BED含氧燃料在不同海拔下对柴油机PM和NO<sub><i>x</i></sub>排放的影响
  环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (5): 1791-1796
BED含氧燃料在不同海拔下对柴油机PM和NOx排放的影响    [PDF全文]
刘少华 , 申立中 , 毕玉华 , 雷基林     
昆明理工大学云南省内燃机重点实验室, 昆明 650500
摘要: 为研究生物柴油-乙醇-柴油(简称为BED)含氧燃料在不同海拔下对柴油机微粒(PM)和氮氧化物(NOx)排放的影响,在一台高压共轨柴油机上分别燃用纯柴油和BED含氧燃料,在两种大气压力(81和100 kPa)下进行了排放试验研究.结果表明,燃用纯柴油和B15E5(15%生物柴油+5%乙醇+80%柴油,体积比)燃料后,在中、低负荷时的PM排放在高气压下基本高于低气压下,最高增幅分别达到26.2%和19.0%;在全负荷时的PM排放在高气压下降低,最高降幅分别达到6.1%和17.0%.燃用B25E5(25%生物柴油+5%乙醇+70%柴油,体积比)燃料后,PM排放在高气压下降低.燃用纯柴油后,柴油机在高气压下的NOx排放低于低气压下;燃用B15E5和B25E5含氧燃料后,在中、低负荷下的NOx排放在高气压下降低,在全负荷下的NOx排放在高气压下升高.在中、低负荷下NOx排放最高降幅分别达到12.1%和15.3%;在全负荷下,NOx排放最高增幅分别达到6.5%和5.8%.在不同大气压力下,柴油机燃用纯柴油和BED含氧燃料后,PM与NOx排放均呈现明显的trade-off关系.相比于在低气压下,随负荷增加引起的PM排放降幅和NOx排放增幅在高气压下增加.
关键词: BED含氧燃料     不同海拔     柴油机     PM排放     NOx排放    
Effect of BED oxygenated fuel on the PM and NOx emissions of a diesel engine at different altitude levels
LIU Shaohua , SHEN Lizhong, BI Yuhua, LEI Jilin    
Yunnan Province Key Laboratory of Engines, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500
Received 7 November 2017; received in revised from 30 November 2017; accepted 30 November 2017
Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51466003), the Yunnan Applied Basic Research Projects (No.2016FB085) and the Kunming University of Science and Technology Introduced Talent Foundation Projects(No.KKSY201402113)
Biography: LIU Shaohua (1983—), female, lecturer (Ph.D.), E-mail:liushaohua183@126.com
*Corresponding author: LIU Shaohua
Abstract: In order to study the influence of the biodiesel-ethanol-diesel (abbreviated as BED) oxygenated fuel on the particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx) emissions of a diesel engine at different altitude levels, experimental investigations of PM and NOx emissions were performed on a high pressure common rail diesel engine fueled with pure diesel and BED oxygenated fuels at different atmospheric pressures of 81 kPa and 100 kPa. The experimental results showed that the PM emissions basically increased at medium and low loads with the greatest growth of 26.2% and 19.0% at high atmospheric pressure, and decreased at full-load with the greatest drop of 6.1% and 17.0% when fueled with the pure diesel and B15E5 fuels. And the PM emissions decreased at high atmospheric pressure when the B25E5 fuel was used. Compared with the NOx emissions at low atmospheric pressure, the NOx emissions decreased at high atmospheric pressure when the pure diesel fuel was used. And the NOx emissions also decreased at medium and low loads, but increased at full-load when the B15E5 and B25E5 oxygenated fuels were used at high atmospheric pressure. The greatest drops at medium and low load were 12.1% and 15.3%. The greatest growths at full-load were 6.5% and 5.8%. When the pure diesel fuel and the BED oxygenated fuels were used, the PM and NOx emissions were presented obvious trade-off trend at different atmospheric pressures. At high atmospheric pressure, the drop of PM emissions and the growth of NOx emissions with the rising load both increased.
Key words: BED oxygenated fuel     different altitude levels     diesel engine     PM emissions     NOx emissions    
1 引言(Introduction)

非均质混合气的扩散燃烧是传统柴油机的主要燃烧方式.尽管属于过量空气(氧气)燃烧, 由于柴油和空气的混合时间较短, 在燃烧区域仍会出现一些混合不均匀的“浓区”或“稀区”, 导致排放污染物的生成.含氧量分别为10.0%和34.8%的生物柴油和乙醇在柴油机中燃烧时, 可以提供更多的氧参与燃烧, 有助于降低燃料混合气的不均匀度, 从而有利于降低污染物的排放(林琳等, 2009rdenas et al., 2016Taghizadeh et al., 2016).由于理化特性方面的差异, 生物柴油和乙醇通常是以与柴油掺混的形式应用在柴油机中(Agarwal, 2007陈振斌等, 2011).生物柴油可以直接与柴油混合(楼狄明等, 2014), 乙醇与柴油混合时通常需要添加助溶剂(黄齐飞等, 2007Liu et al., 2016).考虑到柴油、生物柴油及乙醇3种燃料在理化特性方面具有一定的互补性, 并且生物柴油在乙醇和柴油的混合中可以起到助溶剂的作用, 因此, 可将3种燃料按照一定的比例混合形成生物柴油-乙醇-柴油(简称为BED)含氧燃料(Fang et al., 2013Cheenkachorn et al., 2010).

由于海拔的变化同时会引起大气压力和空气中含氧量的改变, 因此, 会直接影响到柴油机的燃烧与排放(申立中等, 20022006).燃用含氧燃料后, 柴油机性能在不同海拔下呈现不同的变化规律(刘少华等, 20122014).在2016年12月23日颁布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》中, 将实际行驶污染物排放试验RDE的边界条件进一步扩展到海拔高度为2400 m, 提高了对高海拔条件下排放控制要求的重视程度.因此, 开展不同海拔条件下尤其是高海拔下含氧燃料对柴油机排放污染物的影响规律研究, 具有重要意义.

本文系统研究不同海拔下柴油机燃用纯柴油和BED含氧燃料对微粒(PM)和氮氧化物(NOx)排放的影响规律, 以期为在不同海拔区域尤其是高海拔地区实现柴油机的排放控制与优化提供一定的研究基础.

2 材料和方法(Materials and methods) 2.1 试验装置与设备

进行台架试验所用的发动机主要技术参数如表 1所示.在试验中, 应用的主要排放测试设备包括:日本HORIBA MEXA-7500DEGR废气分析仪、奥地利AVL SPC472部分稀释颗粒采集仪、颗粒称重环境箱及电子天平等.

表 1 发动机主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of the diesel engine in the test
2.2 试验燃料与方法

本课题组前期进行了BED含氧燃料在不同温度区间下的互溶性及稳定性试验研究(刘少华等, 2012).基于研究的结果及试验量适量并兼顾高低比例的考虑, 在生物柴油、乙醇和柴油的三相共溶区内选择和确定了3种燃料的掺混比例范围:生物柴油掺混比例(体积比)为10%~25%, 乙醇为3%~5%.试验用3种基础燃料的理化特性如表 2所示.

表 2 基础燃料的主要理化特性 Table 2 Main physicochemical properties of basic fuels

应用自主设计开发的“微机化内燃机大气模拟综合测控系统”进行不同海拔下大气压力的模拟(Shen et al., 1995), 开展不同大气压力(81~100 kPa)下柴油机燃用不同比例BED含氧燃料的排放试验研究.该大气模拟系统的主要工作原理为:当要模拟的大气压力比当地大气压力高时, 进气和排气压力通过借助进气增压和排气节流来实现;当模拟的大气压力低于当地大气压力时, 进气压力和排气压力通过借助进气节流和减小排气背压来实现(申立中等, 2006).

3 结果和讨论(Results and discussion)

在试验过程中, 共选用了6种生物柴油掺混比例为10%~25%、乙醇掺混比例为3%~5%的BED含氧燃料, 在1000~3200 r·min-1转速范围内, 每隔200 r·min-1选取1个转速, 每种转速下选取4种负荷(25%、50%、75%、100%), 在81、90和100 kPa 3种大气压力下进行排放试验和分析.在每个试验工况点, 发动机稳定运转2 min, 进行排放物的采集.

由于试验量较大, 本文篇幅有限, 因此, 针对柴油机燃用B15E5和B25E5两种含生物柴油和乙醇比例相对较高, 同时含氧量较高的含氧燃料在最大转矩转速2200 r·min-1和较高转速2600 r·min-1的不同负荷下的排放情况进行详细分析.由于81 kPa为试验当地(昆明海拔高度为1912 m)环境大气压, 100 kPa可近似代表平原地区的大气压力, 因此, 针对81和100 kPa两种大气压下的柴油机排放试验情况进行对比分析.

3.1 PM排放研究

在2200和2600 r·min-1的不同负荷下, 燃用纯柴油和BED含氧燃料(B15E5和B25E5)在不同海拔下(81和100 kPa)对柴油机PM排放的影响如图 1图 2所示.由图 1图 2的试验结果发现, 柴油机燃用纯柴油和BED含氧燃料后, PM在不同海拔下的变化规律并不一致.其中, 在燃用纯柴油和B15E5燃料后, 在25%负荷点和50%负荷点, PM排放在高气压下的数值基本高于低气压下, 最高增幅分别为26.2%和19.0%;在100%全负荷点则呈现相反的变化, 在高气压下的PM排放低于低气压下, 最高降幅分别为6.1%和17.0%.柴油机在燃用B25E5燃料后PM的排放情况是, 在高气压下的PM排放低于低气压下, 在2种转速的6种负荷点, 下降幅度范围为2.1%~27.0%.

图 1 2200 r·min-1时不同海拔下的PM排放对比(a.25%负荷, b.50%负荷, c.100%负荷) Fig. 1 The PM emissions comparison at different altitude levels at 2200 r·min-1

图 2 2600 r·min-1时不同海拔下的PM排放对比(a.25%负荷, b.50%负荷, c.100%负荷) Fig. 2 The PM emissions comparison at different altitude levels at 2600 r·min-1

在柴油机的PM排放物中, 包含多种物质, 主要有干碳烟(DS)、可溶有机物(SOF)及硫酸盐等.研究发现, 硫酸盐的排放量随着负荷的变化不大, PM排放的变化主要与DS和SOF的变化有关(陈虎等, 2007).

在中、低负荷下, 柴油机的过量空气系数较大, 燃烧温度也较低, 碳烟生成量不多.此时喷油量较少, 燃油混合气较稀.大气压力的升高可能使局部混合气变得更稀, 导致部分燃料不能完全燃烧, HC排放增加, 被干碳烟吸附后形成SOF.综合作用的结果是PM排放在高气压下较高.全负荷时, 过量空气系数较小, 大气压力的增加, 改善了缸内原缺氧区域的燃烧状况, 减少了碳烟排放, 进而使得PM排放下降.

在中、低负荷下, 柴油机燃用B25E5燃料后, PM排放在高气压下较低的主要原因是, B25E5燃料中含有更高的自含氧量, 较高含量的生物柴油有助于混合气燃烧始点的提前, 大气压力升高对燃烧的改善作用占据了主导, 因此, 使得PM排放下降.

对比发现, 在中、低负荷下, 含氧量较低的B15E5燃料燃烧后, PM排放在高低气压下的对比情况与柴油相似, 在高气压下的PM排放较高.含氧量较高的B25E5燃料燃烧后, 在高气压下的PM排放较低.在全负荷下, 燃用两种BED含氧燃料后, 在高气压下的PM排放较低.

3.2 NOx排放研究

在2200和2600 r·min-1的不同负荷下, 燃用纯柴油和BED含氧燃料(B15E5和B25E5)在不同海拔下(81和100kPa)对柴油机NOx排放的影响如图 3图 4所示.图 3图 4的试验结果表明, 燃用纯柴油后, 柴油机在高气压下的NOx排放低于低气压下, 降低幅度随柴油机的转速、负荷水平不同而有所差异.在2种转速的6种负荷点, 最高降幅达到10.5%.在燃用BED含氧燃料B15E5和B25E5后, 在中、低负荷下NOx排放在高气压下降低, 最高降幅分别为12.1%和15.3%;在全负荷下NOx排放在高气压下升高, 最高增幅分别为6.5%和5.8%.

图 3 2200 r·min-1时不同海拔下的NOx排放对比(a.25%负荷, b.50%负荷, c.100%负荷) Fig. 3 The NOx emissions comparison at different altitude levels at 2200 r·min-1

图 4 2600 r·min-1时不同海拔下的NOx排放对比(a.25%负荷, b.50%负荷, c.100%负荷) Fig. 4 The NOx emissions comparison at different altitude levels at 2600 r·min-1

柴油机燃用纯柴油时, 大气压力升高后, 一方面, 进气压力提升, 改善了进气结束时气缸内的含氧量和温度等燃烧条件, 有利于缩短滞燃期和降低燃烧最高温度, 从而在一定程度上破坏NOx的生成条件;另一方面, 进气压力和进气氧增加, 同时会提升燃烧速度和燃烧效率, 提高燃烧过程的完善程度, 减少后燃, 对降低NOx排放有利.因此, 柴油机在高气压下的NOx排放较低.在燃用BED含氧燃料后, 在中、低负荷下NOx排放在高气压下降低的主要原因与燃用纯柴油的情况相似.在全负荷下, 升高的大气压力使混合气中的含氧量增加;加上BED燃料的自含氧特性及燃用生物柴油导致NOx排放增加的“生物柴油NOx效应”(Varatharajan et al., 2012Thangaraja et al., 2016)的影响, 以及升高的气缸内燃烧压力和燃烧温度的促进作用, 综合作用的结果是NOx排放增加.

对比发现, 含氧量不同的B15E5和B25E5燃料燃烧后, 在相同负荷下的NOx排放在高、低气压下的对比关系是一致的.在中、低负荷下, NOx排放在高气压下较低;在全负荷下, NOx排放在高气压下较高.

3.3 不同海拔下BED含氧燃料对PM与NOx排放的trade-off关系的影响

图 5图 6表示在不同海拔(81和100 kPa)下, 柴油机在2200 r·min-1的不同负荷下, 燃用纯柴油与BED含氧燃料对PM与NOx排放的trade-off关系的影响.由图 5图 6可以看出, 在两种不同的海拔下, 柴油机燃用纯柴油和BED含氧燃料后, PM与NOx的生成依然呈现比较明显的trade-off关系.

图 5 2200 r·min-1时柴油机燃用纯柴油与B15E5含氧燃料在不同海拔下对PM与NOx的trade-off关系影响(a.81 kPa, b.100 kPa) Fig. 5 Effects of the diesel fuel and the B15E5 oxygenated fuel on the trade-off relationship between PM and NOx emissions of the diesel engine at different altitude levels at 2200 r·min-1

图 6 2200 r·min-1时柴油机燃用纯柴油与B25E5含氧燃料在不同海拔下对PM与NOx的trade-off关系影响(a.81 kPa, b.100 kPa) Fig. 6 Effects of the diesel fuel and the B25E5 oxygenated fuel on the trade-off relationship between PM and NOx emissions of the diesel engine at different altitude levels at 2200 r·min-1

在81 kPa下, 柴油机转速为2200 r·min-1, 负荷由25%增加至100%的过程中, 燃用纯柴油、B15E5和B25E5含氧燃料后, NOx平均增加幅度分别为87%、81%和75%;PM平均下降幅度分别为37%、36%和38%.在100 kPa下, 柴油机负荷由25%增加至100%的过程中, 燃用纯柴油、B15E5和B25E5含氧燃料后, 柴油机NOx平均增加幅度分别为93%、94%和86%, PM平均下降幅度分别为43%、46%和46%.

对比发现, 在81 kPa下, 燃用BED含氧燃料后, PM随负荷增加而下降的幅度与燃用纯柴油时的下降幅度相差不大, 同时引起NOx随负荷增加的幅度更小.说明在高原缺氧地区, BED含氧燃料的使用在一定程度上能够缓和PM与NOx之间的trade-off关系.

对比发现, 与低气压下相比, 在高气压下, 无论柴油机是燃用纯柴油还是B15E5和B25E5含氧燃料, 其NOx随负荷的平均增幅均增大, 增长比例分别为6%、13%和11%;PM随负荷的平均降幅同样增大, 增长比例分别为6%、10%和8%.由此可以看出, 柴油机燃用BED含氧燃料后, 其PM与NOx的排放变化受大气压力的影响更为显著.

4 结论(Conclusions)

1) 燃用纯柴油和B15E5含氧燃料后, 在中、低负荷时的PM排放在高气压下基本高于在低气压下的PM排放;在全负荷时的PM排放在低气压下较高;燃用B25E5含氧燃料后, PM排放在低气压下较高.

2) 燃用纯柴油后, 柴油机在高气压下的NOx排放低于低气压下;燃用BED含氧燃料后, 柴油机在中、低负荷时的NOx排放在高气压下较低, 在全负荷时的NOx排放在高气压下较高.

3) 在不同的海拔下, 燃用纯柴油和BED含氧燃料后, 柴油机的PM与NOx排放均呈现明显的trade-off关系.在高气压下, 随负荷增加引起的PM排放降幅和NOx排放增幅均高于在低气压下的数值.

参考文献
Agarwal A K. 2007. Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 33(3): 233–271. DOI:10.1016/j.pecs.2006.08.003
陈虎, 陈文淼, 王建昕, 等. 2007. 柴油机燃用乙醇-甲酯-柴油时PM排放特性的研究[J]. 内燃机学报, 2007, 25(1): 47–52.
Cheenkachorn K, Fungtammasan B. 2010. An investigation of diesel-ethanol-biodiesel blends for diesel engine:Part 2-emission and engine performance of a light-duty truck[J]. Energy Sources, Part A:Recovery, Utilization and Environmental Effects, 32(10): 894–900. DOI:10.1080/15567030903059616
陈振斌, 倪计民, 叶年业, 等. 2011. 不同配比乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性[J]. 农业工程学报, 2011, 27(4): 164–169.
Cárdenas M D, Armas O, Mata C, et al. 2016. Performance and pollutant emissions from transient operation of a common rail diesel engine fueled with different biodiesel fuels[J]. Fuel, 185: 743–762. DOI:10.1016/j.fuel.2016.08.002
Fang Q, Fang J H, Zhuang J, et al. 2013. Effects of ethanol-diesel-biodiesel blends on combustion and emissions in premixed low temperature combustion[J]. Applied Thermal Engineering, 54(2): 541–548. DOI:10.1016/j.applthermaleng.2013.01.042
黄齐飞, 宋崇林, 张铁臣, 等. 2007. 乙醇柴油混合燃料的相溶性及对发动机性能影响的研究[J]. 燃料化学学报, 2007, 35(3): 339–343.
林琳, SumpunChaitep, 董英, 等. 2009. 混合燃料中含氧量对柴油机有害物质排放量的影响[J]. 环境污染与防治, 2009, 31(6): 7–10.
刘少华, 申立中, 张生斌, 等. 2012. BED混合燃料稳定性及对高原地区发动机性能影响的研究[J]. 汽车工程, 2012, 34(9): 816–820.
Liu S H, Shen L Z, Bi Y H, et al. 2014. Effects of altitude and fuel oxygen content on the performance of a high pressure common rail diesel engine[J]. Fuel, 118: 243–249. DOI:10.1016/j.fuel.2013.10.007
Liu H F, Hu B, Jin C. 2016. Effects of different alcohols additives on solubility of hydrous ethanol/diesel fuel blends[J]. Fuel, 184: 440–448. DOI:10.1016/j.fuel.2016.07.037
楼狄明, 温雅, 王家明. 2014. 催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油发动机排放颗粒理化特性的影响[J]. 环境科学学报, 2014, 34(8): 1900–1905.
Shen L Z, Shen Y G, Yan W S, et al. 1995. Combustion process of diesel engines at regions with different altitudes[C]. SAE Paper. 950857
申立中, 沈颖刚, 毕玉华, 等. 2002. 不同海拔高度下自然吸气和增压柴油机的燃烧过程[J]. 内燃机学报, 2002, 20(1): 49–52.
申立中, 杨永忠, 雷基林, 等. 2006. 不同海拔下增压中冷柴油机性能和排放的研究[J]. 内燃机学报, 2006, 24(3): 250–255.
Taghizadeh-Alisaraei A, Rezaei-Asl A. 2016. The effect of added ethanol to diesel fuel on performance, vibration, combustion and knocking of a CI engine[J]. Fuel, 185: 718–733. DOI:10.1016/j.fuel.2016.08.041
Thangaraja J, Anand K, Mehta Pramod S. 2016. Biodiesel NOx penalty and control measures-a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 61: 1–24. DOI:10.1016/j.rser.2016.03.017
Varatharajan K, Cheralathan M. 2012. Influence of fuel properties and composition on NOx emissions from biodiesel powered diesel engines:A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(6): 3702–3710. DOI:10.1016/j.rser.2012.03.056