| 生物柴油发动机燃烧特性与超细颗粒物排放特性研究 |
| 作者：方文 发布于：2019/12/24 14:27:20 点击量： |
摘要：在一台高压共轨柴油机上对比研究了生物柴油与柴油的燃烧与排放特性。结果表明：与柴油相比，1400r/min、小负荷时，生物柴油最大爆发压力基本相当，二次喷射导致峰值放热率增加，随着负荷增加，生物柴油最大爆发压力、峰值放热率低于柴油；负荷率小于40%时，生物柴油的快速燃烧期基本相当且后燃期明显缩短，负荷率高于40%时，生物柴油的快速燃烧期延长但后燃期大幅缩短，在整个负荷范围内生物柴油燃烧持续期明显缩短，放热更加集中；生物柴油小负荷时超细颗粒物排放数浓度略高，在中高负荷明显降低。 关键词：生物柴油； 高压共轨； 燃烧特性 ；超细颗粒物 1 引言
2016年末全国民用汽车保有量19440万辆（包括三轮汽车和低速货车881万辆），比2015年末增长12.8%[1]。汽车保有量的急剧增长引发能源紧缺、环境污染等社会问题[2-5]。近年来汽车排放对雾霾产生的影响日益显著。雾和霾区别在于水分含量：含水量达到90%的叫雾，低于80%的叫霾，80%-90%之间是雾和霾混合物[6]。雾霾以粒径0.003~100μm的多种成分的混合物形式存在，其粒子径因发生源而不同，在大气中的动态又因粒子径而不同，且在区域性和时间性上有很大变动[7]。气溶胶（aerosol）是由固体颗粒、液体颗粒或液体及固体颗粒悬浮于气体介质中形成的均匀分散体系。气溶胶中存在着大量的可吸入颗粒物(Inhalable Particles)，即空气动力学直径≤10μm的微粒。小于5μm的微粒可直接进入肺部使人致病，0.01μm(10nm)到0.1μm(100nm)粒径的微粒有50%会沉积在肺中造成肺部硬化[8]。通常将粒径小于0.1μm的微粒称为“超细颗粒物”或“纳米颗粒物”[8]。浙江大学呼吸疾病研究所、呼吸疾病国家重点实验室首次阐明了超细颗粒物诱导气道炎症和粘液高分泌的一种新机理，超细颗粒含有大量无机碳、重金属等有毒物质，很难被细胞自噬降解，增加了哮喘、慢阻肺和肺癌等呼吸道疾病的发病率和病死率[9]。因此，雾霾中的气溶胶，尤其是超细颗粒物对人体健康危害极大。
2017年国务院政府工作报告鼓励使用清洁能源汽车。除了新能源汽车（电动汽车），天然气、甲醇、乙醇及生物柴油等清洁能源都具有较大的发展空间。生物柴油是一种柴油机的清洁含氧代用燃料，其理化性质与柴油接近，一般以一定比例与柴油掺混使用[10,11]。国内外研究表明：大多数生物柴油主要组分为棕榈酸甲酯（C17H34O2, C16:0）、硬脂酸甲酯（C19H38O2, C18:0）、油酸甲酯（C19H36O2, C18:1）、亚油酸甲酯（C19H34O2, C18:2）和亚麻酸甲酯（C19H32O2, C18:3）五种物质[12,13]，其十六烷值分别为86、101、59、38和23[13]；不同原料生物柴油五种物质含量决定了其十六烷值的高低，对其相对柴油的着火特性以及绝热火焰温度产生重要影响，进而影响到NOX和碳烟排放；生物柴油含氧，可以通过OH来氧化碳烟或者直接氧化芳烃PAHs前驱物来降低碳烟排放[9,14]。餐饮废油生物柴油具有经济、社会、环境效益高的特点[15,16]，其回收利用对于替代矿物柴油、发展绿色循环经济具有重要意义。实验数据和模拟结果表明饱和度和氧含量是影响生物柴油发动机碳烟排放的主要因素。生物柴油含氧，可以抑制碳烟生成并提高氧化速率，其排放质量浓度低于柴油[17]。但是生物柴油超细颗粒物排放数浓度的相关研究较少。
鉴于餐饮废油作为生物柴油原料的优越性和超细颗粒物的极大危害性，本文以餐饮废油生物柴油为研究对象，基于燃烧过程分析，对比研究高压共轨柴油机燃用生物柴油与柴油的超细颗粒物排放特性。项目研究对车用生物质能利用、汽车污染物排放控制具有重要意义。
2 试验条件
2.1 发动机及测试仪器
试验在直列式、四冲程、电控、高压共轨YC6G270-30型柴油机上进行。其与测试仪器连接如图1所示。发动机主要参数如表1所示。试验使用洛阳凯迈生产的CW260电涡流测功机，可以自动测取发动机输出的有效功率、有效扭矩、燃油消耗率等多项有效性能指标，测试最大功率为260千瓦、最大扭矩为1395N·m、最高允许转速为7500r/min。原机1400r/min下控制策略为：40%负荷率以下为两次喷射（预喷+主喷），高于40%负荷率为一次喷射。
 图1 发动机与测试仪器连接
表1 试验发动机参数
 气溶胶粒径分布测量采用的是美国TSI公司生产的SMPS-3936气溶胶径谱仪。SMPS-3936由3大部分组成：静电分级器、凝结核粒子计数器和微机软件系统。其中静电分级器由撞击器、中和器和微分迁移率分级器组成。静电分级器对气溶胶进行粒径分级，凝结核粒子计数器测量气溶胶数量浓度，微机软件系统对整个测量过程进行控制和操作。SMPS-3936气溶胶径谱仪的测量原理是：采用电迁移技术测量粒径大小和分布。其主要部件是由两个同心圆筒组成的微分迁移率分级器，微分迁移率分级器是利用带电微粒在电场中因物理作用发生偏转，来筛分各个粒径的微粒。SMPS系统具有快捷、分辨率高、粒径范围宽等特点，其主要参数如表2。
表2 SMPS-3936气溶胶径谱仪主要参数
 2.2 试验燃料
表3 试验燃料主要理化指标
 2.3 试验工况
试验燃料为0#柴油，其主要理化指标如表3所示。试验在最大扭矩点1400-1600r/min范围内选择1400r/min下10.8%、21.8%、32.5%、55.0%、66.0%、76.8%、87.1%、100%负荷率进行颗粒物排放特性测试，并计算其特征参数。0.16MPa BMEP代表小负荷（负荷率为10.8%）；0.32MPa与0.48MPa代表部分负荷；0.81MPa、0.97MPa、1.13MPa代表中等负荷；1.28MPa与1.47MPa分别代表大负荷与满负荷。
3 结果与分析
3.1 不同工况生物柴油燃烧特性
  （a） 小负荷 （b） 中等负荷
（c） 中高负荷 （d） 大负荷
图2 生物柴油发动机缸内压力
图2分别为柴油机燃用BD100和D100在1400r/min下小负荷、中等负荷、中高负荷、大负荷的缸内压力曲线。可以看出：（1）在小负荷时，燃用BD100的最高爆发压力与D100近乎一致，没有明显变化，但是在中等、大负荷时，BD100的最高爆发压力基本略低于D100。分析原因：小负荷时，BD100含氧量较高，预喷阶段产生大量的活性自由基，促进混合气燃烧，使BD100燃烧过程较快。但BD100热值比D10低，燃烧产生的热量较少，综合影响使得缸内最高爆发压力与D100相比无明显变化。中等、大负荷下，由于BD100粘度大、蒸发性差，形成的可燃混合气量少，初期燃烧速度缓慢从而使最高爆发压力降低。
  （a） （b）
（c） （d）
图3分别为柴油机燃用BD100和D100在1400r/min下小负荷、中等负荷、中高负荷、大负荷的瞬时燃烧放热率曲线。可以看出：（1）在小负荷时，燃油喷射为两次喷射，对应预喷阶段和主喷阶段。而在中等、大负荷下为单次喷射；（2）小负荷时生物柴油十六烷值高，导致预喷阶段放热提前；中等、大负荷下，BD100和D100的燃烧始点几乎一致，缸内热力状态提高导致十六烷值对燃烧始点的影响弱化；（3）小负荷时，BD100的最大放热率比D100略高，BD100氧含量高，预喷阶段产生更多的活性自由基，加快燃烧速度从而使峰值放热率比D100高；（4）中、大负荷时，BD100的峰值瞬时放热率比D100略低，BD100粘度高，蒸发性差，可燃混合气雾化质量差，引起初期燃烧速度降低，导致最大瞬时燃烧放热率降低；（5）中、大负荷时，在上止点后20°CA左右BD100放热率低于D100，表明BD100放热较D100集中，初期BD100燃烧速度低，但是产生大量的活性自由基，加快了后期燃烧速度。 本文将累计放热量达到总放热量10%至50%对应的曲轴转角定义为快速燃烧期（CA50-CA10）；将50%至90%对应的曲轴转角定义为后燃期（CA90-CA50），CA90-CA10为燃烧持续期。原机1400r/min下控制策略为：40%负荷率以下为两次喷射（预喷+主喷），高于40%负荷率为一次喷射。由表4可知：小负荷时，BD100比D100快速燃烧期稍短，对应的曲轴转角小0.1°CA，这主要因为小负荷和部分负荷下，BD100含氧高，燃烧过程中产生的活性自由基比柴油多，加快燃烧速度，快速燃烧期略有缩短，而初期燃烧产生大量的活性自由基，又加快了后燃期燃烧，BD100后燃期也相应缩短；中、大负荷下，柴油机为单次喷射，BD100由于粘度大，蒸发性差，可燃混合气体雾化不良，导致燃初期燃烧速度变慢，快速燃烧期延长。而初期燃烧产生的大量活性自由基影响后燃期燃烧，BD100后燃期相应缩短。BD100燃烧持续期较D100明显缩短。 表4 转速1400r/min两种燃料燃烧阶段计算参数表
 3.2 不同工况超细颗粒物分布特性
  （a） （b）
  （c） （d）
图4 Sub-220nm超细颗粒物排放数浓度分布
图4为不同工况生物柴油与柴油Sub-220nm超细颗粒物排放数浓度分布。本文将颗粒物划分为成核模态粒子(＜50nm)、埃根模态粒子(50～100nm)和积聚模态粒子(100～220nm)，前两者即为超细颗粒物(UFP，粒径在100nm以下的颗粒物)。1400r/min、0.16MPa时，负荷率为12.5%，过量空气系数为5.01，柴油与生物柴油10～220nm粒径范围颗粒物（以下称总测试颗粒物：TTP）数目浓度呈双峰分布，峰值数浓度分别粒径依次为76.4nm、17.5nm。1400r/min、0.48MPa时，过量空气系数为2.63，柴油颗粒物数目浓度呈单峰分布，生物柴油颗粒物数目浓度呈双峰分布，峰值粒径依次为79.1nm、23.3nm。1400r/min，发动机负荷大于0.48MPa时，两种燃料颗粒物数目浓度均呈单峰分布，且生物柴油峰值粒径远小于柴油。
3.3 不同工况超细颗粒物特征直径
表5 生物柴油与柴油特征直径
 表5为生物柴油与柴油在不同工况下数浓度及体积浓度特征直径。可以看出：1400r/min下，在小、中、高负荷，BD100的数浓度及体积浓度中值直径、平均直径、几何平均直径均明显小于D100。这是由于生物柴油燃烧持续期缩短，放热集中，热效率提高所致。
3.3 超细颗粒物总浓度
  （a） （b）
图5 Sub-220nm超细颗粒物排放数浓度负荷特性
图5（a）和（b）分别为1400r/min和2000r/min下发动机燃用BD100和D100的Sub-220nm超细颗粒物数浓度负荷特性对比。由图可知：转速1400 r/min下，（1）随着负荷的增加，Sub-220nm数浓度先增加后减小，其中BD100和D100在负荷为45kW（BMEP=0.48MPa）时，浓度达到最大值，分别为5.43×104个/cm3和6.18×104个/cm3；（2）BD100的Sub-220nm超细颗粒物数浓度在小负荷时较D100高，在中高负荷明显较D100低。由燃烧特性研究可以得出，BD100燃烧持续期明显较D100低，放热更加集中，有利于提高热效率，燃烧更加完全，因此Sub-220nm超细颗粒物数浓度明显降低；（3）转速2000 r/min下，BD100数浓度在整个负荷范围内较D100低，这是因为转速升高，缸内气流运动加强，改善了混合气的形成质量，BD100含氧的优势得以充分发挥，超细颗粒物排放浓度明显降低。
4 结论
（1）小负荷预喷导致生物柴油最大爆发压力接近柴油，生物柴油在中高负荷时，最大爆发压力低于柴油；BMEP低于0.48MPa时，喷射策略为预喷+主喷，生物柴油的快速燃烧期与柴油基本相当，峰值放热率增加，后燃期明显缩短；BMEP高于0.48MPa时，喷射策略为一次喷射，生物柴油的快速燃烧期较柴油延长，峰值放热率降低，但是前期产生大量的活性自由基，加快了后期燃烧速度，生物柴油后燃期大幅度缩短。
（2）生物柴油燃烧持续期在整个负荷范围内较柴油缩短，表明生物柴油放热更加集中，有利于发动机热效率的提高。
（3）生物柴油数浓度及体积浓度中值直径、平均直径、几何平均直径均明显小于柴油。
（4）生物柴油超细颗粒物数浓度在小负荷时较柴油高，在中高负荷时较柴油明显降低；转速升高，生物柴油超细颗粒物数浓度在整个负荷范围内均明显低于柴油。
（5）柴油机燃用生物柴油可以显著降低超细颗粒物排放数浓度，有利于控制汽车排放对雾霾的高贡献率。
参考文献
[1] 中华人民共和国2016年国民经济和社会发展统计公报. 中华人民共和国国家统计局，2017年2月28日.
[2] 孙林. 汽车相关能源、环境和交通政策研究-混合CGE模型的构建与应用[M]. 上海:上海社会科学院出版社，2011.9.
[3] 王海良，秦振华. 乘用车燃料消耗量标准推进中国节能与新能源汽车的发展[J]. 交通节能与环保，2017，13(1)：1-6.
[4] Miao He, Jinsheng Zhou, Ling Liu. A study of supporting legal policies for improving China’s new energy automobile industry based on environmental benefits equilibrium-enlightenment from the environmental subsidies of Germany legal system. International journal o f hydrogen energy 42 (2017) 18699-18708.
[5] Sibo Chen. Selling the environment: Green marketing discourse in China׳s automobile advertising. Discourse, Context & Media, 2016, 12: 11-19.
[6] 顾为东. 中国雾霾特殊形成机理研究.宏观经济研究[J]. 2014（6）：3-7.
[7] 布和. 论大气雾霾的产生机理及防治对策. 环境工程[J].2016, 34:572-576.
[8]张元勋，杨传俊，陆文忠，杨永兴，张桂林，李燕. 室内气溶胶纳米颗粒物的粒径分布特征中国科学院研究生院学报[J].2007,24（5）：705-709.
[9] Impact of biodiesel on regulated and unregulated emissions, and redox and proinflammatory properties of PM emitted fromheavy-duty vehicles.
[10] M.F. Al_Dawody, S.K. Bhatti. Experimental and Computational Investigations for Combustion, Performance and Emission Parameters of a Diesel Engine Fueled with Soybean Biodiesel-Diesel Blends. Energy Procedia 52 ( 2014 ) 421-430.
[11] Luka Lešnik, Ignacijo Biluš. The effect of rapeseed oil biodiesel fuel on combustion, performance, and the emission formation process within a heavy-duty DI diesel engine. Energy Conversion and Management 109 (2016) 140-152
[12] Olivier Herbinet, William J. Pitz, Charles K. Westbrook. Detailed chemical kinetic mechanism for the oxidation of biodiesel fuels blend surrogate. Combustion and Flame 157 (2010) 893-908.
[13] C.K. Westbrook, C.V. Naik, O. Herbinet, W.J. Pitz, M. Mehl, S.M. Sarathy, H.J. Curran. Detailed chemical kinetic reaction mechanisms for soy and rapeseed biodiesel fuels. Combustion and Flame 158 (2011) 742–755.
[14] S. Senthur Prabu, M.A. Asokan, Rahul Roy, Steff Francis, M.K. Sreelekh. Performance, combustion and emission characteristics of diesel engine fuelled with waste cooking oil bio-diesel/diesel blends with additives. Energy 122 (2017) 638-648.
[15] Masoumeh Hajjari, Meisam Tabatabaei, Mortaza Aghbashlo, Hossein Ghanavati. A review on the prospects of sustainable biodiesel production: A global scenario with an emphasis on waste-oil biodiesel utilization. Renewable and Sustainable Energy Reviews 72 (2017) 445–464.
[16] Elisa Helena Siegel Moecke, Rafael Feller, Helia Alice dos Santos, Marina de Medeiros Machado, Anelise Leal Vieira Cubas, Ana Regina de Aguiar Dutra, Lucas Leonardo Vieira Santos, Sebastiao Roberto Soares. Biodiesel production from waste cooking oil for use as fuel in artisanal fishing boats: Integrating environmental, economic and social aspects. Journal of Cleaner Production 135 (2016) 679-688.
[17] Zhi Wang, Li Li, Jianxin Wang, Rolf D. Reitz. Effect of biodiesel saturation on soot formation in diesel engines. Fuel 175 (2016) 240-248.
责任编辑：张仲民
作者简介：方文：长安大学汽车学院博士研究生，主要从事内燃机燃烧与排放、交通运输节能减排的研究。
收稿日期：2019年3月5日
|
