梅德清，嚴志祥，覃文山，王 鋮，高亞平

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著生物質(zhì)熱裂解技術(shù)的不斷發(fā)展，生物質(zhì)熱解油的產(chǎn)生極大地提高了生物質(zhì)能量的利用效率，也為其替代石油燃料應(yīng)用于發(fā)動機提供了可能[1-2]。然而，生物質(zhì)熱解油存在含水量高、腐蝕性強、黏度大、熱值低以及內(nèi)部組分易聚合等缺點，直接用作發(fā)動機燃料時，會出現(xiàn)著火困難、供油管路腐蝕以及噴油嘴堵塞等問題[3-4]，限制了其在發(fā)動機上的廣泛應(yīng)用。因此，有必要采取合適的工藝對其進行提質(zhì)處理。

生物質(zhì)熱解油是木屑通過高溫快速熱解的產(chǎn)物，其酸值為38.81 mgKOH/g，含水體積分數(shù)為23%，且含有較多不穩(wěn)定的小分子醛酮類物質(zhì)，易發(fā)生聚合；又由于其含有的大量水分會降低酯化反應(yīng)的提質(zhì)效率，因此需對其進行脫水和催化酯化烷基化處理，整個過程即為生物質(zhì)熱解油的提質(zhì)過程。

近年來，因使用合適的提質(zhì)工藝處理，生物質(zhì)熱解油的燃油綜合性能得到提升，生物質(zhì)熱解油正成為生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用領(lǐng)域的研究熱點。生物質(zhì)熱解油常用的提質(zhì)方法主要包括萃取、乳化、催化加氫、催化裂解以及催化酯化等[5-8]。其中，催化酯化作為一種溫和的提質(zhì)方法，不僅能夠有效降低生物質(zhì)熱解油的酸值、提高其與現(xiàn)有發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的相容性，而且還具有操作過程簡單、能耗少以及催化劑不易失活等優(yōu)點而備受關(guān)注[9]。Zhang等[10]采用催化酯化工藝提質(zhì)生物質(zhì)熱解油，有效改善了其酸值、黏度以及熱值等主要理化特性參數(shù)。Ye等[11]以乙酸和乙醛構(gòu)建生物質(zhì)熱解油模型化合物，在正丁醇體系下加入2-甲基呋喃與乙醛對生物質(zhì)熱解油進行烷基化反應(yīng)，生成了著火性能較好的長碳鏈烷基化產(chǎn)物。Lu等[12]對生物質(zhì)熱解油進行催化酯化烷基化共沸脫水聯(lián)立提質(zhì)，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)熱解油的含水質(zhì)量分數(shù)由27.8%降至3.2%，酸值由41.12 mgNaOH/g降至6.17 mgNaOH/g，此外，不穩(wěn)定的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了穩(wěn)定的長碳鏈產(chǎn)物。

以上研究均表明，生物質(zhì)熱解油經(jīng)酯化提質(zhì)后燃油品質(zhì)得到了顯著提升。盡管如此，其在發(fā)動機上的實際應(yīng)用卻仍然非常少見。王鋮等[13]將酯化生物油與柴油按不同比例混合后，在發(fā)動機上進行燃燒應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)，隨著酯化生物油占比增加，混合燃油滯燃期逐漸延長，缸壓逐漸降低，瞬時放熱率逐漸升高，同時當量比燃油耗依次上升，有效熱效率依次下降。楊宏偉[14]將乙酸乙酯替代酯化生物油摻混應(yīng)用于發(fā)動機，不僅降低了NOx和CO排放，而且顆粒物排放也得到了有效控制。

由此可見，雖然酯化生物油已在發(fā)動機上進行了嘗試性研究，但由于酯化反應(yīng)側(cè)重于對生物質(zhì)熱解油中酸性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，因此其在發(fā)動機上的實際應(yīng)用中還未能起到改善燃燒的作用。而在酯化反應(yīng)的基礎(chǔ)上引入烷基化反應(yīng)，使得生物質(zhì)熱解油中的小分子酸、醛、酮等不利組分，同步轉(zhuǎn)化成長碳鏈的酯、醚類目標產(chǎn)物，有助于改善燃油的著火性能。故筆者將經(jīng)過脫水和催化酯化烷基化處理后的生物質(zhì)熱解油，以不同體積分數(shù)添加至0#柴油中，在共軌柴油機上考察0#柴油與混合燃油的當量比燃油耗、有效熱效率以及燃燒過程與尾氣排放等性能，可望為酯化烷基化提質(zhì)生物油在發(fā)動機上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論分析支撐。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

以鋸末和稻殼為原材料的生物質(zhì)熱解油，購自山東格潤奧能源有限公司；0#柴油購自中國石油化工股份有限公司；Amberlyst-36離子交換樹脂，購自天津雙聯(lián)有限公司；二氯甲烷、無水硫酸鈉、正丁醇以及2-甲基呋喃等均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 提質(zhì)生物油和混合燃油的制備

1.2.1 提質(zhì)生物油的制備

脫水處理：以二氯甲烷為萃取劑，其與生物質(zhì)熱解油按體積比2∶1進行萃取。萃取后生物質(zhì)熱解油分為上下2層，下層為油相，含大量二氯甲烷。將油相在40 ℃下蒸餾分離萃取劑(二氯甲烷的沸點為39.8 ℃)，獲得粗制生物油，二氯甲烷回收再利用。

催化酯化烷基化處理：以Amberlyst-36離子交換樹脂為催化劑，將50 g粗制生物油、50 g正丁醇、20 g 2-甲基呋喃以及4.5 g催化劑分別加入到連接冷凝管的三口燒瓶中，控制油溫保持在100 ℃，進行催化酯化烷基化反應(yīng)4 h[15]，獲得提質(zhì)生物油。

1.2.2 混合燃油的制備和物性表征

在室溫下，分別將體積分數(shù)為5%、10%、15%的提質(zhì)生物油與0#柴油混合，配制3種混合燃油，分別記為B5、B10和B15。使用NDJ-5S旋轉(zhuǎn)式黏度計(上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn))測量提質(zhì)生物油以及混合燃油的黏度。通過經(jīng)驗公式估算提質(zhì)生物油以及混合燃油低熱值[16]?；旌先加偷牡蜔嶂蛋刺豳|(zhì)生物油和柴油的質(zhì)量分數(shù)線性平均求得，提質(zhì)生物油和混合燃油的理化特性如表1所示。

表1 提質(zhì)生物油和混合燃油的理化特性Table 1 Physicochemical properties of upgraded bio-oil and fuel blends

1.3 組分分析

1.3.1 生物油元素分析

使用FLASH2000元素分析儀(意大利賽默飛世爾科技公司生產(chǎn))測量粗制生物油和提質(zhì)生物油的C、H、O等元素的質(zhì)量分數(shù)，列于表2。

表2 粗制生物油和提質(zhì)生物油的元素含量Table 2 Element contents of experimental fuel samples w/%

1.3.2 生物油組分分析

以二氯甲烷為溶劑，按質(zhì)量濃度為0.5 mg/mL配制稀釋粗制生物油和提質(zhì)生物油，分別取1 μL為實驗油樣，采用安捷倫7890/5975c氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)進行組分分析。分析條件：色譜柱為HP-5毛細管色譜柱，載氣流量為1 mL/min，進樣方式為分流進樣，體積分流比為10∶1。升溫程序設(shè)置初始溫度為40 ℃，停留10 min后，再以10 ℃/min 的升溫速率升至260 ℃，在260 ℃下停留3 min。經(jīng)GC-MS分析，粗制生物油和提質(zhì)生物油的主要成分如圖1所示。

由圖1可知，在整個提質(zhì)過程中，從粗制生物油到提質(zhì)生物油：酸類質(zhì)量分數(shù)由12.0%降至1.8%，酯類質(zhì)量分數(shù)由0.5%升至9.6%，這是由于乙酸、丙酸和丁酸通過與正丁醇發(fā)生酯化反應(yīng)生成了相應(yīng)的乙酸丁酯、丙酸丁酯和丁酸丁酯[17]。此外，酚類質(zhì)量分數(shù)由32.6%降至15.2%，原因在于所加入的正丁醇和2-甲基呋喃對粗制生物油中的酚類物質(zhì)起到了稀釋作用。而醛酮類質(zhì)量分數(shù)由22.3%降至4.4%，醚類質(zhì)量分數(shù)由0.7%升至37.8%，這主要有3個原因[18]：(1)甲醛和羥乙醛與正丁醇間發(fā)生縮醛化反應(yīng)；(2)羥基丙酮、1-羥基-2-丁酮與正丁醇發(fā)生醚化反應(yīng)；(3)甲醛和糠醛與2-甲基呋喃烷基化反應(yīng)生成烷基化產(chǎn)物。

圖1 粗制生物油和提質(zhì)生物油的主要成分Fig.1 Main components of crude and upgraded bio-oil

粗制生物油和提質(zhì)生物油的總離子流圖和主要組分分別列于圖2和表2。從圖2和表2可知，乙酸在2.01 min出峰，相對質(zhì)量分數(shù)為9.45%。除大量的乙酸之外，粗制生物油中還含有大量不穩(wěn)定的醛酮類高活性組分，這些組分易發(fā)生聚合反應(yīng)，使粗制生物油穩(wěn)定性變差，不利于長期儲存；催化酯化烷基化聯(lián)立提質(zhì)后，提質(zhì)生物油中含氧類有機物明顯減少，同時檢測到了大量的酯類和醚類穩(wěn)定產(chǎn)物，這些產(chǎn)物主要是由酸、醛、酮類物質(zhì)分別通過不同的化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化而來。另外在酯化烷基化反應(yīng)中，較高的反應(yīng)溫度能有效抑制醛酮類與醇類之間的縮醛化反應(yīng)，減少縮醛化產(chǎn)物的生成；同時2-甲基呋喃與醛酮類物質(zhì)發(fā)生烷基化反應(yīng)，能有效抑制醛酮類與醇類物質(zhì)之間的縮醛化反應(yīng)，減少縮醛化產(chǎn)物的生成，從而得到更加穩(wěn)定的烷基化產(chǎn)物。以上研究均表明：生物質(zhì)熱解油經(jīng)預(yù)處理和催化酯化烷基化提質(zhì)后，大量的有機酸以及不穩(wěn)定的醛酮類物質(zhì)、酚類物質(zhì)向穩(wěn)定的長碳鏈烷基化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，燃油的穩(wěn)定性顯著提升。

圖2 粗制生物油和提質(zhì)生物油的總離子流圖Fig.2 Total ion flow diagrams of the crude bio-oil and upgraded bio-oil(a)Crude bio-oil；(b)Upgraded bio-oil

表3 粗制生物油和提質(zhì)生物油的主要組分Table 3 Main components of the crude bio-oil and upgraded bio-oil

1.4 柴油機試驗及設(shè)備

在4B28V16型四缸高壓共軌柴油機上研究0#柴油與混合燃油的燃燒與排放特性，主要參數(shù)如表4 所示。試驗時未改變柴油機的機體結(jié)構(gòu)以及軌壓和噴油時刻等噴油參數(shù)。當柴油機在最大扭矩轉(zhuǎn)速1800 r/min時，選取100%、75%、50%和25%等負荷工況，將機油溫度和冷卻水溫度均控制在特定的范圍內(nèi)，進行0#柴油、B5、B10、B15等燃料的燃燒與排放性能試驗。

表4 4B28V16型柴油機的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of 4B28V16 diesel engine

當發(fā)動機處于穩(wěn)定工況時，使用AVL622燃燒分析儀(奧地利AVL公司生產(chǎn))采集不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)壓力，獲得200個循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)并取平均值，基于熱力學第一定律計算瞬時放熱率；采用735S瞬態(tài)油耗儀(奧地利AVL公司生產(chǎn))記錄試驗燃油的燃油消耗率，并根據(jù)燃油各組分比例及熱值計算當量比燃油耗；使用MEXA分析儀(日本Horiba公司生產(chǎn))測量排氣中HC、CO以及NOx的體積分數(shù)，使用AVL415S濾紙式煙度計(奧地利AVL公司生產(chǎn))測量排氣煙度。在每種試驗工況下，均重復3次測量燃油消耗率和排放性能，取平均值作為該工況下的試驗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃油經(jīng)濟性分析

由于提質(zhì)生物油和0#柴油的低熱值相差較大，其比燃油耗并不能準確反映所消耗燃料的總熱值，因此，為更加有效地評價柴油機實際工作循環(huán)的燃油消耗情況，使用當量比燃油耗beq和有效熱效率ηet來衡量燃油的經(jīng)濟性。當量比燃油耗指把所測燃料的熱值轉(zhuǎn)化成與柴油熱值相同時所對應(yīng)的柴油消耗量。有效熱效率為發(fā)動機有效功率的熱當量與單位時間所消耗燃料的熱量之比。當量比燃油耗和有效熱效率的計算公式分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：beq為當量比燃油耗，g/(kW·h)；be為比燃油耗，g/(kW·h)；ηet為有效熱效率，%；wD、wB分別代表混合燃油中柴油與提質(zhì)生物油的質(zhì)量分數(shù)，%；QM、QD和QB分別代表混合燃油、柴油和提質(zhì)生物油的低熱值，MJ/kg。

當柴油機轉(zhuǎn)速為1800 r/min時，柴油機不同工作負荷工況下燃用0#柴油、B5、B10和B15的當量比燃油耗列于圖3。從圖3可見，在柴油機相同工作負荷工況下，隨著提質(zhì)生物油體積分數(shù)的增加，B5、B10和B15混合燃油的當量比燃油耗相比柴油逐漸升高。當在柴油機100%負荷工況時，B5、B10和B15混合燃油的當量比燃油耗增幅非常小，僅依次上升了0.3%、0.5%和0.7%，但在柴油機25%負荷工況時，B5、B10和B15混合燃油的當量比燃油耗增幅明顯，分別增加了2.1%、4.3%和7.5%。這可能是因為提質(zhì)生物油中尚存少量殘留的正丁醇和2-甲基呋喃以及反應(yīng)生成的乙酸丁酯等，這些易揮發(fā)組分汽化潛熱較大，降低了缸內(nèi)燃燒溫度；此外，提質(zhì)生物油中還存在許多難以完全燃燒的酚類物質(zhì)以及重質(zhì)組分，不完全燃燒現(xiàn)象加劇，使得燃燒持續(xù)期延長，燃油燃燒釋放的熱量利用率下降。當柴油機在高負荷工況工作時，由于發(fā)生燃燒的基礎(chǔ)環(huán)境溫度高，不易燃組分也會被盡可能快地燃燒氧化，所以4種燃油的當量比燃油耗差距較??；而當柴油機在低負荷工況工作時，隨著混合燃油中提質(zhì)生物油體積分數(shù)增加，由于混合燃油燃燒溫度相對較低，提質(zhì)生物油中不易燃組分延長燃燒持續(xù)期的效應(yīng)愈加明顯，燃燒放熱愈加遠離上止點，因此，欲使發(fā)動機在工作中達到與柴油相同的功率輸出，需增加混合燃油的供油量，即當量比燃油耗必然增加。

圖3 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時不同工作負荷下燃油的當量比燃油耗(beq)Fig.3 Equivalent brake specific fuel consumption (beq) of diesel engine at various loads of 1800 r/min

由比燃油耗數(shù)據(jù)按式(2)計算得到各工況下有效熱效率，如圖4所示。由圖4可知：在柴油機相同工作負荷下，隨著提質(zhì)生物油體積分數(shù)的增加，混合燃油的有效熱效率下降幅度逐漸增大，而在柴油機100%工作負荷下有效熱效率下降幅度趨緩；與圖3描述的當量燃油耗特性相類似，在柴油機25%工作負荷下，4種燃油熱效率差異較大。因此綜合來看，柴油機全負荷工況下B15燃油當量比燃油耗略高于柴油，且熱效率接近，而柴油機低負荷時經(jīng)濟性與排放性不佳。

圖4 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時不同工作負荷下燃油的有效熱效率(ηet)Fig.4 Effective thermal efficiency (ηet)of diesel engine at various loads of 1800 r/min

2.2 燃燒過程分析

當柴油機在1800 r/min、100%負荷工況時，燃用0#柴油和混合燃油的缸內(nèi)壓力和瞬時放熱率分別列于圖5和圖6，其中柴油機采用預(yù)噴和主噴兩段噴射噴油策略。由圖5可知：缸內(nèi)壓力曲線呈現(xiàn)雙峰特征，在上止點附近的壓力峰是由壓縮以及初期燃燒放熱所形成的，遠離上止點的壓力峰則是主燃燒放熱的體現(xiàn)；在柴油機100%負荷工況下，與初期燃燒放熱規(guī)律相對應(yīng)，0#柴油比混合燃油呈現(xiàn)出高的初期壓力峰，且混合燃油B5、B10和B15的壓力峰依次降低；但隨著主噴燃油噴入氣缸后，因提質(zhì)生物油含有較多的低沸點組分，在初期燃燒放熱升溫的過程中，形成較多的可燃混合氣，并耦合未燃燒殆盡的預(yù)噴燃油繼續(xù)氧化燃燒，因此混合燃油B5、B10和B15的主燃燒壓力峰依次升高。

圖5 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時100%工作負荷下燃油的缸內(nèi)壓力Fig.5 In-cylinder pressure of diesel engine at 100% load of 1800 r/min

圖6 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時100%工作負荷下燃油的瞬時放熱率Fig.6 Instantaneous heat release rate of diesel engine at 100% load of 1800 r/min

從圖6瞬時放熱率曲線可見，與0#柴油相比，混合燃油B5、B10和B15的燃燒始點逐漸提前，滯燃期縮短，預(yù)噴燃油引發(fā)的初期燃燒放熱峰值依次下降，而主噴燃油燃燒對應(yīng)的瞬時放熱峰依次上升。這是因為生物質(zhì)熱解油采用中碳醇(丁醇)和2-甲基呋喃進行酯化烷基化提質(zhì)，其產(chǎn)物中存在著火性能較好的長碳鏈物質(zhì)，使混合燃油燃燒提前，初期燃燒放熱峰較小。少量的預(yù)噴燃油燃燒放熱有效地提升了缸內(nèi)溫度，加速主噴燃油與空氣混合形成可燃混合氣。由于混合燃油中含有正丁醇和2-甲基呋喃等揮發(fā)性能較好的物質(zhì)，這更有利于形成更多的可燃混合氣，加之未燃燒殆盡的預(yù)噴燃油耦合主噴燃油繼續(xù)氧化燃燒，主燃燒的放熱峰依次上升[19-20]。

燃燒持續(xù)期指總放熱量在10%～90%之間的曲軸轉(zhuǎn)角范圍。在柴油機轉(zhuǎn)速為1800 r/min、100%工作負荷下，柴油機燃用0#柴油和混合燃油的燃燒持續(xù)期見圖7所示。從圖7可見，混合燃油B5、B10和B15在預(yù)噴燃燒和主噴燃燒的燃燒持續(xù)期均略高于0#柴油，2個燃燒階段的燃燒持續(xù)期之和相比0#柴油分別延長了0.9 ℃A、2.2 ℃A和3.6 ℃A，B15的燃燒持續(xù)期延遲幅度最大。這是由于混合燃油的燃油消耗量較多，加之提質(zhì)生物油中不僅含有著火性能較好的長碳鏈物質(zhì)，而且還存在大量由纖維素、半纖維素及木質(zhì)素分解生成的重質(zhì)組分，這些重質(zhì)組分相比0#柴油更加難以氧化燃燒，因此混合燃油的燃燒持續(xù)期逐漸延長。

圖7 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時100%負荷工況下燃油的燃燒持續(xù)期Fig.7 Combustion duration of diesel engine at 100% load of 1800 r/min

2.3 排放特性分析

柴油機的HC排放主要由燃料未燃燒或未完全燃燒的產(chǎn)物組成[21]。在不同工作負荷下，柴油機燃用0#柴油以及混合燃油的HC排放特性見圖8。含氧燃料在燃燒過程中極大提升了氧化反應(yīng)的完全程度，因而使不完全燃燒產(chǎn)物如HC、CO和碳煙排放體積分數(shù)顯著降低[22]。由燃燒過程分析知：隨著B5、B10和B15中提質(zhì)生物油體積分數(shù)增加，盡管含氧量逐步增加，但混合燃油中苯酚、愈創(chuàng)木酚以及重質(zhì)組分等阻滯燃燒的效應(yīng)愈加顯著，燃燒持續(xù)期延長，出現(xiàn)一定程度的后燃，因此B5、B10和B15的HC排放體積分數(shù)隨提質(zhì)生物油體積分數(shù)的增加而增大。由圖8可見：B5和B10的HC排放體積分數(shù)比0#柴油低，這主要歸因于混合燃油的自含氧量質(zhì)量分數(shù)高達29%，但高含氧量的B15燃燒產(chǎn)生的HC排放體積分數(shù)比0#柴油還高，則進一步凸顯了B15燃燒時缸內(nèi)溫度降低幅度較大，不利于HC的完全氧化。各燃油的HC排放體積分數(shù)均隨著負荷增加而降低，在低負荷時差異明顯，而在高負荷時差異較小。這是由于，當柴油機在低負荷工況時，較少的循環(huán)噴油量在較長的著火延遲期內(nèi)形成較多的過稀混合氣，加之較低的缸內(nèi)燃燒溫度，會形成較高的HC排放體積分數(shù)；而當柴油機在高負荷工況時，過稀混合氣區(qū)域減少，較高的缸內(nèi)溫度也有利于不完全氧化產(chǎn)物進一步氧化，因而HC排放體積分數(shù)相對較低。

圖8 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時不同工作負荷下燃油的HC體積濃度排放Fig.8 HC emission in volume concentration of diesel engine at various loads of 1800 r/min

在不同工作負荷下，柴油機燃用0#柴油以及混合燃油的CO排放特性見圖9。由圖9可見,在相同柴油機工作負荷下，混合燃油B5、B10和B15的CO排放體積分數(shù)隨著提質(zhì)生物油體積分數(shù)增加而依次升高，其中B5、B10的CO排放體積分數(shù)低于0#柴油，而B15的CO排放體積分數(shù)高于0#柴油。這一方面由于提質(zhì)生物油中的低沸點及含氧組分有較高的汽化潛熱；另一方面由于提質(zhì)生物油中含有苯酚、愈創(chuàng)木酚等酚類物質(zhì)以及重質(zhì)組分使燃燒氧化速率變得緩慢，致使缸內(nèi)燃燒溫度降低，不完全燃燒現(xiàn)象加劇，因此混合燃油B5、B10和B15的CO排放體積分數(shù)依次增加。理論上，含氧燃料極大地提升氧化反應(yīng)的完全程度，因而能夠有效地降低不完全燃燒產(chǎn)物CO的排放體積分數(shù)。然而，混合燃油B5、B10和B15的CO排放體積分數(shù)并未隨著燃料含氧量增加而降低，反而呈現(xiàn)相反的趨勢，表明混合燃油中提質(zhì)生物油體積分數(shù)增大對燃燒的不利影響成為主要因素?；旌先加虰5和B10的CO排放體積分數(shù)比0#柴油低，主要還是歸因于燃料的自含氧屬性。由燃燒過程的分析可知，B15的燃燒持續(xù)期增長幅度變大，后燃和不完全燃燒程度加劇，因而其CO排放體積分數(shù)高于0#柴油。由圖9還可知，0#柴油、B5、B10和B15的CO排放體積分數(shù)均隨著柴油機工作負荷增加而降低，這是由于不完全燃燒產(chǎn)物CO需要在較高的溫度環(huán)境下，才能進一步完全氧化轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，高工作負荷對應(yīng)的較高缸內(nèi)溫度易使CO進一步氧化，而低工作負荷對應(yīng)的較低的缸內(nèi)溫度則會抑制CO的進一步氧化。

圖9 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時不同工作負荷下燃油的CO體積濃度排放Fig.9 CO emission in volume concentration of diesel engine at various loads of 1800 r/min

根據(jù)澤爾多維奇理論，高溫、較長燃燒持續(xù)期以及富氧是NOx生成的主要因素[23-24]。不同工作負荷下，柴油機燃用0#柴油以及混合燃油的NOx排放特性見圖10。由圖10可見,當柴油機工作負荷相同時，混合燃油B5、B10和B15的NOx排放體積分數(shù)先增加后下降，且均高于0#柴油?；旌先加偷母吆趿浚菍е?種混合燃油的NOx排放體積分數(shù)均高于0#柴油的重要原因。NOx主要形成于火焰前鋒周圍的高溫燃氣，缸內(nèi)局部高溫區(qū)域是NOx形成的決定性要素。通常，當混合燃油中含有較多的低熱值、高含氧的提質(zhì)生物油時，其絕熱火焰溫度也會降低；而且如混合燃油B15中較多不易氧化的重質(zhì)組分，使燃燒滯后且最高燃燒溫度大幅降低，由于缸內(nèi)燃燒溫度是NOx生成的主導條件，因此其NOx排放體積分數(shù)較B10降低。此外，各燃油的NOx排放體積分數(shù)均隨柴油機工作負荷增加而逐漸增大，這是因為高工作負荷即意味著較高的缸內(nèi)燃燒溫度，促使形成更多的NOx排放。

圖10 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時不同工作負荷下燃油的NOx體積濃度排放Fig.10 NOx emission in volume concentration of diesel engine at various loads of 1800 r/min

碳煙需要在高溫和缺氧的條件下生成，即燃油不完全燃燒更容易生成碳煙[25]。在不同工作負荷下，柴油機燃用0#柴油以及混合燃油的碳煙排放特性見圖11。由圖11可見,當柴油機工作負荷相同時，隨著提質(zhì)生物油體積分數(shù)增加，混合燃油B5、B10和B15的煙度依次上升，且在柴油機高工作負荷時上升幅度更加明顯。這主要是因為提質(zhì)生物油中含有許多酚類物質(zhì)和重質(zhì)組分，這些物質(zhì)在燃料體系中難以完全燃燒，不僅能產(chǎn)生大量的碳煙，而且還會使得缸內(nèi)溫度降低。但混合燃油B5和B10的煙度比0#柴油更低，主要是由于提質(zhì)生物油中的低沸點含氧組分，起著有效降低煙度的效果。與不完全氧化產(chǎn)物HC和CO排放特性相類似，由于B15混合燃油燃燒時形成較低的缸內(nèi)燃燒溫度環(huán)境，不利于燃料裂解過程中形成的碳煙的進一步氧化，而表現(xiàn)出比0#柴油還高的煙度。此外，柴油機低工作負荷時循環(huán)噴油量較少，加之提質(zhì)生物油的自含氧屬性，混合氣的宏觀空燃比較大，減少了碳煙生成，因而4種燃料的煙度差異較??；在柴油機高工作負荷時，缸內(nèi)溫度較高而混合氣宏觀空燃比較小，易產(chǎn)生較多的碳煙，而且不同燃料之間的煙度差異亦逐漸拉大。

圖11 柴油機在轉(zhuǎn)速1800 r/min時不同工作負荷下燃油的碳煙排放Fig.11 Smoke emission of diesel engine at various loads of 1800 r/min

3 結(jié) 論

(1)與0#柴油相比，加入提質(zhì)生物油的混合燃油中低沸點含氧組分較大的汽化潛熱降低了柴油發(fā)動機缸內(nèi)溫度，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的酚類物質(zhì)和重質(zhì)組分難以完全燃燒，降低了燃燒熱量的利用率，導致混合燃油的當量比油耗逐漸增多，有效熱效率下降。

(2)當柴油機滿負荷工作時，混合燃油中著火性能較好的長碳鏈組分使得燃燒提前，使得初期燃燒放熱峰值和缸內(nèi)壓力峰依次下降；缸內(nèi)基礎(chǔ)溫度促進主噴燃油的油氣混合與燃燒，加之提質(zhì)生物油中低沸點組分及未燃燒殆盡的預(yù)噴燃油，耦合主噴燃油繼續(xù)氧化燃燒，使得主燃燒的壓力峰依次上升。

(3)當柴油機工作負荷相同時，混合燃油的HC、CO和碳煙排放均隨提質(zhì)生物油體積分數(shù)增加而依次升高，而NOx排放先升高后降低；其中，B5、B10的HC、CO和碳煙排放低于0#柴油，而B5、B10和B15的NOx排放均高于0#柴油。

(4)當柴油機工作負荷低時，缸內(nèi)的低溫抑制了HC、CO的進一步氧化，因此0#柴油和3種混合燃油的HC和CO排放特性差異較大，而NOx和碳煙排放特性差異較小。