单缸柴油机燃用生物柴油的排放特性分析

吕　祎　张子阳　向立明

（湖北文理学院，襄阳441053）

单缸柴油机燃用生物柴油的排放特性分析

吕祎张子阳向立明

（湖北文理学院，襄阳441053）

在EH36单缸柴油发动机试验台架上，进行了柴油机燃用纯柴油和纯生物柴油的对比性试验，分析研究了两种燃料的排放。结果表明：纯生物柴油在负荷特性中尾气中的NO浓度和速度特性中的烟度值大大低于相同工况下的纯柴油。

柴油机纯生物柴油排放烟度

生物柴油［1］是以植物果实、种子、植物导管乳汁或动物脂肪油、废弃的食用油等作原料，与醇类经酯化反应，使其最终变成可供内燃机使用的一种甲酯或乙酯燃料。结果表明：在负荷试验中，纯生物柴油能明显降低NO尾气排放；在速度特性实验中，纯生物柴油的尾气碳烟大大降低。

1　生物柴油性质

1.1物理特性

生物柴油主要有C、H、O三种元素组成，其主要是由软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸等长链饱和（或不饱和）脂肪酸与醇类物质所形成的脂类化合物。生物柴油具有与石化柴油相近的性能［2］，在柴油机上能直接使用。表1为纯生物柴油与纯柴油的理化指标比较。

表1　纯生物柴油PD和纯0号柴油PB的理化特性指标

1.2燃烧排放特性

柴油机的有害排放物主要成分是NOx、CO、HC化合物和碳烟颗粒等。表2为生物柴油和纯柴油的排放特性。

表2　纯生物柴油PD和纯0号柴油PB的排放特性比较

1.3柴油燃料排放标准

针对汽车尾气带来的环保问题，世界各国制定了更加严格的燃料质量标准和汽车尾气排放发挥。表3为欧洲车用柴油及排放标准，我国环保部门制定的柴油机排放标准［3］则见表4。

2　发动机排放特性对比实验

2.1实验设备及材料

表3　欧洲车用柴油机排放标准

表4　我国柴油机排放标准

实验仪器设备见表5。

表5　实验仪器设备

实验用油：纯0号柴油、纯生物柴油。

2.2实验结果与分析

在发动机台架上进行不同转速（1200rpm、1400rpm、1600rpm和1800rpm）和不同负荷（20%、40%、60%）下的负荷特性和速度特性实验，对比纯柴油和纯生物柴油尾气化合物排放。

（1）NO排放。图1是负荷特性实验中NO浓度（单位：×10-6体积分数）变化曲线。由图中可以看出，在大多数工况点，纯生物柴油的NO排放量比纯柴油低。但在低转速低扭矩［4］工况下，1200rpm/10N·M时，两种燃料的NO排放量大致在230左右；1400rpm/10N·M时，纯生物柴油的NO排放量比纯柴油高约40。图1（a）负荷特性实验显示，转速保持不变，随着扭矩增大，NO排放浓度保持逐渐增加的趋势。纯柴油NO浓度变化曲线中，四种转速下均出现多个峰值。在这些工况点，纯柴油滞燃点时间较短，燃料燃烧不充分，NO排放浓度攀高。1400 rpm/95N·M时的NO浓度为 1288，是相同工况点纯生物柴油的 1.5倍；1600rpm/70N·M时的NO浓度为1026，是相同工况点纯生物柴油的1.5倍。但是，在1800rpm/90N·M工况点，NO浓度为698，与相同工况点纯生物柴油的NO浓度645比较接近。

图1（b）负荷特性实验中，转速保持不变，随着扭矩增大，NO排放浓度保持逐渐增加而后减小的趋势。纯生物柴油NO浓度变化曲线中，四种转速下都只出现一个峰值，分别为1200rpm/80N·M、1400rpm/70N·M、1600rpm/70N· M和1800rpm/70N·M工况。

图1　负荷特性NO浓度变化曲线

图2是速度特性实验中NO浓度（单位：×10-6体积分数）变化曲线。油门开度保持不变，随着转速增大，柴油机燃用两种燃料的NO浓度呈缓慢上升的趋势［5］。在图2（c）中，20%油门开度下，纯柴油NO排放量出现三个峰值，分别为 20%/750rpm、950rpm、1100rpm；40%油门开度下也出现三个峰值，分别为40%/950rpm、1200rpm、1500rpm；60%油门开度下有两个峰值，分别为60%/1400rpm、1800rpm。对比图2（d），20%油门开度下纯柴油NO排放量出现一个峰值，20%/1100rpm；40%油门开度下出现两个峰值，分别为40%/800rpm、1400rpm；60%油门开度下有两个峰值，分别为60%/1000rpm、1500rpm。由于纯生物柴油的低热值比纯柴油低约5～15kJ·g，在发动机加速过程中［6-8］，喷油量加大的过程中燃烧不充分，油耗率很高，造成60%油门开度下纯生物柴油NO排放浓度变化不大且处于高位，平均比纯柴油高出200。40%油门开度也出现类似现象，20%油门开度下纯生物柴油和纯柴油NO平均排放浓度基本接近。

图2　速度特性NO浓度变化曲线

（2）尾气烟度。图3是两种燃料负荷特性的烟度（单位：m-1）变化曲线。图3（e）中，转速保持不变，随着柴油机转矩增加，纯柴油的尾气烟度K值均出现3个峰值，分别为 40N·M、60N·M、80N·m处。在 1600rpm/100N·M和1800rpm/100N·M处，烟度上扬至所有工况的最高点。在低转速低扭矩如1200rpm/70N·M以前的工况点烟度较小，均在1以下。图3（f）中，转速保持稳定，随着柴油机转矩增加，纯生物柴油的尾气烟度逐渐增大，在80N·M之后增加较快。1200rpm/90N·M达到12.84，是相同工况点纯柴油的10倍，且90N·M其他转速下的烟度是相同工况点纯柴油的3.5倍。

图3　负荷特性烟度变化曲线

图4是柴油机速度特性实验中烟度的浓度变化曲线。大多数工况下，纯生物柴油的烟度值比纯柴油的尾气烟度要低。这主要是由于生物柴油中所含芳香烃比较少且生物柴油是富氧燃料，使缺氧状态下的燃烧比较充分，进而降低碳烟排放。这种现象在40%和60%油门开度下最为明显。但在20%/1000rpm工况点之后，纯生物柴油的烟度却比纯柴油的K值要高，至20%/1200rpm时前者是后者的80倍，40%/1550rpm时纯生物柴油的尾气烟度值是纯柴油的7倍。这种现象也说明，燃料的低燃值越低，在低负荷高转速时，不仅需要消耗大量的燃料，而且尾气中烟度也会大大增加。

图4　速度特性烟度变化曲线

3　结论

（1）在负荷特性实验中，多数工况点纯生物柴油的NO排放量比纯柴油低。但在低转速低扭矩工况下，两种燃料的NO排放量大致相当。

（2）在速度特性实验中，纯生物柴油的烟度值大都比纯柴油的尾气烟度要低，但在低负荷高转速时，不仅需要消耗大量的燃料，而且纯生物柴油的尾气中烟度也大大增加。

（3）本实验在室温为0～10°C的台架上进行，温度是否对生物柴油的稳定性较大，尚有待在今后的实验中进一步验证。

［1］刘云.生物柴油工艺技术［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［2］陈振斌，蒋盛军，肖明伟，等.生物柴油与石化柴油性能的比较分析［J］.中国油脂，2008，（33）：11.

［3］印菘，刘伟伟，刘微，等.生物柴油的燃烧特性及其排放标准［J］.林业机械与木工设备，2008，（36）：49-51.

［4］黄锦成，刘海峰.柴油机燃用生物柴油和柴油混合燃料的试验研究 ［J］.广西大学学报：自然科学版，2006，30（3）：185-189.

［5］李跟宝，周龙保，蒋德明.生物柴油对直喷式柴油机燃烧和排放的影响［J］.柴油机，2004，（02）：17.

［6］沈维道，童钧耕.工程热力学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2007.

［7］徐兆坤.汽车发动机原理［M］.北京：清华大学出版社，2010.

Analysis of Emission Characteristics of Diesel Engine Fueled with Biodiesel

LV Yi，ZHANG Ziyang，LI Lingming
（Hubei College of Arts and Sciences，Xiangyang 441053）

In EH36 single cylinder diesel engine test bench，contrast test ofDiesel Engine Fueled with pure diesel and pure biologicaldieseloil，analysesandstudiesthetwokindsoffuel emissions.TheresultsshowthatthesmokedensityintheNO concentration and the velocity characteristics of the pure biodiesel is much lower than that in the same working condition.

diesel engine，pure biodiesel，emission，smoke

“机电汽车”湖北省优势特色学科群2016年开放基金项目（XKQ2016014）。