植物油在柴油機上應用的研究現狀分析

王莉，盧莉莉，裴毅強

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植物油在柴油機上應用的研究現狀分析

王莉1，盧莉莉2，裴毅強2

（1. 天津農學院工程技術學院，天津 300384；2. 天津大學機械工程學院，天津 300072）

植物油屬可再生能源，作為發動機燃料能夠降低對石油資源的依賴性，減少環境污染，但其實際應用還有一些局限。本文綜述了植物油在柴油機上直接應用的研究現狀，從燃燒、排放、供油方式和耐久性方面分析了當前研究的進展和不足，從缸內燃燒分析、發動機供油及控制系統研發、零部件耐久性開發和植物油的理化特性分析等方面提出了后續研發方向，指出了植物油燃料未來在我國的應用前景。

植物油；柴油機；燃燒特性分析；耐久性

1 概述

能源問題是21世紀人類面臨的嚴峻挑戰之一，是世界各國共同面臨的難題。石化能源不僅不可再生，儲量有限，而且燃燒后釋放出大量的有害氣體，嚴重污染了環境，導致溫室效應等諸多生態問題。礦物燃料的日趨枯竭和生態環境的日漸惡化，使人們日益重視研究和利用新能源，以可再生能源來替代有限的石化能源成為必然。

植物油是一種含硫量少、無毒、能被生物降解的生物質燃料。與普通柴油相比，植物油的十六烷值稍低，大多數在33～40之間，不同植物油之間差別不大。植物油是含氧燃料，燃燒比較充分，能有效降低酸雨的形成。植物油具有可再生性能，來源豐富，能降低溫室效應[1]。植物油自燃點、閃點一般比柴油高，具有良好的安全性能，在儲運、使用方面具有顯而易見的優點。

但是，植物油作為燃料在柴油機上直接應用由于自身某些特性而受到限制，其中影響最大的是植物油的黏度。較大的摩爾質量以及不飽和脂肪酸的大量存在，使得植物油黏度很大，當柴油機直接使用植物油時，不完全燃燒的殘余物沉積在燃燒室，并使活塞環黏接、噴油器結焦，影響柴油機的使用壽命[2]。此外，植物油的霧化蒸發質量差，導致氣缸內混合氣形成質量較差，未燃的燃料噴到氣缸壁后容易流入曲軸箱，引起潤滑油變質[3]。

目前在發動機的應用中，降低植物油黏度有兩大主要方式：一是通過醇類反應酯化制得生物柴油，生物柴油的黏度與石化柴油接近，直接應用時也不需要進行發動機結構改造，是較為理想的柴油機代用燃料。但是生物柴油的制備需要大規模的設備和投入，在原料來源問題沒有得到有效解決的情況下，會帶來生物柴油成本高、產能低的問題，生物柴油的大規模應用還有很長的路要走[4]；二是不通過任何改性，同柴油以一定比例摻混應用于發動機。雖然植物油不易揮發，其著火點比柴油高，容易出現點火困難的現象，摻混比例超過一定限度以后，柴油黏度明顯增大，仍然會引起發動機長期工作時的積碳問題[5]，但該問題有可能通過改進植物油在發動機上的應用方式來解決。

2 植物油在柴油機上應用的研究現狀

2.1 國外植物油在柴油機上應用的研究現狀

植物油作為燃料使用的歷史可以追溯到19世紀末期柴油機發明的時候，在1900年巴黎世界博覽會上，奧托（OTTO）公司就曾經向世人展示了一臺小型柴油機，在沒有發動機結構變動的情況下，使用花生油代替柴油作為燃料依然可以運行。20世紀80年代，化石燃料燃燒導致環境問題加劇，更鞭策了人們尋找環保替代燃料的腳步。

目前，國外對植物油的燃燒特性和排放特性已進行了較為系統的研究，研究對象涉及多種可能替代柴油的植物油燃料，供油方式包括與柴油摻混、加熱和雙燃料分時供油等，研究內容涵蓋了發動機的動力性、排放特性和零部件的耐久特性等。在亞洲國家中，印度作為農業大國，地處熱帶，有利于出油率高的能源植物種植，在植物油摻混和直接應用方面開展的研究也最多。

印度學者Prasad等人[6]進行了純麻風樹油的試驗，試驗結果顯示，與燃用柴油相比較，有效燃油消耗率升高，熱效率降低，排氣溫度升高，NOx排放降低。采用余熱加熱植物油并且提高噴油壓力的措施后，熱效率明顯提高，但排氣溫度以及NOx排放略有升高。Kumar等人[7]比較了麻風樹油與柴油的燃燒與排放特性，試驗結果顯示，麻風樹油的碳煙排放比燃燒柴油高，CO排放量兩者相當。研究者對缸內著火與燃燒進行進一步的觀察與分析，發現麻風樹油在燃燒時與柴油相比較，著火有延遲，燃燒持續期更長。Reddy與Ramesh[8]用純凈的麻風樹油作為單缸柴油機燃料，通過提高噴油速率、采用直接噴射式柴油機來調整噴射時，能夠顯著改善發動機的燃燒特性與排放特性。Kapilan與Reddy[9]根據雙燃料理論做了麻風樹油的試驗，試驗選用的燃料是麻風樹油與LPG（液化石油氣），用LPG 引燃發動機，試驗結果表明，當噴油時刻在上止點前30°曲軸轉角以及在引燃燃料消耗量為0.5 kg/h時，發動機運行情況比較好，并且PM、CO以及HC排放也較低。但是，這種燃燒方案的NOx排放量相對較高。

Bajpai等人[10]做了卡蘭賈植物油的試驗，結果表明，在柴油中摻混10%的卡蘭賈植物油，可以完全代替現有的傳統柴油，且不需要對柴油機結構做任何調整。進一步研究發現，當對卡蘭賈油預熱至90 ℃時，其黏度與傳統的柴油非常接近。

Rao等[11]比較了純凈苦楝樹油作為燃料與苦楝樹油（25%）與柴油摻燒時的燃料特性。結果表明：純凈的苦楝樹油比摻燒時NOx排放量低。摻燒的碳煙排放略微高于純凈的苦楝樹油，CO與HC排放明顯高于純凈的苦楝樹油。

Devan與Mahalakshmi[12]在一臺單缸四沖程風冷式發動機上進行胡桐油的燃燒試驗，試驗分別測定了發動機在燃用純凈胡桐油以及20%、40%、60%比例與普通柴油摻燒時的燃燒性質。試驗發現，與直接燃用柴油相比較，燃用純凈胡桐油與摻燒時NOx排放量降低，CO、HC的排放量略有升高，熱效率也有所降低，并且純凈植物油的燃燒特性沒有一定配比摻燒時好。

印度學者Martin與法國研究者Geo等[13]分析了預熱棉籽油的燃燒特性，試驗結果表明：預熱棉籽油顯著降低了黏度，改善了可燃混合氣的形成質量，燃燒更完全，相對于純凈棉籽油熱效率提高。

除印度以外，其他國家的研究者也進行了多項植物油在柴油機應用方面的研究。韓國公州大學Chauhan等[14]在中等型號柴油機上采用預熱麻風樹油作為燃料燃燒，得到了與印度學者相似的結論，即預熱以后的植物油黏度降低，發動機特性有所改善，熱效率提高，燃油消耗率降低，但與燃用柴油相比，NOx排放略有升高，CO、HC和CO2排放均下降。試驗得出，當進氣溫度在100 ℃時，植物油的燃燒特性與排放特性表現最佳，但在此溫度下，潤滑油會發生泄露現象，因此，綜合考慮下研究者認為最合適的進氣溫度在80 ℃。

美國人Sverdrup[15]在一臺底特律60系列柴油機上燃用柴油和大豆油混合燃料進行試驗，測量其排放特性。測試結果表明，主要排放物碳煙大幅度下降，但是NOx排放略微有所上升。土耳其學者Sehmus Altun等[16]在直噴式柴油發動機上燃燒50%芝麻油和50%柴油共混物，進行了發動機工作性能和排放性能的研究。結果表明：與普通柴油相比，該發動機功率接近使用柴油燃料所得功率，CO和NOx排放量比使用柴油燃料低約200 mg/kg。

埃及Benha高級技術研究所的Huzayyin等[17]在水冷式單缸柴油機上試驗，在發動機實驗臺架上燃用了不同比例的荷荷巴油與柴油的混合燃料，測試結論表明，60%的荷荷巴油與40%的傳統柴油混合時，具有較適宜的黏度、閃點和熱值；燃燒該配比混合油時柴油機具有良好的動力性能，油耗稍有增大，但是發動機的NOx以及碳煙排放量減少了很多，如果對柴油機的噴油時間和壓力進行相應的優化，燃用混合油時，柴油機運行情況將會進一步得到改善。雅典國立技術大學的Rakopoulos和Antonopoulos等[18]做了類似的試驗，利用直噴式柴油機，燃用植物油與傳統柴油或者生物柴油的混合物，試驗顯示燃用小比例摻混植物油時與燃用傳統柴油相比較，燃燒特性區別不大，但是排放特性得到改善。

土耳其研究者Alpaslan等[19]在2014年研究了發動機燃燒柴油-正丁醇-植物油混合燃料的燃燒與排放特性。試驗中發動機結構沒有任何調整，并且在發動機全負荷不同轉速工況下工作。在制備好兩種植物油混合物中摻入體積分數70%的柴油與體積分數10%的正丁醇，燃燒試驗結果顯示：兩種燃料與柴油相比，扭矩、功率與熱效率均有所降低，排氣溫度、PM、CO以及HC排放下降，燃油消耗率、NOx排放量以及CO排放量升高。

2.2 國內植物油在柴油機上應用的研究現狀

我國產油植物資源豐富，產油植物400余種，與歐美等西方國家相比，我國植物油替代燃料發展尚處于起步階段，但是發展較快。進入21世紀之后，我國政府高度重視發展石油替代燃料，并推行多項鼓勵政策，促進其大力發展。最新發布的《“十三五”規劃建議》表明，“十三五”期間，我國將進一步加大對清潔能源的支持力度，以加速其對化石能源的替代。就發展空間而言，生物質能源具有極大發展潛力。

國內相關學者對柴油機燃用植物油也進行了研究。何勇等[20]對柴油機燃用棉籽油進行了研究，燃用了棉籽油與0號輕柴油的混合燃料，探究發動機工作參數與油耗率之間的影響關系。試驗結果表明：棉籽油是一種具有高熱值、高黏度、低揮發性的燃料，對柴油機本身結構不需要做任何改變，是一種理想的代用燃料，影響發動機油耗率的主要因素是供油提前角，這是棉籽油著火滯燃期長所致，適當加大供油提前角對提高燃燒性能有利。

合肥工業大學的錢葉劍等[21]研究了植物油及其衍生物在柴油機上的應用，試驗結果表明，柴油機燃用植物油時，短期試驗表現出良好的性能與排放特性，但是長時間使用會導致嚴重的發動機故障；植物油與柴油混合使用可以改善燃料噴霧和燃燒過程，進而改善發動機性能與排放。

江蘇大學孫平等與常州柴油機股份有限公司徐毅等[22]通過對L28柴油機進行調整改進，提高噴油壓力和加裝燃油加熱裝置，進行燃用植物油的耐久性試驗，考察柴油機燃燒植物油的可行性。試驗過程中發現，長時間燃用植物油會在油嘴、氣門、氣缸套頂部、活塞頭部產生積碳，植物油滲漏污染機油。通過增大噴油壓力和加熱燃油，能夠明顯降低燃油黏度，使得植物油能在柴油機中正常燃燒，而且這兩項改進成本很低。柴油機在100 h耐久性試驗前后性能沒有明顯變化。

周林森[23]在水力測功機發動機試驗臺架上，借助于微機處理系統，對Ford柴油機燃用菜籽油與花生油對半摻混的植物油和柴油進行對比試驗，探究了柴油機燃用植物油的燃燒與排放特性。試驗結果顯示：柴油機以植物油為燃料時，依然能夠正常運行，低十六烷值的影響不明顯，而且柴油機主要有害排放物NOx和煙度有效降低。

江蘇大學羅福強等[24-25]研究了柴油機燃用加熱小桐子油的性能與排放。試驗結果顯示：發動機運行工況相同時，燃用150 ℃的小桐子油比燃用0#柴油時的滯燃期短，最高燃燒壓力和最大壓力升高率都顯著降低，并且相位有所提前，燃油消耗率平均增加10%左右，但是相比常溫下的小桐子油熱效率升高，燃油消耗率下降。在柴油機上燃用加熱的的小桐子油可以同時降低HC和碳煙排放，但CO排放卻明顯上升。

江蘇理工大學王忠[26]介紹了一種可燃用植物油的新型低散熱直噴式柴油機，分析了低散熱燃油系統對植物油的著火特性、燃燒過程的影響。試驗結果表明：采用隔熱設計的方案，燃用菜籽油與燃用柴油相比，百公里油耗基本一致，且排放性能有所改善。

河南農業大學李亞麗等[27]研究了柴油機用柴油-乙醇-植物油混合燃料時的特性，試驗顯示，柴油機燃用混合燃料時，動力性并沒有出現明顯的變化，且在中高負荷時有所改善，并且有效降低了煙度排放，中高負荷時，最大可降低60%。

廣西大學李會芬等[28]對不同混合比例菜籽油柴油燃料的基本物性參數進行了測定，并開展了發動機臺架試驗。結果顯示，不同混合比油耗率均比純柴油高，且隨摻入菜籽油量加大，油耗率升高；CO排放得到改善，但高負荷時改善不明顯；在絕大部分工況下，HC與NOx排放較柴油低；在所有工況下，碳煙排放都保持較低值。

3 存在問題及建議

綜上所述，雖然國內外研究者對植物油在柴油機上的應用進行了大量研究，涉及多種植物油燃料，但目前還存在如下方面的問題：

（1）普遍來說，作為柴油的代用燃料，純植物油十六烷值偏低，熱值則相對較低，著火延遲和燃燒持續期長，燃燒特性相對較差，油耗偏高。

（2）由于直接燃用植物油時黏度等問題的存在，發動機難以長時間正常運行，須通過優化柴油機工作參數的途徑來彌補，在大比例摻混和直接燃燒方面常用的手段是植物油加熱，同時為了解決啟動和小負荷時的積碳嚴重問題，使用加熱植物油的發動機一般采用雙燃料的工作模式，但相關控制等關鍵技術還不夠成熟，燃料加熱后相關零部件的耐久性研究也不夠充分，限制了該類研究成果向實際應用方面的轉化。

（3）在排放方面，不同燃料的研究結果不同，但目前的研究結果尚未顯示植物油有明顯的優勢。

鑒于當前的研究現狀，相關的植物油在柴油機上應用的研究工作可從以下4個方面繼續探索：

①將可視化缸內燃燒分析和CFD模擬等手段引入植物油在柴油機上應用的研究，結合不同植物油燃料的特性，以缸內燃燒過程作為評價對象，從燃燒機理的角度篩選出有前景的植物油燃料及其燃燒控制模式，改善當前研究對象過于分散、發動機研究不夠深入的現狀。

②對植物油加熱系統和雙燃料供油及控制系統進行研究和開發，對相關零部件進行重新設計，對進氣、供油加熱及雙燃料供油系統的控制模式進行設計和匹配，優化植物油在柴油機上使用時的排放水平，增強植物油在柴油機上使用的優勢。

③對植物油在柴油機上使用的耐久性進行研究，針對植物油加熱后增加了發動機零部件的熱負荷問題，以及柴油和植物油摻混后黏度增加的問題，對發動機相關零部件進行重新開發設計，并進行耐久性試驗和評估，提高植物油在柴油機上應用的實用性；

④ 從植物油的理化性質入手，積極尋找理化性質（黏度、分子結構等）與柴油更相近的植物油，也可以通過農藝措施對植物油進行基因轉變，并著手建立發動機用植物油的產品標準，以利于不同研究成果的對比借鑒和該項研究的發展。

4 結語

植物油是可再生能源，我國產油植物分布廣泛，種類繁多，有的產油植物的產油量大，所產油在燃料性質方面也接近普通柴油。改進植物油在發動機上的應用方式，使植物油能夠長期直接應用或是以大比例與柴油摻混使用，能夠避免生物柴油的成本問題，是植物油作為代用燃料的重要研究方向，在我國農村和林區等植物油供給充足的地區，在農林機械和小型柴油機方面有著廣闊的應用前景。相關科學工作者應重視該領域的研究，為植物油在發動機上大規模應用提供理論和實踐依據，促進我國可再生能源應用研究的發展。

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Analysis of Current Research Findings Concerning Straight Vegetable Oils Usage in A Diesel Engine

WANG Li1, LU Li-li2, PEI Yi-qiang2

（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China）

As a renewable fuel, straight vegetable oils usage in diesel engine is a promising solution for energy crisis due to depletion of resources and increased environmental problems, however, with certain limitations. Research carried out specifically under China conditions and international research work on the usage of straight vegetable oils in the diesel engine is separately reviewed. The progress and deficiency of the current research are analyzed from the aspects of combustion, emission, fuel supply method and engine parts durability. The development trends of cylinder combustion analyzing, fuel supply and control system developing, engine durability improving and vegetable oil physicochemical properties researching are proposed. Finally, the future of straight vegetable oils usage in diesel engine in China is pointed out.

straight vegetable oils; diesel engine; combustion analyzing; engine durability

TK428.9

A

1008-5394（2016）03-0061-05

2016-01-13

國家自然科學基金項目“先進增壓直噴（GDI）汽油機噴油器積碳形成機理及理化特性研究”（51306132）；天津農學院科技發展基金項目“等離子體燃料重整制氫改善植物油在柴油機上應用的研究”（2011D04）

王莉（1976-），女，河南洛陽人，副教授，博士，主要從事發動機燃燒及控制方面的研究。E-mail：wanglimay@163.com。