基于臺架試驗的蕓芥生物柴油的車用適應(yīng)性

田晶晶，李世武，董勝武

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

石油資源的日益枯竭和人們環(huán)保意識的增強，大大促進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)大學的符太軍和北京理工大學的葛蘊珊等人為代表.中國農(nóng)業(yè)大學的研究以地溝油為原料，硫酸為催化劑，采用脂交換法進行生物柴油的制取并研究了生物柴油對柴油機燃油消耗率和煙度排放的影響.北京理工大學的研究是采用不同摻混比的生物柴油分別對2臺進口增壓中冷車用直噴式柴油機和1輛客車進行了經(jīng)濟性、動力性和排放特性臺架試驗及車輛道路試驗［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個單缸四沖程的發(fā)動機進行了車用特性試驗;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，并進行臺架試驗驗證其車用的適應(yīng)性.

1 蕓芥生物柴油化學反應(yīng)機理及制取

蕓芥生物柴油制取試驗采用酯交換的方法，化學反應(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個脂肪酸甲酯，這樣就減短了燃料的碳鏈長度，同時生成了價值較高的甘油.在試驗中，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反應(yīng)方程式

蕓芥生物柴油制取試驗的裝置連接如圖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)動機性能要求.

3 蕓芥生物柴油車用特性試驗

3.1 試驗平臺構(gòu)建

為了分析制取的蕓芥生物柴油的車用特性，基于底盤測功機構(gòu)建的蕓芥生物柴油車用特性試驗系統(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

3.2 試驗方案

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

圖4 蕓芥生物柴油車用特性試驗流程圖

3.3 試驗結(jié)果分析

3.3.1 蕓芥生物柴油車用特性對比分析

機動車有害排放物的生成主要取決于4個因素:發(fā)動機因素、操作者使用因素、環(huán)境因素和燃料因素.假定前3個因素一致，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)動機的燃油消耗率、尾氣排放和碳煙排放的影響.燃料消耗率隨發(fā)動機負載的變化關(guān)系如圖5所示.

從圖5可以看出:隨發(fā)動機負荷的增大燃料消耗率隨之增大;在相同發(fā)動機運行工況下，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%，這是因為蕓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體積分數(shù)隨發(fā)動機負載的變化關(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)動機負載狀態(tài)下石化柴油CO排放量要等于或高于生物柴油，因為CO的生成是由于燃料的不完全燃燒導致的，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體積分數(shù)較少;隨著發(fā)動機負載的增大，不同混合比的蕓芥生物柴油尾氣中 CO體積分數(shù)出現(xiàn)先減小后增大的變化關(guān)系.這是因為在發(fā)動機負載較小時，噴油量少，缸內(nèi)氣體溫度低，氧化作用較弱，因此CO排放體積分數(shù)高.隨著發(fā)動機負載的增大，噴油量增大，燃燒室溫度增高，氧化作用增強，燃料的燃燒逐漸充分，CO的排放量也逐漸減少.但是，當發(fā)動機負載增長到一定值后，燃料的不完全燃燒現(xiàn)象加劇，CO排放體積分數(shù)又增加［7］.在排放尾氣中CO2體積分數(shù)隨發(fā)動機負載的變化關(guān)系如圖7所示.在相同運行工況下，CO2在排放尾氣中體積分數(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)譜法進行測量，由于試驗條件的限制，沒有進行蕓芥生物柴油碳含量的測量試驗;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體積分數(shù)隨發(fā)動機負載的變化關(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

當發(fā)動機負載較小時，噴油量較少，假定燃油噴注達不到壁面，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)的空氣中擴散，體積分數(shù)進一步降低，消失反應(yīng)也減弱.因此，在怠速和負載較小時，排放中HC體積分數(shù)很高.隨著負荷的增加，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)動機負載工況下，排放的HC體積分數(shù)隨著蕓芥生物柴油所占比重的增大而減少.這主要是因為生物柴油的芳香烴含量少，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，未燃碳氫和裂解碳氫就會減少.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體積分數(shù)隨發(fā)動機負載的變化關(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)動負載增大而增大［11］.這是因為NOx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間的影響.柴油發(fā)動機負荷較小時，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)動機負荷，空燃比進一步減小，燃燒室的溫度升高，NOx的排放增加.

在相同運行工況下，隨著蕓芥生物柴油所占比例的增大，發(fā)動機排放的NOx會增加.這主要是因為蕓芥生物柴油中含有的氧元素較多，燃燒充分，燃燒室的溫度會相應(yīng)較高，促進了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)動機排放的NOx會增大.在排放尾氣中O2體積分數(shù)隨發(fā)動機負載的變化關(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體積分數(shù)均隨著發(fā)動機負荷增大而降低.這是因為隨著發(fā)動機輸出功率的增大、燃料注入量增加，消耗的氧氣就會增多，而輸入的氧氣量是恒定的，所以尾氣中排放的氧氣就會減少.

在相同運行工況下，O2排放量會隨著蕓芥生物柴油所占燃料比重的增大而增大.這是因為，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減少，這樣，尾氣排放中氧氣的量就會增加.所以，隨著蕓芥生物柴油占混合燃料比重的增加，其發(fā)動機排放的O2會增大.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)動機排放的碳煙都是隨著輸出功率的增大而增加.這是因為在轉(zhuǎn)速不變的情況下，柴油每個循環(huán)的進氣量基本相同，負荷的調(diào)節(jié)是靠改變循環(huán)噴油量來實現(xiàn)的.循環(huán)噴油量隨負荷增加而增加，則空燃比隨負荷的增加而減小，即過量空氣系數(shù)隨負荷增加而減少，從而有利于碳煙的形成.

在相同發(fā)動機運行工況下，發(fā)動機碳煙排放的體積分數(shù)隨著混合燃料中蕓芥生物柴油所占比重的增加而降低.分析此試驗結(jié)果的主要原因:① 燃油中的碳氫成分，特別是芳香烴含量對碳煙排放量有明顯的影響.試驗表明:燃油中的芳香烴含量和餾程溫度越高，則相同試驗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)動機碳煙排放的濃度，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)動機的碳煙排放.

3.3.2 蕓芥生物柴油綜合性能對比

根據(jù)上述試驗結(jié)果，依據(jù)文獻［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%.所以認為，B50的蕓芥生物柴油，可以在付出一定的經(jīng)濟代價下，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)動機性能需求;然后搭建了蕓芥生物柴油車用特性臺架試驗，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)排放特性進行了臺架試驗.試驗結(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)濟代價下，用混合比為B50的蕓芥生物柴油替代0#石化柴油，可以在滿足車輛動力性要求的前提下較好地改善柴油的排放性能.

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