新能源生物柴油发动机的排放特性研究周 华 张道文(西华大学 四川成都 610039)摘 要:通过对柴油发动机燃用生物柴油与柴油的排放性能的试验研究表明,在发动机相同工况条件下,与燃用柴油相比,燃用生物柴油可改善发动机的燃烧过程,大幅降低H C 、CO 和微粒的排放,但NO x 和CO 2排放量有所增加。
关键词:生物柴油 柴油发动机 排放特性 研究中图分类号:TK464 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2009)06-0052-03Study on E m issi on Characteristics of Engi ne Fueled wit h Bio dieselZhou Hua ,Zhang DaowenX i h ua U niversity (Chengdu ,S ichuan ,610039,Ch i n a)Abst ract :The e m issi o n characteristics o f diesel eng i n e fueled w ith b io diesel or diese lwere investigated .The resu lts sho w ed that fo r the sa m e eng i n e operati n g condition ,co mpared to the pure diesel fue,l the co m bustion process w as i m proved w ith b io diese,l the e m issions ofHC ,CO and particu latesw ere reduced by a w i d e m ar g in ,but the e m i s sions of NO x and CO 2w ere sli g htly higher for eng ine fueled w ith bio d iese.l K eyw ords :B i o d iese,l D iesel eng i n e ,Em issi o n characteristics ,Study引言生物柴油是一种高脂酸甲酯,它是以油料作物、油料林木果实、动物油脂等为原料而制成的液体燃料,相对分子质量为300左右,与柴油的相对分子质量比较接近,具有良好的兼容性。
柴油发动机可以不作任何调整或稍加改造就可以使用这种新型能源。
研究人员对生物柴油在柴油发动机中的应用进行了一系列的研究[1~3]。
生物柴油的热值略低于柴油,密度和粘度略大于柴油;含硫量低,不含芳香烃,有优良的环保性;辛烷值高,具有良好的燃料性能;闪点高,不属于危险品。
生物柴油不含石油,可以与柴油任意比例掺烧或单独使用。
生物柴油是清洁的可再生能源,是优质的石油柴油代用品。
由于生物柴油和柴油的理化特性的一些差异,势必对发动机的燃烧及排放性能产生影响。
通过试验研究柴油机燃用柴油和生物柴油的排放特性,分析其变化规律,可为生物柴油的推广使用提供参考。
1 试验条件1.1 发动机试验选用了一台ZS1100四行程直喷式单缸柴油机,其主要技术参数如表1,发动机状况良好,运转正常,在试验过程中未作任何调整。
表1 试验用柴油机技术参数参数数值发动机型号ZS1100柴油发动机标定功率/k W 11(2200r m i n -1)缸径/mm 100行程/mm 115工作容积/L 0.9压缩比17.5型式单缸、卧式、四冲程燃烧方式直喷式作者简介:周华(1968-),男,硕士,助理研究员,主要研究方向为发动机代用燃料的试验研究、推广运用以及代用燃料汽车的综合性能评价等。
第38卷 第6期2009年12月小型内燃机与摩托车S MALL I N TERNAL COM B UST I O N ENG I N E AND MOTORCYCLE Vo.l 38No .6Oec .20091.2 燃料在试验中使用的是0#商品柴油、某公司生产的生物柴油,其主要理化性质见表2。
表2 燃料的主要理化性质参数柴油生物柴油粘度(20 )/(mm 2 s -1)4.87.8密度/(g mL -1)0.830.88闪点/ 86210燃点/250363十六烷值4354低热值/(M J kg -1)42.538.4理论空燃比/(kg kg -1)14.512.5含氧量/(%)(w )112 试验结果与分析试验数据均为发动机转速在1600r m in-1的负荷特性、发动机燃用柴油和生物柴油的排放对比数据。
2.1 CO 排放图1为发动机燃用柴油和生物柴油的C O 排放对比曲线。
从图中可以看出:在小负荷区域,发动机燃用生物柴油的CO 排放明显低于柴油,CO 排放均随着负荷的增大而减小,发动机燃用柴油的CO 排放明显减小,而燃用生物柴油的C O 排放减小幅度很小。
在中等负荷区域,发动机燃用两种燃料的CO 排放基本相同。
而在大负荷时,燃用两种燃料的CO 排放急剧增大,燃用柴油的CO 排放增大幅度明显大于燃用生物柴油。
图1 CO 排放对比柴油机的CO 排放主要与燃料的物理和化学特性有关。
由于生物柴油中含有氧,在燃烧过程中起到助燃的作用,使得生物柴油的燃烧比柴油更完全,所以由于不完全燃烧而形成的CO 排放比柴油低。
但生物柴油比柴油的黏度大,雾化效果差,影响与空气的混合质量。
在小负荷时,主要是因为生物柴油含氧增强了预混稀燃,C O 排放比柴油有所降低;而在中等负荷时,由于较大的空燃比而使得两种燃料都获得了较充分燃烧,C O 排放低,生物柴油虽然含氧,但它与空气的混合质量较柴油差,抵消了其含氧助燃的优势,生物柴油和柴油的CO 排放基本上没有明显的区别;在大负荷区域,随着喷油量的增加,混合气局部过浓问题更加突出,生物柴油含氧助燃烧的效果得到明显体现,CO 排放比柴油大幅降低[4~5]。
图2 H C 排放对比2.2 HC 排放图2为发动机燃用柴油和生物柴油的H C 排放对比曲线。
图中显示:在整个负荷范围内,生物柴油的HC 排放明显低于柴油。
随着负荷的增大,燃用柴油和生物柴油的H C 排放均明显增加,但燃用生物柴油的HC 排放增加幅度小于柴油。
这主要是因为生物柴油不含芳香烃,十六烷值较高。
一般来说芳香烃含量越少,则其滞燃期愈短,HC 排放就愈低;另外生物柴油的十六烷值较高,燃油着火性能好,滞燃期短,其未燃碳氢和裂解碳氢相对就少。
另外,生物柴油含氧也有利于减少HC 排放。
因此,由于生物柴油不含芳香烃、十六烷值高和含氧的特性使其在柴油机中燃烧时HC 排放降低,并且随着负荷的增大,喷油量增加,燃用生物柴油的H C 排放的优势更加显著。
2.3 NO x 排放图3为发动机燃用柴油和生物柴油的NO x 排放对比曲线。
从图中可以看出:在整个负荷范围内,燃用生物柴油的NO x 排放比柴油略高。
NO x 排放由理论空燃比和燃烧温度等决定。
试验中对发动机燃用两种燃料时排放物中氧的浓度进行了测试,结果显示氧浓度没有明显的变化,说明两种燃料燃烧时的理论空燃比基本一致。
燃料本身含氧对NO x 生成的影响可能要强于空气提供的氧,即燃料本身含氧对NO x 的形成可能有促进作用(有待进一步研究)。
另外,由于生物柴油的密度大于柴油,其可压缩性比柴油低,从而导致喷油提前,这种现象造成过早地放热使燃烧过程缸内53第6期周 华等:生物柴油发动机的排放特性研究的温度较高[6],所以,对生物燃料而言NO x 的增加主要是由于喷油提前造成的。
图3 NO x 排放对比2.4 CO 2排放图4为发动机燃用柴油和生物柴油的CO 2排放对比曲线。
可以看出:在整个负荷范围内,燃用生物柴油的C O 2排放比柴油略高。
C O 2排放与消耗的燃料量成正比,生物柴油的热值比柴油低,为获得相同的功率需要消耗更多的生物柴油;同时,生物柴油比柴油燃烧更完全,所以燃用生物柴油的CO 2排放较高[7]。
图4 CO 2排放对比2.5 微粒(P M )排放图5为发动机燃用柴油和生物柴油的微粒(P M )排放对比曲线。
从图中可以看出:在整个负荷范围内,燃用生物柴油的微粒排放量均小于柴油,并且随着负荷的增大,燃用生物柴油的微粒排放量与燃用柴油的微粒排放量的差值越来越大,说明随着负荷的增大,燃用生物柴油的微粒排放性能优势更加明显。
由于生物柴油的雾化性能差,即使在空燃比较大的状况下,也很难与空气形成均匀的混合气。
局部混合气过浓所引起的不完全燃烧是产生微粒的主要原因。
生物柴油本身含氧,在燃料燃烧过程中起到了助燃作用,特别是在喷雾核心等燃料浓度高的区域,生物柴油的含氧特性使燃料能够比较完全地燃烧,从而降低了微粒排放。
在大负荷区域,随着喷油量的增加,混合气局部过浓更加突出,生物柴油含氧助燃烧的效果更加明显,因此在大负荷区域,燃用生物柴油的微粒(P M )排放比燃用柴油的微粒(P M )排放大幅降低。
图5 微粒排放结果对比3 结论1)生物柴油含氧和十六烷值高,因此柴油发动机燃用生物柴油的C O 、HC 和微粒(P M )排放均低于燃用柴油。
2)生物柴油的可压缩性比柴油低,导致喷油提前,从而造成过早地放热使燃烧过程缸内的温度较高,因此燃用生物柴油NO x 排放比燃用柴油高。
3)生物柴油的热值比柴油低,为获得相同的功率须燃烧更多的生物柴油;生物柴油比柴油燃烧更完全,所以C O 2排放比柴油略高。
参考文献1 张道文.生物柴油的试验研究[J].小型内燃机与摩托车,2005(6):28~292 C arlo N,P ostrio lti G L,Ba ttiston iM.C o mm on R a il H SD I D i ese l Eng i ne Combusti on and E m issi on w it h Fossil/B i o -D erived F ue l B lends ,S A E P aper ,2002-01-0865.20023 M onyem A,G erpen J H.The E ffect of B iod i esel Ox ida ti on onEng i ne Perfo r mance and E m issions ,Journa l of B io m ass and B i o -energy ,2001,20:317~3254 M ustafa Canakc,i A h m et Erdi,l Ero lA reakli og Lu .P erfor m ance and Exhaust Em i ssi ons o f a B iod i esel Eng i ne[J].A pp lied Energy ,2006,83:594~605 5 R a m adhas A S ,M u ra l eedharan C ,Jayara j S .Perfor m anceand Em i ssi on Eva l uation o f a D iese l Eng i ne Fueled w ith M ethy l Esters of R ubber Seed O il[J].R ene w able Ene rgy ,2005,30:1789~18006 Sena t o re A,CardoneM,R occo V,et a lA comparative A na l ysis of Combusti on P rocess in D .I .D iese l Eng i ne Fue l ed w ith B i odiese l and D i ese l Fuel[C ].S AE Paper ,2000-01-0691 7 U sta N,O zt urk E ,Can O,et a l Co m bustion of B iod iesel Fuel Produced fro m H aze l nut Soapstock /W aste Sunflo w er O il M i xture i n a D i ese l Eng i ne [J].Energy C onse rvation and M anage m en t ,2005.46:741~755(收稿日期:2009-04-29)54小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 第38卷。