文|艺海探秘
编辑|艺海探秘
前言
由于石油化石燃料供应减少和二氧化碳排放的问题，石油燃料变得越来越不适合使用。能源消耗随着经济增长、人口增长和车辆销量快速上升而迅速增加。在埃及，国内石油消耗在过去十年中增长了30%（从2003年的每日540桶增加到2013年的每日757,000桶）。
植物油因其可再生来源、可生物降解性、无毒性、排放较少以及可单独使用或与石油柴油混合使用的特点，受到了极大的关注。使用植物油驱动柴油发动机会产生一些问题，例如燃油喷嘴的雾化和喷射受到影响，因为植物油具有较低的挥发性、较高的粘度、分子量和密度。
通过酯交换反应将植物油改性，以生产改性柴油燃料，可以改善这些性质。 生物柴油是一种适用于柴油发动机的替代燃料，只需进行少量改装即可满足生物柴油发动机的需求。
棕榈甲酯是通过碱催化的酯交换过程制得的。将甲醇（占油量的25%体积比）和1%（占油量的1%重量比）的氢氧化钾（KOH）与棕榈油反应，在60℃下搅拌2小时，搅拌速度为1000转/分钟。
在12小时后，生物柴油从甘油中分离出来。用蒸馏水去除生物柴油中的杂质和甘油。将50%（体积比）的蒸馏水在60℃下喷洒到酯类中，并轻轻摇动几次，直到生物柴油的pH值为中性。使用旋转蒸发器在真空蒸馏下，将水和甲醇从生物柴油中去除，温度为65℃，持续1小时。
用无水硫酸钠干燥生物柴油3小时，并使用滤纸过滤。将生物柴油的密度、粘度、热值和闪点与柴油燃料进行了比较。生物柴油的闪点高于柴油燃料，因此生物柴油比柴油燃料更安全。生物柴油的密度和粘度高于柴油燃料，可能导致喷雾特性不良。
许多研究表明， 生物柴油能够减少废气排放中的二氧化碳（CO）和未燃烧碳氢化合物（HC），但对于氮氧化物（NOx）的排放会有所增加。同时还观察到使用生物柴油时，发动机的输出功率和机械效率下降，燃料消耗增加。
一、材料和方法
1.1.燃料特性
柴油和棕榈油是从埃及当地市场购买的。无水甲醇（99.8％）、酸性酸和氢氧化钾（97％）的纯度由化学供应商提供。所有使用的化学品都是分析纯。
酯交换反应是在装有回流冷凝管、温度计和磁力搅拌器的锥形烧瓶中进行的。首先将棕榈油装入烧瓶中，并加热至65摄氏度。将氢氧化钾（KOH）作为催化剂溶解在甲醇中。然后将得到的溶液加入搅拌的烧瓶中，并计时反应（2小时）。然后将混合物放置在分离漏斗中，分离出甘油层。
用含5％酸性酸的温水洗涤甲酯两次，然后用水洗涤。通过真空蒸馏仪在80摄氏度下，将剩余的甲醇和水从生物柴油中分离出来。然后将棕榈油甲酯在100摄氏度下干燥。
混合是通过将棕榈油或棕榈油甲酯加入柴油中，在低搅拌速度下搅拌20分钟，并在使用前达到平衡。棕榈油或棕榈油甲酯按体积比例不同地加入柴油中，比例为20％。密度、运动粘度、闪点和热值的测量结果如表1所示。
表1
1.2.实验设置和方法
实验方案使用了一台单缸、四冲程、风冷、直喷、自然吸气、恒定压缩比的柴油发动机，功率为5.775千瓦，转速为1500转/分钟，在埃及国家研究中心的发动机研究实验室进行。发动机的技术规格见表2 ，实验布置的示意图如图1所示。
表2
最大输出电功率为10.5千瓦的交流发电机配备了负载控制器和其他辅助设备，直接连接到测试发动机，以确定发动机的输出制动功率。进气流量通过安装在气箱侧面的锋利边缘孔进行测量，与发动机进气口相连，以减弱进入发动机的脉动气流。
U型管压力计用于测量孔口的压力降。采用校准的K型热电偶探头对实验装置中不同位置的温度进行测量，包括进气歧管和排气气体。使用转速测速仪测量曲轴的转速。
图1
两个容量为10升的燃料箱安装在面板的后侧，用于存放燃料，位于最高位置。面板的前侧安装了一个带有止水阀和双向阀的分液漏斗，用于燃料流量测量和柴油和生物柴油之间的选择。
MRUDELTA1600-V气体分析仪用于测量各种排气气体排放物，如CO、HC和NOx。实验通过在整个实验过程中保持恒定的额定转速1500转/分钟，改变发动机负荷从零负荷变化到满负荷来进行。在进行测试之前，所有设备均按照各自制造商的规格进行了校准。
图2
二、结果与讨论
2.1.生物柴油混合物对比燃料消耗的影响
图2显示了柴油、生物柴油（B100）、柴油-棕榈生物柴油混合物（B20）和柴油-棕榈油混合物（PO20）的燃料消耗与发动机负荷的变化。由于棕榈生物柴油和棕榈油的低热值与柴油相比较低，生物柴油和油混合物的燃料消耗高于柴油燃料。随着混合到柴油燃料中的生物柴油或油的比例增加，燃料消耗也相应增加。
这是因为棕榈生物柴油和油混合物的低热值低于柴油燃料。在生物柴油、棕榈油及其与柴油混合物的情况下，为了发展相同的功率，柴油发动机需要比柴油燃料更多的燃料。在满负荷下，柴油、B20、B100和PO20的比燃料消耗分别为0.28、0.316、0.346和0.325千克/千瓦每小时。
图3
2.2.生物柴油混合物对热效率的影响
图3显示了与纯柴油相比，生物柴油混合物（B20、B100）和油混合物（PO20）的热效率。在所有负载下，生物柴油混合物B20和B100的热效率略低于柴油燃料。与柴油燃料相比，棕榈油混合物PO20、B20和B100的热效率也略低。
生物柴油混合物和油混合物的热效率下降是由于其相对于柴油燃料具有较低的热值、较高的密度、较高的粘度和不良的挥发性，导致燃烧特性较差。在满负荷下，柴油、生物柴油混合物B20、B100和油混合物PO20的热效率分别为28.7%、27.7%、24.7%和26.8%。
图4
2.3.生物柴油混合物对排气温度的影响
图4显示了生物柴油B100、生物柴油混合物B20和油混合物PO20在不同负载下的排气温度变化情况。所有燃料的排气温度随着负载的增加而增加。生物柴油混合物和油混合物的热效率降低导致排气中热量损失增加。这可能是由于为满足更高的负载需求，燃烧更多的燃料导致发动机缸内温度升高。
随着负载的增加，排气中的热量损失也增加。 由于燃烧特性较差，相对于石化柴油，生物柴油和油混合物的整个负载范围内的排气温度较高。在满负荷下，柴油、生物柴油混合物B20、B100和油混合物PO20的排气温度分别为302℃、312℃、371℃和322℃。
图5
2.4.生物柴油混合物对空燃比的影响
图5显示了柴油、B20、B100和PO20在不同负载下的空燃比变化情况。随着负载的增加，所有测试燃料的空燃比由于燃料消耗增加而降低。由于生物柴油含量的增加，B20、B100和PO20的空燃比低于柴油燃料。
柴油-棕榈油混合物PO20的空燃比低于柴油燃料。然而，棕榈生物柴油、棕榈油及其混合物中的氧含量导致空燃比在从零负载到满负载时略微降低，相比之下，空燃比低于柴油燃料。在满负荷下，柴油燃料、B20、B100和PO20的空燃比分别为24.3、21.5、19和21。
图6
2.5.生物柴油混合物对CO排放的影响
图6显示了随着发动机制动功率的增加，CO排放量的减少。生物柴油混合物CO排放的减少是由于与柴油燃料相比，生物柴油混合物中含有更多的氧分子和较低的碳含量，从而导致更好的燃烧。
B20、B100和PO20的CO排放减少是由于生物柴油混合燃料分子结构中含有氧，有助于更好的燃烧，从而减少CO排放[13,21,23]。在满负荷运行时，柴油燃料、B20、B100和PO20的CO排放分别为0.1%、0.062%、0.054%和0.075%。
图7
2.6.生物柴油混合物对NOx排放的影响
图7显示了生物柴油及其与柴油混合物的NOx排放与柴油燃料的关系。随着发动机负载的增加，所有测试燃料的NOx排放增加，这是由于燃烧的燃料量增加和缸内温度升高，导致热（Zeldovich）NOx形成。生物柴油的绝热火焰温度略高，这是由于其氧含量较高，从而导致NOx排放量较高。
柴油发动机中NOx排放的生成速率取决于火焰温度，与峰值缸压密切相关。B20、B100和PO20的NOx排放增加是由于其氧含量较柴油燃料更高。氮氧化物排放量随着生物柴油和油在生物柴油和油混合物中的百分比增加而增加。在满负荷运行时，柴油燃料、B20、B100和PO20的NOx排放分别为174ppm、190ppm、285ppm和301ppm。
图8
2.7.生物柴油混合物对HC排放的影响
图8显示了不同生物柴油和棕榈油混合物的HC排放随发动机制动功率的变化。HC排放在发动机部分负荷时较低，并随着负荷增加而增加。这是由于由于缺乏氧气而导致的燃料富集混合物的存在。高含氧量导致高负荷时的较低HC排放。
相对于柴油燃料，棕榈生物柴油混合物B20和B100在所有负载下的HC排放略有降低。与柴油燃料相比，PO20在所有负载下的HC排放增加，这是由于棕榈油的黏度较高。增加生物柴油的含量可降低生物柴油混合物的HC排放，这归因于更高的十六烷值。
将生物柴油添加到柴油燃料中增加了氧含量，从而实现更好的燃烧，从而降低了HC排放。在满负荷运行时，B20、B100、PO20和柴油燃料的HC排放分别为39ppm、30ppm、48ppm和45ppm。
三、结论
本研究在单缸柴油发动机中使用了棕榈油和棕榈油甲酯混合物B20、B100和PO20进行试验。在1500转/分钟的恒定发动机转速下，测量了1、2、3和4千瓦的发动机负荷下的性能和排放情况。测量了比燃料消耗、热效率、排气温度和空燃比。记录并与纯柴油燃料进行了CO、NOx和HC排放的对比。下面是一些结论：
①棕榈生物柴油和油混合物与柴油相比，热效率较低，比燃料消耗较高。
②对于整个发动机负荷，生物柴油和油混合物的排气温度高于柴油燃料。在满负荷运行时，柴油燃料、B20、B100和PO20的排气温度分别为302°C、312°C、371°C和322°C。
③柴油-棕榈生物柴油混合物（B20、B100）和棕榈油混合物（PO20）的空燃比低于柴油燃料。
④与传统柴油燃料相比，CO和HC的排放减少。
⑤NOx排放相对于传统柴油燃料有所增加。在满负荷运行时，柴油燃料、B20、B100和PO20的NOx排放分别为174ppm、190ppm、285ppm和301ppm。
本研究的结果表明，使用棕榈油甲酯与柴油混合物（最高混合比为20%）在柴油发动机中的性能和排放是合理的。
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