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不同百分比的生物柴油 - 柴油混合物对柴油机喷油，喷雾，燃烧，性能和排放特性的影响

文章亮点

·生物柴油混合物的共轨燃油喷射压力和喷雾穿透力都较高。

·B20的壁撞击率至关重要，壁撞击对B25，B50和B100影响更大。

·生物柴油混合燃料的点火延迟和压力上升速率均下降。

·生物柴油混合燃料的氮氧化物排放都会增加（B20：15.6％和B100：22.8％）。

·B15是基于氮氧化物排放变化和无壁撞击的最佳混合燃料。

摘要

对不同生物柴油 - 柴油混合燃料（B5，B10，B15，B20，B25，B50和B100）等速（1500 rpm）直喷柴油机喷油，喷雾，燃烧，性能和排放的影响的比较研究。 由于增加了共轨喷射压力，渗透距离随着柴油中生物柴油百分比的增加而增加。 模拟结果表明，生物柴油 - 柴油共混物直到B15的喷雾渗透不会导致壁面撞击，但B20将是壁面撞击发生的临界极限（在不确定度plusmn;1.3％内）。然而，从模拟结果可以清楚地看出，混合物（B25，B50和B100）的壁碰撞概率更高。由于十六烷值较高，因此所有生物柴油混合物的点火延迟时间都会减少，从而导致压力上升速度降低使发动机运转平稳。 生物柴油 - 柴油混合燃料的发动机扭矩不会明显变化，最高可达20％（B20）。 然而，在额定负载下，B100的扭矩会降低约为2.7％。 所有生物柴油 - 柴油混合燃料都会降低一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）和烟气排放。然而，由于含氧燃料，动态喷射正时（DIT）的自动提前，更高的渗透和更高的缸内温度，导致所有生物柴油 - 柴油混合物在额定负载下的氮氧化物（NOx）排放增加1.4-22.8％ 。 本研究得出的一个值得注意的结论是，基于无壁撞击（B15：0％和B20plusmn;1.3％不确定性限制）和NOx排放增加（B15：4.1％和B20：15.6％）的最佳生物柴油 - 基础（未改进型）柴油比例为B15。

关键词： 共轨燃油喷射压力 喷雾穿透 壁撞击 NOx排放

柴油发动机

1.简介

燃料质量的提高、能源自给自足和偏僻地区经济的发展是柴油发动机实施生物柴油的主要驱动力。高十六烷、卡兰加生物柴油(cn：58)的Mber与传统柴油相比有以下优点：可以提供发动机的简单启动，较少的碳烟，较短的点火延迟，较小的爆震概率以及使柴油机的平稳运行。生物柴油中的硫和芳烃含量较低，生物柴油的性质会影响柴油机中颗粒-晚期物质的形成。然而，生物柴油（1500兆帕）比基础柴油（1350兆帕）的体积模量更高，因为此属性表明燃料的可压缩性会影响柴油机的喷射特性。 生物柴油中的硫和芳烃含量较低，因为这些性质会影响柴油机中颗粒物的形成。 然而，生物柴油（1500兆帕）比基础柴油（1350兆帕）的体积模量更高，因为此属性表明燃料的可压缩性会影响柴油机的喷射特性。 在柴油机中，在点火延迟期和燃烧期间处理喷射燃料与周围热空气的相互作用的燃料喷射特性主要取决于喷射特性，例如喷射延迟，共轨燃油喷射压力，动态喷射正时（DIT），缸内喷射持续时间和喷射器喷嘴结构。燃料喷雾特性在改善燃烧和发动机性能方面起着重要作用，因为它影响燃料在发动机气缸中的空气的混合物形成过程^[2]。 有关柴油喷雾特性的一些资料可在文献中查阅。然而，关于生物柴油喷雾的信息很少。

1.1生物柴油-柴油混合燃料柴油机的喷射特性及喷雾特性

柴油机工作循环中喷射、喷雾、混合、点火、燃烧等过程均影响柴油机的性能和排放特性。在这些过程中，喷射和喷射过程很重要，因为它们受到燃料质量的影响，导致柴油发动机燃烧特性的改变。由于生物柴油具有与传统柴油不同的理化性质(密度、体积密度、蒸馏性能、体积模量、表面张力等)，与基础柴油相比，需要研究其对喷射和喷雾特性的影响，以便找到解决这些问题的处理范围。

燃油喷射系统对提高现代柴油机的发动机效率和降低排放具有重要作用。柴油机的喷射特性包括喷射延迟、静态喷射定时、DIT和喷射持续时间。注入延迟的持续时间被定义为DIT和静态注入定时之间的持续时间。DIT被定义为燃料开始喷射到气缸的实际喷射定时。 燃料喷射过程重要性是因为它影响燃料喷射特性（分解长度，喷雾锥角，爆炸平均直径（SMD），渗透和夹带空气）和混合物形成过程[2].

由Kegl和Hribernik、Kegl等人对生物柴油-柴油混合物(B25, B50, B75 and B100) 的喷射特性进行了数值分析。报告中指出，随着DIT提前，所有生物柴油-柴油混合燃料的喷射持续时间和喷油压力都增加了。 通过增加共轨燃油喷射压力可以增强雾化和燃料 - 空气混合率的过程[7]。然而，它会增大穿透距离，从而导致更大的壁撞击概率。美国国家可再生能源实验室(Nrel)报告中指出喷油正时的自动提高是由于体积模量（生物燃料的体积模量(1500 Mpa)高于传统柴油(1350 Mpa)，而体积模量体现出燃料的可压缩性。生物柴油的体积模量高于基础油，从而使共轨喷油压力显著增加。燃油喷雾穿透距离随共轨燃油喷射压力的增加而增大，从而导致壁撞击率增加。值得注意的是，壁撞击是影响柴油机耐久性的问题之一。而碰壁率主要是通过减小穿透距离来减少。

粘度、密度、表面张力等燃料质量参数对柴油机喷雾特性都有影响。生物柴油的高粘度和表面张力增加了雾滴直径，影响燃料雾化。高等人研究了三种生物柴油(麻疯树、棕榈油和油炸油)的喷雾特性，随着柴油机生物柴油龄的增加，雾滴直径和喷雾渗透率增加，雾但化雾化角下降，雾化效果较差。 可以看出，喷射特性改变对燃油喷雾和燃烧，以及对生物柴油-柴油混合燃料的性能和排放特性的影响。因此，喷射特性是生物柴油利用柴油机设计的中心课题。

1.2.生物柴油-柴油混合燃料的柴油机的燃烧特性

优化燃烧特性是优化柴油机性能和排放特性的重要工具之一。由于柴油和生物柴油的特性不同，两种燃料在发动机负荷变化方面表现出不同的燃烧特性。燃料喷雾特性优化的主要目的是改善混合气形成过程从而影响柴油机自动点火和燃烧过程[11,12]。生物柴油燃料含有10-11%的氧(按重量计)，这将提高燃烧过程中的热释放率，并显著减少除氮氧化物外的排放(CO、HC和烟雾/PM)[13–15]。因为生物柴油其体积模量较高，在动态喷射定时下燃用生物柴油的柴油机燃烧起步较早。因为点火延时较短所以生物柴油的压力升高峰值速率较低[16]。由于高点火延迟会导致较高的压力上升速率，有些可能会导致爆震、噪声和NOx排放，因此有必要降低点火延迟。因此，有必要对卡拉尼亚族生物柴油-柴油混合燃料柴油机的点火延迟、燃烧启动、压力上升率等燃烧特性进行详细的研究， 找出进一步改善性能和减少排放的范围。

1.3.生物柴油-柴油混合燃料柴油机的性能及排放特性

生物柴油的含碳量低于柴油(柴油为87%，生物柴油为77.2%)。因此，以生物柴油为燃料的柴油发动机的碳排放量将低于基础柴油。Graboski和McCormick[17]研究了生物柴油-柴油混合燃料(B10、B20、B30、B50和B 100)的性能和排放特性。结果表明，CO、HC、PM、烟雾和聚芳香烃（PAH）的排放量随生物柴油–柴油而燃油消耗（BSFC）和NOx明显增加。Rakopoulos等人研究报告中指出燃料中的含氧量增加不影响进气中的富氧，采用B20、B35、B65和B100的混合燃料，每小时转矩降低率分别为0.85%、1.25%、2.33%和5.90%。

通过实验研究了不同比例的生物柴油(B5、B10和B10)对一台柴油机的性能和排放特性的影响。他们的结论是B10（Karanja生物柴油-柴油混合物）是柴油发动机的最佳混合物。然而，Mahanta等人得出结论认为，在燃料效率和所开发的动力方面，B15和B20可能是最佳的。但是，最佳生物柴油柴油混合燃料将取决于特定的原料。据研究表明，为了确保最佳性能和低排放，需要适当的生物柴油-柴油混合燃料。生物柴油是由不同的原料制成的，生物柴油的理化性质随原料的不同而不同。林等人的研究报告中说明了生物柴油原料对柴油机性能的影响。他们研究了发动机特性与生物柴油来自不同的原料包括大豆油甲酯（SOME），花生油甲酯（PNOME），玉米油甲酯（COME），葵花油甲酯（SFOME），菜籽油甲酯（ROME），棕榈油甲酯（POME），棕榈仁油甲基酯（PKOME），和废食用油甲酯（WFOME），这些结果与基础柴油（表1）中给出的比较。总的来说，他们的报告指出，碳，氢，氧，硫含量会影响燃料热值,因此这也会影响发动机的性能和排放特性。同样地，也利用废弃食用油燃料的柴油发动机的性能和排放特性与基础油进行了对比。燃用生物柴油的柴油机由于较高的喷射压力会导致更多的壁撞击的机率。因此，最佳的生物柴油–柴油已选择基于改变NOx排放和最小概率的碰壁。因此，本研究旨在从柴油机喷油、喷雾、燃烧、性能和排放特性等方面对生物柴油-柴油混合燃料进行优化。

TABLE 1

发动机性能和来自不同原料燃料的废气排放的实验结果[23].

1. 实验细节

测试柴油机（单缸、四冲程、风冷、恒转速（1500转）和7.4千瓦的最大功率输出（容积：947.38毫升；压缩比：19.5:1；喷嘴直径：0.19 mm)用于研究(图1)。发动机装有凸轮轴驱动的喷油器(机械喷油器)。用涡流测功机装载发动机。在燃油管路上安装了压电应变计压力传感器，用于在线燃油压力的测量。在气缸盖上安装了压电换能器(作为嵌入式安装)，用于缸内压力测量(测量范围0~250 bar，灵敏度：45 pC/bar，线性度：6plusmn;0.3%)。曲柄轴角编码器安装在发动机曲轴，转角测量的精度约0.05l。数据链路系统由内置电荷放大器和数据采集系统组成并用于压力曲轴转角数据采集。用信号放大器系统对注入信号进行处理。发动机转速（1500转）为常数的整个测试维护。使用AVLDI-气体分析仪（测量原理：红外测量）

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