柴油機(jī)燃用不同比例菜籽油柴油的試驗(yàn)

李會(huì)芬， 黃信豪， 陳國棟， 何浩穎， 黃豪中， 黃錦成

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引 言

石化能源是不可再生能源，面臨著能源枯竭等問題?？稍偕涂商娲裼偷纳锊裼褪鞘澜珀P(guān)注的熱點(diǎn)。目前，生物柴油發(fā)展的瓶頸因素是原料?！笆濉?期間，我國油菜種植面積和總產(chǎn)量分別占我國主要油料作物種植(5年平均)總面積和總產(chǎn)量的31.1%和26.55%[1]。菜籽油中飽和脂肪酸含量低，可以作為優(yōu)良的燃料使用。廣西的油菜籽有廣泛的種植面積并且各地都制定有利用冬閑田，種植冬種油菜，不與其他作物爭地，提高復(fù)種指數(shù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，油菜籽的產(chǎn)業(yè)比較繁榮。我國近年也就菜籽油制備生物柴油進(jìn)行了多方面的探索[2-9]。以菜籽油為原料制備的生物柴油的主要成分是菜籽油甲酯。菜籽油甲酯在柴油機(jī)上的燃用方法很多，有直接燃用法、調(diào)和燃用法、微乳化法、添加劑法等[10]，各種方法優(yōu)缺點(diǎn)也有不同。但菜籽油甲酯也存在著一些問題有待解決，如氧化穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本、低溫流動(dòng)性、熱安定性等問題[11-14]。因此，使用時(shí)需采取相應(yīng)措施，提高其抗氧化性能，提高油菜籽的產(chǎn)量，以降低成本。同時(shí)，需要研究更為經(jīng)濟(jì)和效果更好的添加劑，改善其在低溫下的流動(dòng)性能。

本文采用不同比例菜籽油與柴油相混合的方式進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，分析其對(duì)直噴柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和污染物排放的影響，對(duì)合理使用菜籽油生物柴油有一定的參考價(jià)值。為了保證混合燃料的互溶穩(wěn)定性和低溫流動(dòng)性，選用了正丁醇作為助溶劑。

1 試驗(yàn)設(shè)備及研究方法

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)ZS195型臥式、單缸、四沖程、直噴柴油機(jī)，其基本參數(shù)為:排量0.815 L,缸徑95 mm,行程115 mm,壓縮比20∶1,標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速8.82/2 000/(kW/(r/min)),最大扭矩/轉(zhuǎn)速48/1 500 (N·m/(r/min)),全負(fù)荷最低燃油耗≤251.6/(g/(kW·h)),噴油壓力(16±0.49)MPa,供油提前角-18 ℃A。

1.2 燃料指標(biāo)

采用菜籽油和市售0#柴油的不同比例混合后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)用油料分別為D100、BL0C30D70、BL10C20D70、BL20C10D70，其中：D代表柴油；BL代表正丁醇；C代表菜籽油，其比例為體積分?jǐn)?shù)。燃料為試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場制備。0#柴油和菜籽油生物柴油樣品的主要理化特性指標(biāo)如表1所示。

1.3 試驗(yàn)測試系統(tǒng)組成和試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)能夠滿足國 III/IV 排放法規(guī)的測試能力的要求，測試系統(tǒng)主要設(shè)備:發(fā)動(dòng)機(jī)測控系統(tǒng)FC2000;測功機(jī)S6400;不透光煙度計(jì)FTY-100;智能油耗儀FC2210Z;排氣分析儀AVL ELP-420。試驗(yàn)裝置布置圖見圖1所示。

表1 0#柴油和菜籽油生物柴油樣品的主要理化特性

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速(2 000 r/min)和最大扭矩轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)下進(jìn)行。試驗(yàn)規(guī)范：先用純柴油進(jìn)行暖機(jī)，待潤滑系統(tǒng)溫度和冷卻系統(tǒng)溫度都達(dá)到要求后，再試驗(yàn)。為了消除油路中殘存燃料對(duì)下一種試驗(yàn)燃料的影響，采用前一燃料燃燒完畢并換用同一狀態(tài)下第二種燃料15 min后進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 經(jīng)濟(jì)性

圖2為3種混合燃料與純柴油燃料的油耗率對(duì)比圖。由圖可見，3種混合燃料在2種轉(zhuǎn)速下的油耗率都比純柴油要高，并且有隨菜籽油添加比例的加大，油耗率也變大的趨勢(shì)。但隨負(fù)荷的增大，這種差距呈下降趨勢(shì)。以標(biāo)定工況(8.82 kW/2 000 r/min)時(shí)的油耗率為例：此工況下，BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料分別比D100燃料的油耗率高出3.2%，1.7%和5.7%。

分析認(rèn)為：混合燃料的油耗率都高于純柴油，是因?yàn)樯锊裼偷臒嶂当仁裼偷?要滿足標(biāo)定轉(zhuǎn)速、負(fù)荷相同情況，生物柴油的油耗要比石化柴油的大[15]。隨著負(fù)荷的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度越來越高，燃料蒸發(fā)霧化速度快，形成良好混合氣條件越來越成熟，燃料利用率高，故隨負(fù)荷的增大，油耗率都有下降的趨勢(shì)。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

2.2 排放性能

2.2.1CO排放

圖3為3種混合燃料與純柴油燃料的CO排放對(duì)比圖。由圖可見,3種混合燃料在較大工況范圍都保持較低的CO排放量。低負(fù)荷狀態(tài)下改善不明顯，甚至?xí)龃?；高?fù)荷工況下，混合燃料的CO排放降低較多。以標(biāo)定工況為例，此工況(8.82 kW/2 000 r/min)下，BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料分別比D100燃料的CO排放低54.5%、27.3%和54.5%。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

分析認(rèn)為：這主要是由于低負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度低，生物柴油黏度高，混合霧化較差，影響燃燒[16]；高負(fù)荷時(shí)由于缸內(nèi)溫度提高，生物柴油中含氧，在燃燒過程中產(chǎn)生自供氧效應(yīng)，有利于促進(jìn)燃料的快速充分燃燒，所以生成的CO較少。另外，大負(fù)荷工況下氣缸內(nèi)溫度高，提高了可燃混合氣的準(zhǔn)備速率，使氣缸內(nèi)燃料燃燒完全，所以CO排放會(huì)降低較多。

2.2.2HC排放

圖4為3種混合燃料與純柴油燃料的HC排放對(duì)比圖。由圖可見,混合燃料中BL10C20D70燃料的HC排放曲線與純柴油基本呈相同的規(guī)律，低轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)，BL10C20D70燃料的HC排放曲線比純柴油高，高轉(zhuǎn)速2 000 r/min下，BL10C20D70燃料的HC排放比純柴油低。絕大部分工況下，其他混合燃料的HC排放要高于純柴油。以標(biāo)定工況(8.82 kW/2 000 r/min)時(shí)為例：此工況下，BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料的HC排放分別比D100燃料低38.1%、7.1%和0%。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

這是由于在中低負(fù)荷條件下，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，每循環(huán)工作時(shí)間較短，生物柴油由于黏度較大導(dǎo)致混合霧化較差，生成 HC 較普通柴油高，但在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，每工作循環(huán)時(shí)間長，黏度對(duì)霧化質(zhì)量影響小，生物柴油氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)改善了燃燒情況，使 HC 排放降低。因此生物柴油的黏度、十六烷值和氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響作用在不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下表現(xiàn)是不同的[16-17]。混合燃料中，BL10C20D70燃料表現(xiàn)優(yōu)異，說明這個(gè)比例用于柴油機(jī)比較合適。

2.2.3NOx排放

圖5為3種混合燃料與純柴油燃料的NOx排放對(duì)比圖。由圖可見，混合燃料的NOx排放都比純柴油低，并且有隨燃料中菜籽油比例的增加，NOx排放進(jìn)一步降低的趨勢(shì)。以標(biāo)定工況(8.82 kW/2 000 r/min)時(shí)的NOx排放為例：BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料分別比D100燃料的NOx排放低4.3%、4.7%和-3.2%。整個(gè)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的工況，上述3種混合燃料的NOx排放比純柴油燃料改善的最大值分別為16.3%、14.3%和6.8%。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

這是由于混合燃料熱值低，燃燒放熱滯后；黏度大，導(dǎo)致霧化混合質(zhì)量下降，缸內(nèi)溫度降低，抑制了NOx的生成[18]。雖然混合燃料氧含量增加，但生物柴油本身的特性如十六烷值較高、芳烴含量低等優(yōu)點(diǎn)，降低了燃燒溫度，從而降低了NOx的排放[19]。所以在全工況范圍，混合燃料的NOx排放均比純柴油的NOx排放要低。

2.2.4碳煙排放

圖6為3種新型混合燃料與純柴油燃料的碳煙排放對(duì)比圖。由圖可見，混合燃料的碳煙排放比純柴油低，并且全工況范圍都保持較低的碳煙排放。以標(biāo)定工況(8.82 kW/2 000 r/min)時(shí)的碳煙排放為例：BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料分別比D100燃料的碳煙排放低33.2%、34.7%和30.9%。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

這主要是由于混合燃料中含氧原子，在燃燒過程中可提供較多的氧，降低了燃料濃混合區(qū)缺氧的程度，在一定程度上抑制了碳煙的生成；另一方面，生物柴油無硫[16]，降低了混合燃料中的硫含量，也在一定程度上減少硫酸鹽顆粒物的生成。

3 結(jié) 論

(1) 菜籽油柴油混合油料可以作為柴油機(jī)燃料。

(2) 3種混合燃料在兩種轉(zhuǎn)速下的油耗率都比純柴油要高，并且有隨菜籽油添加比例的加大，油耗率也變大的趨勢(shì)。但隨負(fù)荷的增大，這種差距呈下降趨勢(shì)。

(3) 3種混合燃料在較大工況范圍都保持較低的CO排放量。低負(fù)荷狀態(tài)下改善不明顯，甚至?xí)龃?；高?fù)荷工況下，混合燃料的CO排放降低較多。

(4) 混合燃料中BL10C20D70燃料的HC排放曲線與純柴油基本呈相同的規(guī)律，低轉(zhuǎn)速時(shí)，BL10C20D70燃料的HC排放曲線比純柴油高;高轉(zhuǎn)速下，BL10C20D70燃料的HC排放比純柴油低。絕大部分工況下，其他混合燃料的HC排放要高于純柴油。

(5) 混合燃料的NOx排放都比純柴油低，并且有隨燃料中菜籽油比例的增加，NOx排放進(jìn)一步降低的趨勢(shì)。

(6) 混合燃料的碳煙排放都比純柴油低，并且全工況范圍都保持較低的碳煙排放。

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