柴油机掺烧生物柴油NOx和Soot排放控制研究

郑佳，周斌，闫嘉楠，南靖雯

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

一个世纪以来，随着新材料、新工艺的应用以及设计水平的提高，汽车得到了长足的发展。随着汽车保有量的逐渐增加，能源问题和环境污染问题日益显现。汽车尾气成为城市空气的主要污染源，世界各国的汽车排放法规也越来越严。这使得替代燃油的研究越来越受到人们的重视。

生物柴油是指以植物油脂、动物油脂以及餐饮废油等为原料通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料，其物理化学性质与0号柴油相似，不同浓度的生物柴油-0号柴油混合燃料可以直接应用于压燃式内燃机[1]。生物柴油应用于柴油机的研究始于20世纪80年代。由于生物柴油的热值比0号柴油低，且自身含有10%的氧，燃用生物柴油-0号柴油混合燃料导致柴油机动力性能降低、燃油消耗率增加，在排放方面，导致NOx排放增加而其他排放有所改善[2-3]。综合考虑各方面的影响，多数学者认为生物柴油应用于柴油机的掺烧比应该在20%以内，同时也有学者指出生物柴油-0号柴油混合燃料对柴油机尾气排放影响的研究不完善，因此，最佳混合比例问题是该研究领域所讨论的热点[4]。

本研究运用GT-Power软件建立4JB1柴油机模型，在模型得到验证之后仿真计算柴油机燃用生物柴油-0号柴油混合燃料对NOx和Soot排放的影响，以及引入EGR对这两种排放物的影响。

1 仿真模型的建立

1.1 柴油机模型的建立

GT-Power软件是一维发动机仿真分析软件，可对发动机的各项性能进行模拟计算。本研究以排量为2.771 L的4JB1发动机为研究对象，发动机的主要技术参数见表1。根据柴油机的参数建立的GT-Power仿真模型见图1。

表1 柴油机主要性能指标

图1 柴油机整机模型

为验证模型的正确性，首先对比了柴油机外特性扭矩和燃油消耗率的试验值和计算值(见图2)。由对比结果可以看出，扭矩的最大误差为2.97%，燃油消耗率的最大误差为4.35%。

图2 试验结果与模拟结果对比

为保证模型缸内燃烧情况与柴油机真实燃烧情况一致，对比了柴油机标定工况点的缸压(见图3)。对比发现，计算结果与试验结果基本吻合。

图3 标定工况点缸压对比

柴油机排放的仿真值与试验值的对比见图4和图5。由图4可以看出，NOx排放的仿真结果较为合理。由于Soot排放模型是一个趋势预测模型，在建模过程中通常保证其趋势与试验值一致。由图5可以看出，仿真的Soot排放趋势与试验值的趋势一致。

通过以上分析得出，本研究所建立的模型和参数设置与柴油机实际运转情况基本吻合，可以运用该模型进行后续模拟计算。

图4 NOx排放对比

图5 Soot排放对比

1.2 生物柴油燃料模型的建立

生物柴油的主要性能指标和检验标准见表2，其生产原料为地沟油。

表2 生物柴油主要性能指标

在模型中生物柴油的密度、低热值以及C，H，O原子的比例等参数的设置见图6和图7。

图6 生物柴油主要参数设置

图7 生物柴油气态参数设置

完成生物柴油燃料模型设置后，在外特性下随机选取1 600 r/min工况点对模型进行验证，结果见表3。计算结果与试验值基本吻合。

表3 生物柴油模型验证

2 不同浓度混合燃料对柴油机排放的影响

B0，B10，B20，B30，B40 和 B50分别代表生物柴油体积分数为0%，10%，20%，30%，40%和50%的生物柴油-0号柴油混合燃料。首先研究了燃用不同浓度混合燃料对柴油机NOx和Soot排放的影响。由于不同浓度的生物柴油会造成柴油机输出扭矩不同程度的降低，因此，本研究都采用比排放量研究其排放特性。

2.1 对外特性排放的影响

图8示出燃用不同浓度混合燃料对柴油机外特性Soot排放的影响。由图可见，燃用混合燃料的Soot排放趋势与燃用B0燃料一致，低速时柴油机Soot排放较高，而高速时较低。这主要是由于高温、富油、缺氧的环境有利于炭烟生成。在低速时，柴油机缸内压力和空燃比低，喷入缸内的燃油与空气混合不均匀，导致局部缺氧，不利于充分燃烧。在高速时，柴油机空燃比大，油气混合均匀，燃烧充分，Soot排放较低。

图8 外特性Soot排放对比

生物柴油的加入使得柴油机Soot排放降低，且混合燃料中生物柴油的比例越大其降低幅度越大。这主要有3个方面的原因：一是生物柴油的含氧特性改善了缺氧严重的扩散燃烧，使燃烧更加充分；二是生物柴油汽化潜热大，降低了缸内最高燃烧温度，抑制了炭烟生成；三是生物柴油不含芳香烃，使得燃烧室内部过浓区高分子因高温缺氧裂解而产生的炭烟减少[5]。混合燃料中生物柴油的比例越大，油气混合物的含氧量就越高、芳香烃含量越低，其降低作用就越明显。在1 200 r/min时，燃用B10，B20，B30，B40 和 B50混合燃料比B0的Soot排放分别降低了8.02%，13.11%，18.48%，26.72%，34.31%。从图中可以看出，随着转速的增加，生物柴油对柴油机Soot排放的降低作用越来越弱。这主要是因为随着转速的增加，发动机空燃比逐渐增大，生物柴油含氧这一优势被削弱。在3 000 r/min后，由于生物柴油对Soot生成的降低作用小于对扭矩输出的降低作用，使得混合燃料的Soot比排放相对于B0稍有增加。

图9示出燃用不同浓度混合燃料对柴油机外特性NOx排放的影响。由图可见，燃用混合燃料的NOx排放趋势与燃用B0燃料一致，低速时柴油机NOx排放量较少，而高速时较多。影响NOx生成的主要因素是温度、过量空气系数和在高温中滞留的时间。低速时，空燃比、缸内压力和温度较低，不利于充分燃烧。高速时，由于空燃比大、缸内压力和温度高等有利于NOx生成的因素存在，NOx排放高。

图9 外特性NOx排放对比

生物柴油的加入使得NOx排放增加，且混合燃料中生物柴油的比例越大NOx排放增加幅度越大。这主要有两个方面的原因：一是生物柴油为含氧燃料，生物柴油的加入使得燃烧区域的氧浓度提高，有利于NOx生成；二是生物柴油十六烷值较高，滞燃期短，着火时刻早，能较早触发NOx生成[5]。混合燃料中生物柴油的比例越大，燃料中含氧量越大、十六烷值越高，增大NOx排放的作用越明显。在柴油机的最大扭矩输出点2 000 r/min时，燃用B10，B20，B30，B40 和 B50混合燃料比B0的NOx排放分别增加了1.28%，2.66%，4.05%，5.55%和7.09%。

2.2 对负荷特性排放的影响

柴油机的扭矩在1 800 r/min时达到最大，且该转速为发动机常用转速，因此，本研究对柴油机该转速的负荷特性进行研究。图10示出燃用不同浓度混合燃料对柴油机1 800 r/min负荷特性Soot排放的影响。由图可见，燃用混合燃料的Soot排放趋势与燃用B0燃料一致，随着负荷的增加Soot排放逐渐增大。生物柴油的加入使得Soot排放降低，且混合燃料中生物柴油的比例越大其降低幅度越大。

图10 1 800 r/min负荷特性Soot排放对比

图11示出燃用不同浓度混合燃料对柴油机1 800 r/min负荷特性NOx排放的影响。由图可见，燃用混合燃料的NOx排放趋势与燃用B0燃料一致，随着负荷的增加，NOx排放逐渐降低。生物柴油的加入使得NOx排放增加，且混合燃料中生物柴油的比例越大其增加幅度越大。

图11 1 800 r/min负荷特性NOx排放对比

3 NOx和Soot排放控制研究

在转速1 800 r/min，不同负荷下，研究柴油机燃用不同浓度混合燃料时EGR对NOx和Soot排放的控制作用。

3.1 EGR对柴油机扭矩输出的影响

为了防止EGR的引入造成柴油机扭矩输出恶化，首先研究了柴油机在1 800 r/min，不同负荷情况下EGR率对柴油机扭矩输出的影响，结果见图12。由图可见，在中小负荷时，EGR的引入对扭矩输出的影响较小，在全负荷时，EGR的引入会造成扭矩输出的恶化。这一特性与孙剑涛学者的试验结果一致[6]。因此，以下针对1 800 r/min中低负荷工况，研究生物柴油结合EGR对柴油机NOx和Soot排放的影响。

图12 EGR对柴油机扭矩的影响

3.2 生物柴油结合 EGR 对 NOx 排放的影响

图13示出1 800 r/min，80 N·m工况点，不同浓度混合燃料结合不同EGR率对柴油机NOx排放的影响。在同一浓度混合燃料下，随着EGR率的增大，NOx排放逐渐降低。在相同EGR率下，柴油机NOx排放随着混合燃料中生物柴油体积分数的增大而增加。EGR的引入使缸内混合气产生以下变化：一是稀释了混合气，降低了气缸中的氧浓度；二是使进气中的CO2和水蒸汽等三原子分子气体增加，缸内工质比热容增大，降低了缸内最高燃烧温度和压力；三是使进气中CO2等惰性气体增加，又相应减少了N2含量。这三方面的因素都促使NOx排放减少[7]。

图13 生物柴油结合EGR对NOx排放的影响

表4示出不同浓度混合燃料结合不同EGR率时，柴油机NOx排放相对于原机的变化率。从表中可以看出，对于同一浓度混合燃料，随着EGR率的增大，其NOx排放逐渐由高于原机变为低于原机。

表4 NOx排放相对原机的变化率 %

3.3 生物柴油结合 EGR 对 Soot 排放的影响

图14示出1 800 r/min，80 N·m工况点，不同浓度混合燃料结合不同EGR率对柴油机Soot排放的影响。EGR的引入稀释了进气新鲜充量，降低了缸内氧浓度，同时也影响了空气与燃油混合，局部缺氧区域增多，燃料燃烧不充分，使得柴油机Soot排放增加。因此，在同一浓度混合燃料下，随着EGR率的增大，Soot排放逐渐增加。但含氧生物柴油的加入提高了缸内含氧量，弥补了其不足。因此，在相同EGR率下，柴油机Soot排放随着混合燃料中生物柴油体积分数的增加而降低。

图14 生物柴油结合EGR对Soot排放的影响

表5示出不同浓度混合燃料结合不同EGR率，柴油机Soot排放相对于原机的变化率。从表中可以看出，对于同一混合燃料，随着EGR率的增大，其Soot排放逐渐由低于原机变为高于原机。

表5 Soot排放相对原机的变化率 %

3.4 NOx和Soot排放控制研究

对表4和表5进行插值处理可以得到每种燃料Soot排放和NOx排放与原机排放相等时的EGR率，结果见图15。从图中可以看出，两条曲线趋势基本一致，且两条曲线比较接近。当EGR率在两条曲线之间取值时，可使柴油机NOx和Soot排放都控制到与原机相当。

图15 1 800 r/min，80 N·m工况点综合影响

按照同样的方法可以算出1 800 r/min，120 N·m和1 800 r/min，160 N·m工况点，不同浓度混合燃料NOx和Soot排放与原机相等时的EGR率，其结果分别见图16和图17。在1 800 r/min，120 N·m工况点(见图16)，两条曲线比较接近，当EGR率在两条曲线中间取值时，可使柴油机NOx和Soot排放都控制到与原机相当。

图16 1 800 r/min，120 N·m工况点综合影响

在1 800 r/min，160 N·m工况点(见图17)，当生物柴油的体积分数大于30%时，两条曲线的差值较大。因此，在该工况点仅当生物柴油体积分数在30%以内时才可以通过调节EGR率的大小使柴油机NOx和Soot排放都控制到与原机相当。

图17 1 800 r/min，160 N·m工况点综合影响

通过以上分析可以得出：在1 800 r/min，80 N·m和1 800 r/min，120 N·m工况点，生物柴油在体积分数小于50%时以任意比例与柴油掺烧，可通过调节引入EGR率的大小使柴油机的NOx和Soot排放都控制到与原机相当；在1 800 r/min，160 N·m工况点，生物柴油在体积分数小于30%时与柴油掺烧，通过调节引入EGR率的大小可使柴油机的NOx和Soot排放都控制到与原机相当。

4 结论

a) 燃用生物柴油-0号柴油混合燃料会使柴油机NOx排放增加，Soot排放降低，且生物柴油体积分数越大其效果越明显；低速时生物柴油降低Soot排放的效果较高速时明显；

b) 在1 800 r/min中低负荷工况点，生物柴油以大比例(50%以内)掺混应用于柴油机，通过调节EGR率的大小可使NOx和Soot排放都控制到与原机相当；

c) 在1 800 r/min较高负荷工况点，生物柴油以较低掺混比例(30%以内)应用于柴油机，通过调节EGR率的大小可使NOx和Soot排放都控制到与原机相当，掺混比例过高则不行。

参考文献：

[1] Ramadhas A S,Jayaraj S.Characterization and effect of using rubber seed oil as fuel in the compression ignition engines[J].Renewable Energy,2005,30(5):795-803.

[2] Al Dawody M F,Bhatti S K. Experimental and Computational Investigations for Combustion,Performance and Emission Parameters of a Diesel Engine Fueled with Soybean Biodiesel-Diesel Blends[J].Energy Procedia,2014,52:421-430.

[3] 张珂.生物柴油混合燃料对重型柴油机燃烧及排放的影响规律[D].长春：吉林大学,2009.

[4] Labeckas,Gvidonas.Performance of direct-injection off-road diesel engine on rapeseed oil[J].Renewable Energy,2006,31(6):849-863.

[5] 何金戈,童开,肖明伟,等.地沟油生物柴油-柴油混合燃料燃烧特性和排放特性的试验研究[J].科学技术与工程,2014,14:261-265.

[6] 孙剑涛.增压中冷车用柴油机EGR技术试验研究[D].长春：吉林大学,2004.

[7] 毕克刚.富氧进气结合EGR技术对增压柴油机排放的试验研究[D].昆明：昆明理工大学,2010.