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摘 要：通过配制复合乳化剂，并利用机械搅拌和超声波粉碎的方法，获得了一种微乳化生物柴油，增加了微乳化生物柴油的稳定时间，HLB值控制在4～6之间，细化了乳化油的分散相。试验结果表明，含水10%的微乳化生物柴油喷雾性能良好，在柴油机上应用其动力性与纯生物柴油相当，燃油经济性得到改善，CO和NOx的排放明显减少，发动机高转速区碳烟排放显著降低。
关键词：生物柴油；微乳化；乳化剂；台架试验
生物柴油作为车用替代燃料突出的环保性和可再生性，引起了世界各国的高度重视。大量研究证明，经乳化后的生物柴油在柴油机上应用，通过乳化油的微爆作用和水煤气反应，不仅使燃烧更加完全，使热能转换效率和燃油经济性得到显著提高，而且能有效降低碳烟和NOx的排放[ 1 ][ 2 ]。从改善PM2.5对城市雾霾天气的影响角度来看，在我国发展微乳化生物柴油有很大的發展和应用空间。
本文通过配制乳化剂，采用外部提供能量并结合自发乳化的方法，形成一种较为稳定的微乳化生物柴油，研究其对柴油机性能的影响，以探讨微乳化生物柴油在柴油机上应用的有效途径。
1 微乳化生物柴油配制
1.1 乳化剂的配制
利用生物柴油与水掺混、乳化形成一种W/O型（油包水型，水为分散相即內相，油为连续相即外相）乳化油[ 3 ]。但是，这种乳化油是一种热力学不稳定体系，乳化油的形成会造成体系界面积增加，从而增加了界面能，引起乳化油不稳定。根据界面张力和界面膜稳定性理论，必须加入乳化剂和助乳化剂，即复合乳化剂，以降低水/油界面张力，形成界面膜，并产生电效应，增加微乳化生物柴油的稳定时间[ 4 ]。
不同的乳化剂粘度和比重不同，为使复合乳化剂达到最佳效果，要综合考虑乳化剂的品种、用量和使用温度，要使乳化剂达到均匀一致，还必须加入分散剂。为使复合乳化剂溶于油相，其亲油性要强，因此，复合乳化剂的HLB值（亲水亲油平衡值）要低。复合乳化剂的HLB可用下式计算[ 5 ]：
式中：Wi为第i种乳化剂的质量百分比（%）；HLBi为第i种乳化剂的HLB值。
复合乳化剂HLB值控制在3～7之间适合做W/O乳化剂。本次复合乳化剂配制方案如表1所示，所配制的复合乳化剂为半透明状液体，HLB值控制在4～6之间。
1.2 微乳化生物柴油的配制
首先将生物柴油、水和复合乳化剂按不同比例进行预混，然后，通过机械搅拌和超声波粉碎，使乳化剂均匀分散到生物柴油和水中，同时，分散相也得到细化 [ 6 ]。
加水比例选择在5%～15%之间。实践证明，加水量越多有助于提高发动机燃油经济性和降低有害气体排放，但乳化油的稳定变差，需要增加乳化剂的用量，使乳化油成本提高，同时，柴油机低负荷时的燃烧恶化。因此，复合乳化剂添加比例选择在1%～2%之间[ 7 ]。
乳化油配制过程中，还要考虑乳化油的安定性和热稳定性。安定性好的乳化油开口放置不应形成不容物，而热稳定好的不应在较高温度下出现破乳或蜕化[ 8 ]。
经过多次对比试验，选出加水比例为10%和复合乳化剂比例为1%的微乳化生物柴油，其稳定性好。通过生物显微镜观测，这种微乳化油的內相直径在0.5～8μm之间。在喷嘴测试仪上对其进行了喷雾试验，当喷射压力为105bar时能获得较好的喷射效果。
2 微乳化生物柴油使用性能研究
在CW160型电涡流测功机上，对含水10%的微乳化生物柴油进行了台架试验。发动机为玉柴机器股份有限公司生产的YC4F100-20增压柴油机，油耗仪为上海同圆Toceil-c3900发动机瞬时油耗测量仪，尾气测试为BOSCH公司的DiGas4000废气分析仪和DiSmoke4000烟度计。
在发动机不同负荷下，对含水10%的微乳化生物柴油和纯生物柴油进行了速度特性对比试验，下面以该发动机扭矩为90Nm负荷为例，对这种微乳化生物柴油的使用性能进行分析，试验结果如图1～6所示。
含水量10%的微乳化生物柴油与纯生物柴油的发动机输出功率几近相同。由于油包水状微乳化生物柴油燃烧时的微爆作用，使乳化生物柴油燃烧的更加完全，这可以基本抵消因加水其热值降低对功率的影响。
微乳化生物柴油的油耗量略高于纯生物柴油，但若按等热值当量比油耗计算，10%的微乳化生物柴油的燃油经济性要好于纯生物柴油。
含水10%微乳化生物柴油的CO排放有了较明显降低。微乳化生物柴油的二次雾化，使燃料与氧气混合更加均匀，燃烧更为彻底，另外，乳化油里含有水分，能够在燃烧过程中反应生成水煤气，使CO继续燃烧，从而减少了CO的排放。
含水10%的微乳化生物柴油的NOx排放显著减少。由于微乳化生物柴油汽化潜热大，燃烧时能降低气缸内的最高燃烧温度，从而有助于减少了NOx的排放。
10%含水量的乳化柴油的HC排放增加了。由于缸内的低温会使壁面淬熄效应明显，另外，乳化油的配比也会影响HC的生成。
微乳化生物柴油碳烟排放在发动机高转速区得到明显改善。微乳化油的含氧量增加和最高燃烧温度的降低，能有效减少碳烟的生成。
3 结论
1）配制的复合乳化剂，能降低水/油界面张力，形成界面膜，并产生电效应，增加了微乳化生物柴油的稳定时间。
2）复合乳化剂HLB值控制在4～6之间，使复合乳化剂能溶于油相。
3）通过复合乳化剂的自发乳化，并利用机械搅拌和超声波粉碎的方法，使乳化油的內相直径达到了0.5～8μm之间，且均匀的分散在生物柴油中，达到微乳化生物柴油效果。
4）含水10%的微乳化生物柴油稳定性能好，且在规定的喷射压力下，具有良好的喷雾性能。
5）柴油机燃用含水10%的微乳化生物柴油，其动力性与纯生物柴油相当，燃油经济性得到改善，CO和NOx的排放明显减少，高转速区碳烟的排放显著降低，但HC的排放有一定提高。
参考文献：
[1] S ALTUN.Performance and emission characteristics ofa diesel engine fueled with biodiesel obtained from ahybrid feedstock. Energy Educ Sci Technol . 2011.
[2] M Senthil Kumar，J Bellettre，and M Tazerout，The use of biofuel emulsions as fuel for diesel engines： A review，Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part A： Journal of Power and Energy， November 1， 2009； vol. 223，7：729-742.
[3] 李蕴颖，孙坚，杨敬一.不同类型乳化剂复配在微乳化生物柴油中的研究可再生能源2015-08-20.
[4] 李科，李翔宇，蒋剑春，等.新型乳化剂制备及其微乳柴油的研究.生物质化学工程，2010年3月.
[5] 宋海珠，孔永平.乳化柴油的研究及性能分析.当代化工，2009年2月.
[6] 初宁宁，马玉久，王建勋.微乳化生物柴油的制备及其性能研究.可再生能源，2012年2月.
[7] 牛淼淼，黄亚继，金保昇，等.生物油/柴油乳化油制备及其在柴油机上的燃烧试验研究.中国电机工程学报，2012年20期.
[8] 黄亚继，仲兆平，金保昇，等.生物质油 /柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研究.东南大学学报，2010年7月第40卷第4期.
关键词：生物柴油；微乳化；乳化剂；台架试验
生物柴油作为车用替代燃料突出的环保性和可再生性，引起了世界各国的高度重视。大量研究证明，经乳化后的生物柴油在柴油机上应用，通过乳化油的微爆作用和水煤气反应，不仅使燃烧更加完全，使热能转换效率和燃油经济性得到显著提高，而且能有效降低碳烟和NOx的排放[ 1 ][ 2 ]。从改善PM2.5对城市雾霾天气的影响角度来看，在我国发展微乳化生物柴油有很大的發展和应用空间。
本文通过配制乳化剂，采用外部提供能量并结合自发乳化的方法，形成一种较为稳定的微乳化生物柴油，研究其对柴油机性能的影响，以探讨微乳化生物柴油在柴油机上应用的有效途径。
1 微乳化生物柴油配制
1.1 乳化剂的配制
利用生物柴油与水掺混、乳化形成一种W/O型（油包水型，水为分散相即內相，油为连续相即外相）乳化油[ 3 ]。但是，这种乳化油是一种热力学不稳定体系，乳化油的形成会造成体系界面积增加，从而增加了界面能，引起乳化油不稳定。根据界面张力和界面膜稳定性理论，必须加入乳化剂和助乳化剂，即复合乳化剂，以降低水/油界面张力，形成界面膜，并产生电效应，增加微乳化生物柴油的稳定时间[ 4 ]。
不同的乳化剂粘度和比重不同，为使复合乳化剂达到最佳效果，要综合考虑乳化剂的品种、用量和使用温度，要使乳化剂达到均匀一致，还必须加入分散剂。为使复合乳化剂溶于油相，其亲油性要强，因此，复合乳化剂的HLB值（亲水亲油平衡值）要低。复合乳化剂的HLB可用下式计算[ 5 ]：
式中：Wi为第i种乳化剂的质量百分比（%）；HLBi为第i种乳化剂的HLB值。
复合乳化剂HLB值控制在3～7之间适合做W/O乳化剂。本次复合乳化剂配制方案如表1所示，所配制的复合乳化剂为半透明状液体，HLB值控制在4～6之间。
1.2 微乳化生物柴油的配制
首先将生物柴油、水和复合乳化剂按不同比例进行预混，然后，通过机械搅拌和超声波粉碎，使乳化剂均匀分散到生物柴油和水中，同时，分散相也得到细化 [ 6 ]。
加水比例选择在5%～15%之间。实践证明，加水量越多有助于提高发动机燃油经济性和降低有害气体排放，但乳化油的稳定变差，需要增加乳化剂的用量，使乳化油成本提高，同时，柴油机低负荷时的燃烧恶化。因此，复合乳化剂添加比例选择在1%～2%之间[ 7 ]。
乳化油配制过程中，还要考虑乳化油的安定性和热稳定性。安定性好的乳化油开口放置不应形成不容物，而热稳定好的不应在较高温度下出现破乳或蜕化[ 8 ]。
经过多次对比试验，选出加水比例为10%和复合乳化剂比例为1%的微乳化生物柴油，其稳定性好。通过生物显微镜观测，这种微乳化油的內相直径在0.5～8μm之间。在喷嘴测试仪上对其进行了喷雾试验，当喷射压力为105bar时能获得较好的喷射效果。
2 微乳化生物柴油使用性能研究
在CW160型电涡流测功机上，对含水10%的微乳化生物柴油进行了台架试验。发动机为玉柴机器股份有限公司生产的YC4F100-20增压柴油机，油耗仪为上海同圆Toceil-c3900发动机瞬时油耗测量仪，尾气测试为BOSCH公司的DiGas4000废气分析仪和DiSmoke4000烟度计。
在发动机不同负荷下，对含水10%的微乳化生物柴油和纯生物柴油进行了速度特性对比试验，下面以该发动机扭矩为90Nm负荷为例，对这种微乳化生物柴油的使用性能进行分析，试验结果如图1～6所示。
含水量10%的微乳化生物柴油与纯生物柴油的发动机输出功率几近相同。由于油包水状微乳化生物柴油燃烧时的微爆作用，使乳化生物柴油燃烧的更加完全，这可以基本抵消因加水其热值降低对功率的影响。
微乳化生物柴油的油耗量略高于纯生物柴油，但若按等热值当量比油耗计算，10%的微乳化生物柴油的燃油经济性要好于纯生物柴油。
含水10%微乳化生物柴油的CO排放有了较明显降低。微乳化生物柴油的二次雾化，使燃料与氧气混合更加均匀，燃烧更为彻底，另外，乳化油里含有水分，能够在燃烧过程中反应生成水煤气，使CO继续燃烧，从而减少了CO的排放。
含水10%的微乳化生物柴油的NOx排放显著减少。由于微乳化生物柴油汽化潜热大，燃烧时能降低气缸内的最高燃烧温度，从而有助于减少了NOx的排放。
10%含水量的乳化柴油的HC排放增加了。由于缸内的低温会使壁面淬熄效应明显，另外，乳化油的配比也会影响HC的生成。
微乳化生物柴油碳烟排放在发动机高转速区得到明显改善。微乳化油的含氧量增加和最高燃烧温度的降低，能有效减少碳烟的生成。
3 结论
1）配制的复合乳化剂，能降低水/油界面张力，形成界面膜，并产生电效应，增加了微乳化生物柴油的稳定时间。
2）复合乳化剂HLB值控制在4～6之间，使复合乳化剂能溶于油相。
3）通过复合乳化剂的自发乳化，并利用机械搅拌和超声波粉碎的方法，使乳化油的內相直径达到了0.5～8μm之间，且均匀的分散在生物柴油中，达到微乳化生物柴油效果。
4）含水10%的微乳化生物柴油稳定性能好，且在规定的喷射压力下，具有良好的喷雾性能。
5）柴油机燃用含水10%的微乳化生物柴油，其动力性与纯生物柴油相当，燃油经济性得到改善，CO和NOx的排放明显减少，高转速区碳烟的排放显著降低，但HC的排放有一定提高。
参考文献：
[1] S ALTUN.Performance and emission characteristics ofa diesel engine fueled with biodiesel obtained from ahybrid feedstock. Energy Educ Sci Technol . 2011.
[2] M Senthil Kumar，J Bellettre，and M Tazerout，The use of biofuel emulsions as fuel for diesel engines： A review，Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part A： Journal of Power and Energy， November 1， 2009； vol. 223，7：729-742.
[3] 李蕴颖，孙坚，杨敬一.不同类型乳化剂复配在微乳化生物柴油中的研究可再生能源2015-08-20.
[4] 李科，李翔宇，蒋剑春，等.新型乳化剂制备及其微乳柴油的研究.生物质化学工程，2010年3月.
[5] 宋海珠，孔永平.乳化柴油的研究及性能分析.当代化工，2009年2月.
[6] 初宁宁，马玉久，王建勋.微乳化生物柴油的制备及其性能研究.可再生能源，2012年2月.
[7] 牛淼淼，黄亚继，金保昇，等.生物油/柴油乳化油制备及其在柴油机上的燃烧试验研究.中国电机工程学报，2012年20期.
[8] 黄亚继，仲兆平，金保昇，等.生物质油 /柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研究.东南大学学报，2010年7月第40卷第4期.