山茶油生物柴油特性及用于柴油机的性能与排放研究

0引言

生物柴油是以动植物油脂、废弃餐饮油等为原料通过化学或微生物改性方法制取的一种燃料。与传统石化燃料相比，生物柴油有诸多优点：生物柴油的原料是可再生资源;从能量生命周期的角度看，生物柴油可以实现C02的“零排放”;生物柴油含氧量高达10%以上，燃烧更加充分;生物柴油几乎不含硫;生物柴油的十六烷值和闪点均较高，具有较好的燃烧性和储运安全性J。油茶作为我国特有的一种木本油料树种，耐贫瘠，可在山区种植，广泛分布于我国亚热带地区的17个省市、自治区。研究将以适应我国广大山区和贫瘠土地种植的植物的提取油为原料制取的生物柴油用于柴油机等动力机械，对于国家经济、农业及汽车行业的可持续发展都具有十分重要的意义。本文对山茶油生物柴油的特性及用于柴油机的性能与排放进行了研究。

1试验燃料及特性分析

1.1试验燃料及特性分析

本试验所用燃料分别为BDO、BD10、BD30、BD50、BD70、BD100，数字代表含生物柴油的质量百分数。柴油为市购，生物柴油由南京林产化工研究所提供，以山茶油为原料制取。柴油与生物柴油的典型性质列于表1。混合燃料由生物柴油与柴油通过机械力搅拌器直接混合，混合燃料性质基本均一稳定。

表1生物柴油与柴油典型性质比较

图1生物柴油及其混合燃料热重特性分析图

1.2生物柴油及混合燃料的热重特性分析

生物柴油在热重分析中的失重过程有助于研究其燃烧性能。采用DTG一60H热分析仪分别对B30、B50、B70及B100试样进行了热重分析，条件设定为：空气气氛，流量为100ml/min，从室温加热至800℃，加热速率为20℃/min，图1为热重分析的TG、DTG及DTA图。可见几种燃料热重曲线具有相同的变化规律，且表现为三个阶段：轻质组分挥发导致的缓慢失重段(50~180℃)、燃烧导致的快速失重段(180～350℃)及二次燃烧段(350—600℃)。最大失重速度均出现在300℃左右。在270%左右出现一一个吸热峰，在390℃和550℃左右分别现一个放热峰。

本文采用Doyle积分法计算热重反应中的活化能及频率因子。Doyle法的表达式为由式(2)可知ln[一In(1一)]与1/T成线性关系。对TG曲线上不同温度段运用线性回归分析，计算结果见表2。可见生物柴油的表观活化能略大，但各种燃料相差较小，说明生物柴油与柴油一样，具有良好的燃烧性能，掺混生物柴油对燃料的燃烧性能影响较小。

表2生物柴油混合燃料热重分析动力学参数

2试验系统与装置

试验系统的组成见图2，主要设备包括R180型柴油机(主要技术参数见表3)、D12测功机、HZB2000油耗仪、ZSB转速表和HI~302排气分析仪。

图2台架试验系统示意图

表3R180型柴油机的主要规格参数

3试验结果与分析

3.1动力性和经济性分析

图3不同负荷特性下的燃油消耗曲线

图3为1600r/min和2400r/min两种负荷特性下不同燃料当量燃油消耗率(即将混合燃料的消耗率折算成当量柴油的消耗率)曲线。结果显示，使用混合燃料均可达到使用柴油时的功率和扭矩，对柴油机的动力性无明显影响。不同燃料当量燃油消耗率随功率的变化趋势一致，混合燃料的当量燃油消耗率比柴油略大，且随生物柴油含量的增大而增大。两种负荷特性下，BD100分别比BD0高2.3%和5.9%。这说明一方面生物柴油含氧，有助于燃料的燃烧，但另一方面含氧降低了热值使得喷油量增加，生物柴油的黏度、表面张力及蒸馏温度均比柴油高，雾化液滴的Sauter平均直径明显大于柴油，雾化挥发性不如柴油，降低了燃料与空气的混合质量，从而影响了燃烧，增加了油耗。高转速时，喷油量加大，过量空气系数减小，燃烧时间缩短，使得燃油消耗率增加幅度比中间转速时略高。

3.2排气分析

图4图6为两种负荷特性下各种燃料CH、CO与NO排放对比。从中可以发现不同燃料的排放变化趋势基本相同，但CH、CO和NO排放量有明显区别。

图4CH排放比较(负荷特性)

由图4可见，混合燃料的CH排放低于柴油，且降低幅度随生物柴油比例的提高而增大。这主要是因为生物柴油十六烷值比柴油高，燃烧迅速，滞燃期短，未燃CH和热裂解CH较少，特别是生物柴油含氧，有利于燃料的充分燃烧。

由图5可见，混合燃料的CO排放在中低负荷处低于柴油或与柴油相当，在大负荷处则高于柴油。

这是因为中低负荷时燃油供给量较小，燃油与空气的混合质量较好，且生物柴油含氧，混合燃料燃烧充分;但在大负荷处，供油量增大，混合燃料较差的雾化挥发性起主导作用，致使混合气质量变差，燃烧恶化，所以CO排放反而比柴油大。另外，混合燃料的CO排放随生物柴油比例的提高呈现出先降低后升高的趋势。这是因为：生物柴油比例提高促进了燃料的燃烧，但混合燃料的黏度也随之增大，降低了雾化质量和燃烧效率，两方面因素共同作用，使得CO排放呈现出上述变化趋势。

图5CO排放比较(负荷特性)

图6NO排放比较(负荷特性)

由图6可见，在凡=1600r/min时，NO排放随着生物柴油比例的提高呈现出先比柴油高后比柴油低的变化趋势。这是由于：一方面生物柴油含氧，有利于NO的生成;但另一方面，随着生物柴油比例的增加，混合燃料黏度的增加导致雾化混合质量下降，燃烧放热滞后，缸内温度降低，抑制了NO2的生成。在n=2400r/rain时，混合燃料的N0排放低于柴油，且随着生物柴油含量的增加而降低。这是因为高转速时循环供油量加大，过量空气系数减小，雾化混合恶化(特别是生物柴油含量增大时)，燃烧期缩短，从而使得NO2排放低于柴油。

4结论

(1)山茶油生物柴油与柴油具有良好的混合性;含不同比例山茶油生物柴油的混合燃料的热重特性基本相同，表观活化能相差较小。

(2)混合燃料均可使柴油机在室温下顺利起动正常运行;

(3)山茶油生物柴油可以替代柴油用于柴油机，混合燃料的当量燃油油耗率仅比柴油略高。

(4)使用含山茶油生物柴油的混合燃料时，柴油机CH排放降低;CO排放在中低负荷时降低，高负荷时增加;NO2排放在中间转速时随着山茶油生物柴油比例的提高先增加后降低，高速时降低;减排效果明显。