柴油機燃用不同比例菜籽油柴油的試驗

李會芬， 黃信豪， 陳國棟， 何浩穎， 黃豪中， 黃錦成

(廣西大學 機械工程學院，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。可再生和可替代石化柴油的生物柴油是世界關注的熱點。目前，生物柴油發展的瓶頸因素是原料。“十五” 期間，我國油菜種植面積和總產量分別占我國主要油料作物種植(5年平均)總面積和總產量的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，提高復種指數的農業發展戰略，油菜籽的產業比較繁榮。我國近年也就菜籽油制備生物柴油進行了多方面的探索[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上的燃用方法很多，有直接燃用法、調和燃用法、微乳化法、添加劑法等[10]，各種方法優缺點也有不同。但菜籽油甲酯也存在著一些問題有待解決，如氧化穩定性、生產成本、低溫流動性、熱安定性等問題[11-14]。因此，使用時需采取相應措施，提高其抗氧化性能，提高油菜籽的產量，以降低成本。同時，需要研究更為經濟和效果更好的添加劑，改善其在低溫下的流動性能。

本文采用不同比例菜籽油與柴油相混合的方式進行發動機燃燒，分析其對直噴柴油機的動力性、經濟性和污染物排放的影響，對合理使用菜籽油生物柴油有一定的參考價值。為了保證混合燃料的互溶穩定性和低溫流動性，選用了正丁醇作為助溶劑。

1 試驗設備及研究方法

1.1 發動機參數

試驗用發動機為一臺ZS195型臥式、單缸、四沖程、直噴柴油機，其基本參數為:排量0.815 L,缸徑95 mm,行程115 mm,壓縮比20∶1,標定功率/轉速8.82/2 000/(kW/(r/min)),最大扭矩/轉速48/1 500 (N·m/(r/min)),全負荷最低燃油耗≤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

采用菜籽油和市售0#柴油的不同比例混合后進行發動機試驗。試驗用油料分別為D100、BL0C30D70、BL10C20D70、BL20C10D70，其中：D代表柴油；BL代表正丁醇；C代表菜籽油，其比例為體積分數。燃料為試驗時現場制備。0#柴油和菜籽油生物柴油樣品的主要理化特性指標如表1所示。

1.3 試驗測試系統組成和試驗方法

發動機測試系統能夠滿足國 III/IV 排放法規的測試能力的要求，測試系統主要設備:發動機測控系統FC2000;測功機S6400;不透光煙度計FTY-100;智能油耗儀FC2210Z;排氣分析儀AVL ELP-420。試驗裝置布置圖見圖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 試驗裝置示意圖

試驗在標定轉速(2 000 r/min)和最大扭矩轉速(1 500 r/min)下進行。試驗規范：先用純柴油進行暖機，待潤滑系統溫度和冷卻系統溫度都達到要求后，再試驗。為了消除油路中殘存燃料對下一種試驗燃料的影響，采用前一燃料燃燒完畢并換用同一狀態下第二種燃料15 min后進行。

2 試驗結果

2.1 經濟性

圖2為3種混合燃料與純柴油燃料的油耗率對比圖。由圖可見，3種混合燃料在2種轉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。但隨負荷的增大，這種差距呈下降趨勢。以標定工況(8.82 kW/2 000 r/min)時的油耗率為例：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%。

分析認為：混合燃料的油耗率都高于純柴油，是因為生物柴油的熱值比石化柴油低,要滿足標定轉速、負荷相同情況，生物柴油的油耗要比石化柴油的大[15]。隨著負荷的增大，發動機內的溫度越來越高，燃料蒸發霧化速度快，形成良好混合氣條件越來越成熟，燃料利用率高，故隨負荷的增大，油耗率都有下降的趨勢。

(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。低負荷狀態下改善不明顯，甚至會增大；高負荷工況下，混合燃料的CO排放降低較多。以標定工況為例，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

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

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律，低轉速1 500 r/min時，BL10C20D70燃料的HC排放曲線比純柴油高，高轉速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。以標定工況(8.82 kW/2 000 r/min)時為例：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

這是由于在中低負荷條件下，轉速較高時，每循環工作時間較短，生物柴油由于黏度較大導致混合霧化較差，生成 HC 較普通柴油高，但在轉速較低時，每工作循環時間長，黏度對霧化質量影響小，生物柴油氧的質量分數改善了燃燒情況，使 HC 排放降低。因此生物柴油的黏度、十六烷值和氧的質量分數的影響作用在不同發動機工況下表現是不同的[16-17]。混合燃料中，BL10C20D70燃料表現優異，說明這個比例用于柴油機比較合適。

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排放進一步降低的趨勢。以標定工況(8.82 kW/2 000 r/min)時的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%。整個標定轉速下的工況，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，導致霧化混合質量下降，缸內溫度降低，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、芳烴含量低等優點，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。以標定工況(8.82 kW/2 000 r/min)時的碳煙排放為例：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 論

(1) 菜籽油柴油混合油料可以作為柴油機燃料。

(2) 3種混合燃料在兩種轉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。但隨負荷的增大，這種差距呈下降趨勢。

(3) 3種混合燃料在較大工況范圍都保持較低的CO排放量。低負荷狀態下改善不明顯，甚至會增大；高負荷工況下，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律，低轉速時，BL10C20D70燃料的HC排放曲線比純柴油高;高轉速下，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排放進一步降低的趨勢。

(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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