王忠， 馮淵， 瞿磊， 張美娟， 吳婧

(1. 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214000； 2. 江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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天然抗氧化劑對(duì)生物柴油燃燒特性的影響研究

王忠1，2， 馮淵1， 瞿磊2， 張美娟1， 吳婧2

(1. 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214000； 2. 江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對(duì)生物柴油氧化安定性較差的特點(diǎn)，在調(diào)和油B20中添加天然抗氧化劑，改善生物柴油的氧化安定性。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)量了標(biāo)定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷時(shí)，分別添加迷迭香與茶多酚兩種抗氧化劑的生物柴油K1B20和K2B20的示功圖，并與燃用柴油B0、生物柴油B100以及調(diào)和油B20進(jìn)行對(duì)比，探討了抗氧化劑對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響。結(jié)果表明：低負(fù)荷時(shí)，與燃用B0相比，燃用B100的最高燃燒壓力、最大壓力升高率升高，瞬時(shí)放熱率峰值降低，滯燃期縮短，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)；與燃用B20相比，燃用K1B20和K2B20的壓力曲線與瞬時(shí)放熱率曲線形狀以及燃燒特性參數(shù)基本相同。全負(fù)荷時(shí)，隨生物柴油摻混比的增加，最高燃燒壓力降低；燃用K1B20和K2B20的最高燃燒壓力升高，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角略有延遲，最大壓力升高率峰值基本相同，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角延遲。燃用K1B20和K2B20對(duì)柴油機(jī)的輸出功率影響不大，與B20相比，滯燃期與燃燒持續(xù)期略有縮短，排氣溫度有所降低。

抗氧化劑； 燃油添加劑； 生物柴油； 燃燒過(guò)程

生物柴油作為一種綠色可再生清潔能源得到了世界各國(guó)的普遍重視，成為柴油機(jī)的一種重要替代燃料。生物柴油主要成分為長(zhǎng)鏈不飽和脂肪酸甲酯，不飽和程度高易造成其氧化安定性較差[1-2]。采用抗氧化劑改善生物柴油的氧化安定性具有良好的效果。研究表明[3-4]：生物柴油的氧化反應(yīng)主要為自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，抗氧化劑能夠與自由基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的產(chǎn)物。此外，抗氧化劑可以猝滅單重態(tài)氧，抑制光氧化，并與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，減小金屬離子的促氧化作用[5-8]。生物柴油中添加抗氧化劑，可以延長(zhǎng)生物柴油的使用周期，將添加抗氧化劑的生物柴油應(yīng)用于柴油機(jī)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。韓國(guó)Ryu等學(xué)者[9]研究了添加抗氧化劑BHT，BHA，PrG，TBHQ的生物柴油對(duì)柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，負(fù)荷為75%時(shí)，添加抗氧化劑對(duì)生物柴油示功圖和排放污染物的影響較小，有效燃油消耗率與不添加抗氧化劑的生物柴油相比稍有降低。馬來(lái)西亞Fattah等學(xué)者[10]研究了抗氧化劑對(duì)生物柴油燃燒過(guò)程及排放的影響，結(jié)果表明，添加抗氧化劑可以提高功率，降低排氣溫度，減少NOx排放，但HC，CO和炭煙排放略有升高。

與車(chē)用柴油機(jī)相比，農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等非道路柴油機(jī)移動(dòng)范圍小、應(yīng)用廣、排放量較高，鑒于此，本研究以廣泛用作水泵和發(fā)電機(jī)機(jī)組配套動(dòng)力的186F非道路柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用清潔能源生物柴油為燃料，并針對(duì)其氧化安定性差的特點(diǎn)，配制了分別含迷迭香和茶多酚兩種天然抗氧化劑的生物柴油混合燃料，測(cè)量了標(biāo)定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷時(shí)的柴油機(jī)氣缸壓力、輸出功率、排氣溫度等參數(shù)，考察了不同抗氧化劑對(duì)生物柴油燃燒過(guò)程及動(dòng)力性的影響，為生物柴油中添加抗氧化劑在非道路柴油機(jī)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 抗氧化劑的作用機(jī)理

天然抗氧化劑從動(dòng)植物、微生物中提取，來(lái)源廣泛，主要分為多酚類(lèi)、黃酮類(lèi)、維生素及其衍生物等，其中，迷迭香和茶多酚應(yīng)用較為廣泛。迷迭香的主要成分為鼠尾草酸(C20H28O4)，鼠尾草酸為脂溶性抗氧化劑，分子具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，苯環(huán)上含有多個(gè)取代基，使得鼠尾草酸具有很好空間位阻效應(yīng)，有利于自由基的穩(wěn)定，提高了鼠尾草酸的抗氧化活性。茶多酚的主要成分為兒茶素(C15H14O6)，結(jié)構(gòu)包括一個(gè)苯環(huán)和一個(gè)苯并吡喃，苯環(huán)和苯并吡喃各有兩個(gè)兒茶素羥基取代基，在中斷生物柴油自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程中，苯并吡喃上的兩個(gè)羥基取代基易電離出H離子，提高茶多酚抗氧化活性。兩種抗氧化劑的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

鼠尾草酸與兒茶素的結(jié)構(gòu)中均含有帶羥基的苯環(huán)AH，與生物柴油反應(yīng)時(shí)，向生物柴油中的ROO·提供H·，轉(zhuǎn)變?yōu)闅溥^(guò)氧化物ROOH，阻斷自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，抑制生物柴油氧化，反應(yīng)方程式為

可以看出，與生物柴油自由基反應(yīng)生成的A·狀態(tài)較為穩(wěn)定。A·中的未成對(duì)電子可以按照?qǐng)D2所示的價(jià)電子異構(gòu)體在苯環(huán)上離域分布。抗氧化劑在反應(yīng)過(guò)程中作為H·給予體，能夠溶解在生物柴油中，離解出H·?？寡趸瘎┍旧硇再|(zhì)不活潑，以酚類(lèi)抗氧化劑為例，當(dāng)取代基進(jìn)入苯環(huán)后，由于誘導(dǎo)效應(yīng)提高了苯環(huán)上羥基電子云密度，從而提高了與生物柴油自由基的反應(yīng)活性。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用186F柴油機(jī)，壓縮比為19，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，對(duì)應(yīng)的全負(fù)荷功率為5.7 kW；最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，對(duì)應(yīng)全負(fù)荷功率為3.4 kW。試驗(yàn)原料為常規(guī)0號(hào)柴油B0和生物柴油B100，以柴油為基礎(chǔ)油，配制含生物柴油體積百分比為20%的調(diào)合油B20；茶多酚提取物中茶多酚含量為50%，迷迭香提取物中鼠尾草酸含量為20%。在調(diào)合油B20中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8‰的迷迭香提取物和茶多酚，分別記為K1B20和K2B20。

主要測(cè)試儀器包括CW-9電渦流測(cè)功器、MCS-960油耗儀、SYC-03A氣缸壓力傳感器、Dewetron燃燒分析儀等。試驗(yàn)臺(tái)架布置見(jiàn)圖3。

2.2 試驗(yàn)方案

燃燒特性分析是基于示功圖采集，根據(jù)采集到的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)計(jì)算壓力升高率、瞬時(shí)放熱率，并在此基礎(chǔ)上分析滯燃期、燃燒持續(xù)期等特征參數(shù)。示功圖采集系統(tǒng)主要由缸壓傳感器、光柵盤(pán)、角標(biāo)儀、電荷放大器等硬件組成。柴油機(jī)每個(gè)工作循環(huán)中測(cè)得的缸內(nèi)壓力會(huì)受轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量波動(dòng)等因素的影響，相同工況下，每個(gè)工作循環(huán)之間存在一定差異，為減小循環(huán)之間的誤差，在缸內(nèi)壓力采集過(guò)程中，每個(gè)工況采集150個(gè)循環(huán)，采集步長(zhǎng)為1°曲軸轉(zhuǎn)角。

1) 在標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，負(fù)荷分別為25%和100%時(shí)，測(cè)量燃用B0，B20，B100，K1B20和K2B20的缸內(nèi)壓力曲線，考察不同燃料對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響。通過(guò)對(duì)燃燒分析儀采集的示功圖進(jìn)行分析，計(jì)算缸內(nèi)壓力升高率、燃燒放熱率、滯燃期以及燃燒持續(xù)期等表征柴油機(jī)燃燒過(guò)程的特性參數(shù)。

2) 在標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，將調(diào)速手柄固定在燃用柴油25%和100%負(fù)荷對(duì)應(yīng)的位置(分別記為手柄位置1和2)，更換不同燃料，測(cè)量柴油機(jī)的動(dòng)力性參數(shù)；按照負(fù)荷特性的試驗(yàn)方法，測(cè)量柴油機(jī)燃用不同燃料時(shí)排氣溫度變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 缸內(nèi)壓力及壓力升高率

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min下，柴油機(jī)燃用不同燃料時(shí)的缸內(nèi)壓力以及壓力升高率的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。從圖4a可以看出，小負(fù)荷時(shí)，燃用B100的著火時(shí)刻最早，燃用B0的著火時(shí)刻最晚；最高燃燒壓力隨生物柴油添加比例的增加而逐漸增大，燃用B100缸內(nèi)最高燃燒壓力與燃用B0相比提高了3.7%；燃用B100最大壓力升高率高于燃用B0，二者分別是0.537 MPa/(°)和0.495 MPa/(°)，燃用B20壓力升高率介于兩者之間。這是由于在低負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)循環(huán)供油量較小，熱負(fù)荷較低，部分燃料未完全燃燒，燃料熱值對(duì)最大燃燒壓力影響較小，生物柴油的自燃性較好，分子結(jié)構(gòu)中含有氧，著火后燃燒迅速，缸內(nèi)壓力急劇升高，導(dǎo)致最高燃燒壓力升高率與柴油相比較大。與燃用B20相比，燃用添加迷迭香提取物和茶多酚的混合燃料K1B20和K2B20的缸內(nèi)壓力和壓力升高率差異較?。喝加肒1B20和K2B20的最高燃燒壓力與燃用B20相比分別降低了1.3%和0.7%， 燃用K1B20最高燃燒壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角與燃用B20相同，為7°，燃用K2B20對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角延遲了1°曲軸轉(zhuǎn)角。

由圖4b可以看出：與低負(fù)荷相比，全負(fù)荷下的最高燃燒壓力升高。燃用B0，B20和B100最高燃燒壓力分別為7.80 MPa，7.40 MPa和7.29 MPa，且隨著生物柴油比例的增加，最高燃燒壓力降低。高負(fù)荷條件下燃料燃燒較為完全，并且柴油的滯燃期較長(zhǎng)，每循環(huán)噴入缸內(nèi)的燃料較多，此外，柴油熱值高于生物柴油，綜合原因?qū)е赂哓?fù)荷下燃用柴油時(shí)的最高燃燒壓力高于生物柴油。燃用K1B20和K2B20的壓力上升曲線與燃用B20相比后移，相對(duì)位置變化較為明顯，最高燃燒壓力增大，與燃用B20相比，燃用K1B20，K2B20的最高燃燒壓力分別升高了2.3%，3.1%，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角均推遲2°；最大壓力升高率沒(méi)有明顯變化，但壓力升高率峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別延遲了3°和2°。

3.2 瞬時(shí)放熱率

圖5示出在標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，25%和100%負(fù)荷時(shí)的瞬時(shí)放熱率。從圖5a可以看出，小負(fù)荷時(shí)，燃用B0，B20和B100的放熱率峰值分別為75.1 J/(°)，73.5 J/(°)和67.9 J/(°)，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別是4°，2°和1°。燃用K1B20和K2B20的瞬時(shí)放熱率峰值分別為72.4 J/(°)和71.3 J/(°)，與燃用B20相比分別降低了1.5%和3.0%，放熱率峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均提前1°。從瞬時(shí)放熱率曲線形狀以及燃燒始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角來(lái)看， 25%負(fù)荷工況下添加迷迭香提取物和茶多酚對(duì)燃料的放熱規(guī)律影響不大。

從圖5b可以看出，全負(fù)荷時(shí)，燃用B0，B20和B100放熱率峰值分別為98.1 J/(°)，92.7 J/(°)和87.0 J/(°)，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別為5°，2°和1°。燃用K1B20和K2B20的瞬時(shí)放熱率峰值分別為94.7 J/(°)和92.0 J/(°)，放熱率峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角與燃用B20相比分別延遲了1°，2°。K1B20和K2B20的運(yùn)動(dòng)黏度與B20相比均明顯增大，這使得在燃油噴射霧化過(guò)程中需要消耗更多熱量，在K1B20，K2B20，B20的熱值與密度沒(méi)有明顯差別的條件下導(dǎo)致放熱率峰值相位推遲。

3.3 滯燃期

柴油機(jī)燃用不同燃料時(shí)的滯燃期變化規(guī)律見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯嗤r下，隨著生物柴油添加比例的增加，滯燃期逐漸縮短，25%和100%負(fù)荷工況下，相比于燃用B0，燃用B100的滯燃期分別縮短了5°和4°。B20中添加抗氧化劑后，滯燃期略有縮短，與B20相比，均縮短1°；但抗氧化劑種類(lèi)對(duì)滯燃期幾乎無(wú)影響。生物柴油的十六烷值高于柴油，燃料的著火性能比柴油好，滯燃期縮短，著火提前。此外，生物柴油中含有較多的正構(gòu)烷烴基單酯和正構(gòu)烯烴基單酯，碳鏈易發(fā)生斷裂，自燃性較好。這些因素綜合作用下使得燃用B100的滯燃期最短。

3.4 燃燒持續(xù)期

放熱始點(diǎn)定義為10%累計(jì)放熱率對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，放熱終點(diǎn)定義為99%累計(jì)放熱率對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，從放熱始點(diǎn)到放熱終點(diǎn)經(jīng)過(guò)的曲軸轉(zhuǎn)角即為燃燒持續(xù)期[11-12]。圖7示出標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，負(fù)荷分別為25%和100%時(shí)，不同燃料對(duì)燃燒持續(xù)期的影響?？梢钥闯觯回?fù)荷下，燃燒持續(xù)期隨著生物柴油添加比例的增加而逐漸延長(zhǎng)，25%和100%負(fù)荷時(shí)，燃用B100的燃燒持續(xù)期分別為44°和37°，與燃用B0相比，分別延長(zhǎng)9°和8°。在B20中分別添加迷迭香提取物和茶多酚兩種抗氧化劑，燃燒持續(xù)期略有減小，而抗氧化劑種類(lèi)對(duì)燃燒持續(xù)期幾乎無(wú)影響。

3.5 輸出功率

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min下，調(diào)速手柄位置相同時(shí)，柴油機(jī)燃用不同燃料的輸出功率數(shù)據(jù)見(jiàn)表1?？梢钥闯?，隨著柴油中生物柴油摻混比的提高，柴油機(jī)的功率有所下降：低負(fù)荷時(shí)，與燃用B0相比， 燃用B20和B100的輸出功率分別減小4.2%和10.6%；全負(fù)荷時(shí)燃用B20和B100的輸出功率與燃用B0相比分別減小1.9%和4.2%。這主要由于調(diào)速手柄位置和轉(zhuǎn)速相同時(shí)，每循環(huán)供油量相同，生物柴油的熱值低于柴油，柴油中摻混生物柴油，輸出功率降低。相同條件下，與B20相比，柴油機(jī)燃用K1B20和K2B20的輸出功率變化不大，表明添加抗氧化劑對(duì)柴油機(jī)的輸出功率沒(méi)有明顯影響。

表1 調(diào)速手柄位置相同時(shí)柴油機(jī)輸出的功率

3.6 排氣溫度

柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下燃用不同燃料時(shí)排氣溫度隨負(fù)荷的變化見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，隨著負(fù)荷的增加，排氣溫度逐漸升高；中、低負(fù)荷時(shí)，相同條件下，燃用B0的排氣溫度最高，燃用B100的排氣溫度最低；高負(fù)荷時(shí)，柴油中摻混生物柴油，排氣溫度升高；與燃用B20相比，柴油機(jī)燃用K1B20和K2B20的排氣溫度較低，全負(fù)荷時(shí)分別降低了10 ℃和12 ℃。主要是由于在B20中添加迷迭香提取物和茶多酚兩種抗氧化劑后，混合燃料的運(yùn)動(dòng)黏度有所增大，噴油貫穿距離增大，可能導(dǎo)致油束碰壁激冷，降低了燃燒溫度。

4 結(jié)論

a) 標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，低負(fù)荷時(shí)，與B0相比，燃用B100的最高燃燒壓力升高，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角有所提前，最大壓力升高率升高，放熱始點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角提前，瞬時(shí)放熱率峰值降低；與低負(fù)荷相比，全負(fù)荷下隨生物柴油摻混比的增加，最高燃燒壓力降低，放熱率峰值減??；

b) 與B20相比，燃用K1B20和K2B20的滯燃期和燃燒持續(xù)期略有縮短；小負(fù)荷時(shí)對(duì)最高燃燒壓力影響較小；全負(fù)荷工況下，最高燃燒壓力有所升高，分別升高了2.3%，3.1%，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角略有延遲；最大壓力升高率基本相同，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角分別延遲了3°和2°；

c) 與B20相比，柴油機(jī)燃用K1B20和K2B20的排氣溫度較低，全負(fù)荷時(shí)分別降低了10 ℃和12 ℃，對(duì)柴油機(jī)的輸出功率沒(méi)有明顯影響。

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[編輯： 袁曉燕]

Effects of Natural Antioxidants on Biodiesel Combustion Characteristics

WANG Zhong1,2, FENG Yuan1, QU Lei2, ZHANG Meijuan1, WU Jing2

(1.Wuxi Institute of Technology, Wuxi 214000, China;2. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In view of the poor oxidation stability of biodiesel, the antioxidants were added into B20 mixed fuel. Then the indicator diagrams of K1B20 and K2B20 biodiesel mixed with rosemary extract and tea polyphenols respectively were measured under different loads at rated speed on a test bench and compared with those of B0 diesel, B100 biodiesel and B20 mixed fuel to determine the effects of antioxidants on combustionprocess of diesel engine. The results show that the maximum combustion pressure decreases, the maximum pressure rise rate increases, the ignition delay period shortens and the combustion duration prolongs at low load and the maximum combustion pressure decreases with the increase of biodiesel proportion at full load when compared with B0. Compared with B20, the maximum combustion pressure of K1B20 and K2B20 increases, the peak pressure rise rate keeps the same and their corresponding crank angles delay. In addition, the output power hardly changes, the ignition delay period and combustion duration shortens slightly, and the exhaust temperature shows a minor decrease.

antioxidant; fuel additive; biodiesel; combustion process

2015-12-01；

2016-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376083)； 江蘇省高校自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(13KJA470001)

王忠(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事內(nèi)燃機(jī)代用燃料的研究；wangzhong@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.015

TK421.7

B

1001-2222(2016)04-0082-05