生物乳化柴油在柴油機上的性能研究*

石天翔 王金龍 余 凱 肖 進

（上海交通大學動力機械及工程教育部重點實驗室 上海 200210）

引言

柴油機自從1892 年問世以來，經過120 多年的發展，憑借其動力性、經濟性和可靠性等諸多方面的優勢，已成為現代交通運輸、農業機械、工程機械、采礦設備和發電等行業中應用最廣泛的動力機械。然而，柴油機燃燒過程所產生的碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）是造成大氣污染的主要污染物[1-3]。近年來，有關污染物排放和燃料消耗的嚴格規定以及化石燃料資源的快速消耗，極大地限制了柴油機的發展。

為了解決日益嚴重的環境問題、滿足日趨嚴格的排放法規要求以及解決能源安全問題，柴油機行業內進行了一系列替代燃料的研究。生物燃料由于具有解決能源安全問題和減少污染物排放的潛力，在全球范圍內被作為車用燃料的替代者或補充者，獲得了越來越多的關注[4-6]。生物柴油是由動植物油脂與甲醇或乙醇等短鏈醇進行酯化、酯交換后得到的脂肪酸甲酯，是一種清潔的可再生替代燃料。生物柴油具有較低的熱值和十六烷值，但氧含量比柴油高[7-9]。將生物柴油與柴油摻混形成混合燃料，能有效降低煙度，但依然存在NOx排放偏高的問題。

為了進一步改善燃料的特性以降低柴油機的NOx排放，國內外學者在柴油/生物柴油混合燃料中摻入適量水及乳化劑，利用水的較高汽化潛熱來降低缸內燃燒溫度，從而降低NOx排放[10-11]。

本文將由動植物脂肪及餐廚廢棄油為原料制成的生物柴油、乳化劑、水、丁醇與柴油混合，在柴油機臺架上進行發動機燃燒特性、動力性、經濟性及排放特性研究，得到不同添加劑成分對國Ⅴ柴油、生物柴油與生物乳化柴油性能的影響，對尋找綜合性能最優的摻混比例具有借鑒意義。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗油品及配方

試驗采用上海紐孚爾能源技術有限公司制備的燃油，所用油品為國Ⅴ柴油（D）、生物柴油B100、B10、B15，生物乳化柴油EB10、EB15 等，共計6 種。其中，生物柴油B100、B10、B15 是以動植物脂肪和餐廚廢棄油為原料制備的。生物乳化柴油EB10、EB15 是以柴油為基底原料，按不同的質量分數摻混水、乳化劑、丁醇、生物柴油制備而成的。各種燃油的組成成分見表1，理化特性見表2。

表1 燃油油品組分

表2 燃油油品特性

1.2 試驗發動機及測試設備

試驗用柴油機采用濰柴WP6.240 直列四沖程增壓中冷直噴柴油機，額定轉速為2 300 r/min，額定功率為134 kW，具體技術參數見表3。

表3 柴油機主要技術參數

測試設備主要包括：奕科機電公司的EIM0301D型發動機控制系統、CE-52HA 型電渦流測功機、Vector 公司的CANape ECU 標定軟件、Horiba 公司的MEXA7000 型氣體排放分析儀、D2T 公司的OSIRIS Revolution II 型燃燒分析儀、湘儀動力公司的CF050M319N6BZMZZZ 型智能油耗儀、銳宏電子公司的DISMOKE4000 型不透光煙度計等。

1.3 試驗工況

本試驗主要研究2 070r/min 轉速（90%額定轉速）下的負荷特性，選取柴油機負荷為25%、50%、75%和100%的工況，比較生物柴油和生物乳化柴油性能的差別。

2 試驗結果

2.1 燃燒特性

2.1.1 氣缸壓力

100%負荷下，6 種燃油的氣缸壓力規律如圖1所示。

從圖1 可以看出，相比于柴油，生物柴油和生物乳化柴油的氣缸壓力峰值均有所下降，其中，B100的氣缸壓力峰值最低；EB10 的氣缸壓力曲線與柴油最為接近；B10、B15 與EB15 等3 種燃油的氣缸壓力峰值有所降低但彼此差異不大。

圖1 2 070 r/min 轉速-100%負荷下燃油氣缸壓力對比

2.1.2 放熱率

圖2 為100%負荷下，6 種燃油的放熱率隨曲軸轉角的變化關系。

圖2 2 070 r/min 轉速-100%負荷下燃油放熱率對比

從圖2 可以看出，EB10 的放熱率峰值最高，B100 最低；生物乳化柴油的放熱率與柴油接近，均高于生物柴油。由表2 可知，生物乳化柴油的凈熱值和十六烷值雖然低，但會導致點火時刻推遲，滯燃期變長，使油氣混合更加充分；另一方面，生物乳化柴油燃燒時發生的微爆效應能改善燃油霧化效果。加上生物乳化柴油的含氧量較高，燃燒效率升高，使放熱率增加，EB10 的放熱率峰值甚至超過柴油。但隨著摻混比例的提高，生物柴油與生物乳化柴油的放熱率均有所降低，這主要是由于凈熱值的影響。

2.1.3 缸內燃燒溫度

本文使用缸內氣體平均溫度來表征缸內燃燒溫度，燃燒分析儀中，取100 個循環的氣體溫度平均值代表各工況下的缸內燃燒溫度。100%負荷下，缸內燃燒溫度隨曲軸轉角的變化規律見圖3。

圖3 2 070 r/min 轉速-100%負荷下燃油燃燒溫度對比

從圖3 可以看出，生物柴油B100 的缸內燃燒溫度最高。這是因為生物柴油B100 的含氧量最高，燃燒更加充分，導致缸內燃燒溫度增加。生物柴油B10、B15 的燃燒溫度略低于柴油，生物乳化柴油EB10，EB15 的燃燒溫度更低。同時，隨著水和丁醇摻混比例的增加，燃燒溫度降低。這是因為生物乳化柴油中水和丁醇的熱值低，汽化潛熱值較高，導致缸內燃燒溫度降低。

2.1.4 滯燃期

本文中，燃燒起點定義為噴油后放熱率開始急劇增加的時刻所對應的曲軸轉角；燃燒終點定義為累計放熱量為循環總放熱量90%所對應的曲軸轉角CA90；滯燃期為燃燒起點與主噴時刻之間所對應的曲軸轉角。不同負荷下的滯燃期規律如圖4 所示。

圖4 2 070 r/min 轉速-負荷特性下燃油滯燃期對比

從圖4 可以發現，低負荷時，生物柴油與生物乳化柴油的滯燃期均比柴油長，高負荷時，差異變小。低負荷時，隨著摻混比例的增加，滯燃期延長，這是因為摻混生物柴油、水和丁醇的比例越大，燃油的十六烷值越低，汽化潛熱值越大，導致滯燃期變長。中高負荷時，缸內燃燒溫度和壓力較高，燃油十六烷值的影響作用降低。

2.1.5 燃燒持續期

燃燒持續期為燃燒始點和終點之間所對應的曲軸轉角，圖5 為燃燒持續期隨負荷的變化趨勢。

圖5 2 070 r/min 轉速-負荷特性下燃油燃燒持續期對比

從圖5 可以看出，發動機負荷對燃燒持續期有較大的影響。隨著負荷的增加，6 種燃油的燃燒持續期均逐漸增加。這是因為負荷增加時，噴油脈寬變長，噴入缸內的燃油增多，導致燃燒持續期變長。相比柴油，生物柴油B10、B15 的燃燒持續期有所縮短，而生物柴油B100 與生物乳化柴油EB10，EB15 的燃燒持續期縮短幅度較大。這主要有2 個方面的原因，一方面是因為生物柴油及生物乳化柴油的滯燃期長，燃油和空氣的混合更加充分，預混燃燒速度快，使得燃燒持續期縮短；另一方面，生物乳化柴油燃燒時發生的微爆效應能改善燃油霧化效果，優化燃燒質量，快速燃燒會縮短燃燒持續期[12]。

2.2 動力性

6 種燃油在負荷特性下的動力性對比見圖6。

圖6 2 070 r/min 轉速-負荷特性下燃油有效功率對比

從圖6 可以看出，相比柴油，生物柴油B10、B15、B100 及生物乳化柴油EB10、EB15 的有效功率均有所降低。在100%負荷時，相比柴油，B10 的有效功率降低了4.2%，B15 降低了4.7%，EB10 降低了7.2%，EB15 降低了8.0%，B100 降低了9.1%，這主要是因為不同燃油間熱值的差異所造成的。

2.3 經濟性

圖7 為6 種燃油的燃油消耗率（BSFC）隨負荷的變化規律。

圖7 2 070 r/min 轉速-負荷特性下燃油經濟性對比

從圖7 可以看出，在所有負荷下，B100 的BSFC最高；在高負荷與低負荷時，柴油的BSFC 最低；在中負荷時，EB10 的BSFC 比柴油略低。與柴油相比，100%負荷時，B10 的BSFC 降低了2.4%，B15 降低了3.2%，EB10 降低了2.0%，EB15 降低了1.5%，B100降低了6.8%。綜合來看，EB10 的BSFC 與柴油最為接近。

2.4 排放特性

2.4.1 NOx排放

圖8 為6 種燃油的NOx排放隨負荷的變化規律。

圖8 2 070 r/min 轉速-負荷特性下NOx排放對比

從圖8 可以看出，6 種燃油的NOx排放都隨著柴油機負荷的增加而增加。各個負荷下，生物柴油B10、B15、B100 的NOx排放均高于柴油，這是因為生物柴油的含氧量較高，燃燒持續期短，燃燒效率高，快速燃燒增加了缸內燃燒溫度。而生物乳化柴油EB10、EB15 的NOx排放均低于柴油，100%負荷時，分別降低了4.5%和3.5%。原因主要有2 個方面，一是摻混水、乳化劑、丁醇后，水的汽化潛熱值高，發生微爆效應時水蒸氣需要在缸內吸收熱量，水的冷卻作用能降低缸內燃燒溫度；另一方面，丁醇的熱值低，飽和蒸汽壓力高，同樣能降低缸內燃燒溫度，從而降低NOx排放[13]。

2.4.2 煙度

圖9 為6 種燃油的煙度隨負荷的變化規律。

圖9 2 070 r/min 轉速-負荷特性下煙度對比

從圖9 可以看出，柴油的煙度高于其他燃油，B100 的煙度最低。隨著摻混比例的提高，煙度均有所降低，這與生物乳化柴油的燃燒條件改善和缸內燃燒溫度降低有關。EB10、EB15 的煙度相對于柴油和生物柴油有明顯降低，相比柴油，分別降低了67.7%和71.0%。這是由于摻混丁醇后，燃油的含氧量增加，燃燒效率升高。此外，丁醇中硫含量較少，混合燃油整體含硫量降低，硫酸的生成量降低，導致煙度降低；摻混水后，微爆效應是降低碳煙排放的主要機理，使得燃燒更加完全，碳煙排放更低；此外，缸內燃燒溫度降低抑制了熱解反應的發生，也能降低碳煙排放[13]。

2.4.3 CO 排放

圖10 是負荷特性下6 種燃油的CO 排放對比。

從圖10 可以看出，各種負荷下，B10、B15、B100的CO 排放均低于柴油，這與國內外大量的研究結果一致。EB10、EB15 的CO 排放均略高于柴油，100%負荷時，分別增加了4.8%和6.0%。這是由于摻入丁醇后，氧含量的增加會加劇碳原子氧化成CO，并且較低的缸內燃燒溫度不能完全將CO 氧化成CO2，導致CO 排放增加。摻水后，缸內燃燒溫度降低，加劇燃油的不完全燃燒以及抑制CO 氧化成CO2。另外，混合氣中的OH 基含量增加導致更多的碳原子氧化成CO。在75%負荷時，各種燃油的CO 排放相差不大，尤其是EB10，幾乎與柴油相同。

圖10 2 070 r/min 轉速-負荷特性下CO 排放對比

2.4.4 HC 排放

圖11 是負荷特性下6 種燃油的HC 排放對比。

圖11 2 070 r/min 轉速-負荷特性下HC 排放對比

從圖11 可以發現，在各種負荷下，生物柴油B10、B15、B100 的HC 排放均低于柴油，尤其是B100有明顯降低。原因是生物柴油中的氧含量高，缸內燃燒溫度高，燃油燃燒比較充分，使得HC 排放較低。生物乳化柴油EB10 和EB15 的HC 排放較柴油有所增加，原因是EB10 和EB15 的汽化潛熱值變大，蒸發吸熱多，缸內燃燒溫度降低，不完全燃燒的比例增加，導致HC 排放增加。雖然摻水后能改善霧化效果，優化燃燒，但對于EB10 和EB15 來說，溫度降低對HC 排放的影響起主導作用。

3 結論

1）100%負荷時，燃油的氣缸壓力曲線均位于柴油和B100 之間，其中，EB10 的氣缸壓力曲線與柴油最為接近，其余3 種燃油相差不大。

2）生物乳化柴油的放熱率與柴油接近，均高于生物柴油，且EB10 的放熱率峰值最大。隨著摻混比例提高，放熱率峰值降低。

3）生物乳化柴油的缸內燃燒溫度低于柴油和生物柴油，燃燒溫度隨水和丁醇摻混比例增加而降低。

4）低負荷時，生物柴油與生物乳化柴油的滯燃期均比柴油長，且隨著摻混比例的增加，滯燃期延長；高負荷時，差異變小。相比柴油，生物柴油B10、B15 的燃燒持續期稍有縮短，生物柴油B100 與生物乳化柴油EB10、EB15 的燃燒持續期縮短幅度較大。

5）與柴油相比，生物柴油和生物乳化柴油的有效功率都有一定程度的降低。100%負荷時，B10、B15、EB10、EB15、B100 的有效功率較柴油分別降低了4.2%、4.7%、7.2%、8.0%、9.1%。

6）與柴油相比，生物柴油和生物乳化柴油的BSFC都有一定程度的降低。100%負荷時，B10、B15、EB10、EB15、B100 的BSFC 分別降低了2.4%、3.2%、2.0%、1.5%、6.8%。其中，生物乳化柴油EB10、EB15 的經濟性優于生物柴油。

7）與柴油和生物柴油相比，生物乳化柴油的NOx排放和煙度均有所降低。生物柴油的NOx排放隨摻混比例的上升而增加，但生物乳化柴油的NOx排放隨水和丁醇摻混比例的上升而減少。100%負荷時，EB10 和EB15 的NOx排放較柴油分別降低了4.5%和3.5%；煙度分別降低了67.7%和71.0%。生物乳化柴油的CO 排放和HC 排放有所增加，且隨著乳化劑摻混比例的增加而增加，這主要是因為燃燒溫度較低。

8）生物乳化柴油的動力性雖然有所降低，但經濟性優于生物柴油，同時可顯著降低NOx排放和PM排放，雖然CO 和HC 排放略有增加，但總的排放較低，尤其可改善生物柴油NOx排放較高的缺點。從經濟性和排放特性等方面綜合考慮，生物乳化柴油EB10 可作為柴油的替代燃料。