直喷式柴油机燃用菜籽油生物柴油的试验研究

文|艺海探秘

编辑|艺海探秘

前言

化石燃料资源的耗竭和持续向环境释放温室气体迫使研究人员开发环境更可接受的替代燃料技术。酯化的植物油衍生物，也称为“生物柴油”，似乎是在柴油发动机中利用生物来源植物油作为替代燃料的最方便方法。

在本研究中，通过酯化过程从非食用油菜籽油制备了生物柴油，并将其性质与标准柴油进行了比较。

植物油的甲酯与现有的发动机硬件相适应，不需要明显的修改。实验对一台四冲程、单缸5.95千瓦、直喷柴油发动机使用柴油、菜籽油生物柴油和柴油-生物柴油混合燃料进行了性能、燃烧和排放特性的分析，注射压力恒定为200巴。

我们评估了发动机的诸如制动热效率、制动比能耗、排气温度等性能参数，以及缸内压力、放热和点火延迟等燃烧特性。对发动机的未燃烧碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物和烟雾排放也进行了测量。

实验结果与生物柴油混合燃料的测试结果与基线柴油进行了比较。测试结果显示，B25混合燃料可以在柴油发动机中使用，无需对发动机进行任何修改，具有可接受的热效率和改善的排放情况。

能源消耗由于人类生活水平的快速提高而呈指数增长。如今，化石燃料在交通、工业和农业等领域起着重要作用。与此同时，石油资源的可用性是有限的，并且正在逐日减少。此外，与消耗更多化石燃料相关的问题是环境的最重要后果。

能源安全和环境问题促使各国和研究人员寻求可再生且环境友好的替代燃料的方法。最具前景和经济可行的替代方案就是生物燃料。由于能源危机和社会对地球非可再生资源耗竭的担忧，各个领域都在寻找替代燃料。在各种燃料替代品中，植物油及其衍生物被广泛选用。

来自世界各地的研究人员开始提出使用植物油在内燃机中的各种方法。这些方法包括热解、微乳化、直接与柴油混合、酯化等。Haldar在一台Ricardo可变压缩点火发动机中测试了普特兰杰油、马齐油和卡兰加油，并比较了性能和排放性能的结果。

研究发现，马齐油的非食用油在各种负载条件下都能获得最佳的性能和排放结果。Saravanan对粗制稻糠油作为柴油替代品在压缩点火发动机中的可行性进行了研究，无需进行任何修改。他的报告说，使用稻糠油的发动机的热效率略低于柴油，但排放特性更好。

Naga Prasad研究了直接使用蓖麻油及其与柴油的混合物的压缩点火发动机，并发现其性能特性降低到柴油的水平。但他们还发现，在额定负载下，排放特性比柴油更高。他们还观察到，25%的蓖麻油与75%的柴油混合是适用于柴油发动机的理想混合物，无需加热和实施任何发动机改装。

Deepanraj研究了单缸直喷柴油发动机，使用棕榈油生物柴油及其混合物的性能特性。从他们的结果来看，他们得到了可接受的热效率，并且比使用柴油燃料得到的结果具有更高的比燃料消耗和排气温度。

在本研究中，我们使用菜籽油制备了生物柴油。然后，将所生产的生物柴油与柴油按不同体积比进行混合，并在一台竖直安装的单缸直喷柴油发动机上进行了测试。

一、材料和方法

1.1. 种子准备和油提取

油菜籽，学名为“油菜”（Brassica Napus），是世界上最大的植物油来源之一。它属于“十字花科”家族，产生亮黄色的开花植物，其种子富含丰富的油脂。

印度是仅次于加拿大和中国的全球第三大油菜籽生产国。本研究使用的油菜籽来自印度钦奈当地市场。油的提取采用了标准程序，包括机械压榨和溶剂提取过程。

首先，通过去除小颗粒和通过风机加热种子，将种子进行处理，使其达到45°C的温度。然后，将种子在粗糙表面磨削装置之间研碎。从研磨中获得的油和压榨饼与己烷溶剂混合。处理后，通过蒸馏过程去除溶剂。提取的油进一步经过精炼，去除胶质颗粒，然后经过中和和漂白过程，以提高其纯度。

1.2. 使用的燃料

我们的研究使用的油菜籽油的脂肪酸组成是通过气相色谱-火焰离子化检测仪进行测定的，结果列在表1中。可以看出，与大豆油、棕榈油等其他油相比，油菜籽油含有较少的饱和脂肪酸，因此更适合在寒冷条件下使用。

油菜籽油的主要成分列在表2中。生物柴油是使用己烷溶剂和碱性催化剂法制备的。在NaOH的存在下，使用甲醇对油菜籽油进行酯化反应。通过酯化反应完全制备生物柴油的过程如图1所示。

与传统方法不同，我们研究中的生物柴油在碳中性方面完全达到平衡，因为酯化反应所涉及的碳足迹非常小。此外，用于加速酯化反应的催化剂在两个阶段中回收利用，以提高反应的效率。

表3显示了油菜籽油和制备的生物柴油的理化性质与柴油燃料的比较。

1.3. 实验装置

本研究使用一台静止、垂直缸、四冲程直喷柴油发动机。电动测功机用于以恒定的1500转/分钟转速加载发动机。使用柴油、油菜籽油生物柴油及其混合物进行了一系列测试。测试发动机的示意图和技术规格如图2和表4所示。

所使用的电动测功机的规格见表5。使用热电偶测量排气温度。使用NETEL多气体分析仪和烟度计测量发动机的排放物。分析仪和烟度计的测量范围、准确性和不确定性如表6所示。

二、结果与讨论

实验使用测试燃料对压燃发动机进行实验，并得到不同制动功率范围下的制动热效率（BTE）的变化，如图3所示。

随着对发动机负载的增加，发动机的制动功率和燃料质量流量均增加，这是由于安装的转速调节器的自我调节使得发动机转速保持恒定。热损失将减少，所有这些因素共同提高了发动机的热效率。

随着负载的增加，制动功率增加的比例大于燃料质量流量增加的比例，对于生物柴油混合物，在所有制动功率下，制动热效率略有降低，其中最低的是纯生物柴油（B100）。

发动机在满负荷（制动功率为5.81千瓦）时，柴油、B25、B50、B75和B100燃料的BTE分别为27.14%、26.38%、25.46%、25.10%和23.16%。发动机的BTE主要取决于所使用燃料的热值。

由于BTE是制动功率与能量流速（燃料的热值和体积流量的乘积）的比值，在特定负荷下，制动功率对于所有燃料保持恒定，因此制动热效率仅取决于燃料的定义热值。油菜籽油生物柴油混合物的热值低于柴油，并且随着生物柴油的百分比增加而降低。因为增加生物柴油的混合比将降低燃料的热值，但也会增加燃料流量。

图4显示了制动比能耗（BSEC）随制动功率变化的情况，发动机转速为1500转/分钟。一般而言，生物柴油燃料的BSEC值略高于柴油，在所有制动功率下，随着混合比例的增加，BSEC值也会增加。

柴油发动机的BSEC取决于粘度、燃料密度、燃料的低位发热值和容积式燃油喷射系统之间的关联。为了产生相同的功率输出，需要更多的燃料，因为与纯柴油燃料相比，生物柴油基燃料的热值较低。在制动功率为5.81千瓦时，B25、B50、B75和B100的BSEC比柴油分别高出8.5%、19.2%、24.1%和29.6%。

图5显示了排气温度（EGT）与制动功率的偏差。随着制动功率的增加，排气温度也会增加。相比于柴油燃料，在所有功率下，较高比例的生物柴油使排气温度增加。

这是由于生物柴油中含有的氧气成分增强了燃烧过程，导致排气温度升高。在制动功率为5.81千瓦（最大负载条件）时，B25、B50、B75和B100的排气温度分别比纯柴油高出6.5%、10.3%、14.8%和17.6%。

通过使用发动机的缸内压力数据，可以有效分析功率输出和发动机排放。缸内压力数据有助于通过普适气体定律方程和热力学第一定律计算由燃烧引起的热释放和平均温度。压燃发动机的峰值缸压受到燃烧初始阶段（预混燃烧阶段）燃烧的燃料分数的影响。缸压代表燃料与空气混合的能力。

图6显示了柴油和乙醇在最大负载条件下，缸压随曲轴角度的变化。为简单起见，图中显示了在1500转/分钟、满负荷条件下检测到的数据。从该图中可以看出，纯柴油在TDC后10°CA处达到最大压力69.5巴。

在柴油之后，B25在TDC后12°CA处达到最大缸压65.4巴。随着生物柴油的混合比例增加，缸峰压力降低。这可能是由于生物柴油的十六烷值范围较低。较低的十六烷值意味着较长的着火延迟，在燃烧开始之前燃料蒸发需要更长的时间，从而导致最大压力上升减小。

图7显示了柴油和生物柴油在最大负载下与曲轴角度相关的热释放率变化。燃烧开始时出现负的热释放率，这是由于点火延迟期间燃料的蒸发延迟。燃烧开始后，热释放率变为正值。

从该图中可以看出，纯柴油的最大热释放率发生在TDC前10°CA，B25混合物的最大热释放率发生在TDC前12°CA。从图中还可以看出，B25的最大热释放率（78 J/°CA）低于柴油（89.3 J/°CA）。由于生物柴油的总发热值较低，热释放率也较低，相比纯柴油，柴油具有更高的挥发性和更好的与空气混合性能，导致柴油的预混燃烧热释放更高。

点火延迟期取决于各种参数，主要包括物理延迟和化学延迟。物理延迟是由于雾化、混合和蒸发，而化学延迟是由于燃料或空气混合物中的预燃烧反应。发动机的点火延迟随着制动功率的增加而减少。这是由于汽缸内气体温度的增加，降低了物理点火延迟。

图8显示了各种测试燃料的点火延迟与制动功率的变化。与标准柴油相比，油菜籽油生物柴油及其混合物的点火延迟较长，这是由于油菜籽油生物柴油的粘度、体积模量和密度较高，使得燃烧开始较柴油晚。在最大负载（制动功率为5.81千瓦）下，B25混合物的点火延迟比柴油燃料晚2.1°CA。

碳氢化合物是燃料不完全燃烧的结果。图9显示了碳氢化合物排放与制动功率的变化。从图表中可以清楚地看到，在最大制动功率下，相对于柴油，B25、B50、B75和B100的碳氢化合物排放分别降低了15.4%、26.7%、32.2%和42.1%。

为了实现高效燃烧，燃料必须适当地雾化、混合和点火。燃料的雾化和混合再次取决于燃料的物理性质。生物柴油燃料中的含氧量增强了燃烧过程。因此，生物柴油及其混合物中的含氧量对降低发动机排放的碳氢化合物产生了综合影响。

图10显示了一氧化碳（CO）排放与制动功率的偏差。与最大负载下的发动机运行相比，较低负载时一氧化碳排放较高。这种趋势的主要原因是在较高负载下存在富油燃料混合物。与碳氢化合物排放类似，生物柴油及其混合物的CO排放也低于柴油燃料。

在最大负载下，B25、B50、B75和B100的CO排放比柴油分别降低了7.6%、22.7%、30.4%和35.4%。生物柴油燃料中富氧的存在促进了超过化学计量的燃烧过程，从而减少了CO排放（是稀燃烧的结果），相比柴油。

氮氧化物（NOx）是尾气排放中的一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）。NOx的形成在很大程度上依赖于气缸内温度、燃料中的氧浓度和反应的停留时间。

图11显示，制动功率的增加降低了所有测试燃料的NOx浓度。然而，在最大制动功率（高负载）下，它们显著降低。发现B25、B50、B75和B100的NOx排放分别比柴油在最大制动功率下高14.4%、21.6%、28.5%和32.9%。

气缸内峰值温度的增加有利于生物柴油的十六烷值和氧含量更有效地作用于低热值和蒸发潜热。这进一步增加了生物柴油燃料的NOx排放浓度。生物柴油的点火延迟增加，通过在点火之前注入更多的燃料，促进了预混合燃烧，可能是增加NOx的另一个原因。

图12展示了在不同燃料下进行测试时产生的烟雾密度的变化。烟雾密度随发动机制动功率的增加而增加，因为烟雾在很大程度上取决于发动机负载。B20到B100的测试中产生的最小和最大烟雾密度分别为0.79 HSU和5.8 HSU。在全负载条件下，与柴油相比，烟雾密度的最小和最大增加分别为5.6%和10.3%。

从图中可以看出，烟雾密度随生物柴油混合比的增加而增加，也高于使用纯柴油燃料时产生的烟雾密度。纯生物柴油燃料的烟雾密度最高。烟雾排放的增加可能是由于混合燃料随着生物柴油混合比的增加，雾化和蒸发能力较差所导致。

另一个可能的原因是生物柴油的结构中含有较重的分子，导致燃烧缓慢，从而增加烟雾排放。生物柴油的粘度较高，降低了燃油喷射雷诺数，导致较大的平均燃油液滴尺寸和燃油-空气混合速率降低，从而增加排放。

实验过程中测量物理量的不规则和变化，引起了不确定性计算和分析的必要性，这对于理解和验证实验测量的准确性很重要。所有计算参数的总不确定度已经计算并列在表7中。

三、结语

在本研究中，我们调查了菜籽油生物柴油和柴油混合燃料的制备、性质、燃烧特性、发动机性能和排放特性。根据实验结果，我们得出以下结论：

• 生物柴油及其混合物的制动热效率低于柴油燃料。与其他混合物相比，B20混合物的制动热效率稍微降低，但仍在可接受范围内，与柴油相比。

• 发动机的制动比燃料消耗和排气温度随纯生物柴油及其混合物的使用而增加。

• 生物柴油混合燃料的最大气缸压力和热释放速率低于柴油燃料。

• 发动机使用生物柴油及其混合物燃料的一氧化碳和未燃烧碳氢化合物排放低于柴油燃料。

• 使用燃料混合物和生物柴油时，氮氧化物和烟雾排放增加。

• 生物柴油混合燃料产生含氧量高的可再生燃料，并且在燃烧方面表现更好。它们可以部分替代石油燃料。

通过这些研究结果，我们对生物柴油及其混合燃料的性能和排放特性有了更深入的了解，并认识到它们在可持续能源替代方面的潜力。

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