生物柴油能做发动机燃料（优化生物柴油混合燃料和发动机参数）

文|艺海探秘

编辑|艺海探秘

前言

由于化石燃料驱动的车辆造成的能源短缺和环境污染已经成为全球关注的问题。特别是近年来，城市空气质量的急剧下降被报道与这些车辆直接相关。化石燃料驱动的车辆排放的主要有害空气污染物是CO、HC、NOx和PM。

生物柴油

与汽油发动机相比，柴油发动机排放的CO和HC较少，但NOx和PM排放较多。这些排放物是引起疾病的因素，可能导致人体免疫力下降。这些排放物之间还可能发生光化学反应，导致二次污染，进一步恶化城市空气质量。

目前，虽然电动车是减少环境污染的有效途径，但其缺点（如高资本和维护成本、技术不成熟和规模小）限制了其发展。另一方面，结合排放后处理设备的传统车辆可以满足排放标准，但缺点是车辆成本和维护成本增加。因此，寻找一种清洁、可再生、高效的替代能源仍然是一个重要的挑战。

氧化燃料和生物柴油由于其高含氧量可以大大减少PM排放，在最近几十年变得越来越受欢迎。特别是生物柴油，因为它是绿色、可再生和可生物降解的，已经成为柴油的最佳替代燃料。最重要的是，它的基本性质与柴油燃料相似。生物柴油可以通过简单的酯交换从各种植物油、藻类和动物脂肪中提取。

生物柴油的十六烷值和含氧量都比柴油高。这提供了改善点火性能和燃烧特性，从而在源头上减少CO、HC和PM的排放，但也会引起NOx的轻微增加。

此外，使用生物柴油可以很好地控制主要温室气体CO2的排放。然而，生物柴油的粘度、密度和表面张力比柴油高，这是因为生物柴油是由饱和脂肪酸和不饱和长链脂肪酸组成的单酰基酯。这些缺点影响了喷射燃料的雾化效果，导致喷嘴堵塞和活塞环卡涩。

生物柴油

生物柴油的高粘度导致喷雾角度小，喷雾雾化和空气夹带效果差，喷射延迟和喷雾尖端穿透力增加。将生物柴油与柴油混合是减轻生物柴油负面影响最简单、最有效的方法之一。Ali等人指出，添加柴油到生物柴油中可以显著改善生物柴油的云点、凝点、密度、粘度和酸值。

另一方面，通过优化排气气体再循环（EGR）和分割喷射策略等发动机参数，还可以改善燃烧和排放特性，包括发动机性能。这对于同时减少NOx和PM排放特别有益，因为它们之间存在权衡关系。

生物柴油

EGR技术稀释了混合物中的氧气浓度，降低了燃烧效率和燃烧温度，从而减少了NOx的形成。Gomaa等人，在使用5-15%的EGR率的桐油生物柴油时，可以有效平衡NOx和PM之间的关系。

Agarwal发现，在单缸柴油发动机中，20%的稻谷糠油基生物柴油与15%的EGR率的组合不仅改善了热效率，还降低了柴油发动机的制动比能耗（BSEC）和规定的污染物。分割喷射也是减少排放和改善发动机性能的一种有希望的方法。

在单缸柴油发动机中，使用小型主喷比例和短的停留时间进行分割喷射可以有效降低火焰温度峰值。

Jeon等人发现，在单缸柴油发动机中，预喷射可以改善燃烧性能和燃油经济性，并且在BTDC40°CA时可以有效控制NOx。其他研究也对喷射模式对燃烧、燃烧噪声、性能和尾气排放特性的影响进行了调查和评估。

单缸柴油机

总的来说，发动机性能、燃烧和排放特性不仅受到燃料性质的影响，还受到发动机参数的影响。然而，由于发动机参数的可变性，目前大多数关于喷射策略的研究都是基于单缸发动机或CFD模拟的。

因此，有必要优化燃料性质和发动机参数之间的关系，以改善发动机性能和排放特性。在本研究中，使用各种棕榈油生物柴油混合物燃料，在一台CRDI4缸柴油发动机上研究了不同EGR和预喷射条件对燃烧、发动机性能和规定的排放物的影响。此外，在每个工况下，通过透射电子显微镜（TEM）比较观察了每种测试燃料的碳黑颗粒形态。

图1

一、实验装置1.1.燃料性质测量

在本研究中，生物柴油是通过酯交换法从粗棕榈油（CPO）制备的。CPO主要由三酰甘油、单酰和二酰甘油组成，还含有少量游离脂肪酸（FFAs）、非油脂物质、水分和杂质。

图1显示了CPO的FE-SEM图像和EDX光谱。可以观察到，CPO中氧的含量比棕榈油生物柴油（POB）高出20.31%，这可能归因于CPO中部分水分的存在，进一步增加了氧的含量。

表1

POB与商用柴油燃料按体积比0:10、1:9、2:8、3:7和10:0混合，并分别被命名为B0、B10、B20、B30和B100（见图S1，支持文件）。这些燃料的主要性质列在表1中。POB具有高含氧量和高十六烷值，有利于点火和燃烧。然而，B100的发热值比B0低9.65%。这是在达到与柴油发动机相同功率时，柴油发动机中生物柴油消耗增加的主要原因之一。

表2

1.2.实验发动机和设备

在一台具有共轨直喷（CRDI）系统的4缸柴油发动机上进行了一系列实验。主要发动机规格显示在表2中。实验设置的示意图如图2所示。

图2

发动机配备了涡轮增压器和没有冷却器的废气再循环（EGR）系统。采用额定功率为230kW的涡流式水冷式电流（HWANWOONG,HE-230）来控制发动机转速和负载。

燃油喷射策略包括预喷射和主喷射时机，喷射压力由电子控制单元（ECU）控制，并使用WinOLS软件分配其变量。使用高精度的数字电子称重天平（AND,GP-100K）来测量燃油消耗。采用Kistler6056A压电式压力传感器，分辨率为1°CA，用于测量缸内压力，传感器信号由Kistler5011B电荷放大器放大。

压电式压力传感器

Omron旋转编码器E6B2-CWZ3E提供位置反馈信号，并用于检测曲轴的角位置。所有燃烧数据由NIPCI-6040E数据采集（DAQ）板记录和记录，并在PC计算机上使用Cass燃烧分析软件进行进一步分析。在记录实验数据之前，发动机运行约30分钟，以达到设定的冷却温度（85±3℃），在怠速工况下（750rpm）运行。

EGR率和预喷射时机作为主要变量，分别在0%、10%、20%和14°CA、24°CA和34°CABTDC处进行控制。主喷射时机固定在4°CABTDC。图S2（支持文件）显示了不同预喷射策略的时序图。此外，发动机负载控制在25%（35Nm）和75%（105Nm），主喷射压力和发动机转速固定在60MPa和1500rpm。

图3

其他详细的工况条件请参见表S1和S2（支持文件）。图3a和3b分别说明了发动机的燃油体积分数和燃烧特性曲线。如图3b所示，CA10（燃烧质量分数达到10%的曲轴角度）和CA90（燃烧质量分数达到90%的曲轴角度）被定义为燃烧开始（SOC）和燃烧结束（EOC）的时间。因此，从喷射开始（SOI）到SOC的时间段被称为点火延迟（ID），从SOC到EOC的曲轴角度间隔被称为燃烧持续时间。

1.3.排放分析仪

使用多气体分析仪（Eurotron，GreenLineMK2）和排放分析仪（南通华鹏电子，HPC501）测量CO、HC和NOx排放量。使用部分流量取样方法的烟度烟雾计（QROTECH有限公司，OPA-102）测量颗粒物（PM）的排放量。

多气体分析仪

此外，为了观察PM颗粒的结构和形态，使用400目的透射电子显微镜网格（FCF400-Cu，美国电子显微镜科学公司）收集了所有测试燃料在25%和75%负载下的PM颗粒，发动机转速恒定为1500rpm。通过放大200.00倍的透射电子显微镜（日立，H7650）对TEM网格上的PM颗粒进行分析。

二、结果与讨论2.1.燃烧特性

B0、B20和B100在0%、10%和20%EGR率条件下的缸内压力（CP）分别如图4a、4b和4c所示。B10和B30的压力曲线如图S3a和S3b所示。主喷射和预喷射时机分别固定在4°CA和24°CABTDC。如这些图所示，随着EGR率的增加，所有测试燃料的CP在所有工况下逐渐降低。

图S4显示了缸内压力峰值，清晰地显示了随着EGR的增加，峰值压力的下降。这表明，EGR有效降低了燃烧室中的充电温度（由于稀释、热效应和化学效应），从而导致燃烧压力的降低。此外，EGR率对高负载（75%）的CP影响明显大于低负载（25%），主要是因为在高负载下燃烧过程中氧气需求更大。

图4

在高负载下，过剩空气比（λ）约为1.9，远远小于低负载时的值（3.6）。这表明，在高负载时，初始氧含量非常低，应用EGR进一步稀释了氧浓度，从而抑制了燃烧并降低了CP。

此外，发现柴油的CP受EGR的影响比生物柴油及其混合物更大。这主要是由于生物柴油中含有氧气，当一定量的EGR替代缸内新鲜空气时，与柴油燃料相比，在燃烧室内可以改善燃烧特性。

在75%的发动机负载下，随着EGR的增加，压力上升速率也降低，这可能是由于峰值温度较低。峰值温度的降低可以归因于应用EGR稀释进气空气中的氧气浓度；EGR增加了工作流体的比热容，由于H2O和CO2的存在，降低了总体比热比。排气中含有的水分也吸收了燃烧室中的一部分热量。

图4d、4e和4f说明了各种预喷射时机对B0、B20和B100的CP的影响。B10和B30的压力曲线如图S3c和S3d所示。不同的预喷射时机分别控制在14°CA、24°CA和34°CABTDC。如这些图所示，改变预喷射时机和发动机负载对所有测试燃料的CP曲线有显著影响，包括峰值CP和燃烧开始时间。

所有测试燃料的峰值CP（见图S4）在预喷射时机从14°CABTDC增加到24°CA和34°CABTDC时稍微降低。

峰值CP的降低主要是由于点火延迟时间较长，促进了稀薄均匀混合物的形成。此外，峰值CP取决于预混合燃烧阶段的燃烧速率，较早的预喷射还可以增加燃料和空气的混合时间。

随后，富燃区大大减少，快速燃烧行为得到很好的控制，最终导致峰值CP较低。然而，更有趣的是，B0在24°CABTDC的SOC明显比在34°CABTDC快，随着生物柴油在柴油中的浓度增加，这两个点火时间开始趋于一致。

这可能是由于缸内压力和温度过低，使得燃料在喷射过早时无法自燃。此外，生物柴油本身的高十六烷值可以改善燃烧特性。另一个原因可能是过早喷射导致一些燃料附着在缸壁和活塞头上（壁面湿化问题），导致燃烧异常无法正常燃烧。

图5

图5显示了B0、B20和B100在0%、10%和20%EGR率下的燃烧释放热（HRR）。B10和B30的结果如图S5所示。如图所示，在所有工况下，随着EGR率的增加，所有测试燃料的峰值HRR逐渐降低，燃烧开始的时间逐渐推迟。EGR对高负载（75%）下HRR曲线的变化影响更明显，与低负载（25%）相比。

这些趋势与缸压曲线的观察结果一致。原因可以总结如下：EGR的作用减少了燃料的燃烧和火焰传播速度，导致燃烧室中的峰值温度和压力在EGR的稀释、热效应和化学效应下降低；

此外，EGR气体中的大比热容气体（如水蒸汽和CO2）替代了燃烧室中的一部分可用氧气，它们不仅稀释了可用氧气浓度并阻止了剧烈燃烧，而且吸收了一部分释放的热量。因此，峰值燃烧温度和缸内压力降低。

图6

图6显示了B0、B20和B100在不同预喷射时机下的燃烧释放热（HRR）。B10和B30的结果如图S6所示。可以观察到，所有燃料的HRR峰值随着预喷射时机从14°CA提前到24°CABTDC而降低。这可能是因为少量燃料预先喷射到燃烧室中，与空气混合良好，均匀的混合物减少了主喷射燃料的剧烈燃烧。

此外，预喷射似乎起到了类似内部EGR的作用，提前消耗了一部分氧气，并使燃烧室中的燃烧废气保持燃烧，从而降低了主喷射燃料对氧气的利用率。这个结果与Jeon等人的研究结果一致。当预喷射时机发生在34°CABTDC时，HHR的峰值不稳定，这是由于喷射过早导致壁面湿化问题和异常燃烧。

图7

为了进一步验证上述观察结果，还研究了不同EGR率和预喷射时机下的累积质量分数燃烧（MFB）曲线。相应的结果如图7和图8所示。B10和B30的结果如图S7和S8所示。如图7和图S7所示，随着EGR率的增加，B0燃烧的MFB曲线在中后期逐渐向后移动。

图8

随着生物柴油添加到柴油中，这种影响显著减弱，生物柴油混合燃料的MFB曲线几乎相等。总体而言，对于所有测试燃料，EGR对点火延迟没有明显影响，这可能与本研究使用的未配备冷却器的EGR系统有关。一方面，热EGR增加了进气充电温度，导致几乎相同的燃烧开始时间。

另一方面，通常情况下，点火延迟会随着混合物中生物柴油比例的增加而缩短。这表明生物柴油的氧含量和高十六烷值在促进燃烧方面起到了积极作用。然而，生物柴油的这些积极影响（增加氧气浓度）抵消了EGR的一些负面影响（降低氧气浓度）。图8和图S8说明了不同预喷射时机对25%和75%发动机负载下MFB的影响。

对于所有燃料来说，当预喷射时机发生在24°CABTDC时，开始燃烧的点最快，其次是34°CA和14°CABTDC。这表明，24°CABTDC的点火延迟最短。因为提前喷射燃料会增加缸内温度并改善燃烧室中的燃烧环境。然而，BTDC34的SOC比BTDC24慢，这表明预喷射时机发生在34°CABTDC时是喷射过早，导致壁面湿化问题。这与前面对缸内压力的分析结果一致。

图9

2.2.发动机性能

图9显示了在不同EGR率和预喷射时机下，所有测试燃料的制动比燃油消耗（BSFC）。总体而言，在所有工况下，B0的BSFC相对于其他生物柴油混合物最低，主要是因为生物柴油的热值（39.72MJ/kg）低于柴油燃料的热值（43.96MJ/kg）。这导致生物柴油需要稍微消耗更多的燃料才能达到相同的输出。

75%负载下的BSFC明显低于25%负载下的BSFC，这可以解释为燃烧室中的环境条件。75%负载下的高温、高压和高湍流强度对燃烧有利，燃料可以充分燃烧，即使消耗少量燃料也能达到预定的能量输出。

另一方面，随着EGR率的增加和预喷射时机的提前，大多数燃料的BSFC在不同程度上增加。由于EGR的增加导致燃烧室中的氧气浓度降低，从而降低了空燃比。

此外，EGR气体中的CO2和水蒸汽的影响降低了燃烧速度。另一方面，预喷射时机的提前导致略高的BSFC，主要受以下因素影响：增加的传热损失、摩擦损失和空燃混合物的负压压缩功。

图S9表示了各种EGR率和预喷射时机下的瞬时有效压力的变化系数（COVimep）。COVimep是评估指示工作周期内发动机循环变异性的重要参数。许多研究者指出，COVimep超过10%会导致车辆驾驶性能问题。

总体而言，大多数测试燃料的COVimep随着EGR率的增加而略微增加，在预喷射时机提前时略微减小。75%负载下的COVimep略低于25%负载。低负载下略大的变化主要与燃烧的不稳定性、较低的燃烧温度和不完全燃烧有关。

从整体情况来看，所有测试燃料的COVimep在0.49%到1.42%之间变化，远远低于10%的上限。这表明在所有工况下，所有测试燃料的CRDI柴油发动机燃烧非常稳定，没有大的循环间变化。

图10

2.3.排放特性

图S10和图10描述了CO、HC、NOx和PM排放随着不同EGR率的变化。如图S10所示，所有测试燃料的CO和HC排放在所有工况下随着EGR率的增加而增加。

此外，CO的增加趋势在25%负载下并不明显，但在75%负载下相当显著。由于EGR的存在，燃烧室中的温度、压力和氧气浓度降低。缺氧（或低氧浓度）是形成大量CO排放的主要原因。此外，温度的降低也是CO排放的间接原因。

EGR效应降低了燃烧室中的氧气浓度、环境温度和压力。低氧浓度是产生大量CO的主要原因，而高HC排放主要与低过剩氧浓度形成的异相混合物的不正确燃烧有关。另一方面，随着生物柴油在混合燃料中的比例增加，CO和HC排放逐渐减少，这主要与生物柴油含氧特性有关。

EGR系统

如图10所示，随着EGR率的增加，NOx排放逐渐减少，但PM浓度增加，这是它们之间的权衡关系。特别是在75%负载下，NOx和PM的变化非常明显。与0%EGR相比，20%EGR下，NOx和PM排放分别减少约54%和增加约8.4倍。形成NOx的原因主要有两个方面：可用氧气的浓度和高温。

一方面，EGR的存在起到稀释燃烧室中氧气浓度的作用，阻碍了NO和O之间的结合反应。另一方面，NOx形成的温度约为1500°C，温度越高，产生速率越快。

因此，EGR对25%负载的NOx影响不大，因为低负载时燃烧温度不高，只会形成少量NOx。在75%负载下，EGR不仅降低了可用氧气的浓度，还使EGR气体中的CO2和水蒸汽吸收了燃烧室中的一部分热量，大大降低了NOx排放的生成速率和总量。

随着生物柴油的添加，PM的减少主要与生物柴油的高氧含量和高十六烷值有关。生物柴油增加了燃烧室中的可用氧气，促进碳原子和氧气的结合，从而减少了导致煤烟生成的乙炔和乙烯等不饱和物质的形成。

基于EGR和生物柴油的互补效应，使用10%或20%EGR率的B30混合燃料可以有效减少PM排放，同时使NOx保持在较低水平。

图11

图S11和图11表示了各种预喷射时机下CO、HC、NOx和PM排放的变化。如图S11所示，在低25%负载下，预喷射时机对CO排放的影响非常明显。B0在14°CABTDC时的CO排放从182ppm的最低浓度增加到34°CABTDC时的最高1326ppm。原因可能是当预喷射燃料过早注入时，缸内温度和压力较低，燃料自燃的条件不满足。

这可能导致预喷射燃料悬挂在缸壁和活塞头上（壁湿问题），或者填充在活塞间隙中。在高负载（如75%负载）下，缸内迅速上升的温度和压力迫使部分CO排放被氧化。形成HC的原因与CO类似，但是HC的完全氧化温度低于CO，这导致HC随着预喷射时机的提前呈略微上升趋势。

这可能是由于少量燃料在提前注入时有足够的时间与空气混合，从而减少了富燃料区域的形成，提高了燃烧效率，降低了燃烧速率和温度，从而减少了NOx和PM的生成。

图12a

为了进一步研究PM颗粒的物理特性，利用TEM图像分析了各种EGR率和预喷射时机下的PM颗粒形态，如图12和图S12所示。柴油发动机排放的PM颗粒是在热飘移和范德华力的作用下由几个近似球形颗粒沉积而成的。

这些PM颗粒由挥发性（有机、硫酸盐、硝酸盐部分）和非挥发性（煤烟和灰分）混合物组成，其中大部分是碳烟颗粒（CSPs）。柴油发动机的CSP成分是通过异相燃烧过程产生的，导致扩散和预混合火焰中形成固态颗粒前体。PM颗粒的形成经历了核化、表面生长和凝聚、聚集和氧化的过程。

PM颗粒的核化模型

PM颗粒的核化模型主要由挥发性有机物组成，当使用超低硫燃料时，硫的贡献可以忽略不计。如图12和图S12所示，可以清楚地观察到PM形态呈现为由许多球形或椭球形颗粒组成的链状聚集物，形成了许多凝聚聚集结构。这不仅与范德华力有关，还与从发动机燃烧后排出的PM的碰撞和聚集有关。

此外，随着生物柴油在混合燃料中的比例增加，PM颗粒的氧化增加，进一步收缩和聚集。另一方面，所有样品和所有工况下的PM颗粒直径远小于100nm，并且直径值主要分布在20nm到50nm之间。此外，PM颗粒的直径随着EGR率的增加略微增加，随着生物柴油混合比例的增加而减小，并且随着负载从25%增加到75%，直径减小。

图12b

EGR率的增加导致PM颗粒直径增加的主要原因有两个。首先，EGR降低了燃烧室中的可用氧气浓度，阻碍了完全燃烧，并产生大量的PM颗粒和未燃烧的HC。PM颗粒的碰撞和聚集，以及未燃烧的HC在PM表面的吸附，直接导致PM直径的增加。

其次，EGR气体中的一些颗粒重新进入燃烧室，与新产生的颗粒发生碰撞和聚集。然而，预喷射时机对PM颗粒直径没有明显的影响。

随着生物柴油混合比例的增加，PM颗粒的微观形态逐渐从环状或球形变为聚集和链状结构，并形成更多的凝聚和叠加。

这可能与生物柴油的缺点有关，例如高黏度和密度。这些缺点可能导致喷雾破碎和雾化效果不佳，增加了未燃燃料的量和挥发性有机分数（VOF），从而进一步增加了PM颗粒之间的碰撞频率和聚结速率。

生物柴油混合比例增加导致PM颗粒直径的减小可能归因于生物柴油的优点，例如高十六烷值和含氧量，这些特性改善了燃烧特性，促进了更多的PM氧化。其他研究人员也报道了类似的结果。

三、结论

作为一种可靠的替代燃料，棕榈油生物柴油（POB）在柴油发动机中具有重要的实际应用价值。为了全面研究POB及其混合燃料在CRDI柴油发动机中的性能、燃烧和排放特性，我们优化了一系列实验条件（如EGR和预喷射时机）。本研究得出以下结论：

生物柴油

·随着EGR率从0%增加到10%再增加到20%，缸内压力和热释放率（HRR）的峰值逐渐降低，尤其是NOx排放量降低。不足之处是CO、HC和PM排放量略有增加，但通过向柴油燃料中加入POB可以显著改善这些缺点。

·通过观察缸内压力、HRR、燃烧质量分数和排放特性的曲线，可以发现预喷射时机发生在34°CABTDC时，是过早喷射，导致一些燃料悬挂在气缸壁和活塞头上（壁湿问题），导致无法正常燃烧。

·基于发动机性能和燃烧特性，使用10%EGR率的B30混合燃料或24°CABTDC的预喷射时机的柴油发动机可以有效降低PM排放，同时保持低水平的NOx排放。

PM颗粒

·通过透射电子显微镜（TEM）图像分析可以看出，所有测试燃料在所有工况下的PM颗粒直径远小于100纳米，直径主要分布在20纳米至50纳米之间。此外，燃料特性和一些发动机工况是影响PM形态的主要因素。

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