梅德純，張起，左磊

(1.江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028；2.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

生物柴油和乙醇作為柴油的替代燃料，具有來(lái)源廣泛、無(wú)毒性、可再生、含氧等特點(diǎn)，已得到廣泛研究和應(yīng)用。生物柴油中含有大量的不飽和脂肪酸酯，以亞油酸甲酯和亞麻酸甲酯為主，容易在光、電、金屬離子的環(huán)境下氧化生成醇、醚、醛、水、不可溶樹(shù)脂等，造成生物柴油內(nèi)產(chǎn)生分層和沉淀現(xiàn)象，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)的可靠性[1-3]。部分加氫工藝可以有效提高生物柴油的飽和度，改善其氧化安定性，但卻會(huì)對(duì)低溫流動(dòng)性帶來(lái)不利影響，同時(shí)其十六烷值進(jìn)一步提升至69.2，與柴油的十六烷值(52)相差較大[4-5]。相比于加氫生物柴油，乙醇的運(yùn)動(dòng)黏度和十六烷值均低得多，摻入適量的乙醇恰好可以改善加氫生物柴油的低溫流動(dòng)性，并調(diào)和其過(guò)高的十六烷值。協(xié)同使用加氫生物柴油和乙醇，可以有效緩解對(duì)柴油的依賴(lài)。

近年來(lái)，廣大學(xué)者對(duì)生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的特性進(jìn)行了廣泛的研究。李立琳等[6]以生物柴油為助溶劑，研究了其對(duì)乙醇-柴油混合燃料互溶度的影響，發(fā)現(xiàn)生物柴油的極性基團(tuán)和較長(zhǎng)長(zhǎng)度的碳鏈可分別與乙醇的羥基和柴油中的烴分子結(jié)合，從而改善乙醇和柴油間的互溶性。李潯等[7]對(duì)不同比例下的生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的理化性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著乙醇比例的增加，三元燃料的密度、運(yùn)動(dòng)黏度、十六烷值和低熱值得到不同程度的降低。耿莉敏等[8]對(duì)不同混合比例的生物柴油-乙醇-柴油混合燃料進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)乙醇延長(zhǎng)了混合燃料的滯燃期，縮短了燃燒持續(xù)期，而混合燃料的最大缸壓和瞬時(shí)放熱率峰值受發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷影響，在低負(fù)荷下高于柴油，在高負(fù)荷下則低于柴油；隨著乙醇比例的增加，NOx、CO和炭煙排放得到不同程度的降低，而HC排放逐漸上升。蔣超宇等[9]使用FIRE軟件對(duì)B30E10混合燃料(30%生物柴油+10%乙醇+60%柴油，體積比)的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)混合燃料在缸內(nèi)的燃燒速度、壓力和溫度均比柴油小。當(dāng)下，對(duì)特定比例下的生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的研究較多，其僅能展示組分對(duì)混合燃料性能的影響，及隨各組分變化的部分性能趨勢(shì)。為了表述完整的性能變化趨勢(shì)，需要對(duì)生物柴油-乙醇-柴油三元燃料在各項(xiàng)性能上進(jìn)行配比優(yōu)化設(shè)計(jì)。王賢烽等[10]對(duì)柴油-生物柴油-乙醇三元燃料在燃油消耗率、NOx排放和煙度上進(jìn)行了配比優(yōu)化研究，得到了各性能隨著各組分的變化趨勢(shì)，及各性能趨向和綜合性能趨向下的最佳摻混比例。

關(guān)于多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的研究方法，主要有回歸方程法、響應(yīng)面法、線性加權(quán)法等[10-12]。本研究以加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的著火性能、揮發(fā)性能、低溫性能和流動(dòng)性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)線性加權(quán)法建立多目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)，調(diào)整混合燃料內(nèi)各組分的配比，以獲得最佳整體性能，旨在為多元燃料的性能預(yù)測(cè)及最佳整體性能確定提供一個(gè)可行之法。

1 試驗(yàn)樣品

研究目的是探查加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料性能優(yōu)化的一般規(guī)律，試驗(yàn)用的部分加氫生物柴油有部分加氫大豆生物柴油(Partially Hydrogenated Soybean Methyl Ester,PHSME)和部分加氫棉籽生物柴油(Partially Hydrogenated Cottonseed Methyl Ester,PHCME)，其分別由大豆生物柴油(Soybean Methyl Ester,SME)和棉籽生物柴油(Cottonseed Methyl Ester,CME) 經(jīng)水環(huán)境下的部分加氫工藝制得。乙醇不易溶于柴油，卻可溶于生物柴油，而生物柴油與柴油互溶，因此以加氫生物柴油作為乙醇-柴油的助溶劑，構(gòu)建加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料，其中加氫生物柴油與乙醇的摻混比例相同。摻入過(guò)多的生物柴油或者乙醇勢(shì)必會(huì)大幅度影響燃料性能，使其與柴油性能相差較大，不利于其應(yīng)用在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上，因而設(shè)定加氫生物柴油與乙醇的比例之和范圍為0～30%，加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的具體配制方案如表1所示。分別使用NDJ-5S旋轉(zhuǎn)式數(shù)字黏度計(jì)、SD-510C石油產(chǎn)品低溫性能儀和TGA/DSC1同步熱分析儀測(cè)量三元燃料的運(yùn)動(dòng)黏度、凝點(diǎn)和95%餾程，使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算十六烷值。三元燃料具體理化性質(zhì)如表2所示。

表1 加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的配制方案

表2 加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的理化性質(zhì)

2 燃料性能目標(biāo)函數(shù)

十六烷值(Cetane Number，CN)、運(yùn)動(dòng)黏度(Kinematic Viscosity，KV)、凝點(diǎn)(Condensation Point，CP)和95%餾程(95% Distilling Range，DR)是柴油機(jī)燃料的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別可用于評(píng)價(jià)燃料的著火性能、流動(dòng)性能、低溫性能及揮發(fā)性能。選取加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的十六烷值、運(yùn)動(dòng)黏度、凝點(diǎn)和95%餾程作為目標(biāo)函數(shù)的特性參數(shù)，其與加氫生物柴油、乙醇占據(jù)混合燃料的體積比例和x(%)呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，通過(guò)線性回歸法擬合出各目標(biāo)特性參數(shù)的函數(shù)方程，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢园l(fā)現(xiàn)，十六烷值、運(yùn)動(dòng)黏度和95%餾程擬合方程的線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，凝點(diǎn)擬合方程的線性相關(guān)系數(shù)R2大于0.98，這表明各目標(biāo)函數(shù)方程預(yù)測(cè)三元燃料各特性參數(shù)的可靠性較高。

表3 PHCME和PHSME三元燃料的各特性參數(shù)擬合方程

3 多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

從三元燃料的著火性能、流動(dòng)性能、低溫性能及揮發(fā)性能角度出發(fā)，設(shè)計(jì)三元燃料性能關(guān)于混合比例的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。該優(yōu)化數(shù)學(xué)模型具體表示如下：

(1)

采用線性加權(quán)系數(shù)法，將多目標(biāo)函數(shù)在約束集內(nèi)求取最優(yōu)解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)求取最值，具體過(guò)程如下：4個(gè)目標(biāo)函數(shù)fi(x)(i=CN，KV，CP，DS)依據(jù)各自的重要程度，分別乘以一組權(quán)重系數(shù)λi(i=CN，KV，CP，DS)，彼此相加得到單目標(biāo)函數(shù)，表示如下：

(2)

權(quán)重系數(shù)反映研究目標(biāo)函數(shù)在多個(gè)目標(biāo)函數(shù)中的相對(duì)重要程度，fi(x)越重要，λi越大。本研究選取一組均勻的權(quán)重系數(shù)代入上述模型計(jì)算，比對(duì)不同權(quán)重系數(shù)下的多目標(biāo)函數(shù)結(jié)果，確定較為合適的權(quán)重系數(shù)，并獲得較好燃料性能所對(duì)應(yīng)的混合比例范圍。

單目標(biāo)函數(shù)h(f(x))表現(xiàn)為各個(gè)目標(biāo)函數(shù)與其對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)的乘積之和，受目標(biāo)函數(shù)值的數(shù)量級(jí)影響較大。針對(duì)各個(gè)目標(biāo)特性參數(shù)，分別引入偏離程度函數(shù)Di(x)，其在消除數(shù)量級(jí)對(duì)h(f(x))影響的同時(shí)，仍可以表征fi(x)的變化規(guī)律。目標(biāo)值偏離程度函數(shù)Di(x)表示如下：

將式(3)代入式(2)中，得

(4)

當(dāng)h(f(x))取得最小值(≥0)時(shí)，該多目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)取得最優(yōu)解，此時(shí)加氫生物柴油-乙醇的混合比例x為最佳比例。

(5)

(6)

(7)

(8)

4 結(jié)果與分析

圖1至圖4分別示出了不同權(quán)重系數(shù)λa下，加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的h(f(x))CN，h(f(x))DR，h(f(x))CP及h(f(x))KV與加氫生物柴油-乙醇混合比例的關(guān)系。顯而易見(jiàn)，在不同λa下，三元燃料的h(f(x))CN，h(f(x))DR和h(f(x))CP數(shù)值均隨著混合比例增加而增加。這表明，當(dāng)三元燃料優(yōu)化目標(biāo)趨向著火性能、揮發(fā)性能和低溫性能時(shí)，加氫生物柴油-乙醇的比例越小，三元燃料的綜合性能越好，最佳綜合性能對(duì)應(yīng)的加氫生物柴油-乙醇混合比例為5%。其中，在較低混合比例下，h(f(x))CN基本不受權(quán)重系數(shù)影響，不同權(quán)重系數(shù)下的函數(shù)值基本相同；隨著摻混比例增加，h(f(x))CN受權(quán)重系數(shù)的影響逐步增大，權(quán)重系數(shù)越小，函數(shù)值越小。h(f(x))DR，h(f(x))CP和h(f(x))KV均是相交型函數(shù)，在交點(diǎn)(對(duì)應(yīng)混合比例為θ*)時(shí)，不同權(quán)重系數(shù)下的評(píng)價(jià)函數(shù)值相同，即評(píng)價(jià)函數(shù)值與權(quán)重系數(shù)無(wú)關(guān)；以θ*為界，評(píng)價(jià)函數(shù)值呈現(xiàn)了隨著權(quán)重系數(shù)變化的不同趨勢(shì)。如圖2所示，當(dāng)混合比例小于θ*時(shí)，h(f(x))DR數(shù)值隨著權(quán)重系數(shù)增大而減小，反之h(f(x))DR隨著權(quán)重系數(shù)的增大而增大。鑒于h(f(x))DR數(shù)值不得小于0，在5%的混合比例下，PHCME混合燃料和PHSME混合燃料的權(quán)重系數(shù)最大值分別為0.4和0.5；在混合比例不大于θ*范圍內(nèi)，在保證h(f(x))DR大于0的前提下，盡可能增大權(quán)重系數(shù)，以獲取最佳的綜合性能；當(dāng)混合比例大于θ*時(shí)，權(quán)重系數(shù)應(yīng)當(dāng)盡可能取小。三元燃料的h(f(x))CP隨著權(quán)重系數(shù)變化的趨勢(shì)與h(f(x))DR基本一致，其中在最小混合比例5%下，PHCME混合燃料和PHSME混合燃料的權(quán)重系數(shù)最大值均為0.4。

圖1 不同權(quán)重系數(shù)λa下三元燃料h(f(x))CN與摻混比例的關(guān)系

圖2 不同權(quán)重系數(shù)λa下三元燃料h(f(x))DR與摻混比例的關(guān)系

圖3 不同權(quán)重系數(shù)λa下三元燃料h(f(x))CP與摻混比例的關(guān)系

圖4 不同權(quán)重系數(shù)λa下三元燃料h(f(x))KV與摻混比例的關(guān)系

由圖4可知，h(f(x))KV隨混合比例變化的趨勢(shì)受權(quán)重系數(shù)影響較大。當(dāng)權(quán)重系數(shù)小于0.6時(shí)，h(f(x))KV數(shù)值隨著摻混比例增大而增大，當(dāng)權(quán)重系數(shù)大于0.6時(shí)，h(f(x))KV數(shù)值隨著摻混比例增大而減小。然而，由試驗(yàn)結(jié)果得知，三元燃料的運(yùn)動(dòng)黏度隨著加氫生物柴油-乙醇比例增大而降低，僅符合0.6≤λa≤0.9范圍內(nèi)的h(f(x))KV變化趨勢(shì)。當(dāng)混合比例小于θ*時(shí)，h(f(x))KV數(shù)值隨著權(quán)重系數(shù)增大而增大；當(dāng)混合比例大于θ*時(shí)，h(f(x))KV數(shù)值隨著權(quán)重系數(shù)增大而減小。因此，為了獲取最佳綜合性能，當(dāng)混合比例小于θ*時(shí)，盡可能減小權(quán)重系數(shù)，而當(dāng)混合比例大于θ*時(shí)，盡可能增大權(quán)重系數(shù)。加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料不同性能趨向的多目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)λa取值范圍見(jiàn)表4。

表4 三元燃料h(f(x))CN，h(f(x))DR，h(f(x))CP及h(f(x))KV的權(quán)重系數(shù)λa范圍

基于表4給出的權(quán)重系數(shù)λa范圍，燃料的著火性能、揮發(fā)性能和低溫性能隨著加氫生物柴油-乙醇摻混比例減小而改善，流動(dòng)性能卻呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)?？傮w而言，應(yīng)選取較小的摻混比例，然而摻混比例過(guò)小亦會(huì)違背替代燃料的初衷。根據(jù)GB 19147—2013中的國(guó)五車(chē)用柴油技術(shù)要求[13]，當(dāng)加氫生物柴油-乙醇混合比例不大于10%時(shí)，三元燃料可以達(dá)到國(guó)五0號(hào)柴油的要求。PHC5E5和PHS5E5三元燃料與此比例對(duì)應(yīng)，它們的特性參數(shù)及其與柴油的對(duì)比值如表5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，與純柴油相比，兩種三元燃料的十六烷值和運(yùn)動(dòng)黏度有所降低，而凝點(diǎn)和95%餾程有所增加，所有特征參數(shù)變化率的絕對(duì)值都小于6%，這說(shuō)明加氫生物柴油-乙醇比例為10%的三元燃料的各項(xiàng)性能與柴油十分接近，可用于一般柴油機(jī)的正常使用。

表5 PHC5E5、PHS5E5和柴油的特性參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

基于由試驗(yàn)或計(jì)算獲得的加氫生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的十六烷值、95%餾程、凝點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)黏度，建立了上述特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的函數(shù)方程，以及著火性能趨向函數(shù)h(f(x))CN、揮發(fā)性能趨向函數(shù)h(f(x))DR、低溫性能趨向函數(shù)h(f(x))CP和流動(dòng)性能趨向函數(shù)h(f(x))KV。通過(guò)不同性能趨向的評(píng)價(jià)函數(shù)變化趨勢(shì)，確定了各性能較為合適的權(quán)重系數(shù)范圍，及在各個(gè)權(quán)重系數(shù)下評(píng)價(jià)函數(shù)值與加氫生物柴油-乙醇摻混比例的關(guān)系，確定加氫生物柴油-乙醇的最佳摻混比例應(yīng)不大于10%。