生物柴油是通过对植物油以及动物脂肪进行酯化反应，制备出来的一种被认为是环保的生质燃料^[1-2]。与传统柴油相比，生物柴油具有一定的属性优势，如高闪点、可生物降解性、高十六烷值等。同时，也具有可再生性，可生物降解性和潜在的环境效益。但动力性和经济性下降，NO_x排放略有增加^[3-5]。与常规柴油相比，生物柴油的滞燃期较短, 预混燃烧比例较小，最大爆发压力降低，燃烧终点推迟^[6-7]。由于生物柴油与石化柴油理化性质相似，并且可以与柴油以任意比例混合^[8-9]，因此，生物柴油可以在不改变柴油机结构的前提下，获得与柴油接近的动力性能和比柴油优越的排放性能^[10-11]。

船舶不仅是提供物流、客运、商贸的重要载体，也是国家国防的重要手段之一。数据表明，全世界超过90%的国际贸易与大型远洋船舶运输有关^[12]。柴油机作为大型船舶的主要动力装置之一，具有燃油消耗高，运行周期长，有害物质排放量高的3个典型特征。与车用柴油机相比，船舶上的柴油机具有较高的环境污染潜力^[13-14]。本文通过对某典型船用柴油机台架上的试验与排放物试验，结合燃料理化特性测试，以此研究燃用小比例生物柴油对柴油机排放特性的影响，同时对生物柴油在船用柴油机上的推广使用进行研究。

1 试验系统和方案 1.1 试验仪器及方法

本试验用发动机台架为一台上海柴油机厂生产的G128Zca型直列6缸机械泵式增压中冷船用柴油机，该柴油机在中国内河船舶上应用广泛，具有典型代表性，该型发动机长、宽、高尺寸分别为1 730 mm、845 mm和1 300 mm。缸径为135 mm，冲程150 mm，在1 500 r·min^-1额定转速时，发出额定功率164 kW，额定燃油消耗率为238 g·(kW·h)^-1。

本次排放特性实验，采用柴油机台架结合可移动式排放测试系统测试的方法进行。测试系统由气态物测试模块与颗粒物测试模块组成。

气态污染物排放检测设备为美国SENSORS公司生产的SEMTECH ECOSTAR气体模块。该模块由一系列具有独立功能、即插即用的子模块组成，包括：SEMTECH-HTF排气流量管与加热采样系统；SEMTECH-FEM燃油经济性分析仪；SEMTECH-NO_x氮氧化物分析仪；SEMTECH-FID总碳氢分析仪。

颗粒物测试设备为美国SENSORS公司生产的SEMTECH MPS等比例稀释系统和美国TSI公司的EEPS-3 090颗粒物粒径分析仪，检测范围是5.6~560 nm。

四通道膜采样器分别采集1张特氟龙膜和1张石英膜，用于分析颗粒质量PM、OC碳和EC碳。采样后利用DRI 2 001 A热/光碳分析仪，按照IMPROVE分析程序，采用热光反射法(TOR)测量分析OC碳和EC碳。

1.2 试验燃料和试验方案

测试发动机分别在使用纯柴油(100% Diesel，D100)和10%混合比例的餐厨废弃油脂制生物柴油混合燃料(10% Biodiesel，BD10)的状态下开展测试。

生物柴油的理化指标由上海市石油化工产品质量监督检验站测试。表 1为D100和BD10生物柴油的理化指标测试结果。

柴油机试验按推进特性选取典型工况，分别为负荷25%、50%、75%、100% 4个工况点，基本涵盖了船舶航行时，推进柴油机的重要运行工况点。通过采集柴油机性能和排放数据，分析掺烧生物柴油对内河船用柴油机常规排放的影响。在这些工况点下，柴油机的具体特性参数见表 2。

2 结果与讨论 2.1 二氧化碳CO₂

图 1所示为测试发动机燃用D100和BD10的排放浓度、单位时间、单位油耗和功基CO₂排放因子。CO₂排放浓度和单位时间排放因子随着负荷的上升而上升。功基CO₂排放因子和单位油耗排放因子随着负荷的上升先降后升，当75%负荷时CO₂排放因子小。说明75%负荷时发动机的热效率最高，单位碳排放输出的功率最多。

比较燃用BD10和D100时的CO₂排放特性可以看到，较D100燃用BD10后25%、50%、75%、100%功率点的CO₂分别下降了0.6%、1.8%、2.3%、3.5%。可以看出，随着功率的上升CO₂的下降幅度也增大。这主要由以下2方面原因造成：1)燃料的密度上升导致燃料的声速加快，也就是加快了燃料在介质中的传播速度，因而导致实际喷油始点提前，燃烧的提前最终导致热效率的上升；2)由于生物柴油自含氧量为1.26%，高于D100的0.27%，导致最高燃烧温度上升，进而提高燃烧热效率。

2.2 一氧化碳CO

图 2所示为测试发动机燃用D100和BD10的排放浓度、单位时间、单位油耗和功基CO排放因子。可以看出，各CO排放因子随着负荷的上升先降后升，当50%负荷时CO排放因子最低。

比较燃用BD10和D100时的CO排放特性可以看到，较D100燃用BD10后25%、50%、75%、100%功率点的CO会明显下降7.2%、0.9%、11.0%、26.3%，可以看到随着功率的上升CO的下降幅度也同步扩大。说明随着生物柴油混合比例的上升，相同工况下的热效率上升碳排放降低。燃用生物柴油混合燃料后CO排放会降低主要由以下2个原因造成：1)生物柴油含有氧元素，不但增加了燃烧时氧的供给，变相提高了空燃比，而且使CO₂被还原为CO的机会降低，有利于降低CO排放；2)生物柴油的十六烷值比较高，使得滞燃期缩短，又由于喷油始点提前，使得生物柴油的燃烧持续时间比较长，燃烧温度比较高，对促进燃料的充分燃烧降低CO是有利的。

2.3 总碳氢THC

图 3所示为测试发动机燃用D100和BD10的排放浓度、单位时间、单位油耗和功基THC排放因子。可以看出，各THC排放因子随着负荷的上升不断下降，当满负荷时THC排放因子最低。

比较燃用BD10和D100时的THC排放特性可以看到，较D100燃用BD10后25%、50%、75%、100%功率点的THC明显下降17.3%、21.7%、16.6%、4.4%，可以看到随着功率的上升THC的下降幅度也同步减小。燃用生物柴油混合燃料后THC排放会降低主要由2个原因造成：1)由于高负荷时空燃比较低，容易造成的缺氧而生成THC，低负荷时燃烧温度较低也容易造成未燃燃料的局部猝熄而产生THC，生物柴油含有10%左右的氧元素，额外的氧元素对这两方面THC的形成都有遏制作用；2)生物柴油比较高的十六烷值且几乎不含芳香烃，高的十六烷值易于燃烧，不利于THC生成；而燃料中芳烃含量越少THC排放越低。

2.4 氮氧化物NO_x

图 4所示为测试发动机燃用D100和BD10的排放浓度、单位时间、单位油耗和功基NO_x排放因子。可以看出，NO_x排放浓度和单位时间排放因子随着负荷的上升而上升。功基NO_x排放因子和单位油耗排放因子随着负荷的上升先降后升，当75%负荷时NO_x排放因子小。说明75%负荷时发动机的热效率最高，温度以热能的形式更多地转化为压力做功，而不是产生热量增加NO_x排放。

比较燃用BD10和D100时的NO_x排放特性可以看到，较D100燃用BD10后25%、50%、75%、100%功率点的NO_x会小幅上升3.5%、1.5%、0.9%和5.0%。燃用BD10生物柴油混合燃料后NO_x排放会小幅上升，这主要由以下2方面原因造成：1)生物柴油的燃烧温度高，高温有利于产生NO_x。生物柴油高温燃烧(1 500 K以上)^[15]的区域明显大于柴油的区域，最高燃烧温度也大于石化柴油。同时，由于生物柴油燃烧时产生的碳黑较少，从而使火焰的辐射损耗热量降低，绝热温度升高，这也促进了燃烧过程中NO_x的生成；2)生物柴油氧含量高于常规柴油，由于同负荷下进气量不变，生物柴油的加入使得燃烧室内形成了富氧条件，这有利于NO_x的生成。

图 5所示为各工况NO₂/NO_x比例。可以看到随着负荷的上升，NO₂/NO_x比例不断下降，由10%左右降至2%左右，随着负荷的上升缸内燃烧温度升高，燃烧速度加快，NO没有时间被氧化至NO₂。比较燃用BD10和D100时的NOx排放特性可以看到，较D100，燃用BD10后25%、50%、75%、100%功率点的NO₂/NO_x比值会小幅下降5.5%、3.7%、0.2%、0.1%。说明燃用含有分子氧的BD10后，燃烧速率更快，各工况更不容易生成NO₂，但是随着负荷的上升这种差异消失。

2.5 颗粒物质量PM

图 6所示为测试发动机燃用D100和BD10的排放浓度、单位时间、单位油耗和功基PM排放因子。可以看到，功基PM排放因子和单位油耗排放因子随着负荷的上升先降后升，当50%负荷时PM排放因子小。

比较燃用BD10和D100时的PM排放特性可以看到，较D100燃用BD10后25%、50%、75%、100%功率点的PM会大幅下降6.9%、9.4%、28.3%、43.9%。

燃用生物柴油混合燃料BD10后造成颗粒物数量PM下降的主要原因：1)生物柴油含有10%的氧元素，在燃料燃烧时起到了助燃作用，特别是喷雾核心等燃料浓度高的区域，减少了燃料的缺氧燃烧使燃料可以比较完全地燃烧；2)纯生物柴油几乎不含芳香烃，燃烧产物中芳烃及C₂H₂和C₃H₃碎片比较少，减少这些碳烟和PAH的前驱物不仅能抑制碳烟的形成，还能减少吸附在碳烟上的SOF。

2.6 颗粒物数量PN

图 7所示为测试发动机燃用D100和BD10的排放浓度、单位时间、单位油耗和功基PM排放因子。可以看出，PN所有排放因子随着负荷的上升波动了两次，最低值出现在50%负荷，最高值出现在75%负荷。

比较燃用BD10和D100时的NOx排放特性可以看到，较D100燃用BD10后25%、50%、75%、100%功率点的PN分别下降11.7%、10.9%、1.1%、11.9%。燃用生物柴油混合燃料后造成颗粒物数量PN下降的主要原因：1)生物柴油高氧含量和高十六烷值将带来较高的燃烧温度，这有利于颗粒的不断氧化以降低颗粒物半径，表现为更多的聚集态颗粒减少至核态颗粒；2)生物柴油的黏性高雾化质量差，某些工况下在燃烧后更容易构成核态颗粒物的SOF和微小碳粒。

2.7 颗粒物组分分析

图 8所示为发动机燃用D100和BD10的功基OC/EC排放因子和比例。可以看到随着负荷率的上升，有机碳OC的排放因子不断下降的同时，元素碳EC的排放因子不断上升，OC/EC比例不断下降，这是由于随着负荷率的上升燃烧温度上升，颗粒物中的有机碳组分不断地被氧化和挥发造成的。较D100，燃用BD10会导致各工况的OC排放因子上升10.5±3.4%，EC排放因子下降15.6±7.2%，OC/EC比例上升0.13±0.05%。燃用BD10后OC组分较多而EC相对较少，主要是由于生物柴油含有氧且直链大分子比较多，所以燃烧产物中未燃中间产物的挥发性较差，最终颗粒物中的有机碳比较多。

2.8 排放变化率比较

根据美国国家环境保护局生物柴油对废气排放影响的综合分析技术报告^[16]，针对各类移动源共计827个测试循环，燃用B5、BD10、B20、BD100等多种生物柴油及其混合燃料的排放，THC、CO、NO_x和PM的减排率可表达为：

$ {k_{{\rm{THC(CO}}\backslash {\rm{N}}{{\rm{O}}_x}\backslash {\rm{PM)}~~~~~~}}}{\varphi _{{\rm{BD}}x}} = ({\rm{ex}}{{\rm{p}}^{{\alpha _{THC(CO\backslash N{O_x}\backslash PM)~~~~~~~~~~~~}}}} - 1) \times 100 $

(1)

式中：k_{THC(CO\NOx\PM)}为THC、CO、NO_x和PM的减排率，%；α_{THC(CO\NOx\PM)}为系数，THC、CO和NO_x、PM分别为：-0.011 195, -0.006 561, 0.000 979 4和-0.006 384；φ_BDx为生物柴油混合比例，0~100%。

图 9为本研究与EPA报告中各项污染物减排比对。由图 9可以看出，实验用发动机燃用BD10，CO、THC和PM的下降幅度均略高于EPA的经验公式，NO_x的上升幅度略高于EPA的经验公式。

3 结论

1) 燃用生物柴油混合燃料后，柴油机CO、CO₂、THC、颗粒物质的排放均有所下降，NO_x生成量有所增加。虽然生物柴油混合燃料较高的十六烷值缩短了燃烧滞燃期，但燃料的密度上升导致燃料的声速加快，因此导致实际喷油始点提前，使喷雾在燃烧前与空气充分混合，有利于降低CO、CO₂与碳烟颗粒的排放，改善热效率。但由于加快了燃烧速率和燃烧温度提升，使得火焰的辐射损耗减小，因此促进了NO_x生成。

2) 燃用生物柴油混合燃料后，柴油机CO生成量和THC生成量有所减少，这与燃料含氧量有关。燃料自带的氧原子降低了燃烧时对氧气的需求，生物柴油的加入使得燃烧室内形成了富氧条件，变相提高了空燃比，尤其对低温时造成的局部猝熄产生的THC有遏制作用，而且使CO₂被还原为CO的机会降低。

3) 柴油机燃烧生物柴油后，颗粒物质浓度和数量有所下降，这主要与生物柴油自含生氧且高十六烷值带来的高燃烧温度有关，同时生物柴油黏性高也引起了雾化质量差，导致燃用生物柴油后各工况的OC排放因子上升，EC排放因子下降。