生物柴油混合燃料臺架對比試驗方案設計及結果探討

丘源

【摘 要】文章介紹了生物柴油的物理化學性質特點，并分析它的缺點對柴油機和試驗設備測量的影響。為了在柴油機上分別進行使用普通0號柴油及0號柴油中添加30%、50%餐廚廢棄油脂制生物柴油混合燃料的總功率及排氣煙度對比試驗，針對生物柴油的特點設計出一個較簡單易行的試驗方案。通過對試驗結果的分析，驗證試驗方案的可行性，總結不同比例的生物柴油混合燃料對柴油機動力性能、經濟性、排氣煙度的影響。

【關鍵詞】生物柴油混合燃料；試驗方案；影響

【中圖分類號】TK42 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0137-03

0 前言

全球汽車保有量急劇增加，汽車尾氣成為主要的空氣污染源之一，雖然世界各國都在大力推動純電動汽車的使用，但動力電池技術一直無法取得大的突破，在大型商用車領域，柴油機仍然是主要的動力來源。因此，研究低污染排放的代用燃料仍然有重要意義。生物柴油作為可再生能源得到較大面積的推廣運用。生物柴油由于來源多樣，普通柴油的分子結構要復雜。在一些生物柴油的臺架試驗過程中，我們發現生物柴油的一些特點給柴油機和試驗設備帶來不利影響。

為了完成此次以0號柴油中按重量比添加30%、50%的餐廚廢棄油脂制生物柴油組成混合燃料與普通0號柴油，在柴油機上的總功率和排氣煙度對比試驗。通過特殊的試驗方案設計，以提高試驗的準確性。通過對燃料對比試驗結果的分析，探討生物柴油混合燃料與普通0號柴油在動力性能和排氣煙度方面的差異。

1 生物柴油的構成

生物柴油以可再生的生物材料為基礎，比如大豆、油菜、玉米、向日葵或者動物油脂，將甘油從脂肪和蔬菜油中分離出來，從而提煉出的酯類氧化燃料就是生物柴油，其化學成分是長鏈脂肪酸的單一烷基酯。它可以被生物降解，是一種無毒、無硫、不含芳香族物質的燃料[1]，具有與普通石化柴油相近的性能，不但可以直接在柴油機上使用，而且可以與普通柴油以任意比例混合使用。生物柴油與普通石化柴油相比具有冷凝點低、含氧量高、閃點高、含硫量低、十六烷值高等優點。因此，在理論上燃燒相同質量的生物柴油，能降低CO2和碳煙的排放量。

日常生活中，人們需要使用大量的植物性和動物性油脂進行烹調，其中很大一部分湯汁等油脂物質被當做潲水倒入下水道，成為地溝油。這種地溝油不但污染環境，還容易被不法分子回收利用，危害人們身體健康，成為各城市衛生環境的負擔。但從化學成分上看，餐廚廢棄油脂所含成分正是生物柴油的理想來源。

2 生物柴油的特點及對柴油機和試驗設備的影響

生物柴油雖然相對普通柴油有一些優點，但其缺點同樣不能忽視，主要問題主要體現在以下幾個方面。

（1）由于生物柴油構成復雜，特別是餐廚廢棄油脂制生物柴油，其黏稠度較高、揮發性差，在運動黏度方面，生物柴油要比普通柴油要大，因此在環境溫度較低時，生物柴油較普通柴油使用效果差[2]。生物柴油凝固點較高，當氣溫低于-6 ℃時，就必須加入一定量添加劑才能避免其凝固。因此，使用過程中必須考慮生物柴油的低溫適應性，以防溫度過低造成燃料凝固堵塞試驗臺架和柴油機的燃油供應系統。

（2）由于生物柴油來源于植物性或動物性油脂，因此它也是一種有機溶劑。它對發動機和試驗設備的油漆、各種橡膠軟管及密封件等有一定的腐蝕性。因此，在試驗前，需要更換耐有機溶劑腐蝕的管路，避免其腐蝕試驗臺架和柴油機的燃油管路。試驗后，必須及時使用汽油或普通柴油對臺架和柴油機的燃油管路進行沖洗。

（3）生物柴油能使發動機潤滑油提前變質。由于它含有成分復雜的有機物質，因此容易氧化生成酸性物質，使機油提前變質。一些資料表明它對潤滑油有輕微稀釋的現象[2]。因此試驗后，要及時更換柴油機的機油，并對潤滑系統進行清洗。

（4）由于生物柴油含有有機物物質，膠質比普通柴油多，容易氧化形成難容的類似樹脂狀的氧化物。在以往的試驗過程中，甚至出現過膠質物質黏住臺架油耗儀旁通閥的現象，致使油耗測量出現很大偏差。

因此，對本次對比試驗，需要設計一套簡單易行的試驗方案，避免生物柴油的缺點對試驗參數測量的影響。

3 試驗方案的設計

3.1 試驗設備和試驗柴油機的選擇

試驗用主要試驗設備為能滿足國家標準要求的FC2000發動機自動測控系統、CW260電渦流測功機、小野FP-2140H容積式流量傳感器、FBY-2B全自動煙度計、石油密度計。

在試驗用柴油機的選擇方面，考慮到“國Ⅳ”以上新型車用柴油機都已加裝后處理系統，碳煙排放量已非常稀少，煙度值非常小，不利于儀器的測量。因此，為了提高儀器測量的準確性，更好地反應碳煙排放的變化情況，因此選用了排放標準相對較低的YCD4D22-122型柴油機進行此次對比試驗。

3.2 試驗標準的選擇

本試驗依據《汽車發動機性能試驗方法》（GB/T 18297—2001）和《柴油機穩態排氣煙度及測定方法》（GB 9486—1988）相關標準的規定，在柴油機上使用0號柴油及在0號柴油中按重量比分別添加了30%、50%餐廚廢棄油脂制生物柴油的混合燃料，進行總功率及排氣煙度的對比試驗。

3.3 試驗方法的設計

3.3.1 試驗設備搭配設計

此次試驗使用的發動機試驗臺架的油耗儀為稱重式油耗儀，在不進行油耗測量時，稱重量杯的出油管路關閉，由旁通閥控制的管路給發動機供應燃油；當需要測量油耗量時，旁通閥關閉，由油耗儀內的稱重量杯給發動機供應燃油。如果生物柴油的膠質過多，黏度過大，可能會使旁通閥無法關閉，在油耗測量的過程中，量杯和旁通油路同時給柴油機供應燃油，這將使得測出的油耗偏小，產生較大誤差。

為了避免稱重式油耗儀的結構問題可能帶來的測量誤差，我們將小野FP-2140H容積式流量傳感器串聯進入臺架油耗儀后部的油路。該流量傳感器是采用容積式的測量方式，并且可以記錄累積油耗量，通過測量燃油的密度就可以換算出燃油消耗的質量數據。同時結合試驗前后燃油箱內燃油的減少量與流量傳感器的總累積油耗量的對比，就可以確定試驗過程中，生物柴油是否對測量設備產生干擾。

試驗燃油消耗量測量設備的構成如圖1所示，箭頭方向為燃油的流向。

3.3.2 試驗過程設計

首先，進行普通柴油的總功率和排氣煙度試驗，然后分別進行添加了30%、50%生物柴油的混合燃料的試驗，最后再進行一次普通柴油的對比試驗。由普通柴油油耗量的前后對比，確認試驗前后臺架油耗儀的工作狀態是否正常。同時，對比各種燃油試驗過程中的兩種油耗儀的油耗量數據，以及累積燃料總消耗量的對比，確認小野FP-2140H容積式流量傳感器的工作是否正常和準確。通過臺架油耗儀、小野FP-2140H容積式流量傳感器、量筒等三種測量儀器設備來確保測量的準確性。

其次，使用汽油對兩種油耗儀進行清洗，并用普通柴油對試驗臺架燃油管路進行沖洗；柴油機使用普通柴油用高轉速、中等負荷的工況運行半小時，進行柴油機燃油系統的清洗。同時換上新機油，確保試驗用柴油機的狀態完好。

4 生物柴油混合燃料和0號柴油的對比試驗結果

通過以上試驗方案進行對比試驗，試驗結果見表1。從兩種不同油耗儀測量出的油耗率可以看出，兩種油耗儀的測量偏差不到0.4%。因此，在此次試驗過程中，生物柴油沒有對測量設備的測量造成干擾，測量數據是可靠的。

4.1 柴油機的動力性能分析

3種燃料進行總功率試驗后的試驗結果數據見表1，各參數變化趨勢見圖2。從圖表中的數據可以看出，添加了30%、50%生物柴油的混合燃料在發動機標定點的功率和最大扭矩點的扭矩隨著生物柴油比例的提高而略有下降，與0號柴油相比，功率和扭矩下降都未超過5%，動力性能下降不明顯，基本保持了原機的動力性能。

4.2 柴油機的經濟性分析

表1的總功率試驗數據顯示，添加生物柴油后，柴油機的油耗消耗率相對燃用0號柴油有所增加。其中添加了30%生物柴油的混合燃料比0號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則提高了5.8%。這說明生物柴油熱值比普通0號柴油低，混合燃料消耗量要比0號柴油大。隨著燃料中生物柴油比例的增加，油耗率也有所增加。

4.3 柴油機的碳煙排放分析

從表1的排氣煙度數據可以看出，生物柴油混合燃料的碳煙排放較普通0號柴油少。這是由于生物柴油含有較多氧原子，加入生物柴油的0號柴油形成含氧量較高而含碳量較少的混合燃料。當混合燃料在柴油機上燃燒時，由于氧原子的含量較高，使得燃料的燃燒更充分，而含碳量的降低，帶來了碳煙排放的減少。

5 結語

通過以上分析，我們可以得出以下結論。

（1）通過兩種油耗儀串聯，結合燃油總消耗量的前后數據對比，可以及時發現對比試驗過程中燃油消耗量測量設備是否出現問題。避免生物柴油的缺點對試驗設備的不利影響，保證了試驗測量的準確性。

（2）柴油機在燃用普通0號柴油中添加了30%、50%餐廚廢棄油脂制生物柴油的混合燃料后，功率和扭矩下降未超過5%。因此，混合燃料基本保持了原機的動力性能。

（3）在經濟性方面，兩種生物柴油混合燃料的消耗率要比0號柴油大，而且隨著生物柴油比例的增加，燃油消耗率也相應增加，但未超過6%。因此，生物柴油混合燃料的經濟性比普通0號柴油略差。

（4）由于生物柴油含氧量高而含碳量較低，所以生物柴油混合燃料的碳煙排放量比普通0號柴油有所降低。

（5）綜合以上因素考慮，通過添加一定比例的餐廚廢棄油脂制生物柴油，在動力性能和燃油經濟性損失不太大的情況下，對節能環保有一定幫助，可取得較好的社會效益。

參 考 文 獻

[1]李世娟，聶鳳英，諸葉平.生物柴油的應用現狀及發展前景[J].世界農業，2003（7）.

[2]孟凡清，王德民，張大年.生物柴油技術在國內的研究進展[J].上海化工，2003（12）.

[3]蘇暢，趙崇峰，岳莉，等.生物柴油技術的進展[J].當代化工，2004（2）.

[責任編輯：陳澤琦]