0引言
生物柴油是以動植物油脂、廢棄餐飲油等為原料通過化學(xué)或微生物改性方法制取的一種燃料。與傳統(tǒng)石化燃料相比，生物柴油有諸多優(yōu)點：生物柴油的原料是可再生資源;從能量生命周期的角度看，生物柴油可以實現(xiàn)C02的“零排放”;生物柴油含氧量高達10%以上，燃燒更加充分;生物柴油幾乎不含硫;生物柴油的十六烷值和閃點均較高，具有較好的燃燒性和儲運安全性J。油茶作為我國特有的一種木本油料樹種，耐貧瘠，可在山區(qū)種植，廣泛分布于我國亞熱帶地區(qū)的17個省市、自治區(qū)。研究將以適應(yīng)我國廣大山區(qū)和貧瘠土地種植的植物的提取油為原料制取的生物柴油用于柴油機等動力機械，對于國家經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)及汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。本文對山茶油生物柴油的特性及用于柴油機的性能與排放進行了研究。
1試驗燃料及特性分析
1.1試驗燃料及特性分析
本試驗所用燃料分別為BDO、BD10、BD30、BD50、BD70、BD100，數(shù)字代表含生物柴油的質(zhì)量百分數(shù)。柴油為市購，生物柴油由南京林產(chǎn)化工研究所提供，以山茶油為原料制取。柴油與生物柴油的典型性質(zhì)列于表1?；旌先剂嫌缮锊裼团c柴油通過機械力攪拌器直接混合，混合燃料性質(zhì)基本均一穩(wěn)定。
表1生物柴油與柴油典型性質(zhì)比較
圖1生物柴油及其混合燃料熱重特性分析圖
1.2生物柴油及混合燃料的熱重特性分析
生物柴油在熱重分析中的失重過程有助于研究其燃燒性能。采用DTG一60H熱分析儀分別對B30、B50、B70及B100試樣進行了熱重分析，條件設(shè)定為：空氣氣氛，流量為100ml/min，從室溫加熱至800℃，加熱速率為20℃/min，圖1為熱重分析的TG、DTG及DTA圖。可見幾種燃料熱重曲線具有相同的變化規(guī)律，且表現(xiàn)為三個階段：輕質(zhì)組分揮發(fā)導(dǎo)致的緩慢失重段(50~180℃)、燃燒導(dǎo)致的快速失重段(180～350℃)及二次燃燒段(350—600℃)。最大失重速度均出現(xiàn)在300℃左右。在270%左右出現(xiàn)一一個吸熱峰，在390℃和550℃左右分別現(xiàn)一個放熱峰。
本文采用Doyle積分法計算熱重反應(yīng)中的活化能及頻率因子。Doyle法的表達式為由式(2)可知ln[一In(1一)]與1/T成線性關(guān)系。對TG曲線上不同溫度段運用線性回歸分析，計算結(jié)果見表2?？梢娚锊裼偷谋碛^活化能略大，但各種燃料相差較小，說明生物柴油與柴油一樣，具有良好的燃燒性能，摻混生物柴油對燃料的燃燒性能影響較小。
表2生物柴油混合燃料熱重分析動力學(xué)參數(shù)
2試驗系統(tǒng)與裝置
試驗系統(tǒng)的組成見圖2，主要設(shè)備包括R180型柴油機(主要技術(shù)參數(shù)見表3)、D12測功機、HZB2000油耗儀、ZSB轉(zhuǎn)速表和HI~302排氣分析儀。
圖2臺架試驗系統(tǒng)示意圖
表3R180型柴油機的主要規(guī)格參數(shù)
3試驗結(jié)果與分析
3.1動力性和經(jīng)濟性分析
圖3不同負荷特性下的燃油消耗曲線
圖3為1600r/min和2400r/min兩種負荷特性下不同燃料當(dāng)量燃油消耗率(即將混合燃料的消耗率折算成當(dāng)量柴油的消耗率)曲線。結(jié)果顯示，使用混合燃料均可達到使用柴油時的功率和扭矩，對柴油機的動力性無明顯影響。不同燃料當(dāng)量燃油消耗率隨功率的變化趨勢一致，混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率比柴油略大，且隨生物柴油含量的增大而增大。兩種負荷特性下，BD100分別比BD0高2.3%和5.9%。這說明一方面生物柴油含氧，有助于燃料的燃燒，但另一方面含氧降低了熱值使得噴油量增加，生物柴油的黏度、表面張力及蒸餾溫度均比柴油高，霧化液滴的Sauter平均直徑明顯大于柴油，霧化揮發(fā)性不如柴油，降低了燃料與空氣的混合質(zhì)量，從而影響了燃燒，增加了油耗。高轉(zhuǎn)速時，噴油量加大，過量空氣系數(shù)減小，燃燒時間縮短，使得燃油消耗率增加幅度比中間轉(zhuǎn)速時略高。
3.2排氣分析
圖4圖6為兩種負荷特性下各種燃料CH、CO與NO排放對比。從中可以發(fā)現(xiàn)不同燃料的排放變化趨勢基本相同，但CH、CO和NO排放量有明顯區(qū)別。
圖4CH排放比較(負荷特性)
由圖4可見，混合燃料的CH排放低于柴油，且降低幅度隨生物柴油比例的提高而增大。這主要是因為生物柴油十六烷值比柴油高，燃燒迅速，滯燃期短，未燃CH和熱裂解CH較少，特別是生物柴油含氧，有利于燃料的充分燃燒。
由圖5可見，混合燃料的CO排放在中低負荷處低于柴油或與柴油相當(dāng)，在大負荷處則高于柴油。
這是因為中低負荷時燃油供給量較小，燃油與空氣的混合質(zhì)量較好，且生物柴油含氧，混合燃料燃燒充分;但在大負荷處，供油量增大，混合燃料較差的霧化揮發(fā)性起主導(dǎo)作用，致使混合氣質(zhì)量變差，燃燒惡化，所以CO排放反而比柴油大。另外，混合燃料的CO排放隨生物柴油比例的提高呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。這是因為：生物柴油比例提高促進了燃料的燃燒，但混合燃料的黏度也隨之增大，降低了霧化質(zhì)量和燃燒效率，兩方面因素共同作用，使得CO排放呈現(xiàn)出上述變化趨勢。
圖5CO排放比較(負荷特性)
圖6NO排放比較(負荷特性)
由圖6可見，在凡=1600r/min時，NO排放隨著生物柴油比例的提高呈現(xiàn)出先比柴油高后比柴油低的變化趨勢。這是由于：一方面生物柴油含氧，有利于NO的生成;但另一方面，隨著生物柴油比例的增加，混合燃料黏度的增加導(dǎo)致霧化混合質(zhì)量下降，燃燒放熱滯后，缸內(nèi)溫度降低，抑制了NO2的生成。在n=2400r/rain時，混合燃料的N0排放低于柴油，且隨著生物柴油含量的增加而降低。這是因為高轉(zhuǎn)速時循環(huán)供油量加大，過量空氣系數(shù)減小，霧化混合惡化(特別是生物柴油含量增大時)，燃燒期縮短，從而使得NO2排放低于柴油。
4結(jié)論
(1)山茶油生物柴油與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熱重特性基本相同，表觀活化能相差較小。
(2)混合燃料均可使柴油機在室溫下順利起動正常運行;
(3)山茶油生物柴油可以替代柴油用于柴油機，混合燃料的當(dāng)量燃油油耗率僅比柴油略高。
(4)使用含山茶油生物柴油的混合燃料時，柴油機CH排放降低;CO排放在中低負荷時降低，高負荷時增加;NO2排放在中間轉(zhuǎn)速時隨著山茶油生物柴油比例的提高先增加后降低，高速時降低;減排效果明顯。
