编译：孙青 刘廷元（西南石油大学）
自从20世纪90年代初，生物柴油已经被证明，在市场中它是在技术上完全能胜任的柴油燃料的替代品，它在汽车、船运和热系统的应用，已经被欧洲国家和美国所接受。发电机是工业上的关键设备，并在农业上有广泛的应用领域。由于发动机的室内使用使得发动机的性能和它的排放变得非常重要。这项研究的主题是调查发动机的性能和应用废烹调油产生生物柴油所导致的烟雾。发动机性能试验是在90mm冲程和一个气缸组成的9-kW3LD510型的柴油发动机内进行的；发电机性能试验是在90mm冲程和一个气缸组成的4LD640型发电机，一个10.5-KW的柴油发电机及输出最大值为10-kVA、电流为14.4A，以及一个400-VA100LB型旋转场三相交流发电机组成的发电机组进行的。对No.2柴油燃料、B100和B20作了连续性实验，其结果可以相互比较。与No.2柴油相比，B100（100%废烹调油产生的生物柴油）和B20（20%废烹调油产生的生物柴油+80%的柴油）的使用在发动机性能和排放上都有所提高；用B100产生的烟雾比用B20产生的烟雾多；而用B20比用B100产生更高的发电机功率和较低的制动燃料消耗比。根据所获得的结果，废烹调油产生的生物柴油可以作为一个洁净的燃料或混合物燃料成分用在农村和室内的发电机上。 1. 引言
cd4543
柴油机燃料和柴油机燃料的排放物对环境有严重的影响。从20世纪90年代开始，在一些商业应用中，生物柴油机燃料被证明是燃料市场中技术上完全能胜任的柴油机燃料替代品。这种燃料的优点可以列举如下：它可以减少温室气体的排放；减少一个国家对原油进口的依赖；并通过对国内的农作物提供市场来支持农业；它还可以增强润滑性能；并被运输工具制造者广泛接受。生物燃料最重要的特点是它的混合成分的特性。对生物燃料来说，燃料应用的一个简单分类可以确定为三个主要的类型：生物燃料或B100；各种调和比例程度的NO.2柴油机燃料（典型的调和比例是20%或50%，分别称为B20和B50）；很低的调和比例程度如1%、2%和5%的添加剂（称为B1、B2和B5）。
发电机以交流电或直流电的形式把机械能转换为电能。因为远距离传输直流电是很困难的，所以工业发电机主要生产交流电。临时备用的石油燃料发电机，典型地是在紧急情况下起用，它没有排放后处理从而不能减少污染的好处。使用这些必要时的备用动力能源替代品是一种环保上有成本-效益的方法。
生物柴油，作为发电机燃料的替代品，减少了微粒状物质CO、CO2 、总烃和SO2 排放物。也许下一个来自人类健康和环境质量的观点就是，NOx是最主要的污染物。CO、总烃（THC）和NOx三组合是控制城市地面臭氧和烟雾的关键。生物柴油有效的减少了CO和总烃的尾部排放物。然而，B100和B20可以活循环，NOx的尾管排放物含量比石油燃料高。总的颗粒物质（PM），PM10（颗粒物质小于10微米）和NOx排放物相反地却与柴油发电机的排放装置有关。减少一个就会相应地增加另一个。
来自柴油发动机排放物中的SOx量是燃料中含硫量的一个函数。环境保护署规定柴油燃料中含硫量，而不是尾管SO X排放物。在最新的对柴油燃料的规定中，公路柴油燃料的含硫在0.05 wt %内。生物燃料可以减少尾管SO x的排放物，因为它不含硫。如果我们综合生物柴油机排放物的特点，生物柴油机可以有效的减少微粒状物质的排放，也减少了未燃尽的烃类和一氧化碳，虽然它们通常不是柴油发动机的问题。尽管期望柴油开始燃烧时产生少量的NO x排放物，但事实上，相反的事却发生了。NO x会随着生物柴油的使用逐渐增多。一般发现，生物柴油的使用使NO x增加。NO x增加的原因仍在研究中，但至少一部分是由
于生物柴油与NO.2柴油机燃料之间性质的不同以及注入时间的提前。生物柴油的这些优点使得它比NO.2柴油机燃料更适合用在室内和农业发电机上应用。
这项研究将调查使用废烹调油产生的生物柴油作为一种洁净能源（B100）和混合组分（B20）的柴油发动机和发电机的性能。这两种选择性的柴油机燃料作为一种发电机燃料的候选物将在这篇文献中陈述。
2. 实验部分
材料和方法：精炼废烹调油产生的生物柴油用在柴油发动机和发电机性能上的实验是在以下条件下产生的：油和酒精的摩尔比为1：5；油重2%的催化剂；温度55±2 °C 55；压力为一个大气压；混合速
率为40rpm；根据Cetinkaya和Karosmanoglu的研究，反应时间是一小时。测定碱催化酯基转移反应条件是在一个密封的，100L，D/L为1，不锈钢的锥形底部的反应器里。这个反应器带有0.5- kW的防爆搅拌器，搅拌器的稳定速度是80rpm并有一个内部的水加热套管。废烹调油产生的生物柴油（B100），B20（20%的废烹调油产生的生物柴油+80%的NO.2柴油燃料）和NO.2柴油燃料的性能在表1中给出，并在这项研究中作进一步的研究。
发电机和发动机的性能实验是在土耳其的伊斯坦布尔阿纳多卢发动机公司进行的。试验发动机是阿纳多卢发动机的一个产品，编号为3LD510的柴油发动机。这个试验发动机为90mm冲程，一个气缸，排气量510cm3 ，功率9kW，最大旋转速度3000rpm的柴油发动机。产生的功率、转矩、燃料消耗、排气温度、油压和油温是用测力计测定的。烟值是由“博施狄塞尔试验者EFAW65A”仪器测定。
发动机性能试验装置是根据“阿纳多卢发动机最终控制试验指导K.K.P.01.T.14”和“阿纳多卢发动机测力计使用指导MJ.P.01.T.28”准备的。根据上述指导，试验是按以下方式进行的：在发动机准备阶段，发动机要在表3给定的条件下连续工作30分钟以达到稳定状态，直到发动机的温度升到80到90℃，这个阶段之后就控制了测定空载的最大速度。允许发动机在90℃，3000rpm转速下，最大负载和最大功率在7.3到8.1之间到达稳定状态一小时，一小时之后，测定柴油机燃料、B100和B20在负载速度为3000到1800rpm时的功率产生、燃料消耗、排放物、排气温度、油温、油压和介质温度这些性能参数，并把结果记录下来。结果的准确性可由测力计系统的工作原理来解释。测力计是在测力传感器帮助下测
量转矩的值。这些测力计设备的精确度为±0.005，其他机械和电子设备的精确度是±0.003，因此整个测力计系统测量结果的精确度为±0.005。
发电机性能试验是根据 “阻力负载测试仪器MJ.P.02.T.03阿纳多卢发动机指导”进行的。实验装置由两部分组成。第一部分是阻力负载测试仪器，是土耳其的Hilkar-Adapazari，它的功率为36kW，电压为380V，电流为54A。实验装置的第二个组成部分是阿纳多卢发动机的一个产品，一个100LB柴油发电机组。这个发电机组由一个旋转场三相交流发电机组成的。这个发电机由一个4LD640，一个气缸的柴油发动机驱动的。这个发动机的排气量为638cm3 ，口径为95cm，冲程为90mm。发动机是以17：1的压缩比来吸气的，并被电子调整到3000rpm。交流发动机的最大输出为10kVA，频率为50Hz。发电机组7m处的噪声等级为88dB(A)。发电机分别用柴油燃料、B100、B20运行。三相电R、S、T的频率输出、电压、电流输出被记录在不同的kW值下，这些值大约为3.5、7.5和8.5kW。
磁卡门禁机载重车3. 结果与讨论
B100、B20和No.2柴油机燃料的特性列在表1中，废烹调油产生的生物柴油的运动粘度是4.79cSt，在与运动粘度为55cSt的废烹调油相比较时，很容易看出，作为柴油发动机燃料的菜油应用的一个障碍酯基反应可以很容易的除去。同样，测出废烹调油产生生物柴油的比重是
884.4。根据EN14214-2003，最低的生物柴油含水量要求是500mg/kg。根据美国材料与试验协会（A
STM）D6304进行的测量结果，废烹调油产生的柴油的含水量为480.07mg/kg。根据EN14214-2003要求标准，含96.5 wt %甲基酯是可以接受的。脂肪酸甲基酯主要由油酸和亚油酸组成，它们分别为26.56wt%和55.81wt%。亚油酸甲基酯的含量是由气液谱分析器测定的，测出值为0 wt %，这与EN14214-2003要求的亚油酸甲基酯的最大含量为12 wt %是一致的。根据美国药典（USP）丙三醇参比品（RS）标准方法，总丙三醇量被测为0.206 wt %，这比EN14214-2003标准要求的0.25 wt %要低。根据美国石油化学家学会（AOCS）Ca14056，游离丙三醇的燃料测定值是0.011 wt %，这个也比EN14214-2003标准要求的0.02wt%要低。测出生物柴油的折射指数是1.4559。根据AOCS 标准试验方法，同样可测出B100的酸值，碘值和过氧化物值分别为0.289mgKOH/g、125.34I−/g和0.954mgO−/kg。根据美国石油化学家学协会标准试验方法，B100的酸值与EN14214－2003给出的最大要求极限很一致。这种清洁能源的碘值比EN14214－2003要求的碘值极限高一点。碘值与燃料的化学结构有关。它是燃料化学结构中双键个数的指示器，同样，高碘值对生物柴油的冷流特性有好的影响。随着烃的燃烧作用，要求有一个脂肪结构，这里双键数必须要少。这个要求受到生物燃料的亚油酸甲基酯标准限定的限制。正如提到的，碘值与燃料的冷流特性有直接的关系。碘值测定与生物燃料标准公布的120mgI−/g的限定十分相近。当考虑到浊点的测定，希望不要对发动机性能产生严重的影响。含硫量是生物柴油比No.2柴油机燃料优越的重要凭证。环境关注对油基柴油燃料产品中含硫量作了一定限制。EN14214－2003要求生物柴油中含硫量为0.5wt%。根据我们的试验，废烹调油产生的生物柴油中含硫量为0.034%。测出的生物柴油的闪燃点为176℃。生物柴油的冷流特性是工业燃料适
应性的重要指示。如前面提到的，工业冷流改进的研发每天都在增加，新产品被一些著名的公司用在燃料市场上。测出的生物燃料浊点为9℃。在EN14214-2003生物燃料标准上没有对生物燃料的浊点作限定。必须通过生产商告诉顾客生物柴油燃料的浊点，以便他们在天气条件变化时对应用作一些准备。生物柴油的凝点为-3℃。冷过滤塞试验是根据柴油机和加热燃料的冷过虑塞点的ASTM D 6371标准试验方法进行的。同样，EN14214-2003生物柴油标准的取决于温度和北极气候的CFPP限定在表2中给出。对生物柴油，这个值是6℃，根据温度限定，这被认为是C级。同样，在土耳其，自动柴油机（TS 3082 EN 590）的冷过滤塞点要求极限值分为“冬季等级”和“夏季等级”。“冬季等级”的要求极限是-10℃，而“夏季等级”的要求极限为5℃。根据我们的实验结果，废烹调油产生的生物柴油机可被用作土耳其“夏季等级”自动柴油机的替代品。通过用Kriskangkuna方法计算十六烷指数的甲基酯，测出十六烷指数是66.3，其特性的标准限定是51。
根据ASTM D 130标准试验方法，通过铜瑕疵试验对石油产品的铜腐蚀检验，这三种燃料均被定为一等。这些结果与EN14214-2003中B100 和B20的要求限定相符。B100、B20和柴油燃料的碳值要求是根据测石油产品中康拉特逊残碳值的ASTM D 189标准试验方法测定的。在EN14214-2003中对10%的蒸馏残渣中，要求限定的残碳值是0.3 wt %。对生物柴油，不可能蒸馏样品，因此对100%的蒸馏残渣样品进行残碳值试验，结果表明B100和B20分别在0.032%和0.023%的可接受范围内。高碳残渣测量可在喷射管口区域内采集，这里可以限制移动部分的运动范围。测量结果表明，B100 和B20没有形成气缸内碳堆积的趋势。
B100、B20和柴油燃料的高热和低热值是根据ASTM D 4868计算出来的，这与燃料的密度、含水量、含硫量、含灰量有关，并由这些决定燃料的热燃烧值，B100 和B20的低热值和高热值比柴油燃料的要低。B100、B20和柴油燃料的低热燃烧值分别为42、42.5和42.7MJ/kg，它们的高热燃烧值分别为42.89，45.33和45.55MJ/kg。三种测试燃料的结果都很相近。因此，表明ASTM D 4868方法的再生能力是0.15MJ/kg，和这个方法的重复能力是0.05MJ/kg是非常重要的。B100 和B20的低热燃烧试验导致柴油发动机和柴油发电机性能具有
较高的制动燃料消耗比，将在下一部分讨论。
在表4中列出了B100、B20和柴油燃料在转速为1800到3000rpm时的排气温度、油压和油温。同样，图1、2、3中呈现出了这三种测试燃料的功率生产，制动燃料消耗比和博施（Bosch）试验结果。
这三种测试燃料的油温范围在116℃到122℃之间，在表4中可以看到测试的油压在2.0bar到3.1bar之间。其中一个参数是排气温度，B100 和B20的变发动机速度为3000到1800转每分，满载时排气温度比柴油燃料的低。测出的柴油机燃料在转速为3000rpm时的最大和最小排气温度为529℃和519℃，而B100、B20的分别为508℃和475℃。较低的排气温度是生物柴油混合物早燃烧和低热酯的一个指示器。较早的燃烧可以使膨胀过程有更多的时间和曲柄角把热的燃烧气体的能量转移走。燃烧时间是这些温度的一个强有力的因素。由于较长的膨胀过程使得早的燃烧时间影响燃烧温度的增加，而减小了
排气温度。生物柴油有很高的十六烷指数，而十六烷指数可以减少注入后的燃烧延迟。在同等运行功率水平下，为了弥补B100 和B20的低热值，燃烧注入泵在注入生物柴油时比注入柴油机燃料要早。这就导致人工的时间提前和燃烧提前。我们从实验中获得的所有这些因素都有增加B100 和B20的燃烧温度，降低排气温度的趋势。
图1给出了三种燃料在给定负载下的发电功率。从图1可以看出，负载减少时，这三种燃料的发电功率也在减少。对B20和B100，最大的发电功率是7.45kW，最小发电功率分别为5.9kW和5.7kW。 在0.8 % 和0.66%范围内与No.2柴油燃料分别对比时，观察到B100 和B20的应用在功率上有一点下降。从B20的应用中可以得到相同的功率值。这个观察表明，20%的生物柴油加No.2柴油机燃料并不影响燃料的性能。
为了测定三种燃料的制动燃料消耗比，记录50g燃料样品的燃烧时间。测量结果用发电量和燃烧消耗时间结合起来表示，为单位g kW-1h-1。制动燃料消耗比的结果在图2中，分别为10%和 4%的范围内，B100 和B20的燃料消耗比要比柴油燃料的燃料消耗比高。B100 和B20的低热要求注入大量燃料，才能使发动机产生相同的功率。这也导致了B100 和B20有较高的制动燃料消耗比显示结果。
烟雾测试结果在图3中给出。结果表明，由于B100 和B20在发动机上的使用，尤其是B100，大大地减少了排放物的产生。
发电机试验结果在表5中给出。三种试验燃料的性能用三种不同的功率值来衡量：3.5、 7.5和 8.5kW。发电机产生的电压，电流用三种不同的相来描述：R， S 和T。同时还测出了这三种不同千瓦值的发电频率。3D打印遗体修复
柴油机燃料、B100 和B20的频率测量给出了相似的结果。由于柴油机燃料、B100 和B20在3.5kW下的应用，他们的频率分别为52.57、52.40 和 52.37Hz。这个结果是如此的接近，可以认为B100 和B20与柴油机燃料有相似的性能结果。尽管测出B100 和B20在电压，电流和频率上有一点下降，这些下降最多为1%左右，公司权威认为这一点下降是可以忽略的。发电机性能通常随工作时间的增加而下降，因此频率的下降趋势可以解释为发电机应用的整体趋势。Guo等人表明生物柴油的使用减少了烟雾和高碳排放物，同时NO x也有微量的变化。观察到，即使在100%的生物柴油中，发电机的最大输出功率也有不显著的下降，这一点上我们的研究也得出相同得结果。Dorado等人描写了来自废橄榄油的生物柴油和No.2柴油燃料的排放物的特征。生物柴油的使用导致较低的CO、CO2 、NO、和SO2 排放物，并使NO2排放物增加。生物柴油同样表现出制动燃料消耗比的少量增加。不管用生物柴油还是No.2柴油燃料，燃烧效率保持一定。这项研究的结果与Dorado等人的研究结果相一致。Dorado等人也致力于测定在三个气缸，直接注入，2500cm3 Diter柴油发动机里，在500小时阶段里运行10%的废菜油和90%柴油燃料混合物的可行性。观测表明，大约有12%的功率损失，少量的燃料消耗增加和正常
的烟排放物，这与我们的结果很相似。Gomez等人调查Toyota van的排气排放物和性能特征，这个Toyota van是由一个21 IDI型的自然吸气的柴油发动机驱动的，在以菜油为基础的废烹调油甲基酯上进行操作的。废烹调油甲基酯提高了低烟度和不透光水平，并减少了CO、CO2 、 和SO2的值，同时与No.2柴油燃料相比，O2 、NO2 和NO量有点高。这两种燃料的功率值可以相比较，它与我们的结果很相似。AL-Widyun等人用一些酯与柴油混合物包括100%的No.2柴油燃料和生物柴油燃料作为基质材料来试验。实验是在单气缸，直接注入柴油发动机这样的标准实验设备中进行的。结果调查发现，混合物在较低的燃料消耗下，可以更有效的燃烧，并导致较高的发动机热效率和少量的CO及未燃烧的高碳排放物。100%的生物柴油和75：25的酯/柴油混合物可以得到最好的结果，而测试在所有速度范围内的排放量的最好结果是以50：50的混合率中得到的。作为由Rothermal导出的M.Sc研究结果的一部分，调查了No.2柴油燃料与甲基酯之间的排放物水平的比较。生物柴油与No.2柴油燃料之间的排放物比较表明，生物柴油基质燃料在最大发动功率的 80%时NO x平均增加10%，而在最大发动功率的100%时NO x排放物减少11%。烟雾测试表明，生物柴油在全工况条件下，大大减少了颗粒排放物，在最大发动功率的80%时，平均减少27%，在最大发动功率的100%时平均减少54%。生物柴油基质燃料与No.2柴油燃料相比，全工况下的排气温度降低了，这与我们研究中获得的结果是相似的。
旋转式清堵机4. 结论
B100 和B20的柴油发动机和发电机性能试验与给出的柴油燃料有相似的结果。从B100 和B20的应用
中观测到功率产生减少了1%，这点减少是可以忽略的。B100 减少的排气温度大约平均为5%。B100 和B20在全工况条件下的排气温度比柴油机燃料的低。生物柴油混合物（B100 和B20）的制动燃料消耗比值，特别是B100 的，比柴油燃料的高。这种清洁燃料的制动燃料消耗比的增加可归功于它较低的热值，B100 的热值比No.2柴油燃料的热值平均低12%。B100 和B20的发电机性能与柴油燃料的发电机性能相似。三种不同相的交流发电机的频率、电压和电流测量值结果可接受。生物柴油用在发动机上之后，进行了博施烟雾分析，结果表明，B100 和B20的使用以一个合理的烟值减少结束。对清洁燃料最大速度（3000rpm）和最小速度（1800rpm）的减少分别为40%和55%，对B20分别为10%和36%。进而，博施发烟值的减少实际上增加了上升的发动机负载。
结果表明，在清洁燃料和混合组分这两方面，废烹调油产生的生物柴油称得上是一种环境友好的发动机燃料候选物，就像这篇文章中直接通过烟值说明的一样。进一步的调查必须包含发动机噪声试验和特殊排放物的类型（NOx 、SOx CO等）的测量。
表1 EN 14214－2003 和三种测试燃料的性质
试验燃料
试验参数
B100 B20 柴油机燃料
（ASTM D
6751） 测试方法
EN 14214-
2003生物
柴油标准
含水量，最大（ppm） 480.07 258.86 66.53
ASTM D
2709
500 含硫量，最大（ wt %） 0.034 0.378 0.494
ASTM D
5453
10 含灰量，最大（ wt %） 0.03 没有 没有
ASTM D
弹性夹头482
0.02
