田晶晶，李世武，董勝武

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;2.吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林 長春 130022;3.交通運(yùn)輸部 管理干部學(xué)院，北京 101601)

石油資源的日益枯竭和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，大大促進(jìn)了世界各國加快石油替代燃料的開發(fā)步伐.世界范圍內(nèi)車輛柴油化趨勢加快，未來柴油需求量會(huì)越來越大.生物柴油是典型的“綠色能源”，大力發(fā)展生物柴油，對保障經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，減輕環(huán)境壓力，控制大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義.以生物籽油為原料制取生物柴油受到各國，尤其是發(fā)達(dá)國家的重視［1-2］.國內(nèi)針對生物柴油車用特性的研究以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的符太軍和北京理工大學(xué)的葛蘊(yùn)珊等人為代表.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究以地溝油為原料，硫酸為催化劑，采用脂交換法進(jìn)行生物柴油的制取并研究了生物柴油對柴油機(jī)燃油消耗率和煙度排放的影響.北京理工大學(xué)的研究是采用不同摻混比的生物柴油分別對2臺進(jìn)口增壓中冷車用直噴式柴油機(jī)和1輛客車進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放特性臺架試驗(yàn)及車輛道路試驗(yàn)［1］.國外在生物柴油研究方面:G.Zanini等［3］以棉籽油為原料制取的生物柴油比較有代表性，測定了該生物柴油的理化特性滿足燃油要求，還用1個(gè)單缸四沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了車用特性試驗(yàn);M.J.Nye等［4］分別采用甲醇、己醇、丙醇、丁醇作為反應(yīng)醇，用硫酸(0.1%)、氫氧化鉀(0.4%)作為催化劑進(jìn)行了生物柴油的制取，對比了應(yīng)用不同原料制備生物柴油的產(chǎn)油率.筆者選取在中國東北地區(qū)分布廣泛的蕓芥作為原料來制備生物柴油，分析蕓芥生物柴油的理化特性，并進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證其車用的適應(yīng)性.

1 蕓芥生物柴油化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及制取

蕓芥生物柴油制取試驗(yàn)采用酯交換的方法，化學(xué)反應(yīng)方程式如圖1所示.通過酯交換反應(yīng)，蕓芥籽油的主要成分甘油三酸酯斷裂成3個(gè)脂肪酸甲酯，這樣就減短了燃料的碳鏈長度，同時(shí)生成了價(jià)值較高的甘油.在試驗(yàn)中，用甲醇完成酯交換反應(yīng)，催化劑是NaOH，為了使反應(yīng)更充分、更快速，在試驗(yàn)過程中使用了助溶劑THF(“四氫呋喃”或“氧雜環(huán)戊烷”)［5］.

圖1 制取蕓芥生物柴油的化學(xué)反應(yīng)方程式

蕓芥生物柴油制取試驗(yàn)的裝置連接如圖2所示.

2 蕓芥生物柴油理化特性分析

按照石油產(chǎn)品分析方法［6］，對蕓芥生物柴油理化特性與0#柴油進(jìn)行對比，分析結(jié)果如表1所示.

表1 蕓芥生物柴油與0#柴油理化特性對比

從表1可以看出:蕓芥生物柴油與0#柴油的密度、黏度(20℃)和凝點(diǎn)等物理特性接近，將蕓芥生物柴油與0#柴油按照不同比例混合后的物理特性與0#柴油更接近;蕓芥生物柴油與0#柴油的餾程、十六烷值非常接近，閃點(diǎn)高于0#柴油的最低要求.通過對比蕓芥生物柴油與0#柴油的理化特性可知:蕓芥生物柴油的理化特性滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求.

3 蕓芥生物柴油車用特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺構(gòu)建

為了分析制取的蕓芥生物柴油的車用特性，基于底盤測功機(jī)構(gòu)建的蕓芥生物柴油車用特性試驗(yàn)系統(tǒng)平臺［1］如圖3所示.

圖3 蕓芥生物柴油車用特性臺架試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)方案

臺架試驗(yàn)車為福田輕卡，利用底盤測功機(jī)控制試驗(yàn)用車的車速和輸出功率，使用油耗儀、尾氣分析儀、煙度計(jì)分別測量卡車的油耗、尾氣排放和碳煙排放.具體試驗(yàn)過程如圖4所示.

圖4 蕓芥生物柴油車用特性試驗(yàn)流程圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 蕓芥生物柴油車用特性對比分析

機(jī)動(dòng)車有害排放物的生成主要取決于4個(gè)因素:發(fā)動(dòng)機(jī)因素、操作者使用因素、環(huán)境因素和燃料因素.假定前3個(gè)因素一致，主要對比分析不同類型燃料的車用特性的差異，即不同混合比的生物柴油對發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率、尾氣排放和碳煙排放的影響.燃料消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化關(guān)系如圖5所示.

從圖5可以看出:隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大燃料消耗率隨之增大;在相同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下，隨著燃油中生物柴油比例的增加，燃料消耗率有所增加，純石化柴油燃油消耗率最低;純生物柴油的燃油消耗率比石化柴油的要高8% ～18%，這是因?yàn)槭|芥生物柴油的熱值低于石化柴油，所以，要在相同條件下，使蕓芥生物柴油達(dá)到石化柴油的功率，就必然增加燃料消耗量.在排放尾氣中CO體積分?jǐn)?shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化關(guān)系如圖6所示.

圖5 不同混合比的蕓芥生物柴油燃料消耗率對比

圖6 不同混合比的蕓芥生物柴油CO排放特性對比

從圖6可以看出:在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載狀態(tài)下石化柴油CO排放量要等于或高于生物柴油，因?yàn)镃O的生成是由于燃料的不完全燃燒導(dǎo)致的，蕓芥生物柴油中含氧，所以蕓芥生物柴油的燃燒較石化柴油更充分，尾氣中CO體積分?jǐn)?shù)較少;隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的增大，不同混合比的蕓芥生物柴油尾氣中 CO體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)先減小后增大的變化關(guān)系.這是因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較小時(shí)，噴油量少，缸內(nèi)氣體溫度低，氧化作用較弱，因此CO排放體積分?jǐn)?shù)高.隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的增大，噴油量增大，燃燒室溫度增高，氧化作用增強(qiáng)，燃料的燃燒逐漸充分，CO的排放量也逐漸減少.但是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增長到一定值后，燃料的不完全燃燒現(xiàn)象加劇，CO排放體積分?jǐn)?shù)又增加［7］.在排放尾氣中CO2體積分?jǐn)?shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化關(guān)系如圖7所示.在相同運(yùn)行工況下，CO2在排放尾氣中體積分?jǐn)?shù)隨著蕓芥生物柴油的混合比的增大而增大，主要原因:① 蕓芥生物柴油的碳含量高于石化柴油，在相同運(yùn)行工況下，燃料的含碳量越高，其排放的CO2越多，碳含量可以通過元素分析法，或者質(zhì)譜法進(jìn)行測量，由于試驗(yàn)條件的限制，沒有進(jìn)行蕓芥生物柴油碳含量的測量試驗(yàn);②蕓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燒所產(chǎn)生的，蕓芥生物柴油的含氧量高于石化柴油，在相同運(yùn)行工況下，蕓芥生物柴油的燃燒較石化柴油更充分，碳煙排放較低，CO2排放較高［8-9］.

圖7 不同混合比的蕓芥生物柴油CO2排放特性對比

在排放尾氣中HC體積分?jǐn)?shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化關(guān)系如圖8所示.

圖8 不同混合比的蕓芥生物柴油HC排放特性對比

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較小時(shí)，噴油量較少，假定燃油噴注達(dá)不到壁面，且噴注核心燃油濃度也小，在此情況下，HC生成主要來自貧油火焰外圍區(qū)域.這是由于噴注的部分燃燒引起的局部溫度上升很小，因而消失反應(yīng)速率很低.隨著燃油分子向包圍該區(qū)的空氣中擴(kuò)散，體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低，消失反應(yīng)也減弱.因此，在怠速和負(fù)載較小時(shí)，排放中HC體積分?jǐn)?shù)很高.隨著負(fù)荷的增加，噴油量增大，使更多的燃油附著在壁面上，并在噴注核心造成較高的濃度.在這些區(qū)域，形成的HC雖然增加了，但燃燒溫度升高，氧化反應(yīng)隨著溫度的升高而加快，結(jié)果仍然是HC的排放量減少了［7，10］.

在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載工況下，排放的HC體積分?jǐn)?shù)隨著蕓芥生物柴油所占比重的增大而減少.這主要是因?yàn)樯锊裼偷姆枷銦N含量少，十六烷值較高所致.一般來說，燃料中含有的芳香烴越少，其滯燃期越短，未燃碳?xì)浜土呀馓細(xì)渚蜁?huì)減少.生物柴油含氧較石化柴油多，燃燒充分，有利于HC排放的降低.在排放尾氣中NOx體積分?jǐn)?shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化關(guān)系如圖9所示.

圖9 不同混合比的蕓芥生物柴油NOx排放特性對比

不同混合比的蕓芥生物柴油NOx隨著發(fā)動(dòng)負(fù)載增大而增大［11］.這是因?yàn)镹Ox的生成主要受氧氣含量、燃燒溫度以及燃燒產(chǎn)物在高溫中的停留時(shí)間的影響.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小時(shí)，空燃比較大，混合氣中有較充足的氧，燃燒室內(nèi)溫度較低，所以NOx的排放也較低.繼續(xù)增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，空燃比進(jìn)一步減小，燃燒室的溫度升高，NOx的排放增加.

在相同運(yùn)行工況下，隨著蕓芥生物柴油所占比例的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx會(huì)增加.這主要是因?yàn)槭|芥生物柴油中含有的氧元素較多，燃燒充分，燃燒室的溫度會(huì)相應(yīng)較高，促進(jìn)了NOx的形成.所以，隨著蕓芥生物柴油占混合燃料比重的增加，其發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx會(huì)增大.在排放尾氣中O2體積分?jǐn)?shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化關(guān)系如圖10所示.

圖10 不同混合比的蕓芥生物柴油O2排放特性對比

不同混合比的生物柴油在排氣尾氣中O2體積分?jǐn)?shù)均隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大而降低.這是因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的增大、燃料注入量增加，消耗的氧氣就會(huì)增多，而輸入的氧氣量是恒定的，所以尾氣中排放的氧氣就會(huì)減少.

在相同運(yùn)行工況下，O2排放量會(huì)隨著蕓芥生物柴油所占燃料比重的增大而增大.這是因?yàn)?，蕓芥生物柴油中含氧較多，燃料燃燒過程中，消耗空氣中的氧氣就會(huì)減少，這樣，尾氣排放中氧氣的量就會(huì)增加.所以，隨著蕓芥生物柴油占混合燃料比重的增加，其發(fā)動(dòng)機(jī)排放的O2會(huì)增大.不同混合比的蕓芥生物柴油碳煙排放特性對比如圖11所示.

圖11 不同混合比的蕓芥生物柴油碳煙排放特性對比

無論哪種混合比的生物柴油，其發(fā)動(dòng)機(jī)排放的碳煙都是隨著輸出功率的增大而增加.這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速不變的情況下，柴油每個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣量基本相同，負(fù)荷的調(diào)節(jié)是靠改變循環(huán)噴油量來實(shí)現(xiàn)的.循環(huán)噴油量隨負(fù)荷增加而增加，則空燃比隨負(fù)荷的增加而減小，即過量空氣系數(shù)隨負(fù)荷增加而減少，從而有利于碳煙的形成.

在相同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放的體積分?jǐn)?shù)隨著混合燃料中蕓芥生物柴油所占比重的增加而降低.分析此試驗(yàn)結(jié)果的主要原因:① 燃油中的碳?xì)涑煞?，特別是芳香烴含量對碳煙排放量有明顯的影響.試驗(yàn)表明:燃油中的芳香烴含量和餾程溫度越高，則相同試驗(yàn)條件下排出的碳煙越多.碳煙的生成是燃油在高溫缺氧區(qū)脫氫反應(yīng)所致，而芳香烴，特別是高沸點(diǎn)的雙環(huán)芳香烴容易產(chǎn)生脫氫反應(yīng)，從而增加碳煙生成量.此外，燃油中的游離碳與殘?zhí)己?，可能引起碳煙“成核”的作?蕓芥生物柴油中含有的芳香烴的量較石化柴油少，所以，在相同工況條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放的濃度，隨著混和燃料中蕓芥生物柴油所占比重的增加而降低.②蕓芥生物柴油含有的氧原子數(shù)量比石化柴油多，氧原子在燃燒過程中，起到助燃的作用，特別是在噴霧核心等燃料濃度高的區(qū)域，燃料含氧越多，燃料的燃燒就越充分，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放.

3.3.2 蕓芥生物柴油綜合性能對比

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)文獻(xiàn)［12］中不同特性的加權(quán)系數(shù)，對比分析不同混合比蕓芥生物柴油的綜合性能如表2所示，表2中數(shù)值是不同比例混合比蕓芥生物柴油各指標(biāo)平均數(shù)優(yōu)于0#石化柴油的百分比.

表2 不同混合比蕓芥生物柴油綜合性能對比 %

通過表2的綜合比較可以看出: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%，碳煙排放降低16.72%，而燃油消耗率只增加7.00%.所以認(rèn)為，B50的蕓芥生物柴油，可以在付出一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)下，較好地改善柴油的排放性能.

4 結(jié)論

以NaOH為催化劑，利用甲醇與蕓芥籽油發(fā)生脂化反應(yīng)，制備了蕓芥生物柴油.為了評價(jià)蕓芥生物柴油的車用適應(yīng)性，首先對比分析了0#石化柴油和蕓芥生物柴油的理化特性差異，蕓芥生物柴油的理化特性完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求;然后搭建了蕓芥生物柴油車用特性臺架試驗(yàn)，針對不同混合比蕓芥生物柴油的燃油消耗率和尾氣(CO，CO2，HC，NOx，O2和碳煙)排放特性進(jìn)行了臺架試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明:蕓芥生物柴油在排放方面優(yōu)于石化柴油，而在燃油消耗方面劣于石化柴油.通過對比不同混合比的蕓芥生物柴油的綜合性能，在一定經(jīng)濟(jì)代價(jià)下，用混合比為B50的蕓芥生物柴油替代0#石化柴油，可以在滿足車輛動(dòng)力性要求的前提下較好地改善柴油的排放性能.

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