第１期（总第１９２期）　２０１１年２月　车用发动机　

ＶＥＨＩＣＩ　Ｅ　ＥＮＧＩＮＥ　Ｎｏ．１（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１９２）　

Ｆｅｂ．２Ｏ１１　

柴油机燃用甲醇一生物柴油混合燃料的性能与排放研究　侯令川，王　忠，安玉光，侯乐福，陈　林　（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江　２１２Ｏｌ３）　摘要：在１８６ＦＡ柴油机上，进行了燃用柴油、生物柴油和甲醇一生物柴油混合燃料的性能试验，分析了生物柴　油掺烧甲醇对柴油机性能的影响规律。试验结果表明：与燃用生物柴油相比，生物柴油掺烧５　和１Ｏ　（质量比）　的甲醇时，柴油机的标定功率分别降低７．４　和１７．８　，标定工况时能量消耗率增加５．７　和１５．０　，ＣＯ排放升　高４０．０　和８０．０　，ＨＣ排放升高６６．７　和１５５．６　，ＮＯ　排放降低１５．０　和３３．３　，排气烟度降低３．８　和　２３．１　。　关键词：柴油机；甲醇；生物柴油；排放　中图分类号：ＴＫ４２１．５　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００１—２２２２（２０１１）０１—００３０—０４　

生物柴油的十六烷值、闪点、含氧量较高，芳香　烃、硫含量较低，燃用生物柴油可以有效降低ＣＯ，　ＨＣ和炭烟排放，但会引起Ｎ０　排放少量增加ｕ　。　生物柴油的缺点主要是密度大、黏度高，在相同燃油　供给系统条件下，形成的油雾索特平均直径较大［。］。　甲醇中含有５Ｏ　的氧，汽化潜热约为柴油的３．６倍，　因此具有同时降低柴油机炭烟和ＮＯ　排放的潜　力［４－５］。甲醇的十六烷值过低，难以在柴油机上直接　燃用，国内外一般采用进气管喷射甲醇、缸内喷射柴　油的组合燃烧和掺混燃烧的方式在柴油机上燃用甲　醇～柴油燃料。　生物柴油掺烧醇类燃料，可以利用醇类燃料密　度小、黏度低的特点，改善混合燃料的喷雾特性，提　高燃料的含氧量和汽化潜热，抑制炭烟和ＮＯ　的生　成。Ｓｕ　Ｈａｎ　Ｐａｒｋ等人ｌ６】利用相位多普勒粒子分析　仪研究了乙醇一生物柴油混合燃料的喷雾特性，结　果表明，生物柴油掺混乙醇能够减小喷雾油滴的索　特平均直径。Ｈｔｉｓｅｙｉｎ　Ａｙｄｉｎ等人　在１８６Ｆ柴油　机上进行了燃用柴油、Ｂ２０（生物柴油一柴油混合燃　料）和ＢＥ２０（生物柴油一乙醇混合燃料）的排放对比　试验，结果表明，与燃用柴油相比，燃用ＢＥ２０时　ＮＯ　排放略有升高，ＣＯ　，ＣＯ和ＳＯ。排放明显降　低。Ｌｅｉ　Ｚｈｕ，Ｃｈｅｕｎｇ　Ｃ　Ｓ等人［＿５　在Ｉｓｕｚｕ　４ＨＦ１柴　油机上研究了生物柴油掺烧甲醇和乙醇的排放特　性，结果表明，生物柴油掺烧甲醇、乙醇可以同时降　低ＮＯ　和ＰＭ排放，并且同比例下掺烧甲醇的效果　更为明显。目前，国内外对生物柴油掺烧醇类燃料　的研究主要集中在掺烧乙醇上，对生物柴油掺烧甲　醇的研究还相对较少。　本研究在不调整柴油机结构参数的条件下，以　１８６ＦＡ柴油机为试验机，研究了不同甲醇掺混比例　的甲醇生物柴油混合燃料对柴油机动力性，经济　性，ＣＯ排放，ＨＣ排放，Ｎ（）　排放以及烟度的影响。　１　燃料特性　表１示出了甲醇、生物柴油及混合燃料的理化　特性。柴油为市售０号柴油；甲醇为精制工业甲醇，　纯度为９９．９　；生物柴油原料为地沟油；ＢＭ５，　ＢＭ１０为甲醇一生物柴油混合燃料，甲醇质量分数　分别为５　和ｌ０　。由表１可见，甲醇与柴油、生物　柴油的运动黏度、十六烷值和低热值相差较大。随　着甲醇掺混比例的提高，混合燃料的运动黏度和十　六烷值逐渐接近于柴油，含氧量由ｌ１　增至　１４．９　，体积低热值下降约５．６　。　２试验设备及方案　试验用机为１８６ＦＡ柴油机，主要技术参数见表　２。主要测试设备及仪器有ＣｗＦ２５Ｄ电涡流测功　器、ＥＳＴ内燃机测试系统、ＭＣＳ－－９６０燃油耗仪、　ＦＱＤ一１０２Ａ数字式排气烟度计以及Ｇ５０２０五组分　气体分析仪。　

收稿日期：２０１０—０９—１３；修回日期：２０１１　０１　１２　基金项目：国家自然科学基金项目（５０７７６０４２）；江苏省高校重点项目（１０ＫＪＡ４７００９）　作者简介：侯令川（１９８６一），男，硕士，主要研究方向为内燃机代用燃料和工作过程；ｈｏｕｌｉｎｇｃｈｕａｎ＠１２６．ｃｏｒｇｉ。　２０１１年２月　侯令川，等：柴油机燃用甲醇生物柴油混合燃料的性能与排放研究　・３１・　表１　混合燃料的理化特－ｌ生　理化参数　。号柴油　甲醇　生物柴油　ＢＭ５　ＢＭ１ｏ　密度（２０℃）／ｋｇ・ｍ　８２１　７９６　８８Ｏ　８７５　８７１　运动黏度（２０℃）／ｍＰａ・Ｓ　３．９　Ｏ．６ｌ　６．２　４．８　４．４　汽化潜热／ｋＪ・ｋｇ＿。　２５０～３００　１　１Ｏ１　十六烷值　４５　３　５４　５１．２　４８．４　质量低热值／ＭＪ・ｋｇ　４２．５　ｌ９．７　３６．４　３５．５６　３４．７２　体积低热值／ｋＪ・ｍＬ　３４．８９　ｌ　５．６８　３２．Ｏ３　３１．１３　３０．２３　含氧量／　Ｏ　５Ｏ　１１　１　２．９５　１４．９　

表２柴油机主要技术参数　直列单缸，４行程，　型式　强制风冷，自然吸气　

缸径／ｍｍ　８６　

行程／ｍｍ　７２　压缩比　１　９：１　排量／Ｉ　０．４１８　标定功率／ｋＷ　６．３　标定功率转速／ｒ・ｍｉｎ　３　６ＯＯ　供油提前角（ＢＴＤＣ）／（。）　ｌ７　燃烧室形状　“Ｊ型　试验时柴油机的结构参数不作调整，试验燃料　选定为柴油，生物柴油，ＢＭ５和ＢＭ１０。试验时固　定调速手柄位置，更换不同燃料，测量柴油机的动力　性参数；按照负荷特性的试验方法，测量了标定转速　３　６００　ｒ／ｍｉｎ时柴油机燃用不同燃料的油耗和排放。　

３试验结果与分析　３．１　动力性、经济性对比　表３示出了调速手柄位置相同时，柴油机燃用　不同燃料的输出功率数据。可以看出，与燃用柴油　相比，燃用甲醇生物柴油混合燃料ＢＭ５和ＢＭ１０　时，柴油机的功率明显降低。这主要是因为调速手　柄位置固定、转速相同时，循环喷油量保持不变，掺　入甲醇后，混合燃料的热值降低，输出功率降低。通　过调整喷油泵，增加循环供油量，燃用甲醇一生物柴　油混合燃料所造成的功率损失可以得到部分补偿。　图１示出３　６００　ｒ／ｍｉｎ时柴油机燃用不同燃料　能量消耗率随负荷变化的曲线。由图可见，与燃用　柴油相比，燃用生物柴油的能量消耗率略有降低。　随着混合燃料中甲醇掺混比例的提高，能量消耗率　逐渐增加。这是因为甲醇的汽化潜热较高，降低了缸　内燃烧温度，加之其低温着火性较差，不利于燃料完全　燃烧，所以生物柴油掺烧甲醇时能量消耗率会增加。　

表３调速手柄位置相同时柴油机输出的功率　转速／　功率／ｋＷ　柴油　生物柴油　ＢＭ５　ＢＭ１Ｏ　２　４ｏ０　５．１０　４．２４　３．８１　３．６３　０．５７　０．４ｏ　ｏ．２ｏ　１．４２　１．２７　１．ｏ７　ｏ．８２　３　ＯＯＯ　２．８５　２．８Ｏ　２．５９　２．３５　４．２８　４．Ｏ８　３．８６　３．４３　５．７０　５．５５　５．２３　４．７６　３　６００　６．３ｏ　６．１８　５．７２　５．０８　

图１　３　６００　ｒ／ｍｉｎ时能量消耗率随负荷的变化　３．２排放特性分析　３．２．１　Ｃ（）排放　图２示出了柴油机燃用不同燃料时Ｃｏ排放随　负荷的变化。由图可见，与燃用生物柴油相比，燃用　ＢＭ５和ＢＭ１０时，ＣＯ排放体积分数均明显升高，升　幅与甲醇的掺混比例成正比。燃用ＢＭ５和ＢＭ１０　时，ＣＯ排放体积分数的最大升幅出现在Ｐ　＝　１．５７　ｋＷ时。随着负荷增大，ＣＯ排放的升幅降低。　柴油机燃用甲醇一生物柴油混合燃料时，ＣＯ　排放升高，主要是因为甲醇的汽化潜热较高，降低了　缸内燃烧温度，由于ＣＯ的氧化主要经历以下反应，　即Ｃｏ＋ＯＨ—一ＣＯ　－＋－Ｈ，其氧化速率与反应温　车用发动机　２Ｏ１１年第１期　度成正比，Ｋｃｏ一６．７６×１０　・ｅ　“　，使得ＣＯ的氧　化反应受到一定程度的抑制，从而导致ＣＯ排放体　积分数升高。低负荷时，喷油量较小，过量空气系数　较大，甲醇的富氧优势难以发挥。此时，甲醇汽化潜　热较高导致缸内燃烧温度降低是ＣＯ排放升高的主　要原因；高负荷时，喷油量增加，过量空气系数减小，　燃烧温度升高，甲醇中的氧缓解了油气混合过浓区　域燃烧缺氧的状况，在一定程度上抑制了ＣＯ的生　成，所以标定工况时燃用ＢＭ５和ＢＭ１０的ＣＯ排放　体积分数升幅比低负荷时的有所减小。　图２　３　６００　ｒ／ｍｌｎ时ＣＯ排放随负荷的变化　３．２．２　ＨＣ排放　图３示出了柴油机燃用不同燃料时ＨＣ排放随　负荷的变化。由图可见，燃用ＢＭ５和ＢＭ１０时，ＨＣ　排放的变化趋势与ＣＯ排放类似，两者均随甲醇掺　混比例的提高而明显升高，ＨＣ排放的最大升幅　也出现在Ｐ　一１．５７　ｋｗ时，且随着负荷增大升幅　降低。　图３　３　６００　ｒ／ｍｉｎ时ＨＣ排放随负荷的Ｉ曼化　原因是甲醇沸点较低、汽化潜热大，易从喷雾油　束中蒸发出来，在油束外围与空气混合形成温度较　低、空燃比较大的燃油混合气，其中的燃料难以完全　燃烧，从而产生较多的ＨＣ排放ｌ｛ｊ　Ｊ。随着负荷的升　高，循环喷油量增大，油束外围混合气的过稀区域逐　渐缩小，加之缸内燃烧温度升高，有利于燃料完全燃　烧，所以标定工况时燃用ＢＭ５和ＢＭ１Ｏ，ＨＣ排放体　积分数的升幅要小于其他工况。　３．２．３　ＮＯ　排放　图４示出柴油机燃用不同燃料时，ＮＯ　排放随　负荷的变化。由图可见，燃用ＢＭ５和ＢＭ１０时，　ＮＯ　排放体积分数明显下降，均低于燃用生物柴油　和柴油时，随着混合燃料中甲醇掺混比例的提高，　ＮＯ　排放体积分数的降幅增大。　

里　、　

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图４　３　６００　ｒ／ｒａｉｎ时Ｎ（　排放随负荷的变化　根据Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ机理，Ｎｏ　主要产生于热力　ＮＯ　反应过程，其主要基元反应如下Ⅲ９　：　ｏ＋Ｎ２　Ｎ０＋Ｎ，　（１）　Ｎ＋Ｏ　Ｎ（）＋Ｏ，　（２）　Ｎ＋０Ｈ　ＮＯ＋Ｈ。　（３）　反应（１）描述了高温环境下火焰中的Ｏ原子攻　击Ｎ三Ｎ键的过程，由于其正向反应Ｎ　分解所需　的活化能Ｅ　一３１４　ｋＪ／ｍｏｌ，而逆向反应Ｅ一　＝０ｌ】　，　所以此反应必须在高温下才能进行，且反应速度较　慢，整个链式反应的速度也取决于此反应。生物柴　油掺烧甲醇后，因甲醇较高的汽化潜热降低了燃油　混合气的温度，进而降低了缸内燃烧温度，反应（１）　的正向反应受到抑制，整个链式反应的速度放慢，使　得ＮＯ　的生成量减少，排放体积分数降低。　３．２．４炭烟排放　图５示出柴油机燃用不同燃料时，烟度随负荷　的变化。由图可见，与燃用柴油相比，燃用生物柴　油、ＢＭ５和ＢＭ１０时，柴油机的排气烟度依次降低。　燃用ＢＭ１０时，中低负荷的排气烟度均不超过　０．１　ＢＳＵ，与燃用生物柴油时相比，降幅接近于　１．０　ＢＳＵ。　炭烟的形成过程见图６。燃料分子首先裂解产　牛Ｃ。Ｈ。和Ｃ。Ｈ。等小分子自由基，后经加成和环化　反应形成单环芳香烃（ＭＡＨｓ），生成的ＭＡＨｓ再通　过脱氢加乙炔等反应形成多环芳香烃（ＰＡＨｓ），　ＰＡＨｓ基团在高温缺氧条件下经过成核、碰撞和凝　结过程最终形成炭烟¨】　。生物柴油掺混甲醇后，排