1、生物柴油乳化试验研究资料生物柴油乳化试验研究蒋小燕，王银山（天津职业技术师范大学 汽车与交通学院，天津 300222）摘要:进行生物柴油乳化试验，制备复配乳化剂，用显微镜观察颗粒直径大小并在YC4F100-20发动机上进行燃烧排放性能试验研究，最终选出较好的的生物柴油乳化比例。做台架试验时，扭矩始终保持在70 Nm，转速从1200r/min提高到2000r/min，记录相应数据作动力性、经济性以及排放性能曲线图,对比分析，探讨影响YC4F100-20发动机性能的因素。试验结果表明：乳5的稳定性和颗粒直径大小较好;在中低转速时，乳2.5和乳5的功率与B100基本相同; 燃油消耗率方面，乳2.5和
2、乳5均比B100有所增加，但换算等热值燃油消耗率，乳2.5和乳5总体比B100降低；乳2.5和乳5均比B100的HC排放要多，乳2.5和乳5的CO排放明显降低，乳2.5和乳5的NOx排放均比B100有所增加。综合考虑乳化效果和在YC4F100-20发动机的动力性、经济性和排放性能，乳5为较好的实际应用比例。关 键 词：生物柴油；乳化试验；发动机性能中图分类号：TK417 文献标识码：A Experimental study on emulsified biodieselWU Ze-xu,WANG Yin-shan,Hou Guo-qiang ( School of Automotive and
3、 Transportation ,Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222,China)Summary :Biological diesel oil emulsification experiment was carried out，distribution of emulsifier was prepared, With a microscope particle diameter size and Combustion emissions performance test research was cond
4、ucted on YC4F100-20 engines, finally choose the better proportion of biological diesel oil emulsification. When doing bench test, torque always stay in 70 N, m, speed increased from 1200 r/min to 2000 r/min, record the corresponding data for performance, fuel economy and emission performance curve,
5、comparative analysis, discusses the factors influencing YC4F100-20 engine performance. The results showed that the milk has good stability and particle diameter size 5; At low speed, the breast milk 2.5 and 5 power and B100 and basically the same; Specific fuel consumption, milk and milk 2.5 5 than
6、B100 increased, but the conversion calorific value fuel consumption rate, such as milk and milk 2.5 5 overall than B100 reduce; Milk and milk 2.5 5 HC emissions more than B100, milk and milk 2.5 5 CO emissions significantly decreased, the breast milk 2.5 and 5 NOx emissions than B100 has increased.
7、Considering the emulsifying effect and in YC4F100-20 engine performance, fuel economy and emission performance, milk 5 for better practical application. 前言生物柴油可以与柴油混合或直接应用于柴油机，是一种极有前途的代用燃料1。生物柴油所含的双键数目少，分子中含氧量较高，没有含碳支链或支链数目少，燃烧特性较好。生物柴油的十六烷值、闪点、含氧量较高,硫含量较低,燃用生物柴油可以有效降低CO,HC和炭烟排放,但会引起NOx排放少量增加2。由于碳含量
8、很高，所以纯生物柴油黏度比较高，在使用中不易充分燃烧，容易产生一氧化碳、碳氢化合物等，而且黏度偏大也会增加发动机的负荷。综上所述，为了解决柴油机燃用生物柴油排放增加的问题，本文中采用乳化技术，制备乳化生物柴油，实现柴油机燃用代用燃料，同时降低碳烟和的目的。1 乳化试验研究1.1 乳化剂的制备和选择本文乳化试验主要是观察乳化液从稳定到析出，再到最终分层的过程变化;观察并记录在其之间变化的现象和时间，通过最终分层经过的时间长短确定乳化液的稳定性。时间越长证明稳定性越好3。根据查阅以往论文资料以及经验，本实验共采用几种复配乳化剂， 如表1所示。表1 复配乳化剂理化性质Table 1 distribu
9、tion of emulsifier physical and chemical properties复配乳化剂配比体积（ml）HLB值乳化液外观稳定时间司班80+吐温801:35.0乳白色粘稠状3.5h油酸+氨水1:17.0乳白色粘稠状2.5h甲醇+正丁醇2:15.0澄清透明浅橙色2.5h甲醇+乙醇3:156.0乳白色粘稠状6h甲醇+油酸1:14.0澄清透明淡黄色2h甲醇+吐温805:14.0澄清透明淡黄色2h司班80+吐温80+甲醇1:3:15.0乳白色粘稠状3h油酸+氨水+甲醇1:1:16.0乳白色粘稠状2.5h油酸+氨水+正丁醇2:2:16.0乳白色粘稠状2.5h吐温80+甲醇+正丁醇
10、4:10:16.0澄清透明淡黄色2h实验仪器：广口瓶；烧杯；量筒；温度计；玻璃棒；滴管。实验方法：定量复配乳化剂体积为配比比例1的系数，比如司班80+吐温80，司班80体积为1ml,吐温80体积为3ml，各实验生物柴油体积均为40ml；设定本实验水浴温度为30，将装有生物柴油的烧杯静置在水浴中10分钟；将复配好的乳化剂加入生物柴油,倒入烧杯中搅拌乳化，并加入适量的纯净水，当溶液刚变浑浊时记录加水量；观察各个溶液分层时间并记录整理。由于实验图片较多，仅举二组实验为例。下图1为油酸+氨水乳化液实验图片。（a）水浴后溶液 （b）静置2.5h后溶液图1 乳化液静置前后对比Fig.1 Emulsion
11、before and after standing可以明显发现，经过2.5h静置后，复配乳化液发生了分层，其中上层为生物柴油，下层为油酸和氨水。（a）水浴后溶液 （b）静置6h后溶液图2 乳化液静置前后对比Fig.2 Emulsion before and after standing上图2为甲醇+乙醇试验图片，可以观察到静置6h后乳化液仍没有明显分层现象，乳化效果较好。分析原因：油酸和氨水均为阴离子表面活化剂，与生物柴油-水体系不匹配，其复合乳化剂的乳化能力不够，不能有效降低生物柴油-水体系交界处的界面张力。甲醇中含有50%的氧,汽化潜热比柴油的要高，约为3.6倍,具有同时降低柴油机炭烟和N
12、Ox排放的潜力。乙醇是一种很好的燃料和助乳剂，可以更好的改善油-水界面的性能,乳化生物柴油稳定性得以提高。在生物柴油里添加醇类燃料,可以利用醇类燃料密度小、黏度低的特点,改善生物柴油的喷雾特性,提高燃料的含氧量和汽化潜热,抑制炭烟和NOx的生成。而水在柴油机缸内汽化吸热，降低燃烧的峰值温度和局部高温，也抑制了碳烟和NOx的生成4，国内外的研究表明，在生物柴油乙醇体系中添加一部分水，能够使生物柴油燃烧更充分。故在以下的实验中，将利用甲醇、乙醇和水一定比例复配乳化剂的效果。1.2 乳化粒度分析油包水液滴粒径大小是影响生物柴油乳液稳定性的重要因素，乳液的粒径越小，分布越均匀，越有利于乳液的稳定。本文
13、用一台显微镜观察（如图3所示）分析乳化剂颗粒直径大小。试验设备：三目生物显微镜XSP-BM8A型，放大倍数为40X-1000X。图3 三目生物显微镜Fig.3 Trinocular biological microscope根据资料知道，乳化油含水量最好限制在10%以内，因为乳化时添加过多会对燃料的十六烷值、热值及着火燃烧特性造成影响；但若添加过少，则达不到乳化油有效利用的效果。故本试验选取3种试剂作对比分析研究，第一种为100%生物柴油（BD100），第二种为掺水量2.5%的乳化油（生物柴油40ml,甲醇3ml,水1.5ml,乙醇15ml）,第三种为掺水量5%的乳化油（生物柴油40ml,甲醇
14、3ml,水3ml,乙醇15ml）。将这三种试剂分别进行显微镜观察，记录数据。显微镜观察如下图4-6所示。图4 生物柴油400倍显微图片Fig.4 Biodiesel 400 times micrographs 图5 含水2.5%乳化油400倍显微图片Fig.5 2.5% emulsified oil 400 times microscopic images图6 5%含水乳化油400倍显微图片Fig.6 5% emulsified oil 400 times microscopic images由显微镜观察图片可知，纯生物柴油为颗粒状分布，大小不一，部分融合在一起。2.5%含水乳化油和5%含水乳
15、化油均为细胞状分布，单个存在，较为均匀，为油包水结构。相比于2.5%含水乳化油，5%含水乳化油颗粒直径小一些，均在10m以内，且分布更加均匀，乳化效果较好。通过乳化研究分析，本论文选取含水量2.5%乳化油（水：甲醇：生物柴油：乙醇为1.5:3:40:15，简称乳2.5）和5%的乳化油（水：甲醇：生物柴油：乙醇为3:3:40:15，简称乳5）试剂和生物柴油（简称B100）进行下一阶段发动机台架试验。2 台架试验条件及方法本试验用的为广西玉柴机器集团生产的YC4F100-20柴油机，结构形式为立式直列、四缸、水冷、四冲程。吸气方式为增压中冷，主要性能参数：排量2.660L，气缸直径92mm ,压缩
16、比17.5:1,标定功率75kw，额定功率转速3200rmin-1，最大扭矩245Nm。 本试验测试所用的仪器设备：（1）发动机数控系统FST2E； （2）电涡流测功机CW160；（3）发动机废气分析仪AVL-4000；（4）油耗仪FCMM-2；（5）发动机冷却液恒温控制装置。所用的试验量具： 量筒:最大量程 1000ml 最小量程 10ml 烧杯:最大量程 500ml 最小量程 25ml试验工况的确定：对几种燃料分别进行了1200r/min，1400r/min，1600r/min，1800r/min和2000r/min下的负荷特性实验和30Nm，50 Nm，70 Nm,90 Nm和极限负荷下
17、的速度特性试验。由于篇幅所限，仅取70 Nm负荷下的燃烧排放数据作曲线分析。试验条件要求：确保发动机始终在70 Nm 负荷下进行速度特性试验研究；每次试验确保发动机运行到正常工作温度（出水温度在655，机油温度在805）；每次试验其它发动机性能参数均不再做调整，确定工况稳定后再进行试验。试验中，YC4F100-20发动机机依次燃用生物柴油、乳2.5和乳5，试验点转速选取前文提及的5个测量点，进行燃烧排放测试 。本试验对发动机排出的尾气，用AVL-4000排放分析仪进行检测分析,准确记录试验数据。这3种燃料均试验3次，最终数据取3次数据平均值，整理数据绘制曲线图。3 台架试验结果与分析3. 1
18、动力性与经济性分析图7 70Nm时三种乳化液的功率对比Fig.7 When 70N m power comparison of three emulsion由上图可以看出，随着转速的不断提高，乳2.5和乳5燃料的功率基本和B100一致，差别不大。这是因为乳2.5和乳5燃料的密度均大于 B100，在不改变发动机参数( 如油泵齿条位置) ，且乳2.5和乳5燃料的运动粘度和表面张力与B100接近的情况下，使得每循环喷油量上升，一定程度上弥补了燃料的低热值5; 又由于乳2.5和乳5燃料含有甲醇、乙醇和水，造成十六烷值较低，且甲醇乙醇汽化潜热大，使得滞燃期延长，产生的可燃混合气增多，预混燃烧阶段的放热率
19、上升; 乙醇沸点较低，利于燃料汽化，改善雾化质量，且含水的乙醇的掺混扩大了乳2.5和乳5燃料在燃烧过程中的微爆效应，故可以促进燃烧，提高燃烧压力，虽然燃烧滞后，但预混和扩散燃烧速度相比B100均有提高，燃烧持续期缩短6，最终导致乳2.5和乳5的功率与B100基本持平。由于乳2.5和乳5与B100的热值差别较大,仅仅采用燃油消耗量考察燃料经济性是不合适的,为此,引用等热值能量消耗率BSEC(Brake SpecificEnergy Consumpation)来进行对比分析7。 式中：BSFCe为等热值有效燃油消耗率；BSFCa为实际有效燃油消耗率；Vg、Vm、Vn分别为生物柴油、甲醇、乙醇的体积
20、分数含量；Hg、Hm、Hn分别为生物柴油、甲醇、乙醇的的低热值； 、分别为生物柴油、甲醇、乙醇的的密度。由于原理和趋势基本相同，仅作一例70Nm时等热值能量消耗率曲线图。图8 70Nm时三种乳化液的燃油消耗率对比Fig.8 When 70N m the rate of fuel consumption comparison of three emulsion从图中数据对比可以得出,与B100相比，乳2.5和乳5燃料的等热值燃油消耗率总体降低，且乳5与乳2.5相比，排放量差别不大。分析原因：（1）由于甲醇和乙醇均为含氧燃料,氧元素在燃烧过程中起到助燃作用,因此随着转速的增加,乳2.5和乳5燃料的
21、等热值能量消耗率逐渐降低。（2）本文研究的乳化油是油包水结构形态，其在燃烧过程中由于微爆效应造成了二次雾化，油滴与空气的接触面积得以增加，使燃烧效率得到提升。（3）乳2.5和乳5都含有一定量的水，在高温高压环境中水发生一系列的附加化学反应，产生的活性物质如H，O和OH等会促进燃烧过程，从而提高了能量的传递速率，使得燃烧更充分，热效率得到提高8。考虑到乳5和乳2.5功率和等值燃油消耗率差别不大，乳5中水的含量更多，故乳5的动力性和燃油经济性是比较好的。3.2 常规排放分析3.2.1 HC排放 图9 70Nm时三种乳化液的HC排放对比Fig.9 When 70N m HC emissions co
22、mparison of three emulsion1)从图9我们可以看出，发动机在燃用三种燃料时，对HC排放的影响是不同的。随着转速的不断提高，三种燃料的HC排放逐渐变多，并且乳2.5和乳5均比B100的HC排放要多。这是因为乳2.5和乳5均含有一定量的乙醇，一般在低负荷时，由于喷油量少，混合气较稀，缸内温度低，壁面淬熄效应明显，HC 主要产生在稀燃火焰熄灭区。此时，乙醇较高的汽化潜热、较好的低温蒸发性和较差的着火性能都使得混合燃料的 HC 排放浓度更高。2) 由上图可看出，随着负荷的继续增大，乳2.5和乳5的HC排放又有了明显的提高。这是因为负荷较大时，喷射时循环变动增大，混合气形成速度降
23、低，乳2.5和乳5含有的甲醇与空气混合质量变差。使燃烧室出现某处混合气过浓或过稀，造成混合气燃烧不完全产生HC。因此会造成HC排放的增加9。3.2.2 CO排放 图10 70Nm时三种乳化液的CO排放对比Fig.10 When 70N m CO emissions comparison of three emulsion由图10可见，随转速的不断提高，相比于B100，乳2.5和乳5的CO排放明显降低。分析原因：1）这是因为CO的生成主要是燃油混合气过浓，燃烧时氧气相对不足，燃油中的碳不能与足够的氧结合即燃料没有完全燃烧而产生的。而乳2.5和乳5中甲醇和乙醇的含氧量高,甲醇的着火界限宽,在燃烧过
24、程中有自供氧效应。燃烧较为均匀和完善, 而且甲醇和乙醇的含碳量又比生物柴油低，这从理论上减少了C0的生成条件。2）随负荷的增加，三种燃料的CO排放均有所提升。这是因为进入大负荷工作状态后，过量空气系数较小，导致 CO 浓度上升。3.2.3 NOx排放 图11 70Nm时三种乳化液的NOx排放对比Fig.11 When 70N m NOx emissions comparison of three emulsion 1）由上图11可见，发动机在燃用三种燃料时，乳2.5和乳5的NOx排放均比B100有所增加。这是因为乳2.5和乳5中含有的甲醇和乙醇都是富氧燃料，而NOx的生成条件就是高温、富氧、长
25、时间燃烧时形成的。这增加了NOx的生成条件。虽然乙醇的加入降低了混合气温度,但乙醇的高含氧量使得燃烧在富氧条件下进行,增大了NOX的排放10.2）从图中我们可以看出随转速的提高，乳2.5和乳5的NOx的排放在不断的降低。乳化油可燃混合气的焰前反应时间延长，使燃料和空气的混合更均匀。由于水的加入，降低了混合气的浓度。微爆效应提高了混合气的均匀度，减少了局部富氧现象，缩短了燃烧持续期和高温持续时间，从而减少了 NOX的生成和排放量。4 结论通过进行生物柴油乳化试验和台架试验，可以得到以下结论：（1）在乳化试验中，甲醇+乙醇复配乳化剂保持乳化液稳定性最好，显微镜观察下，乳5的颗粒分布比较均匀，颗粒直
26、径较小；（2）在台架试验中，乳2.5和乳5的功率与B100基本一致，即动力性相差不大。燃油消耗率方面，乳2.5和乳5均比B100有所增加，但换算等热值燃油消耗率，乳2.5和乳5总体比B100降低。（3）在台架试验中，乳2.5和乳5均比B100的HC排放要多，乳2.5和乳5的CO排放明显降低，乳2.5和乳5的NOx排放均比B100有所增加。（4）综合考虑乳化效果和在YC4F100-20发动机的动力性、经济性和排放性能，乳5为较好的实际应用比例。参考文献：1 汤湘华，李雪峰，罗艳托,等.国内车用替代燃料的发展现状及展望J.石油规划设计，2012， 03： 15-18： 40-42.1 Tang X
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