生物柴油地方標準制定的發(fā)動機臺架及整車性能試驗研究

1、102/110畢業(yè)論文題 目： 基于B20生物柴油地點標準制定的發(fā)動機臺架及整車性能試驗研究 姓 名： 學 號： 班 級： 學 院： 交通工程學院 專 業(yè)： 車輛工程 指導老師： 日 期： 2012年3月19日-2012年6月14日 Kunming Graduation ProjectTITLE: To develop local standards based on the B20 bio-diesel engine bench and vehicle performance test NAME: Yang Rui Student Number: 200810603114 Class: 20

2、08 Institute: Traffic Engineering Institute Specialty: Vehicle Engineering Guide Teacher: Shen Ying Gang DATE : March,19,2012 - June,14,2012 基于B20生物柴油地點標準制定的發(fā)動機臺架及整車性能試驗研究 摘要本文用石化柴油、B20地溝油生物柴油、B20橡膠籽生物柴油和B20小桐子生物柴油為燃料，以昆明云內動力股份有限公司生產的D19TCI高壓共軌電控增壓柴油機為研究機型進行了發(fā)動機臺架試驗并以搭載D19TCI高壓共軌電控增壓柴油機的東風輕卡為研究車型進行了

3、整道路性能試驗。通過試驗研究對發(fā)動機機和整車燃用不同原料來源的B20生物柴油的動力性、經(jīng)濟性和排放性能作出分析評價，從而為云南省B20生物柴油地點標準的制定提供科學依據(jù)。研究表明，與燃用石化柴油相比燃用B20生物柴油后發(fā)動機機的動力性略有下降，但幅度不大；B20生物柴油的油耗總體上比石化柴油要低；柴油機在各個轉速下的煙度均有一定程度的降低，但由于富氧特性導致NOx的排放比石化柴油高；樣車燃用生物柴油后動力性和最高車速有所降低，直接檔加速性能得到改善。生物柴油作為一種新的替代燃料，按2:8的比例摻燒，差不多能夠達到柴油機在實際工作中的各種工況要求。關鍵詞：發(fā)動機 B20生物柴油 臺架性能試驗 整

4、車性能試驗To Develop Local Standards Based on the B20 Bio-Diesel Engine Bench and Vehicle Performance TestAbstractThis paper we use Mineral diesel, B20 waste oil biodiesel, B20 rubber seed biodiesel and B20 jatropha biodiesel fuel, and Yun nei production D19TCI High Pressure Common Rail turbocharged dies

5、el engine for the research modelsthe engine test bed and research models equipped D19TCI High Pressure Common Rail turbocharged diesel engine, Dong feng light truck entire road performance test. Fueled with B20 biodiesel of different raw material sources of power, economy and emissions performance e

6、ngine and vehicle through the pilot study to analyze the evaluation, to provide a scientific basis for the formulation of Yunnan Province B20 bio-diesel local standards.Studies have shown that the fuel compared to petroleum diesel fueled with B20 biodiesel, the power of the engine machine declined s

7、lightly, but not much；B20 biodiesel fuel consumption overall is lower than petroleum diesel；Diesel smoke under various speed, there is a certain degree of reduction result in NOx emissions than petroleum diesel, but due to the oxygen-rich features；Prototype vehicle fueled with biodiesel power and ma

8、ximum speed decreased, direct file acceleration improved performance. Biodiesel as a new alternative fuels, the ratio of 2:8 blended, can achieve the diesel engine in the actual work in a variety of conditions required.Key words:Engine，B20 Biodiesel，Bench test，Vehicle performance test目錄 TOC o 1-3 h

9、z u HYPERLINK l _Toc327534099 第一章 緒論 PAGEREF _Toc327534099 h 1 HYPERLINK l _Toc327534100 1.1 課題研究的背景和意義 PAGEREF _Toc327534100 h 1 HYPERLINK l _Toc327534101 1.2 開發(fā)利用生物柴油的意義 PAGEREF _Toc327534101 h 3 HYPERLINK l _Toc327534102 1.3 國內外研究進展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc327534102 h 4 HYPERLINK l _Toc327534103 1.4 生物柴油在柴

10、油機上的應用 PAGEREF _Toc327534103 h 7 HYPERLINK l _Toc327534104 1.4.1 柴油機替代燃料研究 PAGEREF _Toc327534104 h 7 HYPERLINK l _Toc327534105 1.4.2 生物柴油在柴油機上的應用研究 PAGEREF _Toc327534105 h 8 HYPERLINK l _Toc327534106 1.5 本論文研究內容 PAGEREF _Toc327534106 h 8 HYPERLINK l _Toc327534107 第二章 生物柴油的制備工藝與性質簡介 PAGEREF _Toc32753

11、4107 h 10 HYPERLINK l _Toc327534108 2.1 生物柴油的制取 PAGEREF _Toc327534108 h 10 HYPERLINK l _Toc327534109 2.1.1 直接混合法 PAGEREF _Toc327534109 h 11 HYPERLINK l _Toc327534110 2.1.2 微乳化法 PAGEREF _Toc327534110 h 11 HYPERLINK l _Toc327534111 2.1.3 高溫裂解法 PAGEREF _Toc327534111 h 11 HYPERLINK l _Toc327534112 2.1.4

12、 酯交換法 PAGEREF _Toc327534112 h 12 HYPERLINK l _Toc327534113 2.1.5 生物酶催化法 PAGEREF _Toc327534113 h 13 HYPERLINK l _Toc327534114 2.2 生物柴油的性質 PAGEREF _Toc327534114 h 14 HYPERLINK l _Toc327534115 2.2.1 生物柴油的理化性質 PAGEREF _Toc327534115 h 15 HYPERLINK l _Toc327534116 第三章 柴油機燃用生物柴油的臺架性能試驗 PAGEREF _Toc32753411

13、6 h 18 HYPERLINK l _Toc327534117 3.1 實驗設備 PAGEREF _Toc327534117 h 18 HYPERLINK l _Toc327534118 3.1.1 試驗儀器設備 PAGEREF _Toc327534118 h 18 HYPERLINK l _Toc327534119 3.1.2 試驗用柴油機 PAGEREF _Toc327534119 h 19 HYPERLINK l _Toc327534120 3.1.3 試驗燃料燃料 PAGEREF _Toc327534120 h 20 HYPERLINK l _Toc327534121 3.2 生物柴

14、油調合燃料B20臺架試驗 PAGEREF _Toc327534121 h 20 HYPERLINK l _Toc327534122 3.2.1柴油機燃用B20生物柴油的經(jīng)濟特性研究 PAGEREF _Toc327534122 h 20 HYPERLINK l _Toc327534123 3.2.2 柴油機燃用B20生物柴油的動力性研究 PAGEREF _Toc327534123 h 22 HYPERLINK l _Toc327534124 3.2.3 柴油機燃用B20生物柴油的排放特性研究 PAGEREF _Toc327534124 h 24 HYPERLINK l _Toc327534125

15、 3.2.4 關于三種生物柴油和純柴油的綜合比較 PAGEREF _Toc327534125 h 30 HYPERLINK l _Toc327534126 3.3 本章小結 PAGEREF _Toc327534126 h 32 HYPERLINK l _Toc327534127 第四章 柴油機燃用B20生物柴油的整車性能研究 PAGEREF _Toc327534127 h 34 HYPERLINK l _Toc327534128 4.1 實驗設備 PAGEREF _Toc327534128 h 34 HYPERLINK l _Toc327534129 4.1.1試驗儀器 PAGEREF _To

16、c327534129 h 34 HYPERLINK l _Toc327534130 4.1.2試驗依據(jù) PAGEREF _Toc327534130 h 34 HYPERLINK l _Toc327534131 4.2 柴油機燃用生物柴油的整車性能研究 PAGEREF _Toc327534131 h 35 HYPERLINK l _Toc327534132 4.3 本章小結 PAGEREF _Toc327534132 h 37 HYPERLINK l _Toc327534133 第五章 全文總結與工作展望 PAGEREF _Toc327534133 h 38 HYPERLINK l _Toc32

17、7534134 5.1全文總結 PAGEREF _Toc327534134 h 38 HYPERLINK l _Toc327534135 5.2工作展望 PAGEREF _Toc327534135 h 38 HYPERLINK l _Toc327534136 總結與體會 PAGEREF _Toc327534136 h 40 HYPERLINK l _Toc327534137 參考文獻 PAGEREF _Toc327534137 h 41 HYPERLINK l _Toc327534138 致謝 PAGEREF _Toc327534138 h 43 HYPERLINK l _Toc3275341

18、39 附錄： PAGEREF _Toc327534139 h 43第一章 緒論1.1 課題研究的背景和意義研究表明，世界每年石油消耗量的50是被以內燃機為要緊動力的各種機動車所消耗。隨著世界機動車工業(yè)的進展，世界的能源消耗越來越多，能源問題日益嚴峻。同時，隨著機動車保有量的增加，機動車排放的尾氣，要緊包括一氧化碳、未燃燒的碳氫化合物、氮氧化合物和微粒等有害氣體，將會越來越多，它們會對人體健康造成嚴峻的威脅。盡管機動車排放的二氧化碳對人體健康無害，但它造成的溫室效應，對大氣環(huán)境造成嚴峻阻礙。近年來，隨著對有限石油資源的認識，人們意識到應減少對其作為要緊能源的依靠，并在全球范圍內加快了對可再生能源

19、的研究，其中生物燃料是專門具潛力的內燃機可再生替代燃料。生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動物脂肪、餐飲廢油等為原料油，通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料，這種燃料可供內燃機直接使用。生物柴油是一種清潔含氧燃料，具有可再生，易于降解，燃燒污染及溫室氣體排放低等特點。中國“十五綱要”已明確提出進展各種石油替代品，并將進展生物液體燃料確定為新興產業(yè)進展方向。生物柴油是一種可再生綠色能源，其適用性研究受到越來越多的關注。對比生物柴油與石化柴油的要緊性能指標，生物柴油要緊有以下的優(yōu)良性能。生物柴油和柴油的理化特性對比如表1-1：(1)具有優(yōu)良的環(huán)保特性。要緊表現(xiàn)在由于生物柴

20、油中硫含量低，從而二氧化硫和硫化物的排放低；生物柴油中不含對環(huán)境會造成污染的芳香族烷烴，因而廢氣對人體損害低于柴油。(2)具有較好的低溫內燃機啟動性能。無添加劑生物柴油的冷凝點達-20。(3)具有較好的潤滑性能。使噴油泵、內燃機缸體和連桿的磨損率降低，使用壽命延長。(4)具有較好的安全性能。由于閃點高，生物柴油相對石化柴油更加安全。因此，在運輸、儲存、使用方面的安全性得到提高。(5)具有良好的燃油性能。十六烷值高，使其燃燒性好于柴油，燃燒殘留物呈微酸性，使催化劑和內燃機機油的使用壽命延長。(6)具有可再生性能。作為可再生能源，與石油儲量不同，其通過農業(yè)和生物科學家的努力，可供應量可不能枯竭。(

21、7)無須改動柴油機，可直接添加使用。有研究表明，在柴油機不作任何改動的情況下，將生物柴油按一定比例與石化柴油調和使用，能夠降低油耗、減少尾氣排放物。表1-1 生物柴油與柴油理化特性對比作為富有潛力的代用燃料，生物柴油以其良好的環(huán)境效應受到越來越多的關注，在歐美等發(fā)達國家生物柴油差不多得到了廣泛的應用，中國作為一個動植物資源豐富的國家，開展生物柴油的各項研究具有特不重要的意義。我國地域寬闊，地區(qū)海拔差異大，高原占我國面積65%以上。隨海拔高度的不同，大氣溫度、濕度及壓力發(fā)生變化，不同程度地阻礙著內燃機的運行性能，云南屬于高原地區(qū)，生物柴油作為含氧燃料在發(fā)動機上使用能夠再一定程度上彌補由于高原地區(qū)

22、氧含量低而造成的燃燒不充分的問題。到目前為止，我國還沒有一部B20生物柴油的國家標準和地點標準，為鏈接我省生物柴油的產業(yè)進展規(guī)劃及應用技術研究，制訂B20生物柴油地點標準，對推動云南經(jīng)濟建設和節(jié)能減排的可持續(xù)進展、生物柴油能源的有效利用、能源結構的調整、減少內燃機有害排放物具有實際意義和戰(zhàn)略意義。同時有利于云南省國民經(jīng)濟和社會進展第十一個五年規(guī)劃、云南省“十一五”高新技術進展規(guī)劃和云南省生物產業(yè)進展規(guī)劃綱要等中關于生物柴油產業(yè)化工作的順利實施。因此，基于的開展發(fā)動機燃用B20生物柴油的臺架性能及整車性能試驗研究可對云南省B20生物柴油地點標準制定提供第一手的科學試驗分析依據(jù)，對高原地區(qū)生物柴油

23、在發(fā)動機上的推廣應用具有重要的現(xiàn)實意義。1.2 開發(fā)利用生物柴油的意義我國地域寬敞、氣候多樣、人口眾多，生物質資源特不豐富。大力開發(fā)利用生物柴油，關于我國經(jīng)濟、社會進展和環(huán)境愛護都具有重大意義。1）保障能源安全，促進經(jīng)濟的可持續(xù)進展生物質資源分布廣、儲量大，能夠再生，可轉化為固體燃料、液體燃料和氣體燃料，大力推廣使用生物質能源，能夠減少石油消耗、降低石油對外依存度、保障國家的能源安全。2）減少污染性氣體的排放生物質及其衍生燃料含氧量高，差不多不含硫，污染性氣體排放量遠小于傳統(tǒng)石化燃料，能夠減少粉塵、酸雨和光化學反應的產生。每利用1萬噸秸稈替代煤炭，將減少SO2排放40萬噸，煙塵排放100噸。3

24、）緩解溫室效應由于生物質是可再生資源，從整個生命周期看，能夠實現(xiàn)碳元素的“封閉循環(huán)”和C02的“零”排放。研究表明采納高效合理的利用方式，生物質總體利用過程中C02的排放比化石燃料小90左右，這關于緩解溫室效應具有重大意義。4）服務“三農”改善農村環(huán)境和農民生活，促進荒山野地的開發(fā)，增加農民收入，促進“三農問題的解決。農作物秸稈除還田、加工成牲畜飼料等外，尚有大量剩余，因此專門多地點盛行“秸稈焚燒”，不但造成資源的白費，還污染環(huán)境，還阻礙到都市生活和交通運輸。通過秸稈的資源化利用，不但增加農民收入，還改善了農民生活條件和農村環(huán)境。大量荒山野地不宜種植農作物，卻能夠用來種植能源植物和林木，不但為

25、能源工業(yè)提供原料，還能夠防風固沙、保持水土。1.3 國內外研究進展現(xiàn)狀1）國外研究進展現(xiàn)狀目前生物柴油運用最多的是歐洲，份額已占到成品油市場的5%。為實現(xiàn)“京都議定書”規(guī)定的目標(2008一2012年間，歐盟將二氧化碳排放量減少8%)，歐盟推出了一系列政策，鼓舞在不適合種植糧食的土地上種植富油脂的農作物來生產生物柴油，一方面增加了種植作物的附加值，另一方面也利用了閑置土地。政府免征生物柴油增值稅，如此也使生物柴油的零售價低于石化柴油。德國擁有生物柴油加油站300多個，生物柴油總生產量達40萬噸。法國差不多在雷諾汽車中進行了生物柴油實驗，10萬km的燃燒證明生物柴油可用于一般發(fā)動機。意大利是目前

26、歐洲生物柴油使用最廣的國家，其生物柴油已用于公交汽車燃料及學校、醫(yī)院等公共場所的供熱燃料。生物柴油在美國的商業(yè)應用始于20世紀90年代初，現(xiàn)已成為該國產量增長最快的替代燃油。1990年美國清潔空氣措施修改法案提出清潔燃料車隊打算，為生物柴油這種優(yōu)良的替代品進人市場提供了政策和法律保證。最近又提出了使生物能源產量在十年內增長3倍的政策。目前美國生物柴油的總生產能力每年超過30萬噸。美國在利用生物技術開發(fā)油料植物方面投人了專門大科研力量，開始通過基因工程方法研究高油含量的植物，美國要緊利用高產轉基因大豆，進展以大豆為原料的生物柴油產業(yè)。生物柴油在美國要緊集中在環(huán)保敏感部門，聯(lián)邦政府是生物柴油的最大

27、用戶，擁有集中加油站的大巴和卡車運輸公司也是生物柴油的要緊消費單位。在產品標準方面，目前以美國材料試驗協(xié)會(ASTM)203年頒布的生物柴油技術規(guī)格ASTMD6751-03作為石化柴油調和組分使用的生物柴油技術標準。日本自1959年起開始研究生物柴油，要緊是以廢食用油為原料生產生物柴油。日本政府已批準生物柴油作為商品燃料由加油站提供，其產品價格低于石油柴油。巴西是世界上最早掌握生物柴油技術的國家之一，巴西科技部在2002年10月制定的目標是:2005年生物柴油的摻和比為5%，到2020年達到20%。其它如韓國、菲律賓、泰國、印度等30多個國家也都在進行生物柴油的研究推廣工作。為了研究阻礙生物柴

28、油的性能和排放特性的因素，國外研究者對生物柴油的研究開展了多方面的研究，眾多的研究結果表明生物柴油作為一種含氧燃料，其本身可直接應用于現(xiàn)有的柴油機，同時也能夠與石化柴油以一定比例混合以后應用于柴油機，能夠減少石化柴油的消耗。 2) 國內研究進展現(xiàn)狀為解決能源節(jié)約、替代和綠色環(huán)保問題，我國早在1984年就開展了菜籽油、棉籽油、烏柏油、木油、茶籽油等植物油生物柴油的試驗研究，近幾年也先后開展了生物柴油的資源調查及發(fā)動機的應用研究，但由于資源等因素制約，生物柴油的應用進展不大。與國外相比，國內對生物柴油在柴油機上的應用和研究起步較晚，近年來，許多研究者對生物柴油進行的研究都要緊集中在生物柴油降低污染

29、物的機理、生物柴油燃燒污染物對植物生命周期的阻礙預測和生物柴油的制取工藝等問題。從2002年到2005年，我國生物柴油產量增加了6萬噸，2005年產量達到約20萬噸。我國第一家具有工業(yè)規(guī)模的生物柴油生產廠家以植物油榨油廠的酸化油腳為原料。當時，酸化油腳的價格在11002300元噸，所產的生物柴油的價格在30003500元噸。在沒有稅收減免、財政補貼的情況下，生物柴油在與常規(guī)柴油競爭的同時實現(xiàn)了盈利。目前我國的生物柴油產業(yè)已呈現(xiàn)民營、外資以及國有大公司共同參與的格局。我國的生物柴油技術現(xiàn)已形成了廢棄油脂和野生樹木種子(包括黃連木、文冠果、麻風樹等)兩大類原料，以常規(guī)酸堿和改性酸堿、固體分子篩等為

30、催化劑的有用工業(yè)技術，以及以脂酶為催化劑和超臨界無催化劑的技術儲備體系。我國生物柴油技術差不多框架見表1-2，較大規(guī)模的生物柴油生產廠的工藝與原料見表1-3。表1-2我國的生物柴油技術表1-3我國要緊的生物柴油生產廠規(guī)模生產廠家規(guī)模，萬噸年原料催化劑工藝組成產品A3以酸化油為主，黃連木為輔固體酸堿酯交換、分離、連續(xù)蒸餾生物柴油、燃料油Bl2中性油與微酸性油脂固體酸與有機無機酸復配酯交換、分離，間歇蒸餾生物柴油、輕質油、燃料油Cl2菜籽油與酸化油有機酸和無機酸復配酯交換、分離脂肪酸，生物柴油能夠看出，我國生物柴油的原料差不多以質量較差的廢棄油脂為主。由于工藝路線短，因此沒有進行甘油處理，只是將甘

31、油作為燃料油出售。由于采納了減壓蒸餾技術，保證了不同的原料包括低質量的原料都能夠生產質量相同的生物柴油，這是我國生物柴油要緊的技術特點，歐美國家的生物柴油沒有該生產工藝。目前我國在以隔油池垃圾為主的高凝點廢棄油脂和野生樹木種子生產生物柴油方面差不多具備系統(tǒng)創(chuàng)新的優(yōu)勢，今后這兩種原料及其相應的轉化技術會成為生物柴油領域的主導技術。然而，由于中國的制造業(yè)相對落后，中國在生物柴油生產設備的現(xiàn)代化方面短時刻內還無法與發(fā)達國家競爭。近10年來我國的汽車工業(yè)快速進展，汽車的銷售量和保有量雙雙大幅上揚。在石油價格一直居高不下的今天，如何利用我國土地資源和生物資源，進行生物柴油的資源開發(fā)，依照市場需求制定合理

32、的進展戰(zhàn)略，搶占生物柴油進展的先機，差不多引起我國各個方面的高度關注，因此生物柴油的開發(fā)應用差不多成為經(jīng)濟和發(fā)動機研究的一個熱點。1.4 生物柴油在柴油機上的應用1.4.1 柴油機替代燃料研究柴油機是1897年由德國工程師狄塞爾發(fā)明的，因此柴油機也被稱作狄塞爾機。柴油機要緊由兩大機構(曲柄連桿機構和配氣機構)和四大系統(tǒng)(燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和起動系統(tǒng))組成。不同于汽油機采納電火花點燃混合燃氣，柴油機為壓縮式內燃機，工作時將燃油以霧狀噴入高壓高溫的空氣中，形成可燃混合氣并自動著火燃燒，燃燒釋放的熱能使燃燒產物急劇膨脹，作用在活塞頂面上，從而推動活塞并通過連桿和曲軸轉換為旋轉運動對外做

33、功。最初發(fā)明時柴油機燃用的燃料為植物油，但植物油粘度高、霧化差、燃燒積炭嚴峻。隨著石油化工技術的進展，柴油以其優(yōu)良的燃料性能專門快取代植物油成為柴油機的要緊燃料。但自20世紀70年代以來，隨著兩次“石油危機的發(fā)生，人們逐漸認識到石油是不可再生資源，總有一天會開采納完，特不是由于汽車排放給環(huán)境帶來了嚴峻的空氣污染，使得提高能源利用率，降低污染物排放成為柴油機領域的燃眉之急。除了通過廢氣蝸輪增壓、柴油直噴技術、廢氣再循環(huán)(EGR)、高壓共軌噴射系統(tǒng)等技術改善柴油機的經(jīng)濟性和排放性外，人們開始把目光轉向尋求能夠取代柴油的、可再生低排放的替代性燃料的研究上來。植物油作為一種生物燃料再次回到了人們的視野

34、。研究表明：在不對柴油機進行結構改動的條件下能夠直接在柴油機上燃用植物油，適當調整柴油機的工作參數(shù)能夠改善植物油的燃燒性能。柴油機燃用植物油熱效率比柴油高，同時能有效地降低NOx和煙度排放1。這是因為柴油機燃用植物油的著火延遲期比柴油短，燃燒反應速率高，累積放熱百分比曲線陡，較多的熱量在上止點附近轉換成機械功，熱效率提高；植物油的熱值低，因此柴油機燃用植物油的最高燃燒溫度比柴油低，從而有效地抑制了NOx的生成；同時，由于植物油中含有10左右的氧，起到了助燃作用，不僅使燃料燃燒較充分，同時使炭煙的裂解傾向減小，從而降低了排放煙度2。但由于植物油的粘度都比較大，約為柴油的10倍左右，存在冷起動難、

35、霧化不良、燃燒不完全等現(xiàn)象，長期使用會造成積炭及潤滑油增稠，以及活塞環(huán)粘結、噴油器結焦、氣門粘滯、輸油管或濾清器堵塞等問題3 4。通過提高植物油溫度或摻入柴油的方式能夠使得燃油的粘度適中。由于植物油的熱值低，故柴油機燃用植物油的燃油消耗率比柴油高。1.4.2 生物柴油在柴油機上的應用研究生物油的組成和理化性質受多個因素阻礙，如原料種類、含水量、反應器類型、反應參數(shù)、產物收集方法等，但不同途徑制得的生物油仍具有一些共同的性質，如水分含量高、含顆粒雜質、粘度大、穩(wěn)定性差、有腐蝕性等5，這與傳統(tǒng)石化燃料(柴油、汽油)有專門大不同，也給生物油用于發(fā)動機帶來了專門多困難。因此，生物油在發(fā)動機上的應用必須

36、考慮這些專門性，從提高生物油品質和對發(fā)動機系統(tǒng)進行結構改造與材料替代兩個方面入手，解決應用中的技術難題。1）直接應用生物油直接用于柴油機是最簡單的途徑。但與柴油相比，生物油的直接應用面臨許多嚴峻的問題：低十六烷值不利于穩(wěn)定燃燒、高粘度難以良好霧化、低pH值導致管路腐蝕、高灰分含量造成磨損等，這些均在不同程度上阻礙柴油機的運行性能。2）加添加劑改性通過添加合適的添加劑(如甲醇或乙醇)，能夠降低生物油的粘度，提高生物油的十六烷值和穩(wěn)定性，改善生物油的霧化性能、點火性能和燃燒性能。1.5 本論文研究內容對以地溝油、小桐籽、橡膠籽為原料制取的生物柴油分不與0#石化柴油摻混后得到的B20生物柴油/柴油混

37、合燃料進行內燃機臺架和整車道路性能試驗，分不對比分析臺架試驗和整車道路性能試驗的動力性、經(jīng)濟性、排放性，為云南省B20生物柴油地點標準的制定提供第一手的科學試驗依據(jù)。具體試驗研究內容如下：1）內燃機臺架性能試驗研究內容對比評價柴油機燃用0#石化柴油和B20生物柴油/柴油混合燃料后的動力性、經(jīng)濟性、煙度及氮氧化合物的排放性能。2）整車道路性能試驗研究內容動力性(最高車速、汽車起步連續(xù)換檔加速性能、直接檔加速性能)、經(jīng)濟性(汽車運行百公里燃料消耗量)和噪聲對比試驗。第二章 生物柴油的制備工藝與性質簡介2.1 生物柴油的制取由于植物油的碳鏈比較長、含不飽和雙鍵多或含支鏈多等緣故，使得其粘度過高，不能

38、被噴油嘴良好霧化，從而導致低溫啟動性能差、著火延遲、燃燒不完全、積炭、噴嘴堵塞和造成潤滑油稀釋或變質等問題，阻礙功率和油耗。通過酯交換反應，能夠生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，達到降低粘度、改善燃燒性能等目的。作為生物柴油生產原料的植物油和動物脂肪通常差不多上具有某種結構特征的脂肪酸甘油AFl，即甘油三酯，含有3個脂肪酸鏈，聯(lián)結于甘油分子骨架上。關于不同的油料，其脂肪酸的碳氫鏈的長度和雙鍵數(shù)目是不同的，表2-1給出了幾種植物油中所含脂肪酸的平均含量。目前美國一般用大豆油作為原料，歐洲一般是菜籽油作為原料，而我國用作原料的多為地溝油。由表中能夠看出，植物油要緊成分是擁有18個碳原子和1-2個雙鍵的油

39、酸(C18:1)和亞油酸(C18:2)。這些油料通常未被直接用做燃料的要緊緣故是其要緊成分脂肪酸甘油酯分子長鏈間的引力大，因此粘度比較高、揮發(fā)度低、且低溫流淌性差，將其加工成生物柴油能夠解決天然油料存在的這些問題。表2-1幾種植物油的脂肪酸含量生物柴油的制備可采納物理法和化學法。其中物理法包括直接混合法和微乳化法，化學法包括高溫熱裂解法和酯交換法。使用物理法能夠降低動植物油的粘度，但積炭及潤滑油污染等問題難以解決;植物油的高溫熱裂解產物更適合作為生物汽油。相比之下，酯交換法是一種更有效的處理方法。2.1.1 直接混合法在生物柴油研究初期，研究人員設想將天然油脂與柴油、溶劑或醇類混合以降低其粘度

40、，提高揮發(fā)度。1983年Amans6等將脫膠的大豆油與2號柴油分不以1:1和1:2的比例混合，在直噴式柴油機上進行600h的試驗。當兩種油品以1:1混合時，會出現(xiàn)潤滑油變渾以及凝膠化現(xiàn)象，而1:2的比例可不能出現(xiàn)該現(xiàn)象，能夠作為農用機械的替代燃料。Ziejewski7等人將葵花籽油與柴油以1:3的體積比混合，測得該混合物在40下的粘度為4.8810-6m2/s，而ASTM(美國材料實驗標準)8規(guī)定的最高粘度應低于4.010-6m2/s，因此該混合燃料不適合在直噴柴油機中長時刻使用。而對紅花油與柴油的混合物進行的試驗則得到了令人中意的結果，然而在長期的使用過程中該混合物仍會導致潤滑油變渾。2.1

41、.2 微乳化法將動植物油與溶劑混合制成微乳狀液也是解決動植物油高粘度的方法之一。微乳狀液是一種透明的、熱力學穩(wěn)定的膠體分散系，是由兩種不互溶的液體與離子或非離子的兩性分子混合而形成的直徑在1一150nm 的膠質平衡體系。Ziejewski等以53.3%的冬化葵花籽油、13.3%的甲醇以及33.4%的丁醇制成乳狀液，在200h的實驗室耐久性測試中沒有嚴峻的惡化現(xiàn)象，但仍出現(xiàn)了積炭和使?jié)櫥驼扯仍黾拥葐栴}。Neuma9等使用表面活性劑(要緊成分為豆油皂質、十二烷基磺酸鈉及脂肪酸乙醇胺)、助表面活性劑(成分為乙基、丙基和異戊基醇)、水、煉制柴油和大豆油為原料，開發(fā)了可替代柴油的新的微乳狀液體系，其中

42、組成為柴油3.160g、大豆油0.790g、水0.050g、異戊醇0.338g、十二烷基碳酸鈉0.676g的微乳狀液體系的性質與柴油最為接近。2.1.3 高溫裂解法裂解是指在無氧狀態(tài)下加熱后的降解過程，它要緊的產物有:烷烴、烯烴、二烯烴、撥基酸、芳香族化合物和少量的氣體。依照反應條件的不同，熱解可分為三類:常規(guī)熱解、快速熱解和閃式熱解。最早對植物油進行熱裂解的目的是為了合成石油。Schwab10等對大豆油熱裂解的產物進行了分析，發(fā)覺烷烴和烯烴的含量專門高，占總質量的60%（見表2-2）。還發(fā)覺裂解產物的粘度只是一般大豆油的1/3，然而該粘度值依舊遠高于一般柴油的粘度值。在十六烷值和熱值等方面，

43、大豆油裂解產物與一般柴油相近。1993年Pioch11等對植物油經(jīng)催化裂解生產生物柴油進行了研究。將椰油和棕擱油以Si02/A1203為催化劑，在450表2-2蔬菜油皂的裂解產物2.1.4 酯交換法酯交換法是目前工業(yè)生產生物柴油的要緊方法。用動物和植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者堿性催化劑和高溫(230250)下進行轉酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酷或乙酷，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油，副產品是甘油。其中最為常用的醇是甲醇，這是由于甲醇的價格較低，同時其碳鏈短、極性強，能夠專門快地與脂肪酸甘油酷發(fā)生反應，且堿性催化劑易溶于甲醇。甲醇越多產率越高，但也會給分離帶來困難。該反應可用酸、堿或酶作為催化

44、劑。其中堿性催化劑包括NaOH，KOH等，酸性催化劑常用的是硫酸、磷酸或鹽酸。以動植物油(脂)與甲醇或乙醇等低碳醇為原料，采納酸或堿作為催化劑，在高溫(230250)條件下發(fā)生酯交換反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。生產過程中會產生副產品一甘油，約占總量的10左右?；瘜W酯交換法的特點是反應時刻短，成本低；甲醇或乙醇在生產過程中可循環(huán)使用。但化學法合成生物柴油有如下缺點：反應溫度較高、工藝復雜：醇必須過量；需要相應的醇回收裝置回收過量醇，后續(xù)處理過程繁復、能耗高：原料中的水和游離脂肪酸會嚴峻阻礙生物柴油的得率及質量；產品純化復雜，酯化產物難于回收；反應生成的副產物甘油難

45、于去除；產生大量廢水，容易對環(huán)境造成二次污染等。不外一個確實是生產成本問題：生產過程中使用堿性催化劑要求原料不能是廢油脂，必須是毛油，比如未經(jīng)提煉的菜籽油或豆油，專門不經(jīng)濟。因此采納廉價原料及提高轉化率從而降低成本就成為生物柴油產業(yè)化的關鍵。圍繞該方法的研發(fā)工作要緊集中于催化劑方面，新開發(fā)的催化劑有固體酸、固體堿、有機堿、分子篩和金屬催化劑等。圖2-2生物柴油制取工藝流程示意圖2.1.5 生物酶催化法即用動物油脂和低碳醇通過脂肪酶進行轉酯化反應，制備相應的脂肪酸甲酯及乙酯。用于催化合成生物柴油的脂肪酶要緊有酵母脂肪酶、根霉脂肪酶、毛霉脂肪酶、豬胰脂肪酶等12。與化學法相比較，脂肪酶催化酯化反應

46、更和氣，醇用量減少(理論用量為化學催化的1/61/4)，工序簡化(省去過量醇回收、水洗及干燥過程)，能源消耗明顯降低，廢液減少，具有環(huán)境友好性，而且易于回收甘油，提高生物柴油的收率。利用生物酶法制備生物柴油目前存在著一些技術問題：脂肪酶的價格昂貴，限制了生物酶催化法在工業(yè)規(guī)模生產生物柴油中的應用：酶對長鏈脂肪醇的酯化或轉酯化有效，而對短鏈脂肪醇(如甲醇或乙醇等)轉化率低，一般僅為4060：反應原料甲醇和乙醇及反應產物甘油對酶有一定的毒性，容易使酶失活；短鏈脂肪醇和甘油的存在都阻礙酶的反應活性及穩(wěn)定性，使酶的使用壽命大大縮短。這些問題是生物酶法工業(yè)化生產生物柴油的要緊技術瓶頸。為此，研究者也試圖

47、查找降低脂肪酶成本的方法，如采納脂肪酶固定化技術，以提高脂肪酶的穩(wěn)定性并能重復利用，或利用將整個能產生脂肪酶的全細胞作為生物催化劑。在工藝方面，研究者也開發(fā)了新的工藝路線以提高脂肪酶的重復利用率等。2.2 生物柴油的性質從元素組成上看，生物柴油要緊是由C、H、O三種元素組成。從化學成分分析，文獻22證實：生物柴油要緊由其相應植物油中含有的脂肪酸的甲酯組成，植物油及其生物柴油中脂肪酸(以甲酯計)的分布是一致的。這些甲酯氧元素含量較高，多在10%-13之間(參見表2-3)，使得生物柴油的總體含氧量達10以上，因此生物柴油燃燒較柴油更加充分。由于生物柴油在經(jīng)濟性和環(huán)保性方面具有巨大的優(yōu)勢，因此各國紛

48、紛加入了生物柴油的生產行列，生物柴油標準中要考慮專門多指標，有些指標是與石油柴油共有的，任何標準不合格都會阻礙到生物柴油的質量和應用，生物柴油的指標包括有總酯含量、甘油單酯、酸值、磷含量、密度、灰分、二酯及三酯含量、運動粘度、燃料安定性、硫含量、10蒸余物殘?zhí)?、碘價及多元不飽和脂肪酸甲酯的含量、閃點、十六烷值、機械雜質、游離甘油含量甲醇含量、銅片腐蝕、水含量、堿及堿土金屬含量等1314。表2-3 某混合脂肪酸甲酯化學成分2.2.1 生物柴油的理化性質1）低溫流淌性能生物柴油的低溫流淌性要緊是指低溫條件下各項流淌性指標狀況，生物柴油的低溫流淌性能關乎到柴油機供油系統(tǒng)在低溫下的供油狀況，從而間接的

49、阻礙了發(fā)動機的使用和性能15。通常用冷濾點和凝固點等指標來衡量柴油的低溫流淌性。若生物柴油的低溫流淌性不行，即在低溫環(huán)境下出現(xiàn)結晶和凝固的狀況，則會堵塞發(fā)動機供油系統(tǒng)的過濾器和管道，造成堵塞，從而阻礙發(fā)動機正常使用，因此生物柴油必須具有良好的低溫流淌性能。可采納添加生物柴油低溫流淌新改進劑或者柴油的方法來改善生物柴油的低溫流淌性能16。2）粘度粘度表示燃油的稀稠程度及流淌性，是阻礙燃油輸送、過濾和霧化的重要因素。粘度過低，會使噴油泵及噴油器中的周密偶件表面不易形成油膜，造成潤滑不良而加速磨損，并導致漏油增加，使供油量減少；粘度過高時，會使燃油濾清困難，噴霧惡化，燃燒變壞。相比原料油，生物柴油的

50、粘度大為降低，40時運動粘度為46 mm2/s。但相比石化柴油(24 mm2/s)3）酸值關于生物柴油來講，酸值確實是中和一克生物柴油中酸性物質所需要氫氧化鉀質量(通常以毫克為單位)。假如生物柴油純化過程不完善，造成生物柴油中殘存的酸性物質過多，則高酸值的生物柴油就會步加劇供油系統(tǒng)腐蝕，使噴油泵柱塞副之間的磨損加劇，造成噴油壓力和噴油量精確度降低，燃料霧化不良會導致發(fā)動機燃燒惡化，使燃燒室中積炭增多，導致柴油機功率降低和氣缸活塞組件磨損增加19。因此必須嚴格操縱生物柴油的酸值。4）閃點閃點的定義是可燃液體或固體能放出足量的蒸氣，使其在所用容器內的液體或固體表面處與空氣組成可燃混合物的最低溫度。

51、可燃液體的閃點隨其濃度的變化而變化。生物柴油的閃點一般高于110，而柴油的閃點一般為605）十六烷值十六烷值表示柴油機中燃燒自燃性的指標，它要緊是用來評價燃料點火性能和燃燒強度。生物柴油十六烷值的規(guī)格要求要緊取決于所使用發(fā)動機的各項技術參數(shù)和使用條件，例如發(fā)動機的設計尺寸和轉速，負荷變化特性以及初始條件等。一般來講，生物柴油的十六烷值比柴油高，因此具有專門好的著火性能20 21。6）硫關于發(fā)動機磨損以及尾氣污染物的排放來講，硫含量會產生較大的阻礙，較低的含硫量是清潔燃料的重要指標之一，而生物柴油的特點之一確實是含硫量專門低。7）密度密度是單位體積內所含物質的質量。油品密度的大小對噴射器噴出的燃

52、料量有專門大阻礙。生物柴油的密度大致在086090103kg/m3之間，大部分在088103kg/m8）熱值熱值為單位質量燃料燃燒所釋放的熱量，可分為高位熱值和低位熱值兩種，其差不在于燃燒產物中水的氣化潛熱。關于氣體燃料，有時也采納“體積熱值進行表述。生物柴油的熱值比原料油大，但比石化柴油(約43MJ/kg)要小。只是決定發(fā)動機功率和扭矩大小的是混合氣熱值而不是燃料熱值，生物柴油理論混合氣的體積熱值與石化柴油差不多相當甚至略高。9）蒸發(fā)性蒸發(fā)性能好能夠保證燃油在發(fā)動機燃燒室內迅速霧化和燃燒。若燃料不易蒸發(fā)，則燃料霧化不佳，不易形成可燃混合氣，進而燃燒不完全，不但導致功率下降，還會使油耗和排放增

53、加。生物柴油的餾出溫度均高于2#柴油相應的餾出溫度，講明生物柴油的蒸發(fā)性能不如礦物柴油。第三章 柴油機燃用生物柴油的臺架性能試驗為了考察我省生物柴油與0號石化柴油調配的B20調合燃料對發(fā)動機的阻礙況，用B20調合燃料以昆明云內動力股份有限公司生產的D19TCI高壓共軌電控增壓柴油機（該機型為目前我國最先進的車用柴油機）為研究機型進行了柴油發(fā)動機臺架試驗，按照GB 17691-2005 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法以及GB/T18297-2001 汽車發(fā)動機性能試驗方法，在D19TCI高壓共軌電控增壓柴油機上考察了調合燃料的動力性、經(jīng)濟性和排放特性。3.1

54、實驗設備3.1.1 試驗儀器設備表3-1為試驗用的要緊儀器設備的型號和參數(shù)表3-1 要緊儀器設備序號設備名稱型號生產廠家1油耗儀ABB美國ABB公司2紅外測溫儀WFHX-68上海自動化儀表三廠3空盒氣壓表DYM-3-1長春氣象儀器廠4海 拔 表THOMMEN瑞士THOMMEN5電力測功機AVL奧地利AVL公司6排放儀 AVL奧地利AVL公司7電渦水力流測功機WE33A杭州弈科機電技術公司8煙度計AVL415奧地利AVL公司9油耗儀 ABB FCM 2000_MS21杭州弈科機電技術公司試驗地點為昆明云內動力股份有限公司內燃機實驗室，海拔高度為1892m，大氣壓力為81 kPa(昆明本地大氣環(huán)境

55、)。內燃機試驗臺如圖3-1所示。圖3-1 內燃機臺架試驗裝置3.1.2 試驗用柴油機D19TCI高壓共軌電控增壓柴油機D19TCI高壓共軌電控增壓柴油機表3-2 試驗用柴油機型號及要緊參數(shù)型號D19TCI型式立式、直列、水冷、四沖程、增壓中冷、頂置雙凸輪軸、每缸4氣門、電控高壓共軌、EGR氣缸數(shù)4活塞總排量（L）1.85吸氣方式增壓中冷最低空載穩(wěn)定轉速900r/min壓縮比18.5：1最低燃油消耗率210 g/kWh標定功率/轉速kW(Ps)/r/min82(112)/4000最大扭矩/轉速N.m/ r/min235/18002300排放指標歐3(有歐4和歐5潛力)噪聲 dB(A) 95外形尺

56、寸（mm）574606672凈質量kg1703.1.3 試驗燃料燃料試驗所用燃料為來源于地溝油、小桐籽、橡膠籽為原料制取的生物柴油分不與0#石化柴油摻混后得到的B20生物柴油和純石化柴油。3.2 生物柴油調合燃料B20臺架試驗為了研究我省生物柴油與0號石化柴油調配的B20調合燃料對發(fā)動機的阻礙情況，用B20調合燃料以昆明云內動力股份有限公司生產的D19TCI高壓共軌電控增壓柴油機（該機型為目前我國最先進的車用柴油機）為研究機型進行了柴油發(fā)動機臺架試驗，試驗研究了不同原料來源的B20調合生物柴油燃料的動力性、經(jīng)濟性和排放特性。3.2.1柴油機燃用B20生物柴油的經(jīng)濟特性研究圖32 地溝油B20生

57、物柴油與純柴油經(jīng)濟性對比圖33 橡膠籽B20生物柴油與純柴油經(jīng)濟性對比圖34 小桐子B20生物柴油與純柴油經(jīng)濟性對比由圖3-2、圖3-3和圖3-4由圖3-2能夠看出，燃用生物柴油后，柴油機的比油耗總體上低于純柴油，但當轉速高于3600轉/分鐘后，生物柴油的比油耗高于純石化柴油的比油耗。這是因為生物柴油含有10%左右的氧，一方面熱值低會導致比油耗高，另一方面由于燃料含氧，有利于燃料能充分燃燒，在摻燒量為20%時，后一種因素起了要緊作用；而在3600轉/分鐘以上的高轉速時，燃油霧化混合時刻縮短，由于B20生物柴油調和燃料的粘度高于石化柴油，霧化混合質量不如石化柴油的因素起了主導作用，故比油耗要高一

58、些。3.2.2 柴油機燃用B20生物柴油的動力性研究圖3-5 地溝油B20生物柴油與純柴油動力性對比圖3-6 橡膠籽B20生物柴油與純柴油動力性對比圖3-7 小桐子B20生物柴油與純柴油的動力性對比由圖35、圖3-6、圖3-7能夠看出，燃用地溝油和橡膠籽B20生物柴油后，柴油機動力性在低轉速區(qū)與純石化柴油無差異但隨轉速的增加略有降低，而關于小桐子B20生物柴油，動力性與純柴油無明顯差異。與純柴油相比，燃用B20生物柴油使柴油機的功率略有降低，但變化不大。這要緊是由于生物柴油熱值低于石化柴油熱值造成動力性有所降低，但由于生物柴油含氧，有改善了混合燃燒，故摻混20%生物柴油后其動力性變化不大。3.

59、2.3 柴油機燃用B20生物柴油的排放特性研究1）煙度圖3-8 柴油機燃用地溝油B20生物柴油與純柴油的煙度對比圖3-9 柴油機燃用橡膠籽B20生物柴油與純柴油的煙度對比圖3-10 柴油機燃用小桐子B20生物柴油與純柴油的煙度對比從圖3-8、圖3-9、圖3-10中能夠看出，各轉速下燃用生物柴油后煙度均有所下降，特不是在2300-3500轉的區(qū)間內煙度下降較明顯，幅度較大。燃用生物柴油導致碳煙降低的要緊緣故有以下三點:其一，是生物柴油是含氧燃料(含氧量達10%左右)，氧原子在燃料燃燒過程中起到了助燃作用，特不是在噴霧核心等燃料濃度高的區(qū)域，在燃燒過程中能夠自給氧)使燃料能夠比較完全地燃燒，大大克

60、服了一般柴油燃燒過程中因缺氧而形成大量碳煙的情況，從而降低了碳煙排放：其二，是生物柴油中含芳香烴的量比較少，一般芳香烴含量愈高的油，其煙度愈大，而烷烴含量愈多的油，其煙度愈小，這是因為碳煙的生成是由于燃料再高溫缺氧區(qū)脫氫反應所致，而芳香烴、特不是高沸點的雙環(huán)芳香烴容易產生脫氫反應，從而增加了碳煙的生成量;其三，是生物柴油中不飽和脂肪酸的蒸發(fā)溫度低于一般柴油，使它在燃燒室內的蒸發(fā)速度快，混合更均勻，燃燒更完全;另外，生物柴油的硫含量要比柴油的低的多，盡管硫含量對碳煙排放沒有直接阻礙，然而其對降低顆粒中硫酸鹽排放有專門大作用。但同時，生物柴油由于粘度大，噴霧質量差，混合氣形成質量差，而使碳煙生成增