柴油机燃用不同比例菜籽油柴油的试验

李会芬， 黄信豪， 陈国栋， 何浩颖， 黄豪中， 黄锦成

(广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004)

0 引 言

石化能源是不可再生能源，面临着能源枯竭等问题。可再生和可替代石化柴油的生物柴油是世界关注的热点。目前，生物柴油发展的瓶颈因素是原料。“十五” 期间，我国油菜种植面积和总产量分别占我国主要油料作物种植(5年平均)总面积和总产量的31.1%和26.55%[1]。菜籽油中饱和脂肪酸含量低，可以作为优良的燃料使用。广西的油菜籽有广泛的种植面积并且各地都制定有利用冬闲田，种植冬种油菜，不与其他作物争地，提高复种指数的农业发展战略，油菜籽的产业比较繁荣。我国近年也就菜籽油制备生物柴油进行了多方面的探索[2-9]。以菜籽油为原料制备的生物柴油的主要成分是菜籽油甲酯。菜籽油甲酯在柴油机上的燃用方法很多，有直接燃用法、调和燃用法、微乳化法、添加剂法等[10]，各种方法优缺点也有不同。但菜籽油甲酯也存在着一些问题有待解决，如氧化稳定性、生产成本、低温流动性、热安定性等问题[11-14]。因此，使用时需采取相应措施，提高其抗氧化性能，提高油菜籽的产量，以降低成本。同时，需要研究更为经济和效果更好的添加剂，改善其在低温下的流动性能。

本文采用不同比例菜籽油与柴油相混合的方式进行发动机燃烧，分析其对直喷柴油机的动力性、经济性和污染物排放的影响，对合理使用菜籽油生物柴油有一定的参考价值。为了保证混合燃料的互溶稳定性和低温流动性，选用了正丁醇作为助溶剂。

1 试验设备及研究方法

1.1 发动机参数

试验用发动机为一台ZS195型卧式、单缸、四冲程、直喷柴油机，其基本参数为:排量0.815 L,缸径95 mm,行程115 mm,压缩比20∶1,标定功率/转速8.82/2 000/(kW/(r/min)),最大扭矩/转速48/1 500 (N·m/(r/min)),全负荷最低燃油耗≤251.6/(g/(kW·h)),喷油压力(16±0.49)MPa,供油提前角-18 ℃A。

1.2 燃料指标

采用菜籽油和市售0#柴油的不同比例混合后进行发动机试验。试验用油料分别为D100、BL0C30D70、BL10C20D70、BL20C10D70，其中：D代表柴油；BL代表正丁醇；C代表菜籽油，其比例为体积分数。燃料为试验时现场制备。0#柴油和菜籽油生物柴油样品的主要理化特性指标如表1所示。

1.3 试验测试系统组成和试验方法

发动机测试系统能够满足国 III/IV 排放法规的测试能力的要求，测试系统主要设备:发动机测控系统FC2000;测功机S6400;不透光烟度计FTY-100;智能油耗仪FC2210Z;排气分析仪AVL ELP-420。试验装置布置图见图1所示。

表1 0#柴油和菜籽油生物柴油样品的主要理化特性

图1 试验装置示意图

试验在标定转速(2 000 r/min)和最大扭矩转速(1 500 r/min)下进行。试验规范：先用纯柴油进行暖机，待润滑系统温度和冷却系统温度都达到要求后，再试验。为了消除油路中残存燃料对下一种试验燃料的影响，采用前一燃料燃烧完毕并换用同一状态下第二种燃料15 min后进行。

2 试验结果

2.1 经济性

图2为3种混合燃料与纯柴油燃料的油耗率对比图。由图可见，3种混合燃料在2种转速下的油耗率都比纯柴油要高，并且有随菜籽油添加比例的加大，油耗率也变大的趋势。但随负荷的增大，这种差距呈下降趋势。以标定工况(8.82 kW/2 000 r/min)时的油耗率为例：此工况下，BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料分别比D100燃料的油耗率高出3.2%，1.7%和5.7%。

分析认为：混合燃料的油耗率都高于纯柴油，是因为生物柴油的热值比石化柴油低,要满足标定转速、负荷相同情况，生物柴油的油耗要比石化柴油的大[15]。随着负荷的增大，发动机内的温度越来越高，燃料蒸发雾化速度快，形成良好混合气条件越来越成熟，燃料利用率高，故随负荷的增大，油耗率都有下降的趋势。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

2.2 排放性能

2.2.1CO排放

图3为3种混合燃料与纯柴油燃料的CO排放对比图。由图可见,3种混合燃料在较大工况范围都保持较低的CO排放量。低负荷状态下改善不明显，甚至会增大；高负荷工况下，混合燃料的CO排放降低较多。以标定工况为例，此工况(8.82 kW/2 000 r/min)下，BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料分别比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

分析认为：这主要是由于低负荷时，缸内温度低，生物柴油黏度高，混合雾化较差，影响燃烧[16]；高负荷时由于缸内温度提高，生物柴油中含氧，在燃烧过程中产生自供氧效应，有利于促进燃料的快速充分燃烧，所以生成的CO较少。另外，大负荷工况下气缸内温度高，提高了可燃混合气的准备速率，使气缸内燃料燃烧完全，所以CO排放会降低较多。

2.2.2HC排放

图4为3种混合燃料与纯柴油燃料的HC排放对比图。由图可见,混合燃料中BL10C20D70燃料的HC排放曲线与纯柴油基本呈相同的规律，低转速1 500 r/min时，BL10C20D70燃料的HC排放曲线比纯柴油高，高转速2 000 r/min下，BL10C20D70燃料的HC排放比纯柴油低。绝大部分工况下，其他混合燃料的HC排放要高于纯柴油。以标定工况(8.82 kW/2 000 r/min)时为例：此工况下，BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料的HC排放分别比D100燃料低38.1%、7.1%和0%。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

这是由于在中低负荷条件下，转速较高时，每循环工作时间较短，生物柴油由于黏度较大导致混合雾化较差，生成 HC 较普通柴油高，但在转速较低时，每工作循环时间长，黏度对雾化质量影响小，生物柴油氧的质量分数改善了燃烧情况，使 HC 排放降低。因此生物柴油的黏度、十六烷值和氧的质量分数的影响作用在不同发动机工况下表现是不同的[16-17]。混合燃料中，BL10C20D70燃料表现优异，说明这个比例用于柴油机比较合适。

2.2.3NOx排放

图5为3种混合燃料与纯柴油燃料的NOx排放对比图。由图可见，混合燃料的NOx排放都比纯柴油低，并且有随燃料中菜籽油比例的增加，NOx排放进一步降低的趋势。以标定工况(8.82 kW/2 000 r/min)时的NOx排放为例：BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料分别比D100燃料的NOx排放低4.3%、4.7%和-3.2%。整个标定转速下的工况，上述3种混合燃料的NOx排放比纯柴油燃料改善的最大值分别为16.3%、14.3%和6.8%。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

这是由于混合燃料热值低，燃烧放热滞后；黏度大，导致雾化混合质量下降，缸内温度降低，抑制了NOx的生成[18]。虽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较高、芳烃含量低等优点，降低了燃烧温度，从而降低了NOx的排放[19]。所以在全工况范围，混合燃料的NOx排放均比纯柴油的NOx排放要低。

2.2.4碳烟排放

图6为3种新型混合燃料与纯柴油燃料的碳烟排放对比图。由图可见，混合燃料的碳烟排放比纯柴油低，并且全工况范围都保持较低的碳烟排放。以标定工况(8.82 kW/2 000 r/min)时的碳烟排放为例：BL20C10D70 、BL10C20D70和BL0C30D70燃料分别比D100燃料的碳烟排放低33.2%、34.7%和30.9%。

(a) 1 500 r/min

(b) 2 000 r/min

这主要是由于混合燃料中含氧原子，在燃烧过程中可提供较多的氧，降低了燃料浓混合区缺氧的程度，在一定程度上抑制了碳烟的生成；另一方面，生物柴油无硫[16]，降低了混合燃料中的硫含量，也在一定程度上减少硫酸盐颗粒物的生成。

3 结 论

(1) 菜籽油柴油混合油料可以作为柴油机燃料。

(2) 3种混合燃料在两种转速下的油耗率都比纯柴油要高，并且有随菜籽油添加比例的加大，油耗率也变大的趋势。但随负荷的增大，这种差距呈下降趋势。

(3) 3种混合燃料在较大工况范围都保持较低的CO排放量。低负荷状态下改善不明显，甚至会增大；高负荷工况下，混合燃料的CO排放降低较多。

(4) 混合燃料中BL10C20D70燃料的HC排放曲线与纯柴油基本呈相同的规律，低转速时，BL10C20D70燃料的HC排放曲线比纯柴油高;高转速下，BL10C20D70燃料的HC排放比纯柴油低。绝大部分工况下，其他混合燃料的HC排放要高于纯柴油。

(5) 混合燃料的NOx排放都比纯柴油低，并且有随燃料中菜籽油比例的增加，NOx排放进一步降低的趋势。

(6) 混合燃料的碳烟排放都比纯柴油低，并且全工况范围都保持较低的碳烟排放。

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