编辑|艺海探秘
前言使用可再生和环境友好的替代燃料有潜力解决或至少缓解石油燃料危机。植物油可用于压燃发动机，可能是一个潜在的解决方案，而且植物油在压燃发动机中的使用历史悠久。
棕榈油柴油
柴油发动机的发明者鲁道夫·迪塞尔在1900年的巴黎世界博览会上首次使用植物油驱动了他的第一台发动机。这证明了压燃发动机可以使用基于植物油的燃料运行。
基于植物油的生物柴油具有类似的物理化学性质，这使它们成为在压燃发动机中作为替代燃料的首选，而且对发动机的改动可以忽略或最小化。几种基于植物油的生物柴油可用于压燃发动机。
表1
在各种潜在的基于植物油的生物柴油中，本次研究着重研究了棕油柴油（POD）。表1中列出了几种植物油、石油柴油和棕油柴油的物理化学性质。
从表中可以看出，棕油柴油的密度和粘度都高于石油柴油，但可以通过与石油柴油或醇混合来予以补偿。
棕油柴油的十六烷值（CN）高于石油柴油，这可能导致更短的点火延迟时间，使得峰值燃烧温度和压力升高，从而提高性能。相反，棕油柴油的热值低于石油柴油，这将导致比石油柴油更高的比油耗。
Kalam和Masjuki（引用文献21）通过他们的研究得出结论，棕油柴油满足柴油发动机燃烧的要求，并且与大豆油和菜籽油等其他生物柴油相当。
马来西亚棕榈油局（MPOB）的研究人员自上世纪80年代以来一直是棕油作为燃料的先驱者，并开发了几种将原始棕榈油（CPO）转化为棕油柴油的工艺。
他们在八辆出租车上进行了两阶段的实地试验，使用棕油柴油作为燃料。他们的目标是研究柴油发动机的性能和柴油发动机润滑油在使用棕油柴油时的行为。
总体结果显示，大多数排放物减少，性能可比。Ali等人在一台四缸、四冲程、直喷式柴油发动机上进行了实验，燃用棕油柴油混合物。结果表明，在不同工况下，当燃用棕油柴油混合物时，发动机的制动功率、扭矩和比油耗与石油柴油燃料相当。
我们研究了使用棕油柴油的柴油发动机的性能和排放行为，并将其与使用石油柴油的发动机进行了比较。从文献中可以得知，大多数研究是使用棕油柴油混合物进行的，并且发动机的速度保持恒定。
柴油发动机
在本研究中，使用100%的棕油柴油作为燃料，并在不同的转速下研究了性能和排放情况。在CussonsPetterAC1柴油发动机上进行了静态实验。测量了棕油柴油和石油柴油发动机在三个转速下的制动扭矩、热效率和比油耗等发动机性能参数。还对发动机的排放进行了研究。
一、实验设置本研究使用的发动机是一台5千瓦的Cussons空冷单缸间接喷射柴油发动机，配备了Cussons空冷单缸。该发动机采用空冷方式，因此预计较水冷发动机更热。因此，平均循环温度将更高，这有望为黏度较高的棕油柴油燃料提供更平稳的燃烧。发动机的规格如表2所示。
表2
为了测试发动机，使用了Cussons单缸发动机试验台P8160。该试验台使用具有摆动场的直流电机发电机用于扭矩测量，并作为发动机的测功机进行负载。采用电子可控硅驱动器和闭环速度控制装置，以便在启动时使用直流机进行曲柄转动，必要时进行电动转动，并用于吸收功率。实验设置的示意图如图1所示。排放物使用COSA6000气体分析仪进行测量。
图1
三、结果3.1性能分析发动机的性能很大程度上取决于燃料的特性。在本研究中，发动机分别使用棕油柴油和石油柴油作为燃料。下面讨论了两种燃料下的发动机性能。
3.1.1制动扭矩图2展示了发动机制动扭矩随制动功率和转速变化的情况。发动机的制动功率与制动扭矩成正比关系，实验中也呈现出类似的线性趋势。观察到，棕油柴油的制动扭矩平均比石油柴油低5.3%。
图2
这是因为棕油柴油的热值低于石油柴油。除了热值较低，棕油柴油的密度和粘度较高，导致燃烧室内空气和燃料颗粒的混合不足，因为棕油柴油的流动速度和挥发性较低，这影响了燃烧效率。
3.1.2比油耗比油耗（bsfc）衡量了单位功率输出的燃料流量。显然，较低的比油耗是理想的，对于压燃发动机而言，可以低至200克/千瓦时。图3展示了不同制动功率下的比油耗情况。随着发动机负载的增加，比油耗呈指数型下降，超过额定功率后又开始增加。
图3
在中等到最大制动功率范围内，棕油柴油的比油耗略高，这是由于棕油柴油的低热值，这是由棕油柴油中的载氧燃料所致。因此，为了保持相同的制动功率输出，棕油柴油的比油耗增加，以补偿燃料中化学能的减少。
实验中得到的最低数值为棕油柴油约为440克/千瓦时，石油柴油约为400克/千瓦时，无论在哪个转速下。平均而言，棕油柴油的比油耗比石油柴油高10%。
3.1.3制动热效率制动热效率是衡量燃烧发动机效率的指标，它衡量产生的功率与热能之间的比例。研究发现，棕油柴油的热效率略低于石油柴油。图4展示了热效率随制动功率变化的情况。
实验中实现的最大效率约为20%（对于棕油柴油）和21%（对于石油柴油）。由于棕油柴油的热值较低，导致的比油耗增加10%，而热效率降低了5%，这意味着由于棕油柴油中存在的载氧燃料，与柴油相比，使用棕油柴油燃烧更好。
图4
3.2排放分析使用生物柴油可以显著减少温室气体（GHG）排放。像棕油柴油等生物柴油在其生命周期中具有碳中和性质，因为生产生物柴油的植物会吸收燃烧产生的CO2，它们不会对大气中的二氧化碳净增加产生贡献。在本研究中，研究并介绍了棕油柴油和石油柴油的排放情况。
3.2.1氮氧化物（NOx）排放氮氧化物（NOx）是对NO和NO2的总称。通常情况下，由于生物柴油分子中含有氧分子，生物柴油的NOx排放量总是高于石油柴油。美国环境保护局（EPA）的报告指出，与传统石油柴油相比，100%生物柴油燃料的NOx排放量会增加10%。在本实验中也观察到了类似的情况，如图5所示。
图5
对于棕油柴油，随着负载的增加，NOx的排放量也增加。发现在2800转/分钟时，棕油柴油的NOx排放量为520ppm，而石油柴油仅为192ppm。平均而言，棕油柴油的NOx排放量比石油柴油高33%。
棕油柴油的高排放量是由于其更高的绝热火焰温度、较少的辐射传热、点火延迟时间的减少、较高的不饱和度和较高的含氧量。点火延迟时间较短（较高的十六烷值）意味着燃料将更早自燃，将峰值压力更接近上止点，从而导致更高的燃烧温度。
图6
图6显示的更高排气温度证实了在燃烧过程中的最高温度对于棕油柴油而言较高。生物柴油分子中的氧气和这种较高的燃烧温度是产生NOx排放的先决条件，从而导致更高的NOx排放量。
3.2.2一氧化碳（CO）排放燃烧过程中产生的一氧化碳是由于不完全燃烧。一氧化碳排放量取决于空燃比（AFR）。
较低的空燃比会导致较高的一氧化碳排放量，因为氧气供应较少。如图7所示，随着负载的增加，空燃比下降，从而在发动机较高的制动功率下导致了较高的一氧化碳排放量。
图7
从图8中可以看出，棕油柴油排放的一氧化碳较石油柴油更少。对于所有速度范围，棕油柴油的一氧化碳排放量平均比石油柴油低约51%。
与石油柴油相比，使用棕油柴油时一氧化碳排放显著降低，这是因为棕油柴油的碳含量低于石油柴油燃料。另一个原因是棕油柴油中氧气的可用性更高，实现了完全燃烧，产生的一氧化碳较石油柴油较低。
图8
3.2.3碳氢化合物（HC）排放未完全燃烧的碳氢化合物（HC）是柴油发动机的另一个重要排放物。实验中得到的碳氢化合物排放情况如图9所示。未完全燃烧的碳氢化合物排放量取决于燃料特性、发动机工况和燃油喷射特性。
图9
从图中可以看出，棕油柴油和石油柴油的平均未完全燃烧碳氢化合物分别为47ppm和107ppm，对于整个发动机转速和制动功率范围。与石油柴油相比，棕油柴油的平均碳氢化合物排放减少了55%。这种减少表明棕油柴油具有更高的十六烷值和含氧量，有利于碳氢化合物的氧化反应。
四、结论本研究在一台Cussons空冷单缸间接喷射柴油发动机上使用了由棕榈油制成的生物柴油，即棕油柴油（POD）。就理化性质而言，棕油柴油的热值较低，十六烷值、密度和粘度较高于石油柴油。发动机运行平稳，启动过程没有任何问题，并且在使用棕油柴油时没有听到爆震声。
棕油柴油
由于棕油柴油的热值较低，燃料消耗比石油柴油更高，导致比油耗更高。平均而言，棕油柴油的比油耗比石油柴油高10%。
棕油柴油中的氧气含量有助于更好的燃烧，使棕油柴油的热效率仅比石油柴油低5%。然而，由于更好的燃烧导致更高的燃烧温度，并且生物柴油分子中存在氧气，因此棕油柴油产生了比石油柴油更多的氮氧化物（NOx）排放。
平均而言，棕油柴油的NOx排放量比石油柴油高33%。由于生物柴油中存在氧气分子，一氧化碳（CO）排放量平均比石油柴油低51%。出于相同的原因，棕油柴油的碳氢化合物（HC）排放量也比石油柴油低55%。
综合分析，可以得出结论，棕油柴油是柴油发动机的一种合适的可再生替代燃料。然而，还需要进行耐久性测试，以了解在柴油发动机中使用棕油柴油的长期影响。
参考文献
