（载运工具运用工程专业论文）柴油机掺烧生物柴油减烟研究.pdf

摘要 随着社会的进步、经济的发展以及汽车保有量的急剧增加，人类对石油的依赖越来 越强烈，石油供应与消费平衡关系制约着全世界经济的发展。生物柴油是指以可再生的 生物质油脂为原料，与低碳醇经过酯交换反应合成制取的一种长链脂肪酸酯化合物，其 具有与石化柴油十分相似的理化特性，因有着可再生性和环境友好性的特点，被认为是 石化柴油的战略性替代燃料，受到国内外的广泛关注。 为了掌握柴油机掺烧生物柴油的性能变化规律，优化生物柴油的使用技术，本文在 充分认识生物柴油理化性质的基础上，对生物柴油及生物柴油一柴油混合燃油应用于压 燃式发动机上的燃烧特性和对发动机排放性能影响进行了试验研究。 本试验以索菲姆四缸增压直喷式柴油机作为试验机型，在不改变发动机原有结构参 数的前提下，将大豆脂肪酸甲酯分别以2 0 、3 0 体积比与石化柴油调和成混合燃油， 使其与石化柴油、纯生物柴油分别进行发动机台架试验。研究分析了发动机燃烧各油样 时对其动力性、经济性和排放特性的影响，并根据得到的试验结果确定了在不影响发动 机性能的前提下生物柴油的最佳添加比例。为了进一步降低发动机燃用混合燃油的碳烟 排放水平，对生物柴油柴油混合燃油中添加乙醇、减烟剂等添加剂的配比进行了优化。 结果表明，柴油机燃用优化组分配比的混合燃油时，碳烟排放显著降低，动力性和燃油 经济性得到较好保持，达到预期目标，适宜推广应用。 关键词：生物柴油乙醇碳烟排放减烟 a b s t r a c t w i t hs o c i e t ya n de c o n o m ye n j o y i n gr a p i dd e v e l o p m e n ta n da u t op o s s e s s i v eq u a n t i t y i n c r e a s i n gs h a r p l y , t h ed e p e n d e n c e o n p e t r o l h a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yh i g ha n dt h e e q u i l i b r i u mb e t w e e np e t r o ls u p p l ya n dc o n s u m p t i o nw i l ld e t e r m i n et h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m ya sw e l la st h a to ft h ew h o l ew o r l d b i o d i e s e li sal o n g c h a i nf a t t ya c i de s t e r c o m p o u n d s ，w h i c ha r em a d ef r o mt r a n s e s t e r i f i c a t i o nr e a c t i o nw i t hl o w c a r b o na l c o h o la n d r e n e w a b l eb i o l o g i c a lo i l sa n df a t s i th a st h es i m i l a rp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s w i t hd i e s e la n dr e n e w a b l ea n de n v i r o n m e n t - f r i e n d l yn a t u r e i ti sc o n s i d e r e da sas t r a t e g i c a l t e m a t i v ef u e la n da t t r a c t sw o r l d w i d ea t t e n t i o n i no r d e rt ou n d e r s t a n dd i e s e l e n g i n ep e r f o r m a n c ew h e nf u e l e dw i t hb i o d i e s e la n d o p t i m i z et h ea p p l y i n gt e c h n o l o g yo fb i o d i e s e l ，t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fd e e pu n d e r s t a n d i n g o fb i o d i e s e l sp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n d u c t sa ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n c o m b u s t i o nf e a t u r e so fe n g i n ew h e nf u e l e dw i t hb i o d i e s e la n dc o n c o c t i o n s ，a n dt h ei n f l u e n c e o ne n g i n ee m i s s i o n s t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u to ns o f i mf o u r - c y l i n d e rt u r b oc h a r g e dd i r e c ti n j e c t i o n d i e s e le n g i n e w i t h o u tc h a n g i n gt h ee x i s t i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fe n g i n e ，s o y b e a nf a t t y a c i d - f i r s te s t e r , w h i c hc o n c o c t e dw i t hd i e s e li nav o l u m er a t i oo f2 0p e r c e n ta n d3 0p e r c e n t r e s p e c t i v e l y , i sm a d et oc o n d u c tab e n c ht e s tw i t hd i e s e la n dp u r eb i o d i e s e l t h ee x p e r i m e n t s t u d i e st h ei n f l u e n c eo fc o m b u s t i o nw i t hd i f f e r e n tf u e l so ne n g i n ep o w e r , f u e le c o n o m i c sa n d e m i s s i o n s t h ee x p e r i m e n ta l s oo b t a i n st h eo p t i m a lm i x e dr a t i ow i t h o u tc h a n g i n gt h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fe n g i n e i no r d e rt of u r t h e rr e d u c et h es o o te m i s s i o no fd i e s e le n g i n e f u e l e dw i t hc o n c o c t e df u e l ，t h ep a p e ro p t i m i z e sm i x e dr a t i oo fb i o d i e s e l d i e s e lw h e n a d d i t i v e ss u c ha ss e c o n de s t e ra n ds m o k e r e d u c i n ga g e n ta r ea d d e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s o o te m i s s i o nw i l ld e c r e a s ee v i d e n t l ya n de n g i n ep o w e ra n df u e le c o n o m i c ss t a yc o n s t a n t w h e nt h ee n g i n ef u e l e dw i t ht h eo p t i m i z e dm i x e d - r a t i oc o n c o c t e df u e l t h ee x p e r i m e n th a s a c h i e v e di t sg o a l sa n ds h o u l db ep o p u l a r i z e d k e y w o r d s ：b i o d i e s e l ；s e c o n de s t e r ；s o o te m i s s i o n ；s m o k e r e d u c t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：幺茑，莨硼年月e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：之寺、蕾 导师签名：门& 长 勺以年占只| e t 9 年6 月l 日 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 石化燃料是当今人类使用的主要能源，是现代社会赖以生存和发展的物质基础。但 是随着石油能源的r 趋紧缺及其在使用过程中造成的严重环境污染和温室效应等问题， 迫使我们不得不寻找和开发新的、清洁的、对环境无害的非石化燃料及可再生能源来替 代石化燃料。世界上许多国家从能源战略和环境保护的角度，积极探索发展石油替代燃 料即可再生能源。 1 1 1 柴油机的应用与石油能源危机 伴随着柴油机技术的进步，其应用范围也在不断扩展之中，涉及到社会生活和工业 生产的各个层面和领域，柴油机工业的发展对国民经济和国防建设都具有十分重要的意 义。 目前，世界上很多国家和地区在汽车及其相关行业当中，都广泛使用柴油机为动力。 表1 1 列举了美国、欧盟以及日本等在汽车上采用柴油机作为动力的百分“1 1 。 表1 1 美、欧、日汽车上使用柴油机作为动力的百分比 泳： 重型汽车 商用车轿车 国家和地区 美国 1 0 0 9 0 欧盟1 0 0 9 0 3 3 日本 1 0 0 3 8 9 2 据专家预侧，在今后2 0 年甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。世 界汽车工业发达国家的政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面 采取措施促进柴油机的普及与发展。我国柴油机产业自2 0 世纪8 0 年代以来也有了长足发 展，随着一批先进机型和技术的引进，我国柴油机总体技术水平有了很大提高。 然而，柴油机广泛应用的首要条件是必须要有充分的燃料供给保障。但随着科技的 发展和人们生活水平的不断提高，能源的消耗越来越大，特别是对于不可再生的石化能 源情况尤为严重，石油供给与消费的矛盾越来越凸现出来，石油能源短缺成了柴油机广 泛应用的瓶颈。 据统计，目前世界石油剩余可开采储量为1 3 8 6 亿吨，最多可供使用至1 2 0 5 0 年。而我 第一章绪论 国的石油储存就更不乐观，1 9 9 9 年底我国累计探明石油可开采储量为5 9 3 亿吨，占世界 总量的4 3 ，至u 2 0 1 0 年，我国石油需求量将在2 9 4 吨至3 1 9 亿吨左右。那时我国石油供 求缺口将在1 亿吨以上，由于石油资源的后备储量限制，那时我国的石油产量可能出现 衰减；而至u 2 0 1 5 年和2 0 2 0 年时，我国的石油需求量将达到3 6 亿吨至4 3 亿吨。表1 2 是我 国从1 9 9 3 年以来石油自产量和进口量的统计以及对今后的预测【2 】，从中可以看出我国从 1 9 9 3 年开始就成为了石油进口国，并且随着时间的推移，我国对进口石油的依赖性越来 越强。 表1 2 我国石油产量、进库量及今后的预测 年份 1 9 9 31 9 9 61 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 52 0 1 52 0 2 0 产量万吨 1 4 5 0 01 5 7 0 01 6 1 0 01 6 0 0 01 6 2 7 01 7 2 0 01 9 0 0 02 0 0 0 0 进口量万吨 1 5 6 72 2 6 22 7 3 23 6 6 17 0 1 39 0 0 01 4 0 0 0 2 0 0 0 0 依存度 1 0 81 5 81 5 81 9 63 53 6 74 15 0 另外石油价格是衡量石油供求关系的尺度，2 0 0 8 年国际原油价格突破1 2 0 美元桶， 石油资源严重紧缺，己引起世界各国政府的高度重视，成为制约世界经济发展最重要的 因素之一。 1 1 2 柴油机排放 随着世界各国经济的发展，世界范围内车辆越来越多，石化燃料燃烧产生的有害物 质对大气的污染越来越严重。在城市人口居住密集的地方，汽车密度大，而且发动机大 多工作在低速、频繁起动和制动的高排放工况，更加上建筑物密集使得空气的流动性差， 因此控制城市车辆的有害污染物排放十分迫切。以美国为例，其目前的汽车保有量己达 2 5 亿辆左右，汽车排放到大气中的污染物约占大气相应污染物总量的百分比如下：c o 占9 9 ，h c 占9 5 ，n o x 占4 7 【1 1 。 柴油机的有害排放物主要有氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 以及微粒( p m ) 等。与汽油机相比，柴油机的h c 排放和c o 排放相对较低，n o x 的排放 和汽油机在同一数量级上，而p m 要高出3 0 , - - - 1 0 0 倍。所以控制柴油机排放的关键是控 制n o x 和p m 的排放。 由于内燃机排放污染的优劣，严重影响着人类的健康、生存环境及生态平衡，所以 为控制汽车排放对人类生存环境带来的日益严重的危害，世界各国及地区相继颁布了愈 来愈严格的排放法规，对车用内燃机排放物予以强制限制。表1 3 、表1 4 给出了欧洲 不同柴油车的排放标准【3 1 。 2 长安大学硕士学位论文 表1 3 欧洲轻型车排放限制( 柴油车) h cn o xc op m 阶段有效日期 ( 刚k m ) i1 9 9 2 年0 9 72 7 20 1 4 o 5 0 2 2 0 0 8 i i1 9 9 5 年 0 9 0 1 0 0 1 0 i2 0 0 0 年 o 5 6 o 5 0 0 6 40 0 5 2 0 0 5 年 0 3 00 2 50 5 00 0 2 5 v2 0 0 9 年o 2 30 5 00 0 0 3 2 0 1 4 年 o 1 7o 5 00 0 0 3 _ ( d 非直喷式柴油机直喷式柴油机 表1 4 欧盟稳态工况重型柴油机污染物排放法规 h cc on o xp ms m o k e 阶段实施日期工况循环 【g ( k w 。h ) 】 1 14 58 oo 6 l19 9 2 ， 8 5 k wr 4 9 1 1 4 0 7 00 2 51 9 9 6 1 0r 4 9 i i 1 14 07 00 1 51 9 9 8 1 0r 4 9 i o 6 62 15 00 1o 82 0 0 0 1 0e s c & e l r e e v0 2 51 52 oo 0 20 1 52 0 0 3e s c & e l r 0 4 61 53 50 0 20 0 52 0 0 5 1 0e s c e l r v0 4 61 - 5 2 00 0 2 0 0 5 2 0 0 8 1 0 e s c & e l r 欧i 和欧i i 标准中的重型车用柴油机排放测试循环为e c er 4 9 十三工况法，由标 定转速和中间转速的各五个负荷点以及三个怠速工况点共1 3 个工况点所组成，测量在 稳态下进行。从2 0 0 0 年开始实行的欧标准对1 3 工况进行了修改，称为欧洲稳态标准 测试循环( e s c ) ，另外还包括有一个动态烟度测验( e l r ) ，在某三个给定的转速下， 把油门从1 0 负荷开始突然加到最大，用不透光式烟度计测量这一过程烟度的最大值。 欧美的排放限制基本上代表了世界上排放控制的总发展趋势。我国对汽车排放控制 方面起步较晚，在国家标准的制定上沿用了欧洲标准的相关技术内容。国家环境保护总 局于2 0 0 5 年5 月颁布了g b l 7 6 9 1 - - 2 0 0 5 压燃式发动机和装有压燃式发动机的车辆排 气污染物限值及测试方法的国家标准，对柴油机排放的主要污染物控制提出了严格的 要求，其中对气态和微粒污染物排放限制规定见表1 5 【4 】。 汽车排放限制标准的出台，迫使汽车制造业和相关的研究机构甚至政府部门倾注大 量的人力和财力来研究降低汽车排气中各种有害排放物的对策和控制技术，柴油机排放 污染物控制也成为2 1 世纪的核心问题。 3 第一章绪论 。 表1 5 车用压燃式发动机排气污染物排放限值( g b l 7 6 9 1 - - 2 0 0 5 ) 阶段 h c g ( k w h ) 】n o x g ( k w h ) 】c o g ( k w h ) 】p m g ( k w h ) 】k ( m 。1 ) i o 6 6 5 o 2 1 0 1 ( 0 1 3 宰) o 8 0 4 63 51 5o 0 2o 5 v0 4 62 01 5 o 0 2 0 5 e e v2 o0 2 51 5o 0 2o 1 5 牛对每缸排量低于o 7 5 d m 3b、及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 1 1 3 柴油机主要排放物的生成机理和影响因素 柴油机排放主要和其混合气形成、燃烧过程及燃烧结束后在排气过程中的化学反应 有关，此外，还与燃油的蒸发等因素有关。柴油为c 1 2 c 2 3 的碳氢化物，不易挥发， 着火温度低，化学稳定性差，易自燃。由表1 6 可见，与同功率汽油机相比，柴油机的 h c 和c o 排放量要少得多，n o x 排放量处于同一数量级，而p m 排放量是汽油机的几 十倍，因而柴油机废气净化的主攻方向是降低n o x 、p m 的排放型5 6 】。 表1 6 柴油机与汽油机排放物比较 成分柴油机汽油机 c o 0 0 5 o 5 00 1 , - - , 6 h c1 0 62 0 0 1 0 0 02 0 0 0 n o x1 0 - 6 7 0 0 2 0 0 02 0 0 0 4 0 0 0 p m g m 3 0 1 5 o 3 00 0 0 5 ( 1 ) c o 生成机理 c o 是碳氢燃料燃烧过程中的重要中间产物。c o 在火焰中的初始浓度接近于平衡 浓度，其值取决于局部温度、压力和当量空燃比，火焰中所生成的c o 在以后的氧化过 程中，受化学反应动力学因素控制，因此，即使是稀混合气燃烧，仍有一定浓度的c o 排出。 柴油机在小负荷运行时，由于燃烧温度低，氧化反应弱，c o 的排放量较高。但是， 在大负荷、过量空气系数过小时，由于0 2 浓度低和反应时间短，再化合反应会减少， 所以c o 的排放增加。 ( 2 ) h c 生成机理 柴油机排出的h c 包括有未燃烧的碳氢燃料、窜入气缸内未被燃烧的润滑油和由于 热分解生成的低分子量碳氢。由于柴油机是喷油压燃，燃油在燃烧室中的停留时间短， 因而受冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小，所以柴油机的h c 排放 4 长安大学硕士学位论文 较低。 在喷油初期的滞燃期内，处于喷注前沿的混合气过稀，产生未燃烧的h c 。而在喷 油后期的高温燃气中，可能因油气混合不充分使混合气局部过浓，或由于燃烧淬熄产生 不完全燃烧产物随排气排出，此时分子量较重的h c 多被碳烟微粒所吸附，构成微粒的 一部分。 ( 3 ) n o x 生成机理【7 1 氮氧化合物n o x 是n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 、n 2 0 5 、n 2 0 4 以及n 0 3 的统称。柴油 机在燃烧后所排出的氮氧化合物主要是n o 、n 0 2 和n 2 0 ，其中n 2 0 和n 0 2 的比例较小， 所以所谓n o x 排放实际上主要是指n o 的排放。 从n o 的生成机理来看，主要有热力n o ( t h e r m a l n o ) 和燃料n o ( f u e l n o ) 两部分， 一般简称t n o 和f n o 。其中t n o 是由空气中的n 2 在高温下氧化生成的，f n o 则是燃料中的氮化合物在燃烧过程中分解氧化而形成的。 对于t n o 的生成，公认为比较充分的是泽耳多维奇( z e l d o v i e h ) 等人提出的生 成机理，该理论认为，在0 2 一n 2 一n o 系统中存在着下列反应： 0 2 o + o n 2 + o n + n o 0 2 + n 营n o + o n + o h n o + h 对于f n o 的生成，可以认为，从燃料n 向n o 的转换是由两个竞争过程所决定 的，这两个过程是：由燃料n 高温分解生成含有n 原子的中间产物i ( i 主要是n ，c n ， h c n 等化合物) ，然后，i 和含有o 原子的反应物r ( o ，o h ，0 2 等化合物) 反应生成 n o 。由于燃料中的n 很少，热力n o 是n o 的主要生成机理。 ( 4 ) 微粒( p m ) 生成机理 柴油机p m 是由三部分组成的，即( 干) 炭烟d s 、可溶性有机物s o f 和硫酸盐( 见 表1 7 ) 。 表1 7 柴油机微粒( p m ) 的组成 成分质量分数 干炭烟( d s ，d r ys o o t ) 4 0 5 0 可溶性有机成分( s o es o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 3 5 - - 一4 5 硫酸盐 5 1 0 p m 除了由燃油燃烧生成外，润滑油产生的p m 也占相当部分。p m 可分为不可溶 5 第一章绪论 有机物和可溶性有机物( s o f ) 两部分，两者所占的比例大约为6 1 和3 9 t 7 1 。可溶性 有机物主要来源于未燃燃油和机油。其中，机油对可溶性有机物生成的数量有显著影响， 由机油产生的比例一般高达6 0 - - 7 0 。微粒的可溶组分主要产生于中、小负荷，微粒 的不可溶组分峰值在大负荷，随空燃比减小而增加。 不可溶有机物的主要部分是碳烟。碳烟是柴油机在高压燃烧条件下，由于局部高温、 缺氧，经裂解并脱氢而成的以碳为主要成份的固态小颗粒。碳烟粒子形成过程如图1 1 所示【引。 图1 1 燃烧系统中碳烟粒子的形成过程 一般认为碳烟的形成过程如下：燃油中烃分子在高温缺氧条件下发生部分氧化和热 裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断 脱氢、聚合成以碳为主的直径2 n m 左右的碳烟核心。气相的烃和其他物质在这个碳烟 核心表面的凝聚，以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使得碳烟核心增大，成为直径2 0 - - - , 3 0 n m 的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作用堆积成直径l m m 以下的球团状或者链 状的聚集物。、柴油机的不均质、异相燃烧，特别是燃烧时燃料分子往往被高温火焰或燃 烧产物包围这一特点，决定了碳烟生 成的必然性。从核的萌发到成长、集 碳 聚这一系列生成过程中都伴随着碳 烟 烟的氧化。碳烟是可燃的，很大一部 分碳烟在燃烧的后续过程中会被氧 化烧掉。 如图1 2 所示是碳烟生成与氧化上止点下止点 随曲轴转角变化的情况，碳烟的生成图1 2 碳烟形成与氧化随曲轴转角的变化 主要是在燃烧的初期和中期，而碳烟 6 长安大学硕士学位论文 的氧化主要是在燃烧的中期和后期。碳烟浓度先是上升到一最大值，然后浓度下降表明 碳烟的氧化反应加快，碳烟浓度急剧降低。因而柴油机派出缸外的碳烟生成速率是碳烟 生成速率与碳烟氧化速率之差。碳烟的氧化过程会一直延续到排气管中。碳烟的氧化速 率主要和温度有密切关系，同时还和剩余氧以及在高温下的逗留时间有关。 1 1 4 控制柴油机有害排放物的途径和措施 柴油机由于空燃比大，排气中c o 和h c 的浓度低，因而降低柴油机的污染主要是 抑制n o x 和p m 的生成。发动机整个能量转化过程主要可以由空气和燃料的进入，燃 料在发动机内的燃烧、膨胀做功和废气排出三个过程组成。由于n o x 在燃烧完全、供 养充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多；高负荷时，在油束尾部和后喷部 的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。从生成机理上看， 控制n o x 生成的措施与降低碳烟生成、提高发动机动力性的要求在一定程度上是矛盾 的。因此在采用有关排放控制措施时，必须综合考虑，应当在不影响发动机动力性和经 济性的前提下，控制有害物的排放。 为了满足日益严格的汽车排放法规的要求，在柴油机上对各种可能的有助于降低污 染物排放的措施进行了大量的深入细致的研究。综合起来，就排放的控制而言可分为前 处理、过程处理和排气后处理三个部分。 ( 1 ) 前处理 前处理主要是指空气、燃料进入发动机之前对燃料和空气进行前处理控制。从理论 上讲，进入发动机的空气如果全部是氧气，那发动机排放中的n o x 就几乎为零，但这 样又造成其他很多弊端，如：纯氧气来源的高代价，缸内燃烧无法控制等等，所以对空 气的处理是不可行的。前处理主要针对进入发动机燃油品质的控制，即改变燃油品质。 1 ) 控制十六烷值的范围，降低芳香烃含量 十六烷值代表了燃油的自燃能力。增加燃油的十六烷值能使着火延迟期缩短，使燃 烧过程更加柔和，降低燃烧室内温度及压力，有效地降低柴油机n o x 的排放水平。但 是十六烷值过高，会使燃油与空气混合不充分，燃烧不完全，从而引起p m 排放增加。 一般柴油的十六烷值最好在5 0 6 0 之间【9 1 。 柴油着火性能的本质性指标是其芳香烃的含量【9 】。芳香烃的十六烷值最低，自然能 力差，燃油中芳香烃含量高会使燃烧初期集聚的燃油增加，大量燃油同时燃烧引起压力、 温度突升，使发动机工作粗暴，n o x 的排放也随之增加。减少燃油的芳香烃成分将减 7 第一章绪论 少n o x 的排放。 2 ) 降低燃油中的含硫量 柴油中含硫量对柴油的影响主要在以下几方面：( 1 ) 对发动机零部件的腐蚀，柴油 中的硫经氧化转化成s 0 2 ，其中一部分s 0 2 又转化成s 0 3 ，s 0 3 与水结合生成硫酸，对 金属和橡胶等有很强的腐蚀作用，能腐蚀油箱、供油系统零部件等；( 2 ) p m 来源之一， 在燃油燃烧中，其中的硫最终会生成硫酸及硫酸盐附着在碳烟颗粒上，约占p m 排放的 1 3 , - - - , 2 2 1 0 】；燃油中硫含量的增加势必会增加p m 排放；( 3 ) 使后处理器效能降低、 使用寿命缩短，s 0 2 被氧化成硫酸盐，导致p m 排放经后处理器后排放量增加。 3 ) 添加剂的使用 柴油使用的添加剂主要有三种：十六烷值改进剂、减烟烟添加剂和含氧燃料添加剂。 十六烷值改进剂主要是提高柴油的十六烷值，改善柴油机的燃烧过程，提高发动机的性 能和排放。减烟添加剂是将金属钡、镁、锌等溶性碱化盐或中性盐中作为减烟添加剂， 通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧，消除喷油嘴头部的积炭，可减少3 0 - - 5 0 碳 烟颗粒排放【1 1 】。含氧燃料添加剂是利用燃料中的氧成分来提高缸内混合气氧的浓度，改 善氧在混合气中的均匀度，同时利用含氧燃料的其它的理化性质来改变燃油的品质，达 到降低发动机排放，提高发动机性能的目的。 ( 2 ) 过程处理 柴油机的过程处理也可以说是柴油机的机内净化，其核心是优化、组织燃烧过程， 使燃料、空气和燃烧室达到良好的配合，提高发动机功率，降低排放污染物的生成。 1 ) 改进喷油系统设计和采用高压喷射 为了减少燃油燃烧过程中碳烟的生成，降低微粒排放，需要改善燃油喷雾在燃烧室 中的分布均匀性，使燃料粒子足够细且分布均匀，使其及时蒸发与空气混合。采用高压 喷射、减小喷嘴压力室容积、减小喷孔直径以及增加喷孔数都是行之有效的措施。电控 燃油喷射系统通过对喷油压力、喷油定时和喷油速率的调节和控制，可以改善柴油机的 燃油经济性和降低排放。目前成熟的电控系统有泵喷嘴、单体泵和电控共轨系统。共轨 式电控喷射技术是目前最先迸的柴油机电控喷射技术。 2 ) 增压中冷技术 增压柴油机的主要特征是循环进气量大，燃烧平均空燃比大，因此碳烟和微粒排放 下降。但是增压后进气温度升高，混合气中氧浓度增加，会导致n o x 排放增加。对增 8 长安大学硕士学位论文 压后的空气进行中间冷却，降低柴油机的进气温度，不仅降低柴油机的热负荷，又进一 步提高空气密度，从而使得循环进气量更大。这样，增大空燃比改善了柴油机燃烧，从 而降低了微粒排放；同时增大空燃比加上中冷又降低了燃烧温度，从而降低了n o x 排 放，从而功率进一步增加。增压中冷柴油机参数选配得当，则柴油机大部分性能都会得 到改善，试验证明，采用适度的涡轮增压可使车用柴油机的微粒排放下降5 0 左右，加 上中冷则可再下降到原始排放的3 0 , - - - 4 0 ，n o x 可能下降到6 0 , - - , 7 0 t 8 1 。 3 ) 排气再循环( e g r ) 柴油机可以利用排气再循环( e g r ) 来抑制最高燃烧温度，从而降低n o x 排放。 由于柴油机排气中氧含量比汽油机高，所以允许并需要较大的e g r 率来降低n o x 的排 放。直喷式柴油机的e g r 率可以超过4 0 ，非直喷式柴油机可以达到2 5 t 5 1 。试验结 果表明，e g r 率增加到1 5 1 乖j ，n o x 排放浓度可减少2 3 t 8 1 。但废气再循琢舍导致碳烟 和h c 排放浓度的增加，动力性和经济性相应降低。因此要精心选择不同工况下的废气 再循环率。 4 ) 降低润滑油消耗量 在柴油机的微粒排放中，未燃润滑油占有很大比例。为了减少由于润滑油造成的微 粒排放，就要在保证发动机工作可靠性的前提下尽可能降低润滑油消耗。为此，需要优 化机体结构，提高刚度，改善气缸与气缸盖之间的密封，使气缸在工作时形状畸变尽可 能小。另外需要改善活塞和活塞环的控油能力。 ( 3 ) 排气后处理 所谓后处理，是对己排出内燃机燃烧室而尚未排到大气中的废气，在排气系统中作 进一步净化处理。内燃机排放的控制目的就是：降低内燃机最终排到大气中的有害排放 物。 1 ) 碳烟的后处理 在柴油机排出的碳烟中，含有许多微小的液滴、固态粒子，在排气系统中安装碳烟 颗粒净化装置可以除去排气中的碳烟粒子。主要有微粒捕集器等。柴油机微粒捕集器的 过滤滤芯主要形式有壁流式陶瓷过滤器、陶瓷纤维过滤器、泡沫陶瓷过滤器和金属纤维 过滤器等。捕集器中积聚的微粒会增加柴油机排气背压，影响柴油机的换气和燃烧，降 低输出功率，增加燃油消耗，所以，捕集器的再生至关重要。微粒捕集器的再生包括主 动再生和被动再生【13 1 。 9 第一章绪论 2 ) n o x 的排气后处理 n o x 吸附催化技术用能吸附n o x 的催化剂在富氧条件下对n o x 进行吸附反应，在 缺氧的条件下进行再生，缺氧条件的产生主要通过燃油喷射系统的后喷实现。选择性催 化还原技术( s c r ) 以氨、氨水或尿素作为还原剂，能降低柴油机排气中的绝大部分的 n o x ，也能降低部分h c 。另外，等离子技术也是降低n o x 排放的一种技术，等离子技 术往往与催化剂技术联合使用，用等离子技术来提高催化还原反应的效率【6 】。 3 ) 氧化催化器 氧化催化主要用来消除柴油机排气中的可燃气体，如h c 、c o ，使它们转化成h 2 0 、 c 0 2 ；同时还可以氧化p m 中的s o f ，可以降低p m 排放达2 0 , - - - - 3 0 1 1 4 】。 但这类氧化催化器对温度有很强的依赖性，只能在2 5 0 - 4 5 0 之间工作。低于 2 5 0 * ( 2 ，其转化效率就会非常低；高于4 5 0 。c ，又将排气中的s 0 2 氧化成s 0 3 ，从而转化 成硫酸盐，增加了p m 排放，另外，氧化催化器对燃油中的硫含量要求较严格，过高的 含硫量会使转化效率下降和增加微粒排放。 1 2 生物柴油研究的意义 生物柴油是指以可再生的生物质油脂为原料，经过酯交换反应合成得到的一种长链 脂肪酸酯化合物，其制取的原料有多种，包括植物油、动物油和废弃食用油等。正是因 其制取原料来源较为丰富的特点，又具有与石化柴油相似的燃料特性，故被称为生物柴 油。因为生物柴油是清洁性的可再生能源，用来替代或者部分替代石化柴油，对于推动 柴油机的广泛应用、解决石油能源危机以及满足严格的排放控制标准，起着非常重要的 作用。随着人们对生物柴油的逐渐认识和深入了解，生物柴油对国家能源安全、国民生 活生产的影响也越来越突现出来。 1 2 1 生物柴油的优点 从生物柴油的成分以及其理化特性上分析，与石化柴油相比，生物柴油具有下述优 点0 5 j 6 ： ( 1 ) 优良的环保特性。由于生物柴油中的芳香族烃类、硫、铅、卤素等有害成份 比石化柴油要低得多，因而，柴油机排气中具有致癌性的碳氢化合物、s 0 2 、硫酸盐、 铅化物等有害物质很少。由于生物柴油具有较高的含氧量，有利于完全燃烧，所以柴油 机燃用生物柴油的c o 和h c 排放要比燃用纯石化柴油要低很多。同时因其生物降解性 1 0 长安大学硕士学位论文 高，故具有良好的环境友好性。 ( 2 ) 对发动机有着较好的降噪减振性能。由于生物柴油的十六烷值一般高于4 9 ， 而石化柴油的十六烷值一般为4 5 ，因此生物柴油与石化柴油相比具有更好的发火性和更 短的着火滞后期，有利于降低柴油机燃烧过程中的压力升高率，可以减少柴油机的振动 和噪声。 ( 3 ) 较好的润滑性能。生物柴油与石化柴油相比具有较高的运动粘度，而且燃烧 形成的胶质也具有一定的润滑作用，可以补偿石化柴油因降低其中的含硫量而引发的润 滑不良问题。这样就能够降低喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率，从而延长发动机的 使用寿命。 ( 4 ) 生物柴油以一定比例与石化柴油混合使用，可以降低油耗、提高动力性，并 降低尾气排放，减少污染。 ( 5 ) 较好的安全性能。由于生物柴油闪点高，在1 0 0 以上，较之闪点小于7 0 c 的 石化柴油，其在运输、储存、使用方面的安全性是显而易见的。 ( 6 ) 可再生性。通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。 ( 7 ) 无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备， 也不需要对相关人员进行特殊的技术培训。 可以说生物柴油是一种真正的绿色柴油。正是如此，近年来欧美一些国家都加大了 对生物柴油的研究开发和推广应用。 1 。2 2 生物柴油对能源安全的战略意义 如前所述，我国石油供应和消费的关系已处于失衡状态，且矛盾日渐加剧，利用国 内能源优势，开发生物柴油，对能源供应和消费的平衡具有重要的战略意义，对保障中 国石油安全作用重大。 1 2 3 生物柴油对生态环境的意义 生物柴油燃烧时可大大降低二氧化碳、多环苯类致癌物和“黑烟 等污染物排放； 利用泔水油、地沟油、酸化油以及废动物油下脚料等生产生物柴油，可减少肮脏的、含 毒物质的废油污染环境，从而保护了水体和土壤。另外，发展生物柴油产业必将促进油 料作物、油料林木和油料水生植物的栽种，特别是利用中国国土中不适合种植粮食作物 的荒山荒坡、沙化土地和滩涂，这样还可以大大增加国土绿化面积，减少水土流失，调 第一章绪论 节环境气候，保持生态平衡。 1 2 4 生物柴油对社会经济效益的意义 发展生物柴油，将对中国的社会经济产生很大的影响。为了生物柴油的稳定发展， 首先要有可靠的原料来源，所以作为其主要来源的生物质油料树木，必须进行大面积种 植。对于种植粮食作物的地区，可以通过结构调整，把退耕还林和能源林发展结合起来， 建立生物质柴油原料林基地。对于不适合种植粮食作物的荒山荒坡、沙化土地和滩涂等 地区，响应国家和地方上出台的扶持鼓励政策，因地制宜，发展能源林植造工程。由农 林产品向工业品转化，从而拉动农业经济，增加农民收入，这对于中国政府解决“三农 问题意义重大。 1 3 本文选题思路及主要内容 综上分析，随着柴油机广泛应用与石化柴油供应不足之间的矛盾、柴油机作为动力 的潜在发展与石化柴油能源储备不足之间的矛盾、柴油机尾气排放污染与环境保护之间 的矛盾等以及相应产生的系列问题日渐显著和激化，迫使我们必须找出解决问题，缓和 矛盾的方法和措施。而可再生性、清洁环保性能源的开发和应用也就相应的提到日程， 生物柴油优良的特性显示出它巨大的发展潜力和广阔的市场前景。 我国在生物柴油的原料、生产和应用等方面已初具规模，正朝着产业化方向发展。 然而，我国现阶段生物柴油市场失范，小规模生产经营、产品质量参差不齐、行业标准 缺位等已经影响到生物柴油市场的健康发展，成为其产业化发展的制约因素。 随着2 0 0 6 年年末，我国首个生物柴油国家标准柴油机燃料调和用生物柴油正 式进入报批程序并于2 0 0 7 年正式颁布实施，我国生物柴油市场已渐进规范，同时，对 汽车燃用生物柴油的系统性应用技术研究也就愈显得重要和迫切。西部交通建设科技项 目“生物柴油应用技术研究 就是为满足这一要求而提出的。该项目的研究目的主 要有： ( 1 ) 掌握生物柴油一柴油混合燃油的理化性质和掺烧特性； ( 2 ) 确定发动机燃用生物柴油柴油混合燃油可能产生的技术问题： ( 3 ) 提出改善生物柴油一柴油混合燃油发动机性能的技术措施； ( 4 ) 提出在道路运输企业应用生物柴油一柴油混合燃油的可行标准与政策。 本论文的主要内容是对生物柴油一柴油混合燃油掺烧特性和掺烧比优化进行研究， 1 2 长安大学硕士学位论文 主要工作集中在以下两方面： ( 1 ) 对发动机在分别燃用石化柴油、生物柴油以及含有不同体积比生物柴油的混 合柴油时的动力性、燃油经济性和排放特性进行试验对比研究，在保证柴油机动力性， 考虑燃油经济性的同时，重点着手于发动机排烟的分析，以期掌握发动机燃用生物柴油 及其与石化柴油的混合燃料时的烟度的变化规律，找出生物柴油一柴油最佳混合比例， 以最大程度地降低碳烟排放，为生物柴油的应用提供必要的依据和指导。 ( 2 ) 针对生物柴油掺混燃烧中存在的问题，通过向生物柴油一柴油中添加适当种 类和比例的添加剂，以期进一步降低柴油机掺烧生物柴油时的排气烟度，使生物柴油在 降低柴油机碳烟排放方面产生显著效果，增强生物柴油应用的适应性。 本试验主要在项目小组前期对生物柴油一柴油混合燃油掺烧特性分析所得结论的 基础上，在优化所得生物柴油一柴油混合燃油的混合比值上下较小浮动范围内分别添加 乙醇、减烟剂以及二者混合液，再次进行试验对比研究，在保证发动机动力性的同时， 兼顾燃油经济性的情况，找出减烟效果最佳的优化比。 1 3 第二章生物柴油和燃料乙醇的理化特性 第二章生物柴油的燃料特性和理化指标 2 1 生物柴油的燃料特性理化指标 生物柴油具有较为优良的燃料特性，部分种类生物柴油和石化柴油的燃料特性见表 2 1 16 1 。 表2 1部分生物柴油和石化柴油的燃料特性 、 燃料 低含硫油菜籽油油菜籽油大豆油 指标 柴油 甲基酯乙基酯乙基酯 十六烷值 4 66 1 25 9 76 1 闪点6 71 8 01 8 5 1 4 4 浊点 1 2227 倾点 一1 61 0 2 07 沸点 1 9 13 4 72 7 31 4 2 粘度i t i n l 2 s ( 4 0 。c ) 2 9 85 6 56 15 7 8 含硫量，州 0 0 3 60 0 1 20 0 1 20 0 2 3 含氮量1 0 。6 o67 1 2 热值k j k g 4 6 4 2 04 0 6 0 04 0 5 1 03 9 8 0 0 比重 0 8 4 9 50 8 8 0 20 8 7 60 8 7 2 从燃料特性考虑，生物柴油与石化柴油相比较，其优点主要表现在以下几个方面【1 8 】： ( 1 ) 十六烷值 燃烧性能是评价燃料油品质的重要指标，而十六烷值是衡量燃料在柴油机中燃烧性 能好坏的重要指标，将影响到整个燃烧过程。十六烷值低，燃料发火困难，滞燃期长， 发动机工作时容易发生爆震；但燃料十六烷值过高时，反而会因滞燃期太短而使燃烧不 完全，导致发动机功率降低、耗油量增加和冒黑烟等后果。一般认为，柴油十六烷值在 4 5 6 0 时可以保证柴油完全燃烧，热效率高，耗油量低，气缸中压力和缓升高，发动 机工作平稳，排放正常。生物柴油的十六烷值一般不低于5 6 ，其混合燃料的十六烷值 近似相当于两种燃油十六烷值的加权平均值，即纯柴油和生物柴油的十六烷值可以用于 估计生物柴油与柴油任意比例混合的混合燃油的十六烷值。另外，由于生物柴油比石化 柴油具有更好的发火性，具有更短的着火滞后期，有利于降低柴油的燃烧过程中的压力 升高率，可以减少柴油机的振动和噪声。 ( 2