摘要：本文是對菜籽油制備的生物柴油的理化性能及燃燒性能進行測試研究。以菜籽油為原料，通過酯交換法制備生物柴油，與0#柴油部分理化性能指標的對比，通過對比各項指標都已達到國家指標，對三種摻混比例生物柴油混合燃料進行了發動機臺架試驗，結果表明:摻燒生物柴油的混合燃料時燃油消耗率、CO排放略有升高，HC排放明顯低于0#柴油。菜籽油制備的生物柴油可以滿足替代石化柴油的要求。

　　關鍵詞：菜籽油,生物柴油,柴油發動機,排放

　　0 引言

　　隨著社會經濟的發展，國民生活水平的提高，車輛在人們的日常生活當中越來越普及，大量使用石化燃料的同時也帶來了許多問題，如石化柴油含有多有害物質，通過燃燒后直接排入大氣層，對環境和人類的生存有著破壞作用，石化能源又是不可再生能源，面臨著能源枯竭等問題。各國相繼尋找清潔、安全、可再生、可替代石化柴油的新能源。生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工業微藻等水生植物油脂及動物油脂、廢餐飲油等為原料，通過物理或化學的方法制成的甲脂或乙脂燃料，可用來替代石化燃料來滿足工業、民用等要求。國內目前對生物柴油的生產和應用也進行了開發，已成功研制出利用菜籽油、光皮樹油、麻風樹油、大豆油、米糠油腳料、工業豬油、牛油等作為原料，經過甲醇預酯化再酯化作用，生產制備出的生物柴油，不僅可以作為代用燃料在柴油發動機上直接使用，而且還可以作為柴油清潔燃料的添加劑。從生物柴油的理化性質可以看出生物柴油對環境是友好的，生物柴油所含的雙鍵數目少，分子中含氧量較高，含碳支鏈數目少或沒有，這使得生物柴油有較好的燃燒特性，燃燒比較完全。石化柴油燃燒過程產生的主要污染物是：煙塵顆粒、SOX、CO、HC以及NOX等。與石化柴油相比，生物柴油的燃燒尾氣中除NOX濃度稍微升高外，煙塵顆粒、SOX、CO、HC的排放明顯下降[1,2]。此外，生物柴油中不含有芳香烴，燃燒后不會產生芳香烴和PAH。而且生物柴油還具有無毒、可生物降解等優點。

　　本文對菜籽油制成的生物柴油進行理化性能指標測試、發動機燃燒試驗，對排放性能進行研究。從而進行分析摻燒生物柴油尾氣成分，得出更經濟、更環境友好的摻燒比例。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗材料

　　市購菜籽油、甲醇(分析純)、磷酸(分析純)、氫氧化鈉(顆粒狀)

　　1.2 實驗原料和方法

　　1.2.1 生物柴油的制備

　　本試驗采用酯交換法制備生物柴油[3]，即通過甲醇將原料油中的脂肪酸甘油酯的甘油基取代下來，形成碳鏈較短脂肪酸甲脂和甘油。

　　其反應原理如下：

　　C3H5(RCO0)3+3CH3OH=3RCOOCH3+C3H5(OH)3

　　首先，取一定量的菜籽油置于燒杯中，水浴加熱至60℃，將按比例混合好的甲醇氫氧化鈉溶液倒入燒杯中，開始攪拌、并計時，待反應結束后將燒杯在室溫的條件下靜置分層，上層為生物柴油與甲醇的混合物，下層為甘油與未反應的脂肪酸甘油酯的混合物，收集上層液體并用磷酸溶液滴定至中性，加入溫水洗滌3—4次，靜置分層后除去下層的水相，將上層淡黃色液體在常壓下進行蒸餾，以除去甲醇和水分,待蒸餾結束后，過濾除去雜質，即得淡黃色的澄清液體生物柴油。

　　1.2.2 生物柴油理化性能指標

　　試驗設備：TSY—1109/1109A石油產品運動黏度測定儀、TSY-1103A石油產品半自動閃點測定儀、TSY—1115石油產品銅片腐蝕測定儀、TSY—1110原油和液體石油產品密度測定儀、TSY—1106A石油產品餾程測定儀等儀器。

　　試驗方法：根據各個實驗儀器使用方法及國家標準的要求進行測試。

　　1.2.3 生物柴油臺架試驗

　　實驗裝置：ZX195柴油發動機、DSZ-2轉速數字顯示儀，D-150水力測功儀，FC2210智能油耗儀、NHA505廢氣分析儀、煙度計。

　　試驗方法：本試驗是在海拔1900m，相對濕度為60%，實驗室溫度為25 ℃的實驗室中進行的，將柴油機油箱中注入0#柴油并進行5分鐘熱機，讓柴油發動機在2000r/min的轉速下改變發動機的負荷，分別在0%、20%、50%、80%、100%五個階段通過所接儀器對HC、CO和油耗等測試，記錄所得數據，然后將油箱中的油全部放盡;將摻混10%生物柴油的混合燃料分別加入油箱中同樣空機運行幾分鐘，保證混合燃料充滿整個油路，然后進行測試、數據采集;同樣的方法將摻混20%生物柴油的混合燃料進行試驗、數據采集;最后做100%生物柴油的試驗，并進行數據采集。

　　2 試驗結果與分析

　　2.1 部分理化性能指標對比

　　從表二中可以看出B100生物柴油的部分理化性能指標與0#柴油相接近，其中，運動黏度在石化柴油的范圍內，接近于上限，所以霧化情況要略差于石化柴油;B100生物柴油的密度、銅片腐蝕接近于0#柴油;在閃點方面，生物柴油要高出0#柴油74℃，故在運輸、儲存過程中要比0#柴油更加安全、穩定。

 

　　2.2 燃油消耗率

　　從圖2中可以看出在2000r/min的工況下，摻混不同比例生物柴油的混合燃料燃油消耗率總體趨勢是隨負荷的升高而升高，當負荷在100%時，B10、B20、B100生物柴油燃油消耗率比0#柴油燃油消耗率分別高出9.8%、9.8%、15.4%。造成這種情況是因為生物柴油的熱值要比石化柴油的低，在同一工況下摻混生物柴油的比例越高燃油消耗率越高。

 

　　2.3 HC排放

　　從圖3中可以看出HC排放在滿負荷情況下隨轉速增加而下降，且HC排放明顯低于0#柴油的排放，在2000r/min滿負荷的工況下B10、B20、B100HC排放比0#柴油分別低了48.7%、52.4%、66.8%，且隨著生物柴油摻混比例的升高而降低，造成這種現象是因為生物柴油中芳香烴含量很少，十六烷值比較高，理論上講芳香烴含量越少，則其滯燃期越短，HC排放越低;十六烷值較高時，燃油著火性能較好，滯燃期短，其未燃燒碳氫和裂解碳氫均少。另外，生物柴油含有10%的氧，使生物柴油燃料比石化柴油更有利于燃燒，從而減少HC化合物的排放。因此，摻混生物柴油的混合燃料由于芳香烴含量減少、十六烷值高、含氧量增加，使得混合燃料在柴油機中燃燒的HC排放相對降低[5～8]。

 

　　2.4 CO排放

　　從圖4中可以看出摻混生物柴油比例越高時CO排放在2000r/min的工況下隨負荷升高而升高，當負荷達到100%時CO排放高于石化柴油，CO是燃油燃燒的中間產物，根據發動機CO形成的機理[3,4]：當混合氣過濃(大負荷時或者發動機啟動時)，將因缺氧所致;或者燃燒溫度過低(混合氣過稀)，CO進一步氧化的速度減慢，雖然生物柴油含有10%的氧，但由于生物柴油的黏度遠遠大于石化柴油，嚴重影響了生物柴油在柴油機中的霧化性能，使其燃燒不完全，從而造成CO排放增加。而且，當燃用生物柴油和柴油混合燃料時，生物柴油里面仍有一定的甲醇、甘油和鈉鹽等雜質未除凈，也會造成燃料燃燒的不充分。高負荷時，CO的排放急劇上升是因為在高負荷高轉速時，柴油機的噴油量增加使局部缺氧加劇，燃油不能充分燃燒，從而生成更多的CO[9～11]，因而導致了在2000r/min滿負荷工況下混合燃料的CO排放比石化柴油的要高，且摻混比例越高排放比例也越高。

 

　　3 結論

　　1)通過部分理化性能指標的對比，生物柴油閃點比0#柴油高，可以看出生物柴油在運輸儲存方面要比石化柴油0#柴油安全;由于運動黏度比0#柴油的高，所以在霧化方面要比0#柴油差些。

　　2)通過ZX195柴油機燃用0#柴油和分別摻混20%、50%、100%生物柴油的混合燃料的排放對比試驗可知：菜籽油為原料油制備的生物柴油在燃油消耗率方面比0#柴油略有升高;在HC排放方面明顯低于0#柴油，CO排放量略高于0#柴油，綜合測試顯示摻混比例為20%生物柴油的混合燃料最為理想[12,13]。

　　參考文獻：

　　[1] 吳貴福，賈元華，姜東華.柴油機燃用生物柴油混合燃料排放性能試驗研究[J].內燃機，2009,6：43-45.

　　[2] 范焱虎. 三種生物柴油理化性能指標對比分析及柴油機試驗研究[D].云南農業大學碩士論文，2011(6).

　　[3] 玄偉東. 桐油制備生物柴油工藝研究及柴油機性能試驗分析[D].云南農業大學碩士論文，2009(6).

　　[4] 孟祥梅.廢油脂制取生物柴油的工藝優化及發動機試驗[D].天津大學碩士論文,2006(2).