混合棕榈油和丁醇，供应固定直喷柴油发动机燃料的实验研究

文|艺海探秘

编辑|艺海探秘

前言

近年来，基于生物质的替代燃料因其较低的排放特性而日益重要。在本次调查中，我们采集了印度Tirunelveli地区各个餐馆的废弃棕榈油，并与柴油和丁醇按不同比例混合，研究了这些混合物对燃料性质、柴油发动机性能、排放和燃烧的影响，并与柴油进行了对比。

混合物的燃料性质优于废弃棕榈油。我们在一个恒定转速（1500转/分钟）的直喷柴油发动机上进行了负荷从0%到100%的引擎测试。混合物的制动比燃料消耗（BSFC）和制动热效率（BTE）较柴油燃料低。混合物的制动热效率随着混合物中丁醇含量的增加而增加。CO、NOX排放和烟雾浓度随着丁醇含量的增加而降低，并且低于柴油燃料。

含丁醇的混合物排放的废气中的CO2含量低于使用柴油的值。含丁醇的混合物的HC排放高于柴油燃料。含丁醇的混合物产生的热释放速率高于柴油燃料。混合物中丁醇含量的增加会导致点火延迟增加。混合物50%D–35%UPO–15%B表现出更好的排放、燃烧和性能特性。

内燃机，尤其是柴油发动机，在全球的交通和农业部门占据着重要地位。用化石柴油燃料驱动的柴油发动机比汽油发动机更稳定和燃油效率更高。由于化石燃料成本高、污染增加和储量迅速枯竭，许多研究已经转向寻找和利用柴油发动机的替代燃料。替代柴油燃料必须易于获取、廉价、清洁和可再生。

基于生物质的燃料提供了更多的好处，具有更广泛的适用性，在农村和城市地区都有很大的潜力。植物油的燃料性质与柴油燃料相当，并被认为是柴油燃料的合适替代品。食用油价格更高，而非食用油、动物脂肪和废弃油更便宜且更黏稠。通过混合、酯化和热解，可以降低这些油的粘度，使其与柴油燃料相当。

转酯化工艺被认为是降低植物油粘度的最佳途径，但使用低质量原料如废油和动物脂肪时，需要进行一定的预处理，这使得工艺变得更加复杂。

许多研究人员成功地将植物油用于柴油发动机。Shahid和Jamal 对研究人员在植物油基燃料上进行的发动机测试结果进行了批判性评估。大多数研究人员在不同模式下使用葵花籽油、油菜籽油、棉籽油、大豆油、棕榈油和花生油作为柴油发动机的燃料。

总结的结果表明，棕榈油更容易替代柴油燃料。含有20%和50%植物油的混合燃料可以减少排放和减少发动机问题。Ramadhas等人列举了使用植物油基燃料在柴油发动机中的优点、挑战和技术难题。Almeida等人在一台柴油发电机上进行了实验，使用预热的棕榈油（40℃和100℃）。在他们的研究中，他们获得了减少的NOX排放和增加的CO、HC、CO2排放。

Canakci等人在一台间接喷射柴油发动机中使用预热到75℃的原始葵花籽油进行了实验。他们观察到预热的原始葵花籽油与柴油燃料具有类似的燃烧特性。

预热的原始葵花籽油显示了减少的CO2、烟雾和HC排放以及增加的制动热效率，而没有报告提及Hebbal等人在研究中发现，含有50%的德干大麻油和50%的柴油的混合燃料排放物减少，性能提高。

鱼油是从鱼类加工行业获得的副产品，与海洋燃油混合后成功地用作柴油发动机燃料。废弃油脂也被在世界各地测试其作为替代燃料的潜力，因为它们易得且成本低廉。Knothe和Steidley对使用过的油和新鲜油进行了酸价、粘度和脂肪酸组成的研究。他们发现使用过的油的酸价增加、粘度增加、十六碳二烯酸含量减少、低温性能差和氧化稳定性更高。直接使用预热（70°C）的废弃食用油会降低制动热效率，并增加CO、NOX和SO2的排放。

Bari等人发现废弃食用油作为燃料时，低热值和燃油过滤器压力损失是降低制动功率输出的主要原因。Bari等人在使用废弃食用油作为柴油发动机燃料时，发现提前喷油时NOX排放增加、热效率增加、CO排放减少；延迟喷油时NOX排放减少。在印度，Pugazhvadivu和Jeyachandran发现，将废弃炸油预热至135°C可以改善热效率、改善制动比能耗、减少烟雾和CO排放。

一般来说，基于植物油的燃料燃烧会产生较高的NOX排放。可以通过将燃料与水和醇类乳化来减少NOX排放。Nanthagopal和Subbarao使用含有20%水的废油-柴油混合物乳化液实现了减排效果。

Cheng等人研究了在混合模式和熏蒸模式下添加10%甲醇对废弃食用油生物柴油的影响。他们发现，在混合模式下，提高了制动热效率并减少了排放；而在熏蒸模式下，添加甲醇导致CO、HC、NO2和颗粒物排放增加。

在熏蒸模式下，添加乙醇也导致CO、HC和颗粒数增加。采用一种特殊类型的乳化剂稳定的乙醇（5%和10%体积分数）和柴油燃料混合物显示出烟雾减少和HC排放增加的特性，而柴油燃料和混合物的制动热效率、NOX和CO排放则相似。

在醇类中，丁醇近年来变得越来越重要，因为它相对于乙醇具有改良的性质。丁醇主要由丙烯等石油产品制成。由于石油产品成本的增加和农业残留物的更大供应，研究方向已转向生物丁醇的生产。

ABE（丙酮-丁醇-乙醇）发酵过程被用于从包括木质纤维素材料在内的农业残留物中生产生物丁醇。Clostridium beijerinckii、Clostridium acetobutylicum、Escherichia coli、Saccharomyces cerevisae和藻类等细菌已成功用于生物丁醇的生产。

Jin等人对将丁醇作为燃料在内燃机中使用的益处和方向进行了综述。Stoeberl等人使用不同菌株的梭菌从废乳清中优化了生物丁醇的生产。他们发现，在生物丁醇-油菜籽油燃料混合物中，随着生物丁醇浓度的增加，高负荷下HC和丙烯醛的排放减少，NOX排放增加。

含有丁醇（8%、16%和24%体积分数）的柴油-丁醇混合物和含有异丁醇（5%–20%体积分数）的异丁醇-柴油混合物导致排放温度降低以及CO、NOX和烟雾排放减少。丁醇-柴油混合物的酮类排放低于生物乙醇-柴油混合物。

Giakoumis等人对丁醇-柴油混合物的物理性质和有机空气毒性排放进行了综述。Lujaji等人发现，在高负荷下，含有印度麻油-柴油-丁醇的混合物可以减少烟雾和CO2排放，但整个测试过程中CO和HC排放增加。

在不久的将来，印度建立生物丁醇工厂的机会很大，因为农业残留物的供应增加，此外，作为旅游中心的印度正在全国范围内开设大量的餐厅和酒店，这为废弃油脂提供了巨大潜力。

棕榈油在印度泰米尔纳德邦南部被广泛用于烹饪，因为它成本较低。使用后，棕榈油通常被倾倒在外面，但它可以重新用作燃料，从而节省大量柴油。

因此，在本研究中，我们研究了柴油-废弃棕榈油-丁醇混合物作为定速直喷式柴油发动机燃料的潜力，并将其性能、排放和燃烧特性与柴油燃料进行了比较。

一、材料和方法

1.1. 燃料混合物的制备

本研究使用的废弃棕榈油来自印度泰米尔纳德邦Tirunelveli地区的不同餐厅、酒店和宿舍。纯度为99.9%的丁醇分析级从Spectrum化学品和试剂公司购买，位于科钦的Edayar。柴油燃料从Tirunelveli当地的一家加油站购买。

废弃棕榈油的化学分析在国家综合科学与技术研究所（NIIST）进行（科学与工业研究委员会（CSIR）实验室）。通过使用磁力搅拌器和烧杯装置，将过滤后的废弃棕榈油、柴油和丁醇按照所需比例混合制备燃料混合物。搅拌时间约为20分钟。燃料混合物的组成见表1。使用标准方法<28>在Laxiammal理工学院和National Engineering College检测了混合物的燃料性质，并与柴油燃料、废弃棕榈油和丁醇的性质进行了比较。

1.2. 实验发动机装置

实验在锡尔文卡特斯瓦拉工程学院的一台定速直喷式柴油发动机中进行。发动机装置如图1所示。发动机规格见表2。发动机测试在一个恒定转速（1500转/分钟）的定速直喷式柴油发动机中进行，通过在0%到100%的负载范围内以25%的增量进行变化，从而在保持恒定转速的情况下记录读数。使用标准的分液漏斗和秒表装置测量了10毫升燃料消耗的时间，如图1所示。

使用AVL digas 444（五气体分析仪）测量发动机的NOX、CO、HC和CO2排放（NOX测量精度为指示值的±10%；CO、HC、CO2测量精度为指示值的±5%）。

使用AVL 437C烟度计测量烟雾浓度（准确性和重现性为满量程读数的±1%）。

使用K型热电偶测量排气温度（精度为±4°C）。实验重复三次，取平均值进行讨论。CO和CO2的排放值以体积百分比表示，HC和NOX的值以ppm表示。烟雾浓度以透明度百分比表示。使用AVL GH12D微型压力传感器、AVL 3066A02压电电荷放大器和角度编码器测量了缸内压力随曲轴角度的变化。利用测得的压力和曲轴角度计算和显示了燃烧室内的热释放率，使用的是AVL 617 Indimeter软件（版本V2.00）。根据热力学第一定律计算净热释放率（HRRnet），计算公式如下：

其中k为绝热指数，P为缸内压力，V为体积，n为间隔（1/n）。累积热释放量计算为燃烧开始和结束之间的积分热释放量。从测试中由Indimeter软件生成的Excel文件中获取燃烧开始、最大峰值压力和最大热释放率发生的曲轴角度位置。制动比燃料消耗由以下公式给出：

其中，'t'表示消耗 'x' 毫升燃料所需的时间，'s'表示燃料的比重。制动热效率由以下公式给出：

对所有混合燃料进行了发动机性能、排放和燃烧参数的记录，并与柴油燃料进行了比较。

二、结果和讨论

2.1. 燃料混合物的性质

废弃棕榈油的化学性质见表3。测试燃料的燃料性质见表4。粘稠的燃料会导致燃料喷雾锥角减小和燃料雾化效果差，但是加入柴油和丁醇到废弃棕榈油中显著改善了粘度，因此可以获得更好的喷雾特性。

附注:化学分析按参考文献中给出的标准方法进行。

含有15%丁醇的混合物的运动粘度接近柴油燃料。混合物的发热值高于废弃棕榈油，但低于柴油燃料。加入丁醇和柴油燃料显著降低了混合物的闪点。废弃棕榈油的十六烷指数通过皂化值和碘值确定。混合物没有相分离现象（即混合的丁醇和柴油燃料不会与废弃棕榈油分离），表明它们是均匀混合的。

在整个研究过程中，混合物中的丁醇和柴油燃料（即废弃棕榈油）没有发生相分离，长期储存时可能发生相分离，并且混合物的酸值和粘度会增加。因此，建议尽快使用这类由废弃油脂制成的燃料混合物，以避免与长期储存相关的任何问题。

2.2. 柴油发动机性能

2.2.1. 制动比燃料消耗

图2显示了不同负载下混合物的制动比燃料消耗与柴油燃料相比的百分比变化。随着负载的增加，产生的吸入压力增加，导致更高效的燃烧和降低的制动比燃料消耗。柴油燃料的制动比燃料消耗由于其较高的发热值而低于混合物。50%柴油-50%废弃棕榈油（50%D-50%UPO）的制动比燃料消耗低于含有5%和10%丁醇的混合物。

在100%负载下，测试燃料柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的制动比燃料消耗分别为0.29、0.32、0.34、0.33和0.32 kg/kW h。可以看出，随着混合物中丁醇含量的增加，制动比燃料消耗降低，这可能是由于混合物中氧含量的增加，在预混合燃烧阶段有助于燃料的更好燃烧。

2.2.2. 制动热效率

图3显示了不同负载下混合物的制动热效率与柴油燃料相比的百分比变化。制动热效率定义为制动功率与燃料供给的热能之比。随着混合物中丁醇含量的增加，制动热效率增加，这是因为丁醇中含有的氧分子能够提高燃烧的效率。

在100%负载下，测试燃料柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的制动在100%负载下，测试燃料柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的制动热效率分别为28.70%、27.75%、26.94%、27.27%和28.73%。

平均来看，50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的制动热效率较柴油燃料分别降低了3.35%、6.19%、3.20%和1.49%。

2.2.3. 排气温度

图4显示了不同负载下混合物的排气温度与柴油燃料相比的百分比变化。随着负载的增加，排气温度增加，因为较高的负载导致注入的燃料量增加，从而产生较高的燃料-空气当量比，这导致较高的温度。在100%负载下，柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的排气温度分别为445°C、440°C、433°C、428°C和423°C。

在所有负载下，柴油的排气温度高于混合物。一般来说，基于植物油的燃料的排气温度会高于柴油燃料。这里混合物排气温度的降低可能是由于丁醇的高蒸发潜热和较低的发热值。这一观察结果与其他研究丁醇的研究人员的结果一致。

2.3. 柴油发动机排放

2.3.1. NOX排放

NOX主要是由于Zeldovich机制形成的。图5显示了不同负载下混合物的NOX排放与柴油燃料相比的百分比变化。随着负载的增加，NOX排放增加，因为高负载下缸内温度增加。氧的存在、较高的缸内温度和燃料的十六烷指数降低是增加NOX生成的主要原因。

在100%负载下，NOX排放为在柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的情况下，NOX排放分别为1146 ppm、1140 ppm、1126 ppm、1117 ppm和1087 ppm。

与柴油燃料相比，100%负载下混合物的NOX排放分别降低了0.52%、1.74%、2.53%和5.15%。尽管混合物中含有丁醇，其氧含量较高，但其NOX排放量较低，这可能是由于丁醇具有较高的蒸发潜热，从而降低了温度。

柴油燃料在整个测试过程中显示出增加的NOX排放，这可能是由于柴油燃料的燃烧导致缸内温度的升高，这一点可以通过图4中的排气温度曲线验证。这一结果与其他研究人员的结果一致。

2.3.2. 烟雾浓度

烟雾是未完全燃烧的碳形成的浓厚黑色物质。图6显示了不同负载下测试燃料的烟雾浓度与柴油燃料相比的百分比变化。随着负载的增加，烟雾浓度增加，这是因为在高负载和高速条件下，气体在发动机缸内的停留时间较短。

由于较高负载和速度条件下，气体在发动机缸内停留时间较短且扩散燃烧时间较长，烟雾浓度增加。在整个测试过程中，柴油燃料的烟雾浓度最高。含有丁醇的混合物由于丁醇中含有的氧分子使燃料在燃烧时更倾向于稀薄一侧，因此在整个测试过程中显示出较低的烟雾浓度。在100%负载下，柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的烟雾浓度分别为58.10%、55.40%、50.90%、47.30%和43.10%。

2.3.3. 一氧化碳（CO）排放

图7显示了不同负载下混合物的CO排放与柴油燃料相比的百分比变化。CO的生成主要是由于燃料的不完全燃烧。在0%和75%负载下，测试燃料的CO排放特征相似，而在100%负载下，柴油燃料的CO排放最高。

在低负载下，混合物的CO排放增加是由于废旧棕榈油的高粘度、缸内温度较低以及丁醇的高蒸发潜热导致CO在活塞和缸壁上被扑灭，导致CO向CO2的氧化反应不完全。在高负载下，混合物的CO排放减少主要是由于高缸内温度下CO的有效氧化以及燃料混合物中氧分子的存在。

在100%负载下，柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的CO排放分别为0.27%、0.22%、0.25%、0.20%和0.13%（体积分数）。Karabetkas和Hosoz在异丁醇-柴油燃料混合物中得到了类似的CO排放特征。

2.3.4. 碳氢化合物（HC）排放

图8显示了不同负载下混合物的HC排放与柴油燃料相比的百分比变化。由于在点火延迟期间燃料会喷射到发动机缸壁上，导致扑灭效应，从而使混合物相对于柴油燃料排放更多的HC 。大多数研究人员在丁醇基混合物的研究中都观察到了增加的HC排放。

在100%负载下，柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的HC排放分别为30 ppm、26 ppm、39 ppm、44 ppm和44 ppm。含有丁醇的混合物的HC排放增加可能是由于其较低的辛烷值。

相反，Altun等人在混合物中丁醇含量增加时观察到了降低的HC排放。50%D-50%UPO燃料混合物的HC排放比其他测试燃料更低，这可能是由于含有辛烷值较高的废旧棕榈油。Buyukkaya 也在菜籽油-柴油混合物中观察到了降低的HC排放。

可以看到，在0%和25%负载下，50%D-50%UPO燃料混合物的HC排放比柴油燃料更高，这可能是由于较低的缸内温度导致注入燃料的氧化反应不充分，而在较高负载下，它的HC排放减少。50%D-50%UPO燃料混合物在75%和100%负载下的HC排放高于50%负载，这可能是由于高负载下燃料喷射质量增加和停留时间较短，导致未燃烧的碳氢化合物通过排气排放。

2.3.5. 二氧化碳（CO2）排放

图9显示了不同负载下混合物在排气中二氧化碳（CO2）与柴油燃料相比的百分比变化。CO2排放量表示燃料的完全燃烧。含有丁醇的混合物导致较低的CO2排放量，而CO2是导致全球变暖的温室气体。柴油燃料和50%D-50%UPO的CO2排放趋势相似。

由生物质燃料产生的CO2对环境没有影响，因为排放的CO2会在光合作用中被植物吸收，从而导致净零碳排放。在100%负载下，柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的CO2排放分别为8.90%、9.00%、8.60%、8.60%和8.20%（体积分数）。

随着混合物中丁醇含量的增加，排放中的CO2减少，这可能是丁醇的冷却效应导致CO无法有效氧化为CO2。Lujaji等人在印度榧树油-柴油-丁醇混合物中得到了类似的CO2排放特征。

2.4. 燃烧分析

2.4.1. 缸压力

图10显示了不同负载下测试燃料的缸压力随曲轴角度的变化。随着负载的增加，缸内压力也增加，因为在高负载下，更多的燃料会在燃烧室内燃烧。

在0%负载下，50%D-35%UPO-15%B燃料混合物报告的最高峰值缸压力为58.02巴，比柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B和50%D-40%UPO-10%B分别高出1.84、0.03、0.38和0.51巴。柴油燃料在50%负载和100%负载下分别报告了最高的缸压力，分别为68.81巴和76.79巴。

柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的平均峰值缸压力值分别为68.00巴、66.79巴、66.78巴、66.57巴和66.95巴。

可以看出，随着混合物中丁醇含量的增加，峰值压力也增加，这是由于混合物的辛烷值降低和氧含量增加。Chen等人在含有更多乙醇的酯-乙醇-柴油混合物中得到了类似的缸压力曲线。由于丁醇的高蒸发潜热导致缸内温度降低，使得混合物的缸压力接近柴油燃料，因此混合物的峰值压力并不像柴油燃料那样高。

由于废旧棕榈油具有高粘度和低挥发性，50%D-50%UPO燃料混合物的缸压力较低。表5显示了测试燃料的峰值缸压力发生的位置。测试燃料的燃烧特性平稳，没有观察到爆震现象。对于测试燃料，峰值缸压力仅发生在上止点之后，因此可以获得更多和更有效的功。

2.4.2. 放热速率

图11显示了不同负载下测试燃料的放热速率随曲轴角度的变化。在高负载下，测试燃料的放热速率增加。

2.4.3. 点火滞燃期

点火滞燃期定义为喷射开始和燃烧开始之间的曲轴角度差异。图13显示了测试燃料的点火滞燃期随负载的变化。含有更多废旧棕榈油的混合物显示出较短的点火滞燃期，这是由于在喷射过程中形成的多不饱和脂肪酸快速气化所产生的挥发性化合物的早期点火。

可以看出，随着负载的增加，点火滞燃期减少，这可能是由于高负载时缸内温度较高，导致喷射燃料更容易蒸发。值得注意的是，随着混合物中丁醇含量的增加，点火滞燃期增加，这是由于辛烷值的降低和丁醇添加引起的蒸发潜热增加。混合物50%D-50%UPO和50%D-45%UPO-5%B在整个测试过程中显示出较短的点火滞燃期。

在100%负载下，柴油、50%D-50%UPO、50%D-45%UPO-5%B、50%D-40%UPO-10%B和50%D-35%UPO-15%B的点火滞燃期分别为16.3°、15.46°、16°、16.2°和16.22°CA。

三、结论

通过将废旧棕榈油与丁醇和柴油混合，获得了改良的燃料性能。柴油发动机在整个测试过程中运行平稳，没有观察到爆震现象。混合物由于其较低的发热值，显示出较高的比燃油消耗率和较低的热效率。

混合物的热效率随着混合物中丁醇含量的增加而增加，这是由于丁醇中的氧分子提高了燃烧效率。混合物中的CO、NOX排放和烟雾浓度随着混合物中丁醇含量的增加而降低。混合物中含有丁醇的混合物显示出较高的HC排放。混合物50%D-50%UPO在整个测试过程中显示出降低的放热速率、降低的HC排放和降低的点火滞燃期。

与含丁醇的混合物相比，混合物50%D-50%UPO的CO、NOX排放和烟雾浓度较高。混合物中含有丁醇的混合物导致减少的CO2排放，CO2是导致全球变暖的温室气体。柴油燃料和50%D-50%UPO显示出类似的CO2排放特征。

混合物50%D-35%UPO-15%B在整个测试过程中显示出降低的排放、增加的缸压和增加的放热速率。混合物50%D-35%UPO-15%B的HC排放比其他测试燃料高。

根据实验结果，可以看出混合燃料显示出更好的排放特性，因此它们可以在柴油发动机中使用而无需进行任何修改。混合燃料的HC排放在可接受的范围内，并且可以通过使用催化转化器和辛烷改进剂来减少。

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