比例的混合柴油排放情況相差不大，燃燒排放去向基本重合；在45%～60%額定功率的較高負(fù)荷時(shí)，過量空氣系數(shù)相對(duì)較低、生物柴油的含氧量高、燃燒溫度也更高，因此NOx的排放也較高；而在60%以上的功率段時(shí)，氣缸內(nèi)的過量空氣系數(shù)更低、燃燒溫度也更高，NOx的排放也更高[5]。

2.3 碳煙的排放對(duì)比

柴油機(jī)的碳煙度是指柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于空氣量跟不上噴油量的變化速率，瞬態(tài)空氣過量系數(shù)降低，導(dǎo)致柴油和潤滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的不充分燃燒，其燃燒質(zhì)量下降，排出的煙氣中碳煙的濃度升高，排放煙度迅速惡化。這種碳煙的排放可以污染大氣、使空氣的能見度降低，碳煙中的有害物質(zhì)也會(huì)隨著降雨而污染水源河流[3]。

另外，柴油機(jī)燃燒后產(chǎn)生的碳煙會(huì)附著一些乙醛和硫化物等可溶性有機(jī)物氣體。這種帶有特殊氣味的氣體，具有一定毒性，會(huì)刺激動(dòng)物和人的呼吸道，長期吸入會(huì)引起頭暈惡心等癥狀，嚴(yán)重者可以致癌、危及生命。一般來說，柴油機(jī)的碳煙度越低，其燃燒的效率越高，燃燒經(jīng)濟(jì)性也更高，對(duì)環(huán)境污染也越?。▓D4）。

圖4 不同摻燒比例在不同功率下的碳煙排放曲線

由圖4 可以看出，在不同摻燒比例和純柴油時(shí)，15%額定功率時(shí)的碳煙排放較高，在30%額定功率時(shí)排放逐漸降低，之后隨著功率的逐漸增加碳煙的排放逐漸降低。在60%額定功率時(shí)，碳煙排放在整個(gè)對(duì)比曲線中，各個(gè)摻燒比例的混合柴油和純柴油的碳煙排放達(dá)到最低點(diǎn)。在60%額定功率以后出現(xiàn)拐點(diǎn)，各個(gè)摻燒比例的混合柴油和純柴油的碳煙排放又再一次升高。

另外，根據(jù)圖4 的曲線可以看出，在同一功率時(shí)，生物柴油的摻燒比例越高，其碳煙的排放就越低；而隨著功率的逐漸升高，純柴油和不同摻燒比例的混合柴油碳煙的排放呈現(xiàn)先高后低，在出現(xiàn)最低點(diǎn)的拐點(diǎn)后又再次升高的規(guī)律。

經(jīng)分析，碳煙生成的三大條件主要是高溫、高壓和缺氧程度。而生物柴油的含氧量遠(yuǎn)高于普通柴油，因此在高功率段時(shí)過量空氣數(shù)較低，高摻燒比例的柴油其含氧量也更高，為燃燒提供了良好的條件，因此碳煙的排放更低[5]。

3 結(jié)論

隨著柴油機(jī)功率的升高，純柴油和各種摻燒比例的混合柴油的NOx排放量均出現(xiàn)持續(xù)升高情況，低負(fù)荷時(shí)NOx的排放差別不大，而高負(fù)荷時(shí)純柴油的NOx的排放情況要優(yōu)于各摻燒比例的混合柴油。對(duì)于碳煙的排放，各摻燒比例的混合柴油均優(yōu)于純柴油，且均存在隨功率的升高排放先高后低再高的特點(diǎn)。綜合來看，隨著生物柴油摻燒比例的升高，其碳煙的排放下降。

因此，在純柴油中摻燒一定比例的生物柴油有利于降低碳煙的排放，但對(duì)NOx的排放控制效果并不理想。經(jīng)驗(yàn)證，兼顧NOx和碳煙的排放，生物柴油最佳的摻燒比例宜控制在10%～30%。