生物乳化柴油在柴油机上的性能研究*

石天翔 王金龙 余 凯 肖 进

（上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室 上海 200210）

引言

柴油机自从1892 年问世以来，经过120 多年的发展，凭借其动力性、经济性和可靠性等诸多方面的优势，已成为现代交通运输、农业机械、工程机械、采矿设备和发电等行业中应用最广泛的动力机械。然而，柴油机燃烧过程所产生的碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）是造成大气污染的主要污染物[1-3]。近年来，有关污染物排放和燃料消耗的严格规定以及化石燃料资源的快速消耗，极大地限制了柴油机的发展。

为了解决日益严重的环境问题、满足日趋严格的排放法规要求以及解决能源安全问题，柴油机行业内进行了一系列替代燃料的研究。生物燃料由于具有解决能源安全问题和减少污染物排放的潜力，在全球范围内被作为车用燃料的替代者或补充者，获得了越来越多的关注[4-6]。生物柴油是由动植物油脂与甲醇或乙醇等短链醇进行酯化、酯交换后得到的脂肪酸甲酯，是一种清洁的可再生替代燃料。生物柴油具有较低的热值和十六烷值，但氧含量比柴油高[7-9]。将生物柴油与柴油掺混形成混合燃料，能有效降低烟度，但依然存在NOx排放偏高的问题。

为了进一步改善燃料的特性以降低柴油机的NOx排放，国内外学者在柴油/生物柴油混合燃料中掺入适量水及乳化剂，利用水的较高汽化潜热来降低缸内燃烧温度，从而降低NOx排放[10-11]。

本文将由动植物脂肪及餐厨废弃油为原料制成的生物柴油、乳化剂、水、丁醇与柴油混合，在柴油机台架上进行发动机燃烧特性、动力性、经济性及排放特性研究，得到不同添加剂成分对国Ⅴ柴油、生物柴油与生物乳化柴油性能的影响，对寻找综合性能最优的掺混比例具有借鉴意义。

1 试验装置和方法

1.1 试验油品及配方

试验采用上海纽孚尔能源技术有限公司制备的燃油，所用油品为国Ⅴ柴油（D）、生物柴油B100、B10、B15，生物乳化柴油EB10、EB15 等，共计6 种。其中，生物柴油B100、B10、B15 是以动植物脂肪和餐厨废弃油为原料制备的。生物乳化柴油EB10、EB15 是以柴油为基底原料，按不同的质量分数掺混水、乳化剂、丁醇、生物柴油制备而成的。各种燃油的组成成分见表1，理化特性见表2。

表1 燃油油品组分

表2 燃油油品特性

1.2 试验发动机及测试设备

试验用柴油机采用潍柴WP6.240 直列四冲程增压中冷直喷柴油机，额定转速为2 300 r/min，额定功率为134 kW，具体技术参数见表3。

表3 柴油机主要技术参数

测试设备主要包括：奕科机电公司的EIM0301D型发动机控制系统、CE-52HA 型电涡流测功机、Vector 公司的CANape ECU 标定软件、Horiba 公司的MEXA7000 型气体排放分析仪、D2T 公司的OSIRIS Revolution II 型燃烧分析仪、湘仪动力公司的CF050M319N6BZMZZZ 型智能油耗仪、锐宏电子公司的DISMOKE4000 型不透光烟度计等。

1.3 试验工况

本试验主要研究2 070r/min 转速（90%额定转速）下的负荷特性，选取柴油机负荷为25%、50%、75%和100%的工况，比较生物柴油和生物乳化柴油性能的差别。

2 试验结果

2.1 燃烧特性

2.1.1 气缸压力

100%负荷下，6 种燃油的气缸压力规律如图1所示。

从图1 可以看出，相比于柴油，生物柴油和生物乳化柴油的气缸压力峰值均有所下降，其中，B100的气缸压力峰值最低；EB10 的气缸压力曲线与柴油最为接近；B10、B15 与EB15 等3 种燃油的气缸压力峰值有所降低但彼此差异不大。

图1 2 070 r/min 转速-100%负荷下燃油气缸压力对比

2.1.2 放热率

图2 为100%负荷下，6 种燃油的放热率随曲轴转角的变化关系。

图2 2 070 r/min 转速-100%负荷下燃油放热率对比

从图2 可以看出，EB10 的放热率峰值最高，B100 最低；生物乳化柴油的放热率与柴油接近，均高于生物柴油。由表2 可知，生物乳化柴油的净热值和十六烷值虽然低，但会导致点火时刻推迟，滞燃期变长，使油气混合更加充分；另一方面，生物乳化柴油燃烧时发生的微爆效应能改善燃油雾化效果。加上生物乳化柴油的含氧量较高，燃烧效率升高，使放热率增加，EB10 的放热率峰值甚至超过柴油。但随着掺混比例的提高，生物柴油与生物乳化柴油的放热率均有所降低，这主要是由于净热值的影响。

2.1.3 缸内燃烧温度

本文使用缸内气体平均温度来表征缸内燃烧温度，燃烧分析仪中，取100 个循环的气体温度平均值代表各工况下的缸内燃烧温度。100%负荷下，缸内燃烧温度随曲轴转角的变化规律见图3。

图3 2 070 r/min 转速-100%负荷下燃油燃烧温度对比

从图3 可以看出，生物柴油B100 的缸内燃烧温度最高。这是因为生物柴油B100 的含氧量最高，燃烧更加充分，导致缸内燃烧温度增加。生物柴油B10、B15 的燃烧温度略低于柴油，生物乳化柴油EB10，EB15 的燃烧温度更低。同时，随着水和丁醇掺混比例的增加，燃烧温度降低。这是因为生物乳化柴油中水和丁醇的热值低，汽化潜热值较高，导致缸内燃烧温度降低。

2.1.4 滞燃期

本文中，燃烧起点定义为喷油后放热率开始急剧增加的时刻所对应的曲轴转角；燃烧终点定义为累计放热量为循环总放热量90%所对应的曲轴转角CA90；滞燃期为燃烧起点与主喷时刻之间所对应的曲轴转角。不同负荷下的滞燃期规律如图4 所示。

图4 2 070 r/min 转速-负荷特性下燃油滞燃期对比

从图4 可以发现，低负荷时，生物柴油与生物乳化柴油的滞燃期均比柴油长，高负荷时，差异变小。低负荷时，随着掺混比例的增加，滞燃期延长，这是因为掺混生物柴油、水和丁醇的比例越大，燃油的十六烷值越低，汽化潜热值越大，导致滞燃期变长。中高负荷时，缸内燃烧温度和压力较高，燃油十六烷值的影响作用降低。

2.1.5 燃烧持续期

燃烧持续期为燃烧始点和终点之间所对应的曲轴转角，图5 为燃烧持续期随负荷的变化趋势。

图5 2 070 r/min 转速-负荷特性下燃油燃烧持续期对比

从图5 可以看出，发动机负荷对燃烧持续期有较大的影响。随着负荷的增加，6 种燃油的燃烧持续期均逐渐增加。这是因为负荷增加时，喷油脉宽变长，喷入缸内的燃油增多，导致燃烧持续期变长。相比柴油，生物柴油B10、B15 的燃烧持续期有所缩短，而生物柴油B100 与生物乳化柴油EB10，EB15 的燃烧持续期缩短幅度较大。这主要有2 个方面的原因，一方面是因为生物柴油及生物乳化柴油的滞燃期长，燃油和空气的混合更加充分，预混燃烧速度快，使得燃烧持续期缩短；另一方面，生物乳化柴油燃烧时发生的微爆效应能改善燃油雾化效果，优化燃烧质量，快速燃烧会缩短燃烧持续期[12]。

2.2 动力性

6 种燃油在负荷特性下的动力性对比见图6。

图6 2 070 r/min 转速-负荷特性下燃油有效功率对比

从图6 可以看出，相比柴油，生物柴油B10、B15、B100 及生物乳化柴油EB10、EB15 的有效功率均有所降低。在100%负荷时，相比柴油，B10 的有效功率降低了4.2%，B15 降低了4.7%，EB10 降低了7.2%，EB15 降低了8.0%，B100 降低了9.1%，这主要是因为不同燃油间热值的差异所造成的。

2.3 经济性

图7 为6 种燃油的燃油消耗率（BSFC）随负荷的变化规律。

图7 2 070 r/min 转速-负荷特性下燃油经济性对比

从图7 可以看出，在所有负荷下，B100 的BSFC最高；在高负荷与低负荷时，柴油的BSFC 最低；在中负荷时，EB10 的BSFC 比柴油略低。与柴油相比，100%负荷时，B10 的BSFC 降低了2.4%，B15 降低了3.2%，EB10 降低了2.0%，EB15 降低了1.5%，B100降低了6.8%。综合来看，EB10 的BSFC 与柴油最为接近。

2.4 排放特性

2.4.1 NOx排放

图8 为6 种燃油的NOx排放随负荷的变化规律。

图8 2 070 r/min 转速-负荷特性下NOx排放对比

从图8 可以看出，6 种燃油的NOx排放都随着柴油机负荷的增加而增加。各个负荷下，生物柴油B10、B15、B100 的NOx排放均高于柴油，这是因为生物柴油的含氧量较高，燃烧持续期短，燃烧效率高，快速燃烧增加了缸内燃烧温度。而生物乳化柴油EB10、EB15 的NOx排放均低于柴油，100%负荷时，分别降低了4.5%和3.5%。原因主要有2 个方面，一是掺混水、乳化剂、丁醇后，水的汽化潜热值高，发生微爆效应时水蒸气需要在缸内吸收热量，水的冷却作用能降低缸内燃烧温度；另一方面，丁醇的热值低，饱和蒸汽压力高，同样能降低缸内燃烧温度，从而降低NOx排放[13]。

2.4.2 烟度

图9 为6 种燃油的烟度随负荷的变化规律。

图9 2 070 r/min 转速-负荷特性下烟度对比

从图9 可以看出，柴油的烟度高于其他燃油，B100 的烟度最低。随着掺混比例的提高，烟度均有所降低，这与生物乳化柴油的燃烧条件改善和缸内燃烧温度降低有关。EB10、EB15 的烟度相对于柴油和生物柴油有明显降低，相比柴油，分别降低了67.7%和71.0%。这是由于掺混丁醇后，燃油的含氧量增加，燃烧效率升高。此外，丁醇中硫含量较少，混合燃油整体含硫量降低，硫酸的生成量降低，导致烟度降低；掺混水后，微爆效应是降低碳烟排放的主要机理，使得燃烧更加完全，碳烟排放更低；此外，缸内燃烧温度降低抑制了热解反应的发生，也能降低碳烟排放[13]。

2.4.3 CO 排放

图10 是负荷特性下6 种燃油的CO 排放对比。

从图10 可以看出，各种负荷下，B10、B15、B100的CO 排放均低于柴油，这与国内外大量的研究结果一致。EB10、EB15 的CO 排放均略高于柴油，100%负荷时，分别增加了4.8%和6.0%。这是由于掺入丁醇后，氧含量的增加会加剧碳原子氧化成CO，并且较低的缸内燃烧温度不能完全将CO 氧化成CO2，导致CO 排放增加。掺水后，缸内燃烧温度降低，加剧燃油的不完全燃烧以及抑制CO 氧化成CO2。另外，混合气中的OH 基含量增加导致更多的碳原子氧化成CO。在75%负荷时，各种燃油的CO 排放相差不大，尤其是EB10，几乎与柴油相同。

图10 2 070 r/min 转速-负荷特性下CO 排放对比

2.4.4 HC 排放

图11 是负荷特性下6 种燃油的HC 排放对比。

图11 2 070 r/min 转速-负荷特性下HC 排放对比

从图11 可以发现，在各种负荷下，生物柴油B10、B15、B100 的HC 排放均低于柴油，尤其是B100有明显降低。原因是生物柴油中的氧含量高，缸内燃烧温度高，燃油燃烧比较充分，使得HC 排放较低。生物乳化柴油EB10 和EB15 的HC 排放较柴油有所增加，原因是EB10 和EB15 的汽化潜热值变大，蒸发吸热多，缸内燃烧温度降低，不完全燃烧的比例增加，导致HC 排放增加。虽然掺水后能改善雾化效果，优化燃烧，但对于EB10 和EB15 来说，温度降低对HC 排放的影响起主导作用。

3 结论

1）100%负荷时，燃油的气缸压力曲线均位于柴油和B100 之间，其中，EB10 的气缸压力曲线与柴油最为接近，其余3 种燃油相差不大。

2）生物乳化柴油的放热率与柴油接近，均高于生物柴油，且EB10 的放热率峰值最大。随着掺混比例提高，放热率峰值降低。

3）生物乳化柴油的缸内燃烧温度低于柴油和生物柴油，燃烧温度随水和丁醇掺混比例增加而降低。

4）低负荷时，生物柴油与生物乳化柴油的滞燃期均比柴油长，且随着掺混比例的增加，滞燃期延长；高负荷时，差异变小。相比柴油，生物柴油B10、B15 的燃烧持续期稍有缩短，生物柴油B100 与生物乳化柴油EB10、EB15 的燃烧持续期缩短幅度较大。

5）与柴油相比，生物柴油和生物乳化柴油的有效功率都有一定程度的降低。100%负荷时，B10、B15、EB10、EB15、B100 的有效功率较柴油分别降低了4.2%、4.7%、7.2%、8.0%、9.1%。

6）与柴油相比，生物柴油和生物乳化柴油的BSFC都有一定程度的降低。100%负荷时，B10、B15、EB10、EB15、B100 的BSFC 分别降低了2.4%、3.2%、2.0%、1.5%、6.8%。其中，生物乳化柴油EB10、EB15 的经济性优于生物柴油。

7）与柴油和生物柴油相比，生物乳化柴油的NOx排放和烟度均有所降低。生物柴油的NOx排放随掺混比例的上升而增加，但生物乳化柴油的NOx排放随水和丁醇掺混比例的上升而减少。100%负荷时，EB10 和EB15 的NOx排放较柴油分别降低了4.5%和3.5%；烟度分别降低了67.7%和71.0%。生物乳化柴油的CO 排放和HC 排放有所增加，且随着乳化剂掺混比例的增加而增加，这主要是因为燃烧温度较低。

8）生物乳化柴油的动力性虽然有所降低，但经济性优于生物柴油，同时可显著降低NOx排放和PM排放，虽然CO 和HC 排放略有增加，但总的排放较低，尤其可改善生物柴油NOx排放较高的缺点。从经济性和排放特性等方面综合考虑，生物乳化柴油EB10 可作为柴油的替代燃料。