植物油在柴油机上应用的研究现状分析

王莉，卢莉莉，裴毅强



植物油在柴油机上应用的研究现状分析

王莉1，卢莉莉2，裴毅强2

（1. 天津农学院工程技术学院，天津 300384；2. 天津大学机械工程学院，天津 300072）

植物油属可再生能源，作为发动机燃料能够降低对石油资源的依赖性，减少环境污染，但其实际应用还有一些局限。本文综述了植物油在柴油机上直接应用的研究现状，从燃烧、排放、供油方式和耐久性方面分析了当前研究的进展和不足，从缸内燃烧分析、发动机供油及控制系统研发、零部件耐久性开发和植物油的理化特性分析等方面提出了后续研发方向，指出了植物油燃料未来在我国的应用前景。

植物油；柴油机；燃烧特性分析；耐久性

1 概述

能源问题是21世纪人类面临的严峻挑战之一，是世界各国共同面临的难题。石化能源不仅不可再生，储量有限，而且燃烧后释放出大量的有害气体，严重污染了环境，导致温室效应等诸多生态问题。矿物燃料的日趋枯竭和生态环境的日渐恶化，使人们日益重视研究和利用新能源，以可再生能源来替代有限的石化能源成为必然。

植物油是一种含硫量少、无毒、能被生物降解的生物质燃料。与普通柴油相比，植物油的十六烷值稍低，大多数在33～40之间，不同植物油之间差别不大。植物油是含氧燃料，燃烧比较充分，能有效降低酸雨的形成。植物油具有可再生性能，来源丰富，能降低温室效应[1]。植物油自燃点、闪点一般比柴油高，具有良好的安全性能，在储运、使用方面具有显而易见的优点。

但是，植物油作为燃料在柴油机上直接应用由于自身某些特性而受到限制，其中影响最大的是植物油的黏度。较大的摩尔质量以及不饱和脂肪酸的大量存在，使得植物油黏度很大，当柴油机直接使用植物油时，不完全燃烧的残余物沉积在燃烧室，并使活塞环黏接、喷油器结焦，影响柴油机的使用寿命[2]。此外，植物油的雾化蒸发质量差，导致气缸内混合气形成质量较差，未燃的燃料喷到气缸壁后容易流入曲轴箱，引起润滑油变质[3]。

目前在发动机的应用中，降低植物油黏度有两大主要方式：一是通过醇类反应酯化制得生物柴油，生物柴油的黏度与石化柴油接近，直接应用时也不需要进行发动机结构改造，是较为理想的柴油机代用燃料。但是生物柴油的制备需要大规模的设备和投入，在原料来源问题没有得到有效解决的情况下，会带来生物柴油成本高、产能低的问题，生物柴油的大规模应用还有很长的路要走[4]；二是不通过任何改性，同柴油以一定比例掺混应用于发动机。虽然植物油不易挥发，其着火点比柴油高，容易出现点火困难的现象，掺混比例超过一定限度以后，柴油黏度明显增大，仍然会引起发动机长期工作时的积碳问题[5]，但该问题有可能通过改进植物油在发动机上的应用方式来解决。

2 植物油在柴油机上应用的研究现状

2.1 国外植物油在柴油机上应用的研究现状

植物油作为燃料使用的历史可以追溯到19世纪末期柴油机发明的时候，在1900年巴黎世界博览会上，奥托（OTTO）公司就曾经向世人展示了一台小型柴油机，在没有发动机结构变动的情况下，使用花生油代替柴油作为燃料依然可以运行。20世纪80年代，化石燃料燃烧导致环境问题加剧，更鞭策了人们寻找环保替代燃料的脚步。

目前，国外对植物油的燃烧特性和排放特性已进行了较为系统的研究，研究对象涉及多种可能替代柴油的植物油燃料，供油方式包括与柴油掺混、加热和双燃料分时供油等，研究内容涵盖了发动机的动力性、排放特性和零部件的耐久特性等。在亚洲国家中，印度作为农业大国，地处热带，有利于出油率高的能源植物种植，在植物油掺混和直接应用方面开展的研究也最多。

印度学者Prasad等人[6]进行了纯麻风树油的试验，试验结果显示，与燃用柴油相比较，有效燃油消耗率升高，热效率降低，排气温度升高，NOx排放降低。采用余热加热植物油并且提高喷油压力的措施后，热效率明显提高，但排气温度以及NOx排放略有升高。Kumar等人[7]比较了麻风树油与柴油的燃烧与排放特性，试验结果显示，麻风树油的碳烟排放比燃烧柴油高，CO排放量两者相当。研究者对缸内着火与燃烧进行进一步的观察与分析，发现麻风树油在燃烧时与柴油相比较，着火有延迟，燃烧持续期更长。Reddy与Ramesh[8]用纯净的麻风树油作为单缸柴油机燃料，通过提高喷油速率、采用直接喷射式柴油机来调整喷射时，能够显著改善发动机的燃烧特性与排放特性。Kapilan与Reddy[9]根据双燃料理论做了麻风树油的试验，试验选用的燃料是麻风树油与LPG（液化石油气），用LPG 引燃发动机，试验结果表明，当喷油时刻在上止点前30°曲轴转角以及在引燃燃料消耗量为0.5 kg/h时，发动机运行情况比较好，并且PM、CO以及HC排放也较低。但是，这种燃烧方案的NOx排放量相对较高。

Bajpai等人[10]做了卡兰贾植物油的试验，结果表明，在柴油中掺混10%的卡兰贾植物油，可以完全代替现有的传统柴油，且不需要对柴油机结构做任何调整。进一步研究发现，当对卡兰贾油预热至90 ℃时，其黏度与传统的柴油非常接近。

Rao等[11]比较了纯净苦楝树油作为燃料与苦楝树油（25%）与柴油掺烧时的燃料特性。结果表明：纯净的苦楝树油比掺烧时NOx排放量低。掺烧的碳烟排放略微高于纯净的苦楝树油，CO与HC排放明显高于纯净的苦楝树油。

Devan与Mahalakshmi[12]在一台单缸四冲程风冷式发动机上进行胡桐油的燃烧试验，试验分别测定了发动机在燃用纯净胡桐油以及20%、40%、60%比例与普通柴油掺烧时的燃烧性质。试验发现，与直接燃用柴油相比较，燃用纯净胡桐油与掺烧时NOx排放量降低，CO、HC的排放量略有升高，热效率也有所降低，并且纯净植物油的燃烧特性没有一定配比掺烧时好。

印度学者Martin与法国研究者Geo等[13]分析了预热棉籽油的燃烧特性，试验结果表明：预热棉籽油显著降低了黏度，改善了可燃混合气的形成质量，燃烧更完全，相对于纯净棉籽油热效率提高。

除印度以外，其他国家的研究者也进行了多项植物油在柴油机应用方面的研究。韩国公州大学Chauhan等[14]在中等型号柴油机上采用预热麻风树油作为燃料燃烧，得到了与印度学者相似的结论，即预热以后的植物油黏度降低，发动机特性有所改善，热效率提高，燃油消耗率降低，但与燃用柴油相比，NOx排放略有升高，CO、HC和CO2排放均下降。试验得出，当进气温度在100 ℃时，植物油的燃烧特性与排放特性表现最佳，但在此温度下，润滑油会发生泄露现象，因此，综合考虑下研究者认为最合适的进气温度在80 ℃。

美国人Sverdrup[15]在一台底特律60系列柴油机上燃用柴油和大豆油混合燃料进行试验，测量其排放特性。测试结果表明，主要排放物碳烟大幅度下降，但是NOx排放略微有所上升。土耳其学者Sehmus Altun等[16]在直喷式柴油发动机上燃烧50%芝麻油和50%柴油共混物，进行了发动机工作性能和排放性能的研究。结果表明：与普通柴油相比，该发动机功率接近使用柴油燃料所得功率，CO和NOx排放量比使用柴油燃料低约200 mg/kg。

埃及Benha高级技术研究所的Huzayyin等[17]在水冷式单缸柴油机上试验，在发动机实验台架上燃用了不同比例的荷荷巴油与柴油的混合燃料，测试结论表明，60%的荷荷巴油与40%的传统柴油混合时，具有较适宜的黏度、闪点和热值；燃烧该配比混合油时柴油机具有良好的动力性能，油耗稍有增大，但是发动机的NOx以及碳烟排放量减少了很多，如果对柴油机的喷油时间和压力进行相应的优化，燃用混合油时，柴油机运行情况将会进一步得到改善。雅典国立技术大学的Rakopoulos和Antonopoulos等[18]做了类似的试验，利用直喷式柴油机，燃用植物油与传统柴油或者生物柴油的混合物，试验显示燃用小比例掺混植物油时与燃用传统柴油相比较，燃烧特性区别不大，但是排放特性得到改善。

土耳其研究者Alpaslan等[19]在2014年研究了发动机燃烧柴油-正丁醇-植物油混合燃料的燃烧与排放特性。试验中发动机结构没有任何调整，并且在发动机全负荷不同转速工况下工作。在制备好两种植物油混合物中掺入体积分数70%的柴油与体积分数10%的正丁醇，燃烧试验结果显示：两种燃料与柴油相比，扭矩、功率与热效率均有所降低，排气温度、PM、CO以及HC排放下降，燃油消耗率、NOx排放量以及CO排放量升高。

2.2 国内植物油在柴油机上应用的研究现状

我国产油植物资源丰富，产油植物400余种，与欧美等西方国家相比，我国植物油替代燃料发展尚处于起步阶段，但是发展较快。进入21世纪之后，我国政府高度重视发展石油替代燃料，并推行多项鼓励政策，促进其大力发展。最新发布的《“十三五”规划建议》表明，“十三五”期间，我国将进一步加大对清洁能源的支持力度，以加速其对化石能源的替代。就发展空间而言，生物质能源具有极大发展潜力。

国内相关学者对柴油机燃用植物油也进行了研究。何勇等[20]对柴油机燃用棉籽油进行了研究，燃用了棉籽油与0号轻柴油的混合燃料，探究发动机工作参数与油耗率之间的影响关系。试验结果表明：棉籽油是一种具有高热值、高黏度、低挥发性的燃料，对柴油机本身结构不需要做任何改变，是一种理想的代用燃料，影响发动机油耗率的主要因素是供油提前角，这是棉籽油着火滞燃期长所致，适当加大供油提前角对提高燃烧性能有利。

合肥工业大学的钱叶剑等[21]研究了植物油及其衍生物在柴油机上的应用，试验结果表明，柴油机燃用植物油时，短期试验表现出良好的性能与排放特性，但是长时间使用会导致严重的发动机故障；植物油与柴油混合使用可以改善燃料喷雾和燃烧过程，进而改善发动机性能与排放。

江苏大学孙平等与常州柴油机股份有限公司徐毅等[22]通过对L28柴油机进行调整改进，提高喷油压力和加装燃油加热装置，进行燃用植物油的耐久性试验，考察柴油机燃烧植物油的可行性。试验过程中发现，长时间燃用植物油会在油嘴、气门、气缸套顶部、活塞头部产生积碳，植物油渗漏污染机油。通过增大喷油压力和加热燃油，能够明显降低燃油黏度，使得植物油能在柴油机中正常燃烧，而且这两项改进成本很低。柴油机在100 h耐久性试验前后性能没有明显变化。

周林森[23]在水力测功机发动机试验台架上，借助于微机处理系统，对Ford柴油机燃用菜籽油与花生油对半掺混的植物油和柴油进行对比试验，探究了柴油机燃用植物油的燃烧与排放特性。试验结果显示：柴油机以植物油为燃料时，依然能够正常运行，低十六烷值的影响不明显，而且柴油机主要有害排放物NOx和烟度有效降低。

江苏大学罗福强等[24-25]研究了柴油机燃用加热小桐子油的性能与排放。试验结果显示：发动机运行工况相同时，燃用150 ℃的小桐子油比燃用0#柴油时的滞燃期短，最高燃烧压力和最大压力升高率都显著降低，并且相位有所提前，燃油消耗率平均增加10%左右，但是相比常温下的小桐子油热效率升高，燃油消耗率下降。在柴油机上燃用加热的的小桐子油可以同时降低HC和碳烟排放，但CO排放却明显上升。

江苏理工大学王忠[26]介绍了一种可燃用植物油的新型低散热直喷式柴油机，分析了低散热燃油系统对植物油的着火特性、燃烧过程的影响。试验结果表明：采用隔热设计的方案，燃用菜籽油与燃用柴油相比，百公里油耗基本一致，且排放性能有所改善。

河南农业大学李亚丽等[27]研究了柴油机用柴油-乙醇-植物油混合燃料时的特性，试验显示，柴油机燃用混合燃料时，动力性并没有出现明显的变化，且在中高负荷时有所改善，并且有效降低了烟度排放，中高负荷时，最大可降低60%。

广西大学李会芬等[28]对不同混合比例菜籽油柴油燃料的基本物性参数进行了测定，并开展了发动机台架试验。结果显示，不同混合比油耗率均比纯柴油高，且随掺入菜籽油量加大，油耗率升高；CO排放得到改善，但高负荷时改善不明显；在绝大部分工况下，HC与NOx排放较柴油低；在所有工况下，碳烟排放都保持较低值。

3 存在问题及建议

综上所述，虽然国内外研究者对植物油在柴油机上的应用进行了大量研究，涉及多种植物油燃料，但目前还存在如下方面的问题：

（1）普遍来说，作为柴油的代用燃料，纯植物油十六烷值偏低，热值则相对较低，着火延迟和燃烧持续期长，燃烧特性相对较差，油耗偏高。

（2）由于直接燃用植物油时黏度等问题的存在，发动机难以长时间正常运行，须通过优化柴油机工作参数的途径来弥补，在大比例掺混和直接燃烧方面常用的手段是植物油加热，同时为了解决启动和小负荷时的积碳严重问题，使用加热植物油的发动机一般采用双燃料的工作模式，但相关控制等关键技术还不够成熟，燃料加热后相关零部件的耐久性研究也不够充分，限制了该类研究成果向实际应用方面的转化。

（3）在排放方面，不同燃料的研究结果不同，但目前的研究结果尚未显示植物油有明显的优势。

鉴于当前的研究现状，相关的植物油在柴油机上应用的研究工作可从以下4个方面继续探索：

①将可视化缸内燃烧分析和CFD模拟等手段引入植物油在柴油机上应用的研究，结合不同植物油燃料的特性，以缸内燃烧过程作为评价对象，从燃烧机理的角度筛选出有前景的植物油燃料及其燃烧控制模式，改善当前研究对象过于分散、发动机研究不够深入的现状。

②对植物油加热系统和双燃料供油及控制系统进行研究和开发，对相关零部件进行重新设计，对进气、供油加热及双燃料供油系统的控制模式进行设计和匹配，优化植物油在柴油机上使用时的排放水平，增强植物油在柴油机上使用的优势。

③对植物油在柴油机上使用的耐久性进行研究，针对植物油加热后增加了发动机零部件的热负荷问题，以及柴油和植物油掺混后黏度增加的问题，对发动机相关零部件进行重新开发设计，并进行耐久性试验和评估，提高植物油在柴油机上应用的实用性；

④ 从植物油的理化性质入手，积极寻找理化性质（黏度、分子结构等）与柴油更相近的植物油，也可以通过农艺措施对植物油进行基因转变，并着手建立发动机用植物油的产品标准，以利于不同研究成果的对比借鉴和该项研究的发展。

4 结语

植物油是可再生能源，我国产油植物分布广泛，种类繁多，有的产油植物的产油量大，所产油在燃料性质方面也接近普通柴油。改进植物油在发动机上的应用方式，使植物油能够长期直接应用或是以大比例与柴油掺混使用，能够避免生物柴油的成本问题，是植物油作为代用燃料的重要研究方向，在我国农村和林区等植物油供给充足的地区，在农林机械和小型柴油机方面有着广阔的应用前景。相关科学工作者应重视该领域的研究，为植物油在发动机上大规模应用提供理论和实践依据，促进我国可再生能源应用研究的发展。

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Analysis of Current Research Findings Concerning Straight Vegetable Oils Usage in A Diesel Engine

WANG Li1, LU Li-li2, PEI Yi-qiang2

（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China）

As a renewable fuel, straight vegetable oils usage in diesel engine is a promising solution for energy crisis due to depletion of resources and increased environmental problems, however, with certain limitations. Research carried out specifically under China conditions and international research work on the usage of straight vegetable oils in the diesel engine is separately reviewed. The progress and deficiency of the current research are analyzed from the aspects of combustion, emission, fuel supply method and engine parts durability. The development trends of cylinder combustion analyzing, fuel supply and control system developing, engine durability improving and vegetable oil physicochemical properties researching are proposed. Finally, the future of straight vegetable oils usage in diesel engine in China is pointed out.

straight vegetable oils; diesel engine; combustion analyzing; engine durability

TK428.9

A

1008-5394（2016）03-0061-05

2016-01-13

国家自然科学基金项目“先进增压直喷（GDI）汽油机喷油器积碳形成机理及理化特性研究”（51306132）；天津农学院科技发展基金项目“等离子体燃料重整制氢改善植物油在柴油机上应用的研究”（2011D04）

王莉（1976-），女，河南洛阳人，副教授，博士，主要从事发动机燃烧及控制方面的研究。E-mail：wanglimay@163.com。