柴油机掺烧桐油制备生物柴油的动力性和经济性

柴油机掺烧桐油制备生物柴油的动力性和经济性

张天顺;张汝坤;玄伟东;范焱虎

【摘要】在ZX195型直喷式柴油机上进行了桐油制备的生物柴油和石化柴油不同配比的混合燃料试验研究.试验结果表明:在不对柴油机做任何调整的情况下,燃用B10和B20的桐油生物柴油对发动机动力性和经济性影响不大;燃用B50和B100的生物柴油时,动力性和经济性下降明显,其功率下降11%,油耗增加35%左右;综合考虑发动机的动力性和经济性,燃用B20较为合适.

【期刊名称】《农机化研究》

【年(卷),期】2011(033)003

【总页数】3页(P227-229)

【关键词】柴油机;生物柴油;桐油;燃烧;动力性;经济性

【作者】张天顺;张汝坤;玄伟东;范焱虎

【作者单位】云南农业大学工程技术学院,昆明,650201;云南农业大学工程技术学院,昆明,650201;上海大学材料科学与工程学院,上海,200072;云南农业大学工程技术学院,昆明,650201

【正文语种】中文

【中图分类】S216

0 引言

能源短缺和环境污染是目前人类社会面临的两大难题，生物柴油以其良好的环保性

能和可再生性得到了世界各国的青睐，开展生物柴油的研究对于能源替代和环境保护都具有十分重要的意义[1-2]。我国生物柴油的研究与开发虽起步较晚，但发展

速度很快,目前已有多家单位介入了生物柴油技术领域的研究和开发，成果涉及到

油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及其加工工艺和设备等各方面[3-4]。

与石化柴油相比，生物柴油具有相对较高的运动粘度，十六烷值高，硫含量以及芳香烃含量低，挥发性低和燃油分子中含氧原子等特点[5-6]，对生物柴油在柴油机

上的应用进行研究和分析，具有重要意义。目前，研究人员对煎炸废油、小桐子油、大豆油、棉籽油、色拉油下脚料等制备的生物柴油在柴油机上的应用进行了研究[7-12]，对桐油目前开展了其制备工艺技术的研究[13-14]，而对于桐油制备的生

物柴油在柴油机上的试验研究还鲜有报道。本研究在不改动和调整发动机的前提下，测试和分析柴油机燃用桐油制取的生物柴油时的动力性和经济性，为柴油机燃用桐油生物柴油提供基础试验依据。

1 试验用燃料及主要实验设备

实验室海拔：1 900m；相对湿度：60%；实验室温度：25℃。

1.1 试验用燃料

试验所用的生物柴油为桐油制备，为了深入地研究生物柴油燃料对柴油机性能的影响，本试验分别选用0，10%，20%，50%和100%(体积比)的5种生物柴油—石化柴油混合燃料(B0，B10，B20，B50，B100)，在不对柴油机做任何调整的情况下，对其动力性、经济性进行测试和分析。

1.2 试验用发动机

试验所用发动机为ZX195型单缸四冲程直喷式柴油机，主要技术参数：

型号：ZX195

型式：直喷

气缸直径/mm：95

活塞行程/mm：115

活塞排量/L：0.815

标定功率/kW：8.82

标定转速/r·min-1：2 000

标定工况燃油消耗/ g·(kW·h)-1：≤251.6

压缩比：17∶1

喷油压力/MPa：14.46±0.49

供油提前角/(°)：20±1

1.3 试验设备

测量仪器有D-150水力测功机，FC2210智能油耗仪， DSZ-02M数字转速显示

仪等。

2 生物柴油动力性能和经济性能的分析

2.1 生物柴油动力性能的分析

柴油机在全负荷速度特性下，燃用桐油制备的生物柴油对功率的影响如图1所示。从图1中可以看出，柴油机燃用生物柴油后，其动力性略有降低，并且随着生物

柴油比例的不断增加，其功率呈现出整体下降的趋势，但下降幅度不是很大。与石化柴油(B0)相比，燃用B10和B20生物柴油时，在低速下，功率下降非常小，几

乎没有明显变化；但在中高速的条件下，其功率下降开始变得明显，最大可达

5.6%。由此可见，燃用B10和B20的生物柴油在柴油机动力性方面相差不大；燃用B50和B100的生物柴油时，其功率下降明显，其中B100生物柴油下降最多，比石化柴油(B0)下降11%左右。笔者认为主要原因是生物柴油热值比石化柴油热

值低，在不对柴油机做任何调整的情况下，单位体积内供油量保持不变，而在同体积内，生物柴油的热值低，燃烧释放的能量低，导致功率下降。所以燃用生物柴油后，柴油机动力性下降，并且随着生物柴油比例的不断增加，功率下降越多。

图1 100%负荷不同配比的桐油生物柴油的功率对比Fig.1 Power comparison of different tung biodiesel blends at full load of engine

柴油机在全负荷速度特性下，燃用桐油生物柴油对扭矩的影响如图2所示。燃用

B10的生物柴油在最大功率点(2 000r/min)处的输出扭矩由31.6N·m降低到

30.0N·m，降幅约4.8%；最大输出扭矩由33.2N·m降到32.3N·m，降幅约2.7%。燃用B20的生物柴油在最大功率点(2 000r/min)处的输出扭矩由31.6N·m降低到29.8N·m，降幅约5.3%；最大输出扭矩由33.1N·m降到31.7N·m，降幅约4.5%。由此可见，掺烧B10和B20的生物柴油在动力性方面相差不大，但随着生物柴油掺烧比例的增加，柴油机的动力性能越来越差。其中，燃用B100的生物柴油在最大功率点(2 000r/min)处的输出扭矩由31.6N·m降低到27.9N·m，降幅达到了11.7%，最大输出扭矩由33.1N·m降到28.6N·m，降幅约13.6%。这主要是生物柴油的低热值比石化柴油低，在柴油机不做任何改变的情况下，导致输出扭矩和功率的下降。

图2 100%负荷不同配比的桐油生物柴油的扭矩对比Fig.2 Torque comparison

of different tung biodiesel blends at full load of engine

2.2 生物柴油经济性能的分析

在ZX195柴油发动机上燃用不同配比的桐油生物柴油与石化柴油混合燃料及纯柴油，在100%负荷下，不同转速有效燃油消耗率试验结果如图3所示。

图3 100%负荷不同配比的桐油生物柴油的有效燃油消耗率对比Fig.3 Fuel consumption comparison of different tung biodiesel blends at full load of engine

由图3可以看出，随着生物柴油比例的增加，燃油消耗率呈上升趋势，在低转速

时增加最小，在高转速时差距有所增大。满负荷时B10燃料燃油消耗率比石化柴

油增加12.6%，B20燃油消耗率较石化柴油增加了3.5%～16%，B50和B100的