生物柴油混合燃料臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果探討

丘源

【摘 要】文章介紹了生物柴油的物理化學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)，并分析它的缺點(diǎn)對(duì)柴油機(jī)和試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量的影響。為了在柴油機(jī)上分別進(jìn)行使用普通0號(hào)柴油及0號(hào)柴油中添加30%、50%餐廚廢棄油脂制生物柴油混合燃料的總功率及排氣煙度對(duì)比試驗(yàn)，針對(duì)生物柴油的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一個(gè)較簡(jiǎn)單易行的試驗(yàn)方案。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，驗(yàn)證試驗(yàn)方案的可行性，總結(jié)不同比例的生物柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性、排氣煙度的影響。

【關(guān)鍵詞】生物柴油混合燃料；試驗(yàn)方案；影響

【中圖分類號(hào)】TK42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）09-0137-03

0 前言

全球汽車保有量急劇增加，汽車尾氣成為主要的空氣污染源之一，雖然世界各國(guó)都在大力推動(dòng)純電動(dòng)汽車的使用，但動(dòng)力電池技術(shù)一直無法取得大的突破，在大型商用車領(lǐng)域，柴油機(jī)仍然是主要的動(dòng)力來源。因此，研究低污染排放的代用燃料仍然有重要意義。生物柴油作為可再生能源得到較大面積的推廣運(yùn)用。生物柴油由于來源多樣，普通柴油的分子結(jié)構(gòu)要復(fù)雜。在一些生物柴油的臺(tái)架試驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)生物柴油的一些特點(diǎn)給柴油機(jī)和試驗(yàn)設(shè)備帶來不利影響。

為了完成此次以0號(hào)柴油中按重量比添加30%、50%的餐廚廢棄油脂制生物柴油組成混合燃料與普通0號(hào)柴油，在柴油機(jī)上的總功率和排氣煙度對(duì)比試驗(yàn)。通過特殊的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，以提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。通過對(duì)燃料對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的分析，探討生物柴油混合燃料與普通0號(hào)柴油在動(dòng)力性能和排氣煙度方面的差異。

1 生物柴油的構(gòu)成

生物柴油以可再生的生物材料為基礎(chǔ)，比如大豆、油菜、玉米、向日葵或者動(dòng)物油脂，將甘油從脂肪和蔬菜油中分離出來，從而提煉出的酯類氧化燃料就是生物柴油，其化學(xué)成分是長(zhǎng)鏈脂肪酸的單一烷基酯。它可以被生物降解，是一種無毒、無硫、不含芳香族物質(zhì)的燃料[1]，具有與普通石化柴油相近的性能，不但可以直接在柴油機(jī)上使用，而且可以與普通柴油以任意比例混合使用。生物柴油與普通石化柴油相比具有冷凝點(diǎn)低、含氧量高、閃點(diǎn)高、含硫量低、十六烷值高等優(yōu)點(diǎn)。因此，在理論上燃燒相同質(zhì)量的生物柴油，能降低CO2和碳煙的排放量。

日常生活中，人們需要使用大量的植物性和動(dòng)物性油脂進(jìn)行烹調(diào)，其中很大一部分湯汁等油脂物質(zhì)被當(dāng)做潲水倒入下水道，成為地溝油。這種地溝油不但污染環(huán)境，還容易被不法分子回收利用，危害人們身體健康，成為各城市衛(wèi)生環(huán)境的負(fù)擔(dān)。但從化學(xué)成分上看，餐廚廢棄油脂所含成分正是生物柴油的理想來源。

2 生物柴油的特點(diǎn)及對(duì)柴油機(jī)和試驗(yàn)設(shè)備的影響

生物柴油雖然相對(duì)普通柴油有一些優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)同樣不能忽視，主要問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）由于生物柴油構(gòu)成復(fù)雜，特別是餐廚廢棄油脂制生物柴油，其黏稠度較高、揮發(fā)性差，在運(yùn)動(dòng)黏度方面，生物柴油要比普通柴油要大，因此在環(huán)境溫度較低時(shí)，生物柴油較普通柴油使用效果差[2]。生物柴油凝固點(diǎn)較高，當(dāng)氣溫低于-6 ℃時(shí)，就必須加入一定量添加劑才能避免其凝固。因此，使用過程中必須考慮生物柴油的低溫適應(yīng)性，以防溫度過低造成燃料凝固堵塞試驗(yàn)臺(tái)架和柴油機(jī)的燃油供應(yīng)系統(tǒng)。

（2）由于生物柴油來源于植物性或動(dòng)物性油脂，因此它也是一種有機(jī)溶劑。它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)設(shè)備的油漆、各種橡膠軟管及密封件等有一定的腐蝕性。因此，在試驗(yàn)前，需要更換耐有機(jī)溶劑腐蝕的管路，避免其腐蝕試驗(yàn)臺(tái)架和柴油機(jī)的燃油管路。試驗(yàn)后，必須及時(shí)使用汽油或普通柴油對(duì)臺(tái)架和柴油機(jī)的燃油管路進(jìn)行沖洗。

（3）生物柴油能使發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油提前變質(zhì)。由于它含有成分復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)，因此容易氧化生成酸性物質(zhì)，使機(jī)油提前變質(zhì)。一些資料表明它對(duì)潤(rùn)滑油有輕微稀釋的現(xiàn)象[2]。因此試驗(yàn)后，要及時(shí)更換柴油機(jī)的機(jī)油，并對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行清洗。

（4）由于生物柴油含有有機(jī)物物質(zhì)，膠質(zhì)比普通柴油多，容易氧化形成難容的類似樹脂狀的氧化物。在以往的試驗(yàn)過程中，甚至出現(xiàn)過膠質(zhì)物質(zhì)黏住臺(tái)架油耗儀旁通閥的現(xiàn)象，致使油耗測(cè)量出現(xiàn)很大偏差。

因此，對(duì)本次對(duì)比試驗(yàn)，需要設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單易行的試驗(yàn)方案，避免生物柴油的缺點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量的影響。

3 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)柴油機(jī)的選擇

試驗(yàn)用主要試驗(yàn)設(shè)備為能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)、CW260電渦流測(cè)功機(jī)、小野FP-2140H容積式流量傳感器、FBY-2B全自動(dòng)煙度計(jì)、石油密度計(jì)。

在試驗(yàn)用柴油機(jī)的選擇方面，考慮到“國(guó)Ⅳ”以上新型車用柴油機(jī)都已加裝后處理系統(tǒng)，碳煙排放量已非常稀少，煙度值非常小，不利于儀器的測(cè)量。因此，為了提高儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性，更好地反應(yīng)碳煙排放的變化情況，因此選用了排放標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低的YCD4D22-122型柴油機(jī)進(jìn)行此次對(duì)比試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的選擇

本試驗(yàn)依據(jù)《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 18297—2001）和《柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)排氣煙度及測(cè)定方法》（GB 9486—1988）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在柴油機(jī)上使用0號(hào)柴油及在0號(hào)柴油中按重量比分別添加了30%、50%餐廚廢棄油脂制生物柴油的混合燃料，進(jìn)行總功率及排氣煙度的對(duì)比試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)

3.3.1 試驗(yàn)設(shè)備搭配設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的油耗儀為稱重式油耗儀，在不進(jìn)行油耗測(cè)量時(shí)，稱重量杯的出油管路關(guān)閉，由旁通閥控制的管路給發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)燃油；當(dāng)需要測(cè)量油耗量時(shí)，旁通閥關(guān)閉，由油耗儀內(nèi)的稱重量杯給發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)燃油。如果生物柴油的膠質(zhì)過多，黏度過大，可能會(huì)使旁通閥無法關(guān)閉，在油耗測(cè)量的過程中，量杯和旁通油路同時(shí)給柴油機(jī)供應(yīng)燃油，這將使得測(cè)出的油耗偏小，產(chǎn)生較大誤差。

為了避免稱重式油耗儀的結(jié)構(gòu)問題可能帶來的測(cè)量誤差，我們將小野FP-2140H容積式流量傳感器串聯(lián)進(jìn)入臺(tái)架油耗儀后部的油路。該流量傳感器是采用容積式的測(cè)量方式，并且可以記錄累積油耗量，通過測(cè)量燃油的密度就可以換算出燃油消耗的質(zhì)量數(shù)據(jù)。同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)前后燃油箱內(nèi)燃油的減少量與流量傳感器的總累積油耗量的對(duì)比，就可以確定試驗(yàn)過程中，生物柴油是否對(duì)測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生干擾。

試驗(yàn)燃油消耗量測(cè)量設(shè)備的構(gòu)成如圖1所示，箭頭方向?yàn)槿加偷牧飨颉?/p>

3.3.2 試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

首先，進(jìn)行普通柴油的總功率和排氣煙度試驗(yàn)，然后分別進(jìn)行添加了30%、50%生物柴油的混合燃料的試驗(yàn)，最后再進(jìn)行一次普通柴油的對(duì)比試驗(yàn)。由普通柴油油耗量的前后對(duì)比，確認(rèn)試驗(yàn)前后臺(tái)架油耗儀的工作狀態(tài)是否正常。同時(shí)，對(duì)比各種燃油試驗(yàn)過程中的兩種油耗儀的油耗量數(shù)據(jù)，以及累積燃料總消耗量的對(duì)比，確認(rèn)小野FP-2140H容積式流量傳感器的工作是否正常和準(zhǔn)確。通過臺(tái)架油耗儀、小野FP-2140H容積式流量傳感器、量筒等三種測(cè)量?jī)x器設(shè)備來確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

其次，使用汽油對(duì)兩種油耗儀進(jìn)行清洗，并用普通柴油對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架燃油管路進(jìn)行沖洗；柴油機(jī)使用普通柴油用高轉(zhuǎn)速、中等負(fù)荷的工況運(yùn)行半小時(shí)，進(jìn)行柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的清洗。同時(shí)換上新機(jī)油，確保試驗(yàn)用柴油機(jī)的狀態(tài)完好。

4 生物柴油混合燃料和0號(hào)柴油的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

通過以上試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從兩種不同油耗儀測(cè)量出的油耗率可以看出，兩種油耗儀的測(cè)量偏差不到0.4%。因此，在此次試驗(yàn)過程中，生物柴油沒有對(duì)測(cè)量設(shè)備的測(cè)量造成干擾，測(cè)量數(shù)據(jù)是可靠的。

4.1 柴油機(jī)的動(dòng)力性能分析

3種燃料進(jìn)行總功率試驗(yàn)后的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1，各參數(shù)變化趨勢(shì)見圖2。從圖表中的數(shù)據(jù)可以看出，添加了30%、50%生物柴油的混合燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定點(diǎn)的功率和最大扭矩點(diǎn)的扭矩隨著生物柴油比例的提高而略有下降，與0號(hào)柴油相比，功率和扭矩下降都未超過5%，動(dòng)力性能下降不明顯，基本保持了原機(jī)的動(dòng)力性能。

4.2 柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性分析

表1的總功率試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，添加生物柴油后，柴油機(jī)的油耗消耗率相對(duì)燃用0號(hào)柴油有所增加。其中添加了30%生物柴油的混合燃料比0號(hào)柴油的最低油耗率提高了4.2%，添加了50%生物柴油的混合燃料則提高了5.8%。這說明生物柴油熱值比普通0號(hào)柴油低，混合燃料消耗量要比0號(hào)柴油大。隨著燃料中生物柴油比例的增加，油耗率也有所增加。

4.3 柴油機(jī)的碳煙排放分析

從表1的排氣煙度數(shù)據(jù)可以看出，生物柴油混合燃料的碳煙排放較普通0號(hào)柴油少。這是由于生物柴油含有較多氧原子，加入生物柴油的0號(hào)柴油形成含氧量較高而含碳量較少的混合燃料。當(dāng)混合燃料在柴油機(jī)上燃燒時(shí)，由于氧原子的含量較高，使得燃料的燃燒更充分，而含碳量的降低，帶來了碳煙排放的減少。

5 結(jié)語

通過以上分析，我們可以得出以下結(jié)論。

（1）通過兩種油耗儀串聯(lián)，結(jié)合燃油總消耗量的前后數(shù)據(jù)對(duì)比，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)比試驗(yàn)過程中燃油消耗量測(cè)量設(shè)備是否出現(xiàn)問題。避免生物柴油的缺點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的不利影響，保證了試驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（2）柴油機(jī)在燃用普通0號(hào)柴油中添加了30%、50%餐廚廢棄油脂制生物柴油的混合燃料后，功率和扭矩下降未超過5%。因此，混合燃料基本保持了原機(jī)的動(dòng)力性能。

（3）在經(jīng)濟(jì)性方面，兩種生物柴油混合燃料的消耗率要比0號(hào)柴油大，而且隨著生物柴油比例的增加，燃油消耗率也相應(yīng)增加，但未超過6%。因此，生物柴油混合燃料的經(jīng)濟(jì)性比普通0號(hào)柴油略差。

（4）由于生物柴油含氧量高而含碳量較低，所以生物柴油混合燃料的碳煙排放量比普通0號(hào)柴油有所降低。

（5）綜合以上因素考慮，通過添加一定比例的餐廚廢棄油脂制生物柴油，在動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性損失不太大的情況下，對(duì)節(jié)能環(huán)保有一定幫助，可取得較好的社會(huì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李世娟，聶鳳英，諸葉平.生物柴油的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].世界農(nóng)業(yè)，2003（7）.

[2]孟凡清，王德民，張大年.生物柴油技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展[J].上?；?，2003（12）.

[3]蘇暢，趙崇峰，岳莉，等.生物柴油技術(shù)的進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2004（2）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]