精制生物油和柴油混合燃料的柴油机性能

麻 剑，谢 阳，罗麒元，许沧粟

（浙江大学 动力机械及车辆工程研究所，浙江 杭州310027）

我国拥有大量以纤维素、半纤维素及木质素等为主要成分的农林业废弃物［1］，这些生物质大多以燃料形式直接燃烧，不仅热效率低造成浪费，而且田间焚烧秸秆等产生的浓烟会对大气环境造成严重污染［2］.

快速热裂解技术能够将生物质转化为高品位、方便储运和使用的液体燃料，具有广阔的应用前景，通过加工改性的精制生物质热裂解油可以作为汽柴油的代用燃料以缓解石油短缺的危机［3-4］.世界各国已对100 多种农林业废弃物，如玉米秸秆、红橡木屑、桉树皮等进行了热裂解实验与生物油的生产，加拿大Dynamotive公司的流化床反应器更已拥有8 000kg／h的生物油生产能力［5］.国内，浙江大学率先引进流化床热裂解工艺并首次使用分子蒸馏技术实现生物油的高效分离，中国科技大学于2007年通过产学研合作在合肥建成了国内第一套生物质热裂解产业化示范装置等［6-7］.我国生物质快速热裂解技术经过近20年的发展，生物质热裂解油的制取与品位提升技术日趋成熟［8］，相对而言，精制生物质热裂解油在动力机械上的应用研究仍很欠缺.

本文基于精制生物质热裂解油掺混0＃柴油获得的混合燃料，利用燃烧分析仪、FTIR 红外光谱分析仪等设备，在一台四缸柴油机上进行了性能试验研究，分析内容包括发动机的动力性能、经济性能及各项排放性能.

1 试验方法与装置

1.1 试验用燃料

由于目前精制生物质热裂解油中微量成分很复杂，对燃烧的影响机理有待进一步研究.试验用的精制生物质热裂解油是根据其主要成分（不考虑质量分数1%以下的成分）的比例由分析纯的单质配制的模型油，模型油中各成分的质量分数如表1所示.在0＃柴油中掺混上述模型油制备试验用的混合燃料，其中，模型油体积分数为10%、20%的混合燃料分别简称为B10、B20，纯柴油简称B0.混合燃料配制完成后在常温下静置24h未出现分层现象.柴油与模型油的部分理化特性对比如表2所示.

表1 模型油中各成分的质量分数Tab.1 Compositions of simulated bio-oil

1.2 试验用发动机与测试装置

试验用机为新柴490B 柴油机，该型柴油机的技术性能参数如表3所示.柴油机控制与动力性能、经济性能测试装置包括GW160型电涡流测功机、普联FC2000发动机测控系统、DEWETRON 燃烧分析系统（配套的Kistler曲轴信号传感器与缸压传感器的测量误差分别在±0.01°与±0.03 MPa内）等，排放测试装置包括NHT-6型不透光度计（示值误差为±2%）、AVL SESAM FTIR 红外光谱多组分分析仪（相对误差＜1%）等.

表2 0＃柴油与模型油的部分理化特性Tab.2 Properties of simulated bio-oil and 0＃diesel fuel

表3 新柴490B型柴油机主要技术性能参数Tab.3 Main technical parameters of XinChai490B diesel engine

在不改变柴油机参数的情况下，试验工况包括发动机外特性与2 000r／min（最大扭矩转速）处的负荷特性，负荷比分别为10%、25%、50%、75%、100%.试验过程控制柴油机冷却水温度、机油温度为75～85 ℃和85～92 ℃.通过试验记录3种燃料的动力性能、经济性能及各项排放性能等数据.

2 实验结果和分析

2.1 动力性

如图1所示为3种燃料外特性下有效功率Pe随转速n的变化曲线对比.从图1可见，混合燃料的功率随转速的变化趋势与纯柴油相同，但相同转速下B10、B20的功率相对纯柴油有一定下降，下降幅度分别达到3%、7%左右，主要原因在于模型油的低热值比柴油小很多.

图1 3种燃料外特性下的功率对比Fig.1 Engine power performance for test fuels at full-load

如图2（a）所示为2 000r／min处25%负荷比的示功图.图中，φ 为曲轴转角，p 为缸内压力.从图2可以看出，B10、B20的急燃期始点相对B0 分别延迟约1°、3°，缸内最大压力相对B0分别下降约2%、10%.急燃期的最大压力升高率B0、B10与B20分别为0.29、0.31、0.23 MPa／（°）.

如图2（b）所示为100%负荷比时，B10的急燃期始点与B0 相当，而B20 相对延迟2°左右，B10、B20 的缸内最大压力相对B0 分别上升2.5%、8.5%左右.急燃期的最大压力升高率B0、B10 与B20分别为0.61、0.7、0.83 MPa／（°）.

图2 3种燃料2 000r／min处的示功图Fig.2 Indicator diagram for test fuels at 2 000r／min

模型油的汽化温度低、汽化潜热高，导致燃烧过程缸内温度较低，延长了混合燃料的滞燃期.此时，混合燃料缸内预混燃烧的比例增加，模型油的燃烧速度较快，综合作用下，在中高负荷工况中，燃用混合燃料时的缸内最高压力及最高压力升高率相对燃用纯柴油时上升明显.

2.2 经济性

由于模型油的低热值比柴油小很多，为了探究模型油对柴油机有效热效率的影响，将混合燃料的油耗率折算成能量等值的柴油消耗率的当量油耗率bBSEC，分析3种燃料在外特性及2 000r／min处负荷特性下的经济性表现，如图3所示.

混合燃料当量油耗率的计算公式［9］如下：

式中：bBSFC为质量油耗率，ρSD 为混合燃料的密度，VS、VD分别为模型油与柴油所占混合燃料的体积比，HVS、HVD为模型油与柴油的体积低热值，HMD为柴油的质量低热值.

在总体变化规律相似的情况下，掺混模型油的混合燃料在高负荷工况中的燃烧效率高于纯柴油.原因在于混合燃料的滞燃期长，增加了预混燃烧的比例，并且模型油自含氧、燃烧速度快的特点改善了扩散燃烧过程的放热速率.在低负荷工况中，缸内温度受模型油的汽化影响较大，B20的当量油耗率上升明显.

图3 3种燃料的当量油耗率对比Fig.3 Brake specific energy consumption for three test fuels

2.3 排放

本试验采用的傅氏变换红外光谱多组分分析仪（FTIR 测试仪）具有很高的分辨率与灵敏度，可以同时对柴油机尾气中的多个组分进行快速测试，非常适合发动机排气中低浓度的非常规排放分析［10］.

2.3.1 烟度排放 如图4所示为3种燃料外特性下柴油机尾气不透光度N 的对比情况.可以看出，3种燃料在不同转速工况中的烟度排放无一致规律，但总体水平相差不大.对比B10、B20可以看出，模型油掺混比例高的混合燃料不透光度有所下降，B20相对B10的降幅达到10%左右.模型油一方面作为含氧燃料，能够降低烟度排放；另一方面因汽化潜热大，缸内平均温度较低等特点，颗粒物燃烧不充分，烟度排放增加.这些因素的综合作用导致混合燃料烟度排放规律与柴油烟度排放规律难以直接对比，尚须更多的研究.

图4 3种燃料外特性下的不透光度对比Fig.4 Smoke opacity for three test fuels at full-load

2.3.2 CO 排放 如图5所示为外特性（以FL 表示）和2 000r／min处负荷特性（以PL表示）下柴油机CO 排放随有效功率Pe的变化曲线.可以看出，B10、B20在高负荷工况中CO 排放明显低于B0，部分转速处CO 排放只有B0 的50%左右.这是因为模型油具有含氧、黏度低、雾化好等特点，且混合燃料的滞燃期较长，缸内预混相对充分，使得混合燃料在负荷较高时相对纯柴油燃烧更完全.在低负荷工况中，缸内温度受模型油的影响较大，B10、B20 的CO 排放质量分数增加.

图5 3种燃料CO 排放对比Fig.5 Engine CO emissions for three test fuels

图6 3种燃料NOx 排放对比Fig.6 Engine NOxemissions for three test fuels

图7 3种燃料排放NO／NOx对比Fig.7 NO／NOxratio for three test fuels

2.3.3 NOx排放 从图6 可以看出，外特性下高转速工况中B10、B20 的NOx排放质量分数比B0略低或与B0持平，而在低转速时比B0高.结合图7中3种燃料NO 排放占NOx排放的比例可以看出，由于外特性工况中过量空气系数相对较小，模型油汽化吸热降低缸内温度的特点导致在循环供油量最大的外特性下3 000r／min工况中B0的NOx排放质量分数高于B10、B20，而自身含氧、延长混合燃料滞燃期使缸内混合充分等特点则导致较低转速工况中B10、B20的NOx排放质量分数上升.可以看出，外特性下NO 排放占NOx排放的比例随转速的不同而略有变化，但都在95%左右.

如图6、7所示，在2 000r／min处负荷特性下，负荷比小的工况中B10和B20的NOx排放质量分数明显优于纯柴油，只有纯柴油的70%～75%.可见，此时缸内温度的影响对NOx生成的作用占主导地位.同时，3种燃料NO 排放占NOx排放的比例随负荷比变化的规律有差异，负荷比大于10%的试验中，B10的值最高.

2.3.4 其他非常规排放 甲醛的生成主要来自未燃HC的部分氧化，生成区域包括缸内与排气管道中.从图8可以看出，负荷比较高的工况中B0的甲醛排放明显高于B10、B20，这是因为此时缸内温度总体较高，而掺混模型油的混合燃料由于缸内燃料预混较好且急燃期反应速度快，缸内温度比燃用纯柴油时高，甲醛生成较少.B0 与B10、B20 在2 000 r／min处负荷特性下的甲醛排放规律不同：混合燃料在负荷较低时因缸内温度下降导致甲醛排放增加，整体呈现排放量随负荷比的增加而逐渐下降的趋势；纯柴油在中等负荷工况中出现甲醛排放的最低点，这可能是因为高负荷工况中排气管温度较高，且此时排气含氧量较低，导致了甲醛排放的上升.

总的来说，HC 排放与燃油雾化及缸内温度有很大关系.从图9可以看出，3种燃料的丙烯排放较少，外特性下无明显规律，而2 000r／min处负荷特性下，只在全负荷时，B10、B20的丙烯排放质量分数相对B0低，其他负荷比工况中都比B0高.

如图10 所示为3 种燃料的非甲烷类HC（NMHC）排放对比.可以看出，纯柴油在外特性下的NMHC 排放都明显高于混合燃料，达到混合燃料的4、5倍.在高负荷工况中，B10、B20自含氧、滞燃期长且急燃期放热快等特点使HC 类排放减少，而在低负荷下，受到缸内温度的影响，混合燃料的丙烯与非甲烷类HC上升明显；当负荷下降时，B20的NMHC排放较B10有明显的增加.

图8 3种燃料HCHO 排放对比Fig.8 Engine HCHO emissions for three test fuels

图9 3种燃料C3H6 排放对比Fig.9 Engine C3H6emissions for three test fuels

图10 3种燃料NMHC排放对比Fig.10 Engine NMHC emissions for three test fuels

3 结 论

（1）模型油低热值比0＃柴油小，在不改变柴油机参数的情况下，B10和B20外特性下输出功率相比B0略有下降，但是混合燃料滞燃期延长，高负荷工况中B10和B20的最大压力升高率相比B0增加15%以上.

（2）从当量油耗率角度分析可知，混合燃料在中高负荷下经济性能较纯柴油高，外特性试验中B10和B20的当量油耗率相比B0平均下降7%左右.在低负荷工况中，B20缸内温度较低使当量油耗率相对B10和B0上升更明显.

（3）混合燃料自含氧及滞燃期长而燃烧持续期短等特点使得HC类排放在中高负荷下较纯柴油优势明显.外特性下NMHC 排放只有纯柴油的25%左右，其他不完全燃烧产物，如CO、HCHO，在高负荷下明显降低.在烟度排放方面，外特性下B20 的不透光度相对B10的降幅达到10%左右.

值得一提的是，精制生物质热裂解油在燃烧过程中不额外增加大气中的CO2，是环保的低碳燃料.

（

）：

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