轿车柴油机燃用生物柴油温室气体排放特性研究

2008-11-05 15:23:54 零排放汽车网-专注新能源汽车,混合动力汽车,电动汽车,节能汽车等新闻资讯 网友评论 0 条

一、引言

随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，汽车的石油消耗量已超过石油总消耗量的1/3，预计2010年将达到2/3^[1]，汽车已成为石油消耗的第一大户。同时，汽车的高速增长也带来了严重的环境问题，汽车尾气排放成为目前世界上导致许多大城市大气环境质量恶化的重要因素^[2]。另一方面，由于愈演愈烈的全球变暖趋势，控制温室气体排放已得到越来越广泛的关注。作为《京都议定书》缔约国之一，我们面临着巨大温室气体减排压力。

汽车产生的温室气体排放主要包括CO₂、CH₄和N₂O三种。由于柴油机具有高的热效率和良好的燃油经济性，其CO₂的排放量比汽油机低约30%～35%，汽车柴油化倾向越来越明显。西欧国家90%的轻型车都采用柴油机，欧洲柴油轿车已占轿车年产量的32%，法国、西班牙、意大利等国更高达50%以上^[3]。目前，柴油轿车的发展已在我国得到广泛关注，预计到2010年，国内柴油轿车的比例将达到20％ ^[4]。

生物柴油是以植物果实、种子、植物导管乳汁或动物脂肪油、废弃食用油等为原料，与醇类（甲醇、乙醇）经酯交换反应获得的可供内燃机使用的一种可再生燃料——脂肪酸甲酯或乙酯。研究表明：生物柴油具有燃烧后污染物排放低、温室气体排放低等特点^[5～9]。

本文对轿车柴油机燃用大豆制生物柴油的温室气体排放特性进行研究，系统研究1.9L TDI－PD轿车柴油机燃用生物柴油后发动机外特性以及标定转速(4000r/min)和最大转矩转速(1900r/min)负荷特性的CO₂、CH₄和N₂O等温室气体排放特性。

二、试验装置及方案

本文试验是在一台水冷、直列4缸4冲程，电控泵喷嘴高压直喷涡轮增压轿车柴油机上进行的。柴油机的总排量为1.896L，缸径和行程分别为78.5mm和95.5mm，压缩比为19：1，标定功率96 kW (4000 r/min)，最大转矩285 N.m (1900 r/min)。试验中未对发动机进行任何调整。

试验在同济大学新能源汽车工程中心进行，试验所用的主要设备为AVL-PUMA内燃机高动态测试台架系统和AVL-PEUS多组分气体测试仪。AVL-PEUS可以进行满足ULEV、Euro3、Euro4排放标准发动机非常规排放的在线测量，测量的气体排放包括CO、CO₂、NO、NO₂、NO_x、NMHC、CH₄、H₂O等常规气体排放，C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₄H₆、n-Pentane、iso-Pentane、n-Oktane、CH₃OH、SO₂、N₂O、NH₃、CH₂O、CH₃CHO、HCN等非常规气体排放。

试验燃料为0#柴油(记为B0)、纯大豆制生物柴油(记为B100)，及柴油与大豆制生物柴油的混合燃料。混合燃料中生物柴油所占体积比为10%和20%，分别记为B10和B20。试验中所用0#柴油和生物柴油的理化特性如表1所示。

表1 0#柴油和生物柴油的基本理化特性

理化参数

B0

B100

密度(20℃)/kg/L

0.824

0.879

十六烷值

50

53

硫含量/10-6

460

120

低热值/MJ/L

35.8

32.6

90%馏出温度/℃

316

334

冷滤点 /℃

-1

0

闪点/℃

90

163

三、试验结果与分析

3.1 生物柴油比例对CO₂的影响

轿车柴油机燃用柴油、纯生物柴油及二者的混合燃料发动机CO₂排放浓度外特性、最大转矩转速负荷特性、标定转速负荷特性如图1所示。

由图1(a)可见，柴油和生物柴油的CO₂排放浓度外特性的基本趋势都随着转速的增加而减少。可能是由于发动机标定的原因，所有燃料1400r/min的外特性CO₂排放浓度较高。当发动机转速低于2000r/min时，不同含量生物柴油的生物柴油-柴油混合燃料的外特性CO₂排放浓度相差很小。当发动机转速高于2000r/min时，随着混合燃料中生物柴油混合比例的增加，其外特性CO₂排放浓度降低。其中，B100即纯生物柴油的CO₂排放浓度最低。说明生物柴油能在一定程度上降低轿车柴油机的CO₂排放浓度。

由图1(b)和(c)可见，在标定转速和最大转矩转速下，随着负荷的增大，所有燃料的CO₂排放浓度增加，这是因为随着负荷增大，循环喷油量增加。另外，当发动机负荷小于75%时，在同一发动机负荷工况下，所有燃料的CO₂排放浓度基本一致。当发动机负荷大于75%时，随着混合燃料中生物柴油混合比例的增加，CO₂排放浓度降低。与纯柴油比较，B100即纯生物柴油的CO₂排放浓度降低了约8%。

3.2 生物柴油比例对CH₄的影响

轿车柴油机燃用柴油、纯生物柴油及二者的混合燃料发动机CH₄排放浓度外特性、最大转矩转速负荷特性、标定转速负荷特性如图2所示。

由图2(a)可见，当发动机转速低于1900r/min时，随着发动机转速的升高，所有燃料的CH₄外特性排放浓度降低；当发动机转速高于1900r/min时，随着发动机转速的升高，CH₄外特性排放浓度基本不变，生物柴油混合燃料的CH₄排放浓度接近于零。另外，随着生物柴油混合比例的增加，所有转速工况下混合燃料的CH₄外特性排放浓度降低。与纯柴油比较，B100即纯生物柴油的CH₄外特性排放浓度降低29%～100%。

由图2(b)和(c)可见，在标定转速和最大转矩转速下，随着负荷的增大，所有燃料的CH₄排放浓度降低。当发动机负荷小于50%时，在同一发动机负荷工况下，随着混合燃料中生物柴油混合比例的增加，CH₄排放浓度降低。当发动机负荷大于50%时，混合燃料的CH₄排放降低为零。

综合图2(a)～(c)可见，各种混合比例生物柴油混合燃料的CH₄排放量很小，均在6×10^-6浓度以下。

3.3 生物柴油比例对N₂O的影响

图3(a)为N₂O排放浓度的外特性。可见，柴油和生物柴油的N₂O外特性排放浓度基本上为零。这是因为，缸内稀燃低温是N₂O生成的主要条件。高负荷不利于N₂O的生成。

图3(b)和(c)是柴油机在最大转矩转速和标定转速下的N₂O排放浓度的负荷特性。可见，当发动机负荷大于50%时，所有燃料的N₂O排放浓度为零。当发动机负荷小于50%时，在同一发动机负荷工况下，随着混合燃料中生物柴油比例的增加，N₂O排放浓度升高。这是因为，当负荷较低时，由于生物柴油的馏出温度较高，蒸发过程进行较慢，有利于N₂O的生成。

综合图3(a)～(c)可见，各种混合比例生物柴油混合燃料的N₂O排放量很小，均在3×10^-6浓度以下。

3.4 生物柴油比例对当量CO₂排放的影响

根据政府间气候变化专业委员会(IPCC)公布的CO₂、CH₄和N₂O全球变暖潜力值(GWP，Global Warming Potentia1)，将CO₂、CH₄和N₂O转换为当量CO₂排放。另外，对于生物柴油中的碳，一方面，生物柴油在发动机气缸中燃烧，释放CO₂；另一方面，大豆、油菜籽、光皮树、麻疯树等生长过程中通过光合作用吸收CO₂，生产出生物柴油的原料。这样，与石化柴油燃烧所释放的CO₂需要几百万年才能再转变为石化能比较，生物柴油燃烧和生物柴油原料生产就形成了一个相对较快的碳循环利用链。因此，可以认为生物柴油燃烧产生的CO₂排放为零。

对于生物柴油—柴油混合燃料，单位热值混合燃料燃烧生物柴油产生的CO₂排放占CO₂排放总量的百分比 为：

(1)

式中，为单位热值混合燃料中生物柴油的碳含量；为单位热值混合燃料中石化柴油的碳含量。

(2)

式中，为生物柴油在混合燃料的混合比例(体积比)；为石化柴油的单位体积热值；为生物柴油的单位体积热值；为石化柴油的密度；为石化柴油的含碳质量比。

(3)

式中，为生物柴油的密度；为生物柴油的含碳质量比。

去除混合燃料中由生物柴油燃烧释放的CO₂后，柴油、纯生物柴油及二者的混合燃料发动机当量CO₂排放浓度的外特性、最大转矩转速负荷特性、标定转速负荷特性如图4所示。

由图4(a)～(c)可见，与CO₂比较，发动机排出的CH₄和N₂O很小，尽管其全球变暖潜力系数较高，柴油、纯生物柴油及二者的混合燃料发动机当量CO₂排放浓度的外特性、最大转矩转速负荷特性、标定转速负荷特性与CO₂一致，CO₂是轿车柴油机的主要温室气体排放。另外，去除混合燃料中由生物柴油燃烧释放的CO₂后，随着混合燃料中生物柴油比例的增加，柴油机外特性、最大转矩转速负荷特性、标定转速负荷特性下的当量CO₂排放浓度明显降低。当混合燃料中生物柴油的混合比例增至100%时，由于混合燃料中的碳完全由生物柴油提供，柴油机外特性和负荷特性所有工况点的CO₂排放均为零。因此，生物柴油可明显降低轿车柴油机产生的温室气体排放。

四、结 论

[1] 柴油掺混生物柴油后，CO₂排放有所降低，随混合比例的增加，CO₂降低幅度增大。

[2] 各种混合比例生物柴油混合燃料的CH₄和N₂O排放量很小，随着混合燃料中生物柴油比例的增加，CH₄排放浓度降低，N₂O排放浓度升高。

[3] 各种混合比例生物柴油混合燃料的当量CO₂排放浓度的外特性、最大转矩转速负荷特性、标定转速负荷特性与CO₂一致。CO₂是轿车柴油机的主要温室气体排放。

[4] 随着混合燃料中生物柴油比例的增加，柴油机外特性、最大转矩转速负荷特性、标定转速负荷特性下的当量CO₂排放浓度明显降低，生物柴油可明显降低轿车柴油机产生的温室气体排放。

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