生物柴油混合燃料台架对比试验方案设计及结果探讨

丘源

【摘 要】文章介绍了生物柴油的物理化学性质特点，并分析它的缺点对柴油机和试验设备测量的影响。为了在柴油机上分别进行使用普通0号柴油及0号柴油中添加30%、50%餐厨废弃油脂制生物柴油混合燃料的总功率及排气烟度对比试验，针对生物柴油的特点设计出一个较简单易行的试验方案。通过对试验结果的分析，验证试验方案的可行性，总结不同比例的生物柴油混合燃料对柴油机动力性能、经济性、排气烟度的影响。

【关键词】生物柴油混合燃料；试验方案；影响

【中图分类号】TK42 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）09-0137-03

0 前言

全球汽车保有量急剧增加，汽车尾气成为主要的空气污染源之一，虽然世界各国都在大力推动纯电动汽车的使用，但动力电池技术一直无法取得大的突破，在大型商用车领域，柴油机仍然是主要的动力来源。因此，研究低污染排放的代用燃料仍然有重要意义。生物柴油作为可再生能源得到較大面积的推广运用。生物柴油由于来源多样，普通柴油的分子结构要复杂。在一些生物柴油的台架试验过程中，我们发现生物柴油的一些特点给柴油机和试验设备带来不利影响。

为了完成此次以0号柴油中按重量比添加30%、50%的餐厨废弃油脂制生物柴油组成混合燃料与普通0号柴油，在柴油机上的总功率和排气烟度对比试验。通过特殊的试验方案设计，以提高试验的准确性。通过对燃料对比试验结果的分析，探讨生物柴油混合燃料与普通0号柴油在动力性能和排气烟度方面的差异。

1 生物柴油的构成

生物柴油以可再生的生物材料为基础，比如大豆、油菜、玉米、向日葵或者动物油脂，将甘油从脂肪和蔬菜油中分离出来，从而提炼出的酯类氧化燃料就是生物柴油，其化学成分是长链脂肪酸的单一烷基酯。它可以被生物降解，是一种无毒、无硫、不含芳香族物质的燃料[1]，具有与普通石化柴油相近的性能，不但可以直接在柴油机上使用，而且可以与普通柴油以任意比例混合使用。生物柴油与普通石化柴油相比具有冷凝点低、含氧量高、闪点高、含硫量低、十六烷值高等优点。因此，在理论上燃烧相同质量的生物柴油，能降低CO2和碳烟的排放量。

日常生活中，人们需要使用大量的植物性和动物性油脂进行烹调，其中很大一部分汤汁等油脂物质被当做潲水倒入下水道，成为地沟油。这种地沟油不但污染环境，还容易被不法分子回收利用，危害人们身体健康，成为各城市卫生环境的负担。但从化学成分上看，餐厨废弃油脂所含成分正是生物柴油的理想来源。

2 生物柴油的特点及对柴油机和试验设备的影响

生物柴油虽然相对普通柴油有一些优点，但其缺点同样不能忽视，主要问题主要体现在以下几个方面。

（1）由于生物柴油构成复杂，特别是餐厨废弃油脂制生物柴油，其黏稠度较高、挥发性差，在运动黏度方面，生物柴油要比普通柴油要大，因此在环境温度较低时，生物柴油较普通柴油使用效果差[2]。生物柴油凝固点较高，当气温低于-6 ℃时，就必须加入一定量添加剂才能避免其凝固。因此，使用过程中必须考虑生物柴油的低温适应性，以防温度过低造成燃料凝固堵塞试验台架和柴油机的燃油供应系统。

（2）由于生物柴油来源于植物性或动物性油脂，因此它也是一种有机溶剂。它对发动机和试验设备的油漆、各种橡胶软管及密封件等有一定的腐蚀性。因此，在试验前，需要更换耐有机溶剂腐蚀的管路，避免其腐蚀试验台架和柴油机的燃油管路。试验后，必须及时使用汽油或普通柴油对台架和柴油机的燃油管路进行冲洗。

（3）生物柴油能使发动机润滑油提前变质。由于它含有成分复杂的有机物质，因此容易氧化生成酸性物质，使机油提前变质。一些资料表明它对润滑油有轻微稀释的现象[2]。因此试验后，要及时更换柴油机的机油，并对润滑系统进行清洗。

（4）由于生物柴油含有有机物物质，胶质比普通柴油多，容易氧化形成难容的类似树脂状的氧化物。在以往的试验过程中，甚至出现过胶质物质黏住台架油耗仪旁通阀的现象，致使油耗测量出现很大偏差。

因此，对本次对比试验，需要设计一套简单易行的试验方案，避免生物柴油的缺点对试验参数测量的影响。

3 试验方案的设计

3.1 试验设备和试验柴油机的选择

试验用主要试验设备为能满足国家标准要求的FC2000发动机自动测控系统、CW260电涡流测功机、小野FP-2140H容积式流量传感器、FBY-2B全自动烟度计、石油密度计。

在试验用柴油机的选择方面，考虑到“国Ⅳ”以上新型车用柴油机都已加装后处理系统，碳烟排放量已非常稀少，烟度值非常小，不利于仪器的测量。因此，为了提高仪器测量的准确性，更好地反应碳烟排放的变化情况，因此选用了排放标准相对较低的YCD4D22-122型柴油机进行此次对比试验。

3.2 试验标准的选择

本试验依据《汽车发动机性能试验方法》（GB/T 18297—2001）和《柴油机稳态排气烟度及测定方法》（GB 9486—1988）相关标准的规定，在柴油机上使用0号柴油及在0号柴油中按重量比分别添加了30%、50%餐厨废弃油脂制生物柴油的混合燃料，进行总功率及排气烟度的对比试验。

3.3 试验方法的设计

3.3.1 试验设备搭配设计

此次试验使用的发动机试验台架的油耗仪为称重式油耗仪，在不进行油耗测量时，称重量杯的出油管路关闭，由旁通阀控制的管路给发动机供应燃油；当需要测量油耗量时，旁通阀关闭，由油耗仪内的称重量杯给发动机供应燃油。如果生物柴油的胶质过多，黏度过大，可能会使旁通阀无法关闭，在油耗测量的过程中，量杯和旁通油路同时给柴油机供应燃油，这将使得测出的油耗偏小，产生较大误差。

为了避免称重式油耗仪的结构问题可能带来的测量误差，我们将小野FP-2140H容积式流量传感器串联进入台架油耗仪后部的油路。该流量传感器是采用容积式的测量方式，并且可以记录累积油耗量，通过测量燃油的密度就可以换算出燃油消耗的质量数据。同时结合试验前后燃油箱内燃油的减少量与流量传感器的总累积油耗量的对比，就可以确定试验过程中，生物柴油是否对测量设备产生干扰。

试验燃油消耗量测量设备的构成如图1所示，箭头方向为燃油的流向。

3.3.2 试验过程设计

首先，进行普通柴油的总功率和排气烟度试验，然后分别进行添加了30%、50%生物柴油的混合燃料的试验，最后再进行一次普通柴油的对比试验。由普通柴油油耗量的前后对比，确认试验前后台架油耗仪的工作状态是否正常。同时，对比各种燃油试验过程中的两种油耗仪的油耗量数据，以及累积燃料总消耗量的对比，确认小野FP-2140H容积式流量传感器的工作是否正常和準确。通过台架油耗仪、小野FP-2140H容积式流量传感器、量筒等三种测量仪器设备来确保测量的准确性。

其次，使用汽油对两种油耗仪进行清洗，并用普通柴油对试验台架燃油管路进行冲洗；柴油机使用普通柴油用高转速、中等负荷的工况运行半小时，进行柴油机燃油系统的清洗。同时换上新机油，确保试验用柴油机的状态完好。

4 生物柴油混合燃料和0号柴油的对比试验结果

通过以上试验方案进行对比试验，试验结果见表1。从两种不同油耗仪测量出的油耗率可以看出，两种油耗仪的测量偏差不到0.4%。因此，在此次试验过程中，生物柴油没有对测量设备的测量造成干扰，测量数据是可靠的。

4.1 柴油机的动力性能分析

3种燃料进行总功率试验后的试验结果数据见表1，各参数变化趋势见图2。从图表中的数据可以看出，添加了30%、50%生物柴油的混合燃料在发动机标定点的功率和最大扭矩点的扭矩随着生物柴油比例的提高而略有下降，与0号柴油相比，功率和扭矩下降都未超过5%，动力性能下降不明显，基本保持了原机的动力性能。

4.2 柴油机的经济性分析

表1的总功率试验数据显示，添加生物柴油后，柴油机的油耗消耗率相对燃用0号柴油有所增加。其中添加了30%生物柴油的混合燃料比0号柴油的最低油耗率提高了4.2%，添加了50%生物柴油的混合燃料则提高了5.8%。这说明生物柴油热值比普通0号柴油低，混合燃料消耗量要比0号柴油大。随着燃料中生物柴油比例的增加，油耗率也有所增加。

4.3 柴油机的碳烟排放分析

从表1的排气烟度数据可以看出，生物柴油混合燃料的碳烟排放较普通0号柴油少。这是由于生物柴油含有较多氧原子，加入生物柴油的0号柴油形成含氧量较高而含碳量较少的混合燃料。当混合燃料在柴油机上燃烧时，由于氧原子的含量较高，使得燃料的燃烧更充分，而含碳量的降低，带来了碳烟排放的减少。

5 结语

通过以上分析，我们可以得出以下结论。

（1）通过两种油耗仪串联，结合燃油总消耗量的前后数据对比，可以及时发现对比试验过程中燃油消耗量测量设备是否出现问题。避免生物柴油的缺点对试验设备的不利影响，保证了试验测量的准确性。

（2）柴油机在燃用普通0号柴油中添加了30%、50%餐厨废弃油脂制生物柴油的混合燃料后，功率和扭矩下降未超过5%。因此，混合燃料基本保持了原机的动力性能。

（3）在经济性方面，两种生物柴油混合燃料的消耗率要比0号柴油大，而且随着生物柴油比例的增加，燃油消耗率也相应增加，但未超过6%。因此，生物柴油混合燃料的经济性比普通0号柴油略差。

（4）由于生物柴油含氧量高而含碳量较低，所以生物柴油混合燃料的碳烟排放量比普通0号柴油有所降低。

（5）综合以上因素考虑，通过添加一定比例的餐厨废弃油脂制生物柴油，在动力性能和燃油经济性损失不太大的情况下，对节能环保有一定帮助，可取得较好的社会效益。

参 考 文 献

[1]李世娟，聂凤英，诸叶平.生物柴油的应用现状及发展前景[J].世界农业，2003（7）.

[2]孟凡清，王德民，张大年.生物柴油技术在国内的研究进展[J].上海化工，2003（12）.

[3]苏畅，赵崇峰，岳莉，等.生物柴油技术的进展[J].当代化工，2004（2）.

[责任编辑：陈泽琦]