高寒地区单缸柴油机燃用生物柴油的排放研究

（内蒙古工业大学能源与动力工程学院 内蒙古 呼和浩特 010051）

引言

生物质柴油有绿色、环保、可再生能力强的特点，并能直接用于柴油机上，因此在全球引起了较高的重视并迅猛发展。关于高寒低压的高原地理环境导致发动机动力性和经济性变差的问题，国外研究较早，近几年国内学者也展开研究[1-4]。北京理工大学余林啸等人[5]研究得出生物柴油高海拔地区使用生物柴油使得着火时刻提前并降低预混燃烧阶段比例，PM、HC 及CO 的排放量随海拔升高而减少，海拔高度对NOx排放量影响不大。内蒙古工业大学的郑培教授等人[6-7]在内蒙古高原和模拟平原条件下进行生物柴油与35 号柴油的动力性和经济性试验，得出高原环境下发动机燃用生物柴油的转矩、功率和油耗也相应增加。目前降低发动机污染物排放的技术方案主要包括前处理技术、基于新燃烧理论的缸内净化技术和尾气后处理技术3 部分[8]，每一种技术措施在降低某种排气成分时效果有限，通过改变喷射策略分析柴油机排放性能具有重要意义

1 高原地区生物柴油与柴油排放性研究

内蒙古高原平均海拔在1 000～1 500 m 之间，平均气压88 000～89 000 Pa，平均气温8～21 ℃。因此依据发动机技术参数，设定模型转速1 500 r/min，初始进气温度8 ℃，初始气压89 000 Pa，缸壁温度160 ℃，活塞顶温度280 ℃，缸盖温度250 ℃，喷油温度68 ℃。

高原地区柴油和纯生物柴油在曲轴转角-9.5°CA、19.5°CA、和29.5°CA 下的SOOT 和NOx浓度场分布如图1 所示。

图1 高原地区柴油和生物柴油的NOx 和SOOT 浓度场分布（单位：kg）

SOOT 的生成条件是高温缺氧，NOx的生成条件是高温富氧，呈此消彼长的趋势。如图1 所示，因为生物柴油中含有氧原子，因此相较柴油而言，碳烟成分有比较明显的降低，但是排放物中的氮氧化物含量会增加。在9.5°CA 时刻碳烟和氮氧化物排放物集中于油束附近区域，说明在预混合燃烧阶段就开始生成。在19.5°CA 时刻NOx和SOOT 开始大量生成，主要集中于燃烧室凹坑位置和气缸间隙。NOx在低温反应阶段就开始生成，迅速生成后基本稳定，但是由于缸内氧含量降低导致碳烟得不到充分燃烧。因此高寒环境下氮氧化物排放量逐渐减少，SOOT 因不能被充分氧化导致排放恶化

2 油束夹角对缸内排放特性的影响

如图2 所示，随着喷射锥角增大，生物柴油碰壁面积和碰壁量增大，燃料雾化水平提高使得油束与空气混合充分，氧化反应加快，且壁面温度高能更早引燃燃料并充分燃烧。随着曲轴转角增大，氧化反应速度降低，排放物生成量减少。NOx的生成条件是高温富氧，SOOT 的生成条件是高温缺氧，生物柴油的富氧性导致NOx生成量大幅提高，在158°油束夹角下使得缸内湍流和扰动速度加快，缸内温度迅速提高，因此NOx排放量最大。随着曲轴转角的增加，NOx排放量维持稳定。NOx和SOOT 的此消彼长关系使得碳烟排放相对降低，但是158°油束夹角下燃烧室中心利用率降低导致燃烧性下降，SOOT 的排放量又小幅度升高。

图2 不同油束夹角的缸内排放对比图

3 结论

1）高寒条件下燃用生物柴油燃料，缸内碳烟浓度有比较明显的降低，但是排放物中的氮氧化物含量会增加。随着曲轴转角的增加，生物柴油的氮氧化物排放量逐渐减少，SOOT 排放恶化。

2）对于与样机同类型的柴油机而言，在高寒环境下尽量不改变发动机整体结构，通过改变喷油器的油束夹角实现优化燃烧过程并降低排放，样机的NOx随着油束夹角的增大呈上升趋势最后趋于稳定，SOOT 排放随着油束夹角的增大呈下降趋势。