基于台架试验的芸芥生物柴油的车用适应性

田晶晶，李世武，董胜武

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088;2.吉林大学交通学院，吉林 长春 130022;3.交通运输部 管理干部学院，北京 101601)

石油资源的日益枯竭和人们环保意识的增强，大大促进了世界各国加快石油替代燃料的开发步伐.世界范围内车辆柴油化趋势加快，未来柴油需求量会越来越大.生物柴油是典型的“绿色能源”，大力发展生物柴油，对保障经济的可持续发展，减轻环境压力，控制大气污染具有重要的战略意义.以生物籽油为原料制取生物柴油受到各国，尤其是发达国家的重视［1-2］.国内针对生物柴油车用特性的研究以中国农业大学的符太军和北京理工大学的葛蕴珊等人为代表.中国农业大学的研究以地沟油为原料，硫酸为催化剂，采用脂交换法进行生物柴油的制取并研究了生物柴油对柴油机燃油消耗率和烟度排放的影响.北京理工大学的研究是采用不同掺混比的生物柴油分别对2台进口增压中冷车用直喷式柴油机和1辆客车进行了经济性、动力性和排放特性台架试验及车辆道路试验［1］.国外在生物柴油研究方面:G.Zanini等［3］以棉籽油为原料制取的生物柴油比较有代表性，测定了该生物柴油的理化特性满足燃油要求，还用1个单缸四冲程的发动机进行了车用特性试验;M.J.Nye等［4］分别采用甲醇、己醇、丙醇、丁醇作为反应醇，用硫酸(0.1%)、氢氧化钾(0.4%)作为催化剂进行了生物柴油的制取，对比了应用不同原料制备生物柴油的产油率.笔者选取在中国东北地区分布广泛的芸芥作为原料来制备生物柴油，分析芸芥生物柴油的理化特性，并进行台架试验验证其车用的适应性.

1 芸芥生物柴油化学反应机理及制取

芸芥生物柴油制取试验采用酯交换的方法，化学反应方程式如图1所示.通过酯交换反应，芸芥籽油的主要成分甘油三酸酯断裂成3个脂肪酸甲酯，这样就减短了燃料的碳链长度，同时生成了价值较高的甘油.在试验中，用甲醇完成酯交换反应，催化剂是NaOH，为了使反应更充分、更快速，在试验过程中使用了助溶剂THF(“四氢呋喃”或“氧杂环戊烷”)［5］.

图1 制取芸芥生物柴油的化学反应方程式

芸芥生物柴油制取试验的装置连接如图2所示.

2 芸芥生物柴油理化特性分析

按照石油产品分析方法［6］，对芸芥生物柴油理化特性与0#柴油进行对比，分析结果如表1所示.

表1 芸芥生物柴油与0#柴油理化特性对比

从表1可以看出:芸芥生物柴油与0#柴油的密度、黏度(20℃)和凝点等物理特性接近，将芸芥生物柴油与0#柴油按照不同比例混合后的物理特性与0#柴油更接近;芸芥生物柴油与0#柴油的馏程、十六烷值非常接近，闪点高于0#柴油的最低要求.通过对比芸芥生物柴油与0#柴油的理化特性可知:芸芥生物柴油的理化特性满足车用发动机性能要求.

3 芸芥生物柴油车用特性试验

3.1 试验平台构建

为了分析制取的芸芥生物柴油的车用特性，基于底盘测功机构建的芸芥生物柴油车用特性试验系统平台［1］如图3所示.

图3 芸芥生物柴油车用特性台架试验

3.2 试验方案

台架试验车为福田轻卡，利用底盘测功机控制试验用车的车速和输出功率，使用油耗仪、尾气分析仪、烟度计分别测量卡车的油耗、尾气排放和碳烟排放.具体试验过程如图4所示.

图4 芸芥生物柴油车用特性试验流程图

3.3 试验结果分析

3.3.1 芸芥生物柴油车用特性对比分析

机动车有害排放物的生成主要取决于4个因素:发动机因素、操作者使用因素、环境因素和燃料因素.假定前3个因素一致，主要对比分析不同类型燃料的车用特性的差异，即不同混合比的生物柴油对发动机的燃油消耗率、尾气排放和碳烟排放的影响.燃料消耗率随发动机负载的变化关系如图5所示.

从图5可以看出:随发动机负荷的增大燃料消耗率随之增大;在相同发动机运行工况下，随着燃油中生物柴油比例的增加，燃料消耗率有所增加，纯石化柴油燃油消耗率最低;纯生物柴油的燃油消耗率比石化柴油的要高8% ～18%，这是因为芸芥生物柴油的热值低于石化柴油，所以，要在相同条件下，使芸芥生物柴油达到石化柴油的功率，就必然增加燃料消耗量.在排放尾气中CO体积分数随发动机负载的变化关系如图6所示.

图5 不同混合比的芸芥生物柴油燃料消耗率对比

图6 不同混合比的芸芥生物柴油CO排放特性对比

从图6可以看出:在相同的发动机负载状态下石化柴油CO排放量要等于或高于生物柴油，因为CO的生成是由于燃料的不完全燃烧导致的，芸芥生物柴油中含氧，所以芸芥生物柴油的燃烧较石化柴油更充分，尾气中CO体积分数较少;随着发动机负载的增大，不同混合比的芸芥生物柴油尾气中 CO体积分数出现先减小后增大的变化关系.这是因为在发动机负载较小时，喷油量少，缸内气体温度低，氧化作用较弱，因此CO排放体积分数高.随着发动机负载的增大，喷油量增大，燃烧室温度增高，氧化作用增强，燃料的燃烧逐渐充分，CO的排放量也逐渐减少.但是，当发动机负载增长到一定值后，燃料的不完全燃烧现象加剧，CO排放体积分数又增加［7］.在排放尾气中CO2体积分数随发动机负载的变化关系如图7所示.在相同运行工况下，CO2在排放尾气中体积分数随着芸芥生物柴油的混合比的增大而增大，主要原因:① 芸芥生物柴油的碳含量高于石化柴油，在相同运行工况下，燃料的含碳量越高，其排放的CO2越多，碳含量可以通过元素分析法，或者质谱法进行测量，由于试验条件的限制，没有进行芸芥生物柴油碳含量的测量试验;②芸芥生物柴油含氧高于石化柴油，CO2的生成是由于燃料的完全燃烧所产生的，芸芥生物柴油的含氧量高于石化柴油，在相同运行工况下，芸芥生物柴油的燃烧较石化柴油更充分，碳烟排放较低，CO2排放较高［8-9］.

图7 不同混合比的芸芥生物柴油CO2排放特性对比

在排放尾气中HC体积分数随发动机负载的变化关系如图8所示.

图8 不同混合比的芸芥生物柴油HC排放特性对比

当发动机负载较小时，喷油量较少，假定燃油喷注达不到壁面，且喷注核心燃油浓度也小，在此情况下，HC生成主要来自贫油火焰外围区域.这是由于喷注的部分燃烧引起的局部温度上升很小，因而消失反应速率很低.随着燃油分子向包围该区的空气中扩散，体积分数进一步降低，消失反应也减弱.因此，在怠速和负载较小时，排放中HC体积分数很高.随着负荷的增加，喷油量增大，使更多的燃油附着在壁面上，并在喷注核心造成较高的浓度.在这些区域，形成的HC虽然增加了，但燃烧温度升高，氧化反应随着温度的升高而加快，结果仍然是HC的排放量减少了［7，10］.

在相同的发动机负载工况下，排放的HC体积分数随着芸芥生物柴油所占比重的增大而减少.这主要是因为生物柴油的芳香烃含量少，十六烷值较高所致.一般来说，燃料中含有的芳香烃越少，其滞燃期越短，未燃碳氢和裂解碳氢就会减少.生物柴油含氧较石化柴油多，燃烧充分，有利于HC排放的降低.在排放尾气中NOx体积分数随发动机负载的变化关系如图9所示.

图9 不同混合比的芸芥生物柴油NOx排放特性对比

不同混合比的芸芥生物柴油NOx随着发动负载增大而增大［11］.这是因为NOx的生成主要受氧气含量、燃烧温度以及燃烧产物在高温中的停留时间的影响.柴油发动机负荷较小时，空燃比较大，混合气中有较充足的氧，燃烧室内温度较低，所以NOx的排放也较低.继续增加发动机负荷，空燃比进一步减小，燃烧室的温度升高，NOx的排放增加.

在相同运行工况下，随着芸芥生物柴油所占比例的增大，发动机排放的NOx会增加.这主要是因为芸芥生物柴油中含有的氧元素较多，燃烧充分，燃烧室的温度会相应较高，促进了NOx的形成.所以，随着芸芥生物柴油占混合燃料比重的增加，其发动机排放的NOx会增大.在排放尾气中O2体积分数随发动机负载的变化关系如图10所示.

图10 不同混合比的芸芥生物柴油O2排放特性对比

不同混合比的生物柴油在排气尾气中O2体积分数均随着发动机负荷增大而降低.这是因为随着发动机输出功率的增大、燃料注入量增加，消耗的氧气就会增多，而输入的氧气量是恒定的，所以尾气中排放的氧气就会减少.

在相同运行工况下，O2排放量会随着芸芥生物柴油所占燃料比重的增大而增大.这是因为，芸芥生物柴油中含氧较多，燃料燃烧过程中，消耗空气中的氧气就会减少，这样，尾气排放中氧气的量就会增加.所以，随着芸芥生物柴油占混合燃料比重的增加，其发动机排放的O2会增大.不同混合比的芸芥生物柴油碳烟排放特性对比如图11所示.

图11 不同混合比的芸芥生物柴油碳烟排放特性对比

无论哪种混合比的生物柴油，其发动机排放的碳烟都是随着输出功率的增大而增加.这是因为在转速不变的情况下，柴油每个循环的进气量基本相同，负荷的调节是靠改变循环喷油量来实现的.循环喷油量随负荷增加而增加，则空燃比随负荷的增加而减小，即过量空气系数随负荷增加而减少，从而有利于碳烟的形成.

在相同发动机运行工况下，发动机碳烟排放的体积分数随着混合燃料中芸芥生物柴油所占比重的增加而降低.分析此试验结果的主要原因:① 燃油中的碳氢成分，特别是芳香烃含量对碳烟排放量有明显的影响.试验表明:燃油中的芳香烃含量和馏程温度越高，则相同试验条件下排出的碳烟越多.碳烟的生成是燃油在高温缺氧区脱氢反应所致，而芳香烃，特别是高沸点的双环芳香烃容易产生脱氢反应，从而增加碳烟生成量.此外，燃油中的游离碳与残碳含量，可能引起碳烟“成核”的作用.芸芥生物柴油中含有的芳香烃的量较石化柴油少，所以，在相同工况条件下，发动机碳烟排放的浓度，随着混和燃料中芸芥生物柴油所占比重的增加而降低.②芸芥生物柴油含有的氧原子数量比石化柴油多，氧原子在燃烧过程中，起到助燃的作用，特别是在喷雾核心等燃料浓度高的区域，燃料含氧越多，燃料的燃烧就越充分，从而降低发动机的碳烟排放.

3.3.2 芸芥生物柴油综合性能对比

根据上述试验结果，依据文献［12］中不同特性的加权系数，对比分析不同混合比芸芥生物柴油的综合性能如表2所示，表2中数值是不同比例混合比芸芥生物柴油各指标平均数优于0#石化柴油的百分比.

表2 不同混合比芸芥生物柴油综合性能对比 %

通过表2的综合比较可以看出:B50的性能最好，B50的 CO排放比石化柴油降低12.00%，HC排放降低24.23%，碳烟排放降低16.72%，而燃油消耗率只增加7.00%.所以认为，B50的芸芥生物柴油，可以在付出一定的经济代价下，较好地改善柴油的排放性能.

4 结论

以NaOH为催化剂，利用甲醇与芸芥籽油发生脂化反应，制备了芸芥生物柴油.为了评价芸芥生物柴油的车用适应性，首先对比分析了0#石化柴油和芸芥生物柴油的理化特性差异，芸芥生物柴油的理化特性完全满足发动机性能需求;然后搭建了芸芥生物柴油车用特性台架试验，针对不同混合比芸芥生物柴油的燃油消耗率和尾气(CO，CO2，HC，NOx，O2和碳烟)排放特性进行了台架试验.试验结果表明:芸芥生物柴油在排放方面优于石化柴油，而在燃油消耗方面劣于石化柴油.通过对比不同混合比的芸芥生物柴油的综合性能，在一定经济代价下，用混合比为B50的芸芥生物柴油替代0#石化柴油，可以在满足车辆动力性要求的前提下较好地改善柴油的排放性能.

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