生物柴油-乙醇和生物柴油-甲醇混合燃料排放特性研究*

李 江 朱 辉 孟 妮

（陕西工业职业技术学院汽车工程学院 陕西 咸阳 712000）

引言

鉴于能源危机和大气污染的压力，可再生的生物质燃料近年来成为研究热点。生物柴油作为一种可再生新型燃料，具备抗爆性好，能量密度高，降解性高等优点，有望成为石化柴油的替代品，对缓解能源短缺以及实现资源的可持续发展产生巨大的积极作用。但生物柴油也存在粘度过大、喷射雾化变差、导致燃烧不完全、热效率降低、碳烟排放升高等问题。甲醇/乙醇具有含氧量高、抗爆性好、凝点低、较好的冷却作用、良好的经济性等特性。本文通过添加甲醇/乙醇对生物柴油的部分理化特性加以改进，降低运动粘度，降低冷滤点等，使之尽可能接近市售柴油的理化性质；研究分析柴油机燃用生物柴油-乙醇，生物柴油-甲醇混合燃料的排放性能，对其实际排放性能做出评价和所存在的问题给予说明，对推广生物柴油的应用提供部分理论依据[1-5]。

1 试验条件[6]

1.1 燃料制备

试验选用无水甲醇（分析纯），西安化学试剂厂出品；生物柴油，汉中春光能源开发有限公司出品。为了将水分对实验结果的影响降低到最低程度，特对试验用生物柴油做水分测定，以保证使用合格的生物柴油。其水分测定结果如表1 所示。

表1 生物柴油水分测定

GB/T 20828-2007《柴油机燃料调和用生物柴油（BD100）》中对生物柴油的水分含量要求≤0.05%，而本次试验用生物柴油水分含量为0.047 5%＜0.05%，因此满足实验要求。

试验中所配制的混合燃料以“BXMX”和“BXEX”分别命名，其中“BX”代表生物柴油在混合燃料中所占体积分数，“MX”表示甲醇在混合燃料中所占体积分数，“EX”代表乙醇在混合燃料中所占体积分数，如“B95E5”即指混合燃料中生物柴油的体积分数为95%，乙醇的体积分数占5%。通过互溶性实验发现，甲醇与生物柴油的互溶性弱于乙醇，由于环境温度的不断变化，要想获得长期静置（大于30d）不分层、稳定性能承受温度变化（不低于燃料冷滤点）的混合燃料，掺入甲醇的体积比不能过高，实验结果认为甲醇体积分数大于20%在温度降低、长时间静置时会出现分层。故为了获得稳定的混合燃料，本次试验配制混合燃料如表2 所示，图1 是B90M10 室温静置30 d 以及低温下形态变化。

表2 试验所用的配制油 mL

从图1 可以看出，B90M10 在静置30 d 后，仍然清澈透明，未出现分层和浑浊现象，可以明显观察到烧杯刻度；在低温环境下（低于凝点温度）凝结未出现分层，温度升高融化成液态仍是稳定的清澈油液形态。通过互溶性结论可知，其他三种混合燃料必定也均有较好的稳定性，五种燃料的部分理化特性如表3 所示。

图1 B90M10 静置30 d 及低温形态变化

表3 试验用燃料部分理化特性

1.2 试验装置

试验采用发动机为一台单缸四冲程柴油机，具体参数如表4 所示，采用FST2C 电涡流测功机，TP-224 流量传感器，AVL 气体分析仪，AVL 不透光烟度计。试验选用B100、B95E5、B90E10、B95M5、B90M10，五种燃料按照1 500 r/min 下负荷特性的实验方法进行主要污染物排放的对比试验。

表4 发动机主要技术参数

2 试验结果及分析

2.1 CO 排放

柴油机在大多数工况下都是富氧燃烧，中间产物CO 会进一步被氧化为CO2，只有在发动机小负荷时，由于缸内温度较低，缸内紊流较弱，火焰传播速度缓慢和大负荷时由于混合气变浓，扩散燃烧加剧导致局部会出现缺氧现象，生成CO 图2 是五种燃料负荷特性下的CO 排放对比。

图2 五种燃料负荷特性下CO 排放对比

从图2 可以看出：1）在小负荷时，四种混合燃料与B100 相比，CO 排放并没有下降，反而稍有升高。这主要是由于缸内喷油量小，工质过稀，而醇特别是甲醇的汽化潜热大，导致缸内温度降低，其富氧的特点没有发挥出来，不利于CO 进一步被氧化。2）在大负荷时，CO 排放量增大，B100 的CO 排放量明显高于掺醇的混合燃料。这是因为在大负荷时，缸内混合气浓度大幅上升，过量空气系数变小，造成局部区域缺氧燃烧，CO 生成增多。但其他4 种混合燃料的CO水平略低于B100，这是醇类自身的高氧含量在此时发挥了作用，缓解了局部缺氧，抑制了CO 的生成，并且醇类的添加，燃料的运动粘度有所降低，雾化蒸发稍有改善，也促进了燃烧。

2.2 HC 排放

就柴油机而言，主要是混合气过稀，燃料雾化蒸发不良，缸内温度较低，反应不够及时，造成HC 的生成。图3 是五种燃料在负荷特性下的HC 排放对比。

图3 五种燃料负荷特性下HC 排放对比

从图3 可以分析得出：1）HC 的排放与CO 排放呈现类似规律，在小负荷时，缸内气流运动速度比较小且温度较低，热力状态不佳，加之醇类的汽化潜热高，使温度进一步降低，火焰传播速度减缓，燃烧反应不及时，从而导致HC 排放量较高。2）大负荷时HC 排放增加，这一点也是由于空气过量系数变小，出现局部缺氧所造成的，但掺醇形成的混合燃料HC排放的升幅较B100 稍小，这是由于醇类的高含氧量使燃烧加速，使整个反应能及时彻底地进行。

2.3 NOx 排放

NOx是内燃机废气中一切氮氧化物的总称。主要是在高温富氧、有相对充足的反应时间的环境下生成的。当过量空气系数λ 在一定范围内变化时，λ变小会引起NOx排放增大，当λ 过大或者过小时，NOx的排放都会保持一个较低水平。NOx与HC 在阳光下会发生一系列光化学发应，最后生成一些对人体危害更大的浅蓝色烟雾，其主要成分是醛、臭氧等。这些物质会造成人体呼吸困难、眼红咽痛，严重可致中枢神经损伤[7-9]。图4 是五种燃料负荷特性下的NOx排放对比。

图4 五种燃料负荷特性下NOx 排放对比

从图4 中可以看出：1）五种燃料的NOx排放量均随负荷的增大而增大，这一点很好解释，即负荷增大，缸内热力状态改善，温度和压力上升，高温环境促使了NOx的生成。2）由于乙醇/甲醇的添加量小，富氧环境体现不够突出，且乙醇/甲醇的较高汽化潜热会对缸内温度产生影响，有降低燃烧温度的作用。因此，4 种混合燃料的NOx排放量和B100 相比，没有明显的规律，在某一负荷点NOx排放量的大小由富氧和醇类对缸内温度的影响共同作用。3）B90M10的NOx排放量较B100 有轻微下降，形成这样结果的原因有以下几点：甲醇含氧量达50%，掺甲醇类后，混合燃料含氧量增加，燃烧速度加快，燃烧持续期缩短，高温环境持续时间缩短，抑制了NOx的生成；甲醇的汽化潜热是生物柴油的5 倍多，其在缸内由液体蒸发为气体要吸收较多的能量，从而使缸内温度出现下降，这种环境进一步抑制了NOx的生成。

2.4 碳烟排放

碳烟是碳氢化合物燃料在高温和缺氧的环境下燃烧生成的，其反应生成过程见图5。

图5 碳烟形成过程

图6 是五种燃料在负荷特性下的碳烟排放对比。

图6 五种燃料负荷特性下碳烟排放对比

从图6 中可以看出：1）随着负荷的增大，缸内工质逐渐由稀变浓，局部缺氧几率增大，特别是喷射油雾的核心极易缺氧，同时缸内温度升高，容易生成碳烟，所以烟度上升。2）掺混醇类后，碳烟排放明显下降，这主要得益于甲醇和乙醇的高含氧量、低粘度、易蒸发、汽化潜热大等特点。燃料较高的含氧量可以有效缓解分子缺氧裂解生成碳烟；较低的粘度有利于燃油喷射雾化、蒸发，使混合气更均匀；汽化蒸发，吸收周围大量的热量，降低燃烧温度，减小燃油局部裂解的概率；甲醇和乙醇的C/H 较生物柴油低得多，形成的混合燃料的总碳量下降。综上所述，掺醇形成的微乳燃料碳烟排放较B100 大幅下降，下降幅度随掺混比的增大而增大。

3 结论

与B100 相比，掺混甲醇/乙醇的混合燃料排放呈现出以下几点特性：

1）CO 的排放量在中高负荷较B100 低，掺甲醇比掺乙醇改善效果更好，小负荷并无改善。

2）在整个负荷范围内，掺醇的混合燃料HC 排放量都较B100 稍高，但在大负荷时，排放量升幅比B100 小。

3）四种混合燃料在整个负荷范围内NOx的排放量较B100 无规律，在某一负荷点NOx排放量由缸内富氧环境、温度以及高温环境持续时间共同决定，而B90M10 较B100，NOx的排放量出现轻微下降。

4）掺醇形成的混合燃料较B100 来看，碳烟排放量全线下降。