文|艺海探秘

编辑|艺海探秘

前言

发动机制造商成功地开发了具有高热效率和功率集中的 柴油发动机 ，并始终在符合日益严格的排放法规的前提下进行。

近年来，通过使用共轨系统、燃油喷射控制策略（包括多级喷射）、涡轮增压器、废气循环（EGR）和尾气后处理装置等技术，在开发更清洁的柴油发动机方面取得了显著的优势。然而，这些排放控制方案通常会伴随着燃料消耗或成本的增加，同时，对于现有柴油发动机驱动的车辆车队的污染物排放行为的改善要求变得强制性。

柴油机

因此，为了减少污染物排放，研究人员还将兴趣集中在替代燃料领域，通常是以喷雾形式存在，以及使用改进柴油燃料添加剂。另一方面，含氧燃料或富氧进气具有降低颗粒物排放的能力，但通常伴随着排放的氮氧化物（NOx）增加，这与众所周知的煤烟或NOx折衷关系有关。

事实上，有时候会同时使用具有改进性能的燃料和技术，例如喷射过程的调整、氧化催化剂和废气循环，以获得理想的结果。

一、实验测试设备

1.1.发动机描述

在第一作者实验室的全自动测试台上安装了一台Ricardo/Cussons 'Hydra'水冷单缸实验标准发动机，配备了监控和控制发动机变量（如转速、负荷、水和润滑油温度、燃油和空气流量等）的设施。在测试台上，发动机与'McClure'电动直流转矩测力仪连接在一起。

奥托

该发动机具有奥托（火花点火）或直接喷射（DI）或间接喷射（IDI）柴油（压燃）四冲程工作原理的能力，通过更改曲柄传动机构、汽缸和气缸盖的各个部件来实现。在本研究中，它作为一个自然吸气的DI柴油发动机使用，转速范围为1000-4500转/分钟。

发动机的汽缸孔径为0.08026米，活塞冲程为0.08890米，压缩比为19.8:1。进气阀在上止点（TDC）前8度曲柄角（CA）打开，在下止点（BDC）后42度CA关闭。排气阀在下止点前60度CA打开，在上止点后12度CA关闭。它具有一个可重复进入的活塞燃烧室，喷油嘴周围钻有四个直径为0.25毫米的对称孔，形成一个160度的喷雾锥角。

汽缸

柴油燃料喷射泵配有直径为11毫米的柱塞。使用'Bosch'喷油器体，其在250巴压力下打开。提供了0度至40度CA（静态）提前点火范围（即在TDC之前）。

图1显示了发动机测试台、仪器设备和数据记录系统的完整示意图。

图1

1.2.测试装置描述

发动机安装在一个全自动测试台上，并与一个带有负载吸收和驱动功能的'McClure'直流电动转矩测力仪相连，该仪器配备了用于测量发动机扭矩的负载传感器。速度和负载（扭矩）分别配有一个电传感器，其信号馈送到控制面板和控制器上的指示器上。

通过控制面板上的旋钮，操作员可以设置转速或负载的电动转矩测力仪。控制面板上的开关还可以自动设置静态喷油时机。

电动转矩测力仪

冷却剂（水）和润滑油循环采用电动泵实现，并通过供水热交换器控制温度。这些换热器的辅助水冷系统是自制的，包括一个大水箱和一个相应的（辅助）换热器。加热器用于在预热和轻负荷条件下维持油和冷却液温度。

发动机的关键位置安装有热电偶，其指示显示在多点电子温度指示器上。发动机排气系统连接到自制的消声器系统。采用粘性型的'Alcock'层流计来测量发动机吸入的空气流量。

粘性型的'Alcock'层流计

为了测量各种混合样品的燃料消耗量，使用自制的燃料箱和流量计系统，具体操作如下。在3.5升燃油箱的旁边放置了一个已知体积的玻璃分液管，并测量其完全排空燃油样品进入发动机的时间。为了快速排放燃油样品，包括来自泵和喷油器的回油，并重新灌装新燃油样品，构建了一个由管道和阀门组成的系统。

1.3. 排气气体分析系统

排气气体分析系统 包括一组分析仪，用于测量烟雾、氮氧化物（NOx）、一氧化碳和总未燃烧碳氢化合物（HC）。排气气体中的烟雾水平使用 'Bosch' RTT-100烟度计 进行测量，其读数以Hartridge单位（%浓度）或等效烟雾密度（每立方米排气中的烟雾毫克数）提供。

排气系统

排气中的氮氧化物浓度以ppm（百万分之一，按体积计）为单位，使用'Signal' Series-4000化学发光分析仪（CLA）进行测量，并配有恒温加热管线。排气中的一氧化碳浓度以ppm为单位，使用'Signal' Series-7200非分散式红外分析仪（NDIR）进行测量。排气中的总未燃烧碳氢化合物浓度以ppm为单位，使用'Ratfisch-Instruments'火焰离子化检测器（FID），并配有恒温加热管线。

红外分析仪

1.4.燃料性质

高种类的植物油或生物柴油来自不同来源进行测试，作为正常柴油燃料的补充，例如棉籽油、大豆油、葵花籽油及其对应的甲酯，以及与传统柴油燃料以20/80%（体积比）混合。

传统柴油燃料由“希腊石油公司”的Aspropyrgos炼油厂提供，代表了典型的希腊道路（汽车）低硫（0.035%）柴油燃料（煤油）；它是本研究的基准燃料。植物油是从商业加工设施获得的，它们经过了精炼和脱胶处理，几乎是食用级别的。

没有使用任何添加剂，也没有对样品进行任何进一步的精炼或脱胶处理。所使用的生物柴油（甲酯）是通过在希腊雅典国立技术大学化学工程学院化学过程实验室的示范工厂中，将相应的原料与甲醇进行酯交换反应，使用 KOH作为催化剂而生产的。

表1

使用的柴油燃料、植物油和生物柴油的性质总结在表1中；这些值是从上述不同参考文献中获取的典型值。实际密度值是在实验室进行测量的。值得注意的是，所述的运动粘度和十六烷值值在本研究中没有进行计算使用。它们仅用于指示目的，以定性解释不同燃料混合物的相对性能和排放行为。

二、测试条件和参数-实验过程

进行了一系列测试，使用上述每种燃料混合物，发动机转速为2000转/分钟，静态喷射正时提前角为29度曲轴角（TDC），并在中负荷和高负荷下进行测试，分别相当于全负荷的38%和75%。由于所测试的燃料的热值和含氧量之间的差异，必须在相同的发动机制动平均有效压力，即负荷上进行比较，而不是在相同的喷射燃料质量或空燃比上进行比较。

在每个测试中，测量体积燃料消耗量、排气烟度和排气中的氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和总未燃烧碳氢化合物（HC）等排放物。根据第一次测量，使用样品的密度和低热值计算比燃油消耗量和制动热效率。 表2显示了各个参数测量的准确度和计算结果的不确定度。

表2

实验工作从发动机使用纯柴油燃料进行初步调查开始，以确定发动机的运行特性和排放水平，构成与使用植物油或生物柴油混合物时的相应情况进行比较的“基线”。同样的程序在相同的工况下重复每种燃料混合物的测试。

对于每次燃料更换，清洁燃料管路并让发动机运行约30分钟以稳定在新的条件下。由于这种多功能的“标准”实验发动机具有很高的灵活性，可以（自动）保持发动机回路的敏感运行参数恒定，例如油和冷却水温度，这些参数可以主要影响排气排放水平，从而增加了测量值的可比性。

三、实验结果的比较和利用混合燃烧的理论解释

3.1. 发动机缸内混合燃烧的理论基础

在讨论实验结果之前，首先需要了解一些柴油发动机中燃料混合物燃烧的基本原理，并同时考虑燃料的性质以及发动机缸内存在的特定工况。

由于使用的混合比例较小（体积上为10%和20%），喷射速率或喷雾的宏观行为在纯柴油燃料和本研究中使用的任何其他混合燃料中几乎相同，当然前提是具有相同的发动机工况，包括喷射正时、转速和负荷（制动平均有效压力）。

植物油燃料

相比于柴油燃料，生物柴油或植物油具有更高的可压缩性，导致燃料更早地进入发动机缸内，但这个喷射提前角的差异最大仅为1度曲轴角（CA），即使是对于纯生物柴油或纯植物油的情况也是如此。

与柴油燃料相比，生物柴油的十六烷值较高，而植物油的十六烷值较低（参见表1），这对混合燃料的相对预混燃烧持续时间（减小了着火延迟）产生影响，从而影响燃烧过程。

唯一明显的差异出现在雾化过程中，即当使用生物柴油时平均液滴尺寸（例如以索特平均直径表示）较大，当使用植物油时更大，相对于柴油的情况。这主要是因为生物柴油具有较高的运动粘度，而植物油与纯柴油相比几乎高出一个数量级，这可以从表1中的数值观察到。

这个事实和不同的蒸馏曲线，即与纯柴油相比生物柴油的蒸馏曲线更高，而植物油的蒸馏曲线更高（相应地蒸发压力更低），表明蒸发过程对于生物柴油来说会更慢，而对于植物油来说则会非常慢，因此可能会对燃烧过程产生相当大的影响。

如上所述，喷雾的宏观行为在纯柴油燃料和本研究中使用的任何其他混合燃料中几乎相同，因此瞬时携带和混合的空气量也是相同的。

考虑到与纯生物柴油或植物油相比，化学计量空气或燃料比大约为12.5，而与纯柴油相比则为14.5，这意味着与柴油混合物相比，空气和生物柴油或植物油的混合物更快地接近了化学计量条件，大约快了15%左右。

因此，空气与燃料的比例差异会受到生物柴油或植物油中的结合氧气的影响，这将影响燃烧过程。简单来说，如果燃烧过程受混合控制，使用生物柴油或植物油喷射会产生积极效果；而如果燃烧过程受蒸发控制，效果则会变得不利。

在这台发动机的特定工况下，由于较高的压缩比和喷油正时（喷油时间点），燃烧过程往往是通过混合气体进行控制的，这适用于柴油燃料和生物柴油混合物。但是对于植物油混合物，由于其特性，燃烧过程更可能受到燃料蒸发的控制。

生物油

一些其他特定问题主要与所涉及的燃料的化学性质有关，这些问题可能对发动机的性能产生一定影响，如下所解释。

植物油的分子较重，约为800（相比于生物柴油和纯柴油分别为270和170），在其他所有条件相同的情况下，它可以在产生更高的烟尘排放量方面发挥作用。同样，生物柴油中缺乏硫会导致较低的颗粒物（PM）排放。

生物柴油的较高十六烷值与纯柴油相比可以降低NOx排放（减少点火延迟，从而缩短主要在预混燃烧阶段形成NOx的时间），此外，生物柴油中的芳香化合物的缺乏也起到了促进作用。

生物油分子

基于上述论点，可以预期植物油相对较低的十六烷值会对最终的NOx排放产生影响，这是由芳香化合物的缺乏因素和更长的点火延迟（较长的预混燃烧）之间的平衡所决定的。

然而，所有这些因素可能会被燃料-空气喷雾中的燃料-空气“包”分布的微妙差异所掩盖，因为高局部温度和接近化学计量（以及轻微偏向“稀薄”）的局部条件有利于NOx的生成。

生物柴油或植物油的较低高位发热值与纯柴油相比，乍一看需要更高的燃料流量与相应的纯柴油情况相比，前提是相同的负荷，即制动平均有效压力。

在喷雾中的其他所有条件保持不变的情况下，这应该导致在整个循环期间大致相同的平均缸内温度。

气缸

燃料-空气喷雾中的燃料-空气“包”分布可能会有所不同，并因此影响每个循环所需的燃料量。此外，不能排除燃油喷射系统在某一工况（或转速）下使用纯柴油时具有最佳性能，然后在其他一些工况下使用低混合比的燃料混合物时出现最佳功能的情况。

这种性能可能受到泵润滑效果、泵筒漏气效果等的影响，这取决于使用的燃料。由于这种行为是发动机特定的，而不是燃料特定的，因此更安全的做法是基于（制动）热效率进行比较，其中同时考虑到燃料流量和其高位发热值的影响。

图2

图2a和2b分别显示了中负荷和高负荷情况下，纯柴油燃料、生物柴油混合物和不同来源的植物油混合物的烟（煤烟）浓度，以每立方米排气气体中的毫克表示，柱状图的组织方式如上所述。

可以观察到，所有不同来源的生物柴油混合物排放的煤烟显著低于纯柴油燃料的排放，降低幅度与混合物中生物柴油的比例越高，降低的程度越大。

这归因于这些混合物的燃烧是混合控制的，与纯柴油燃料的情况相同，但现在受到了燃料中的束缚氧的辅助，即使在局部富氧区域。

相反，所有不同来源的植物油混合物排放的煤烟都高于相应的柴油燃料情况，增加幅度与混合物中植物油的比例越高，增加的程度越大。这归因于这些混合物的燃烧更多地受到蒸发控制，因此燃料束缚氧的潜在有利作用在循环中出现得非常晚，并且几乎没有帮助，而整个情况又因为重质燃料分子而进一步恶化。

图3

图3a和3b分别显示了中负荷和高负荷情况下，纯柴油燃料、生物柴油混合物和不同来源的植物油混合物的氮氧化物（NOx）排放，以ppm（百万分之一，按体积计算）表示。

可以观察到，所有不同来源的生物柴油混合物排放的氮氧化物稍微低于相应的柴油燃料情况，降低幅度与混合物中生物柴油的比例越高，尽管燃烧对于这些混合物来说是混合控制的，与纯柴油燃料的情况相同，但现在较高的十六烷值（较短的预混合燃烧部分）和生物柴油中芳烃的缺失有助于减少氮氧化物的生成，这似乎抵消了即使在局部富氧区域（更接近化学计量的区域）存在的燃料束缚氧可能引起的增加。

从同一图表中可以看出，所有不同来源的植物油混合物也表现出相同的行为。对于这些混合物，燃烧更多地受到蒸发控制，与纯柴油燃料的情况不同，现在较低的十六烷值（较长的预混合燃烧部分）和植物油中芳烃的缺失相互抵消，这对于氮氧化物的生成产生了一些影响；

同时，在稍长的混合控制燃烧部分中存在燃料束缚氧，即使在局部富氧区域（更接近化学计量的区域）中的温度（平均而言）较低，也可能对氮氧化物的生成提供一些贡献。

图4

图4a和4b分别显示了中负荷和高负荷情况下，纯柴油燃料、生物柴油混合物和不同来源的植物油混合物的一氧化碳（CO）排放，以ppm（百万分之一，按体积计算）表示。

可以观察到，所有不同来源的生物柴油混合物排放的CO都低于相应的柴油燃料情况，降低幅度与混合物中生物柴油的比例越高，相反，所有不同来源的植物油混合物排放的CO都高于相应的柴油燃料情况，增加幅度与混合物中植物油的比例越高。

总之，发动机排放的CO与发动机排放的煤烟具有相同的行为，这归因于几乎以同样的方式（至少在定性上）影响这些排放物净生成的相同物理和化学机制。无论如何，需要提醒的是，柴油发动机排放的CO水平在绝对意义上很小，因此并不真正重要。

图5

图5a和5b分别显示了中负荷和高负荷情况下，纯柴油燃料、生物柴油混合物和不同来源的植物油混合物的总未燃烧碳氢化合物（HC）排放，以ppm（百万分之一，按体积计算）表示。对于植物油混合物，可以观察到排放的HC相对于纯柴油燃料有所增加，这也与大多数文献中的报道一致。

关于生物柴油混合物，文献中报道排放的HC相对于纯柴油燃料有所减少，但在中报道，在喷油时机较高的情况下有所增加。

实际上，在本研究中，喷油时机较高，在中负荷情况下观察到了增加的趋势（参见图5a）。然而，对于高负荷情况（图5b），情况有所不同，不同来源的生物柴油混合物在混合物中的百分比增加与排放的HC之间没有明确的趋势（增加或减少）。

此外，从前述的图5a和5b可以观察到，无论是植物油混合物还是生物柴油混合物，它们在混合物中的百分比增加与其来源无明确的趋势（增加或减少）有关。无论如何，这些差异在绝对水平上相当微不足道，而它们的水平在绝对意义上很小，因此对于柴油发动机来说并不重要。

众所周知，未燃烧碳氢化合物的形成来源于发动机缸内的各种因素，其理论研究仍处于初级阶段。还应考虑到用于测量它们的仪器（例如火焰离子化检测器（FID））是针对响应于正常柴油燃料中形成的“平均”碳氢化合物的，而不是针对生物柴油或植物油中出现的不同（和更广泛）类物质（对于这些物质的响应未知）。因此，对于这些结果应该保持谨慎。

图6

图6a和6b分别显示了中负荷和高负荷情况下的比油耗（b.s.f.c.），以克/千瓦小时（grams per kilowatt hour）表示，其中纯柴油燃料、生物柴油混合物和不同来源的植物油混合物的燃料混合物质量流量通过考虑混合物中燃料的比例和燃料的密度来计算。

由于比较是在相同负荷（平均有效压力）和转速下进行的，这意味着这些数值实际上与燃料质量流量成正比；然而，需要注意的是，在相同的运行条件下，空气质量流量保持不变。

观察到在高负荷情况下（图6b），在高负荷情况下观察到的现象是，不同来源的生物柴油混合物与纯柴油相比， 比油耗 稍微高一些。而且，当生物柴油的比例增加时，这个增加的幅度也更大。

同样的情况也适用于不同来源的植物油混合物。这可能是因为生物柴油或植物油的能量密度较低，相比纯柴油来说稍微低一些。

相反，对于中负荷情况（图6a），情况略有变化，可以观察到一种相当一致的模式，即在任何10%的燃料混合比中，无论是生物柴油还是植物油的任何来源，比油耗都达到最小值。这可能的解释是，正如前一小节末尾讨论的那样，某种程度上在中负荷条件下，燃油喷射系统在此燃料混合比时获得最佳性能。

图7

最后，图7a和7b分别显示了与纯柴油燃料相比，不同来源的生物柴油混合物和植物油混合物的热效率变化百分比，其中热效率是简单地由 比油耗和燃料低热值的乘积的倒数计算而得。

为了保持分析的简单性，并考虑到燃料的低热值和消耗率的测量的不确定性，使用了生物柴油或植物油的各种来源的37,000 kJ/kg的值，柴油燃料的值为42,700。燃料混合物的热值是根据涉及的燃料的相应值计算的，考虑了它们的混合比。

对于中负荷情况，图7a显示了所有不同来源的生物柴油混合物的热效率相对于相应的柴油燃料情况的增加，尽管增加的幅度非常小，对于所有不同来源的植物油混合物也是如此。

相反，对于高负荷情况， 图7b显示无论是任何生物柴油还是植物油混合物的各种来源和混合比，其热效率没有一致的趋势相对于相应的柴油燃料情况。

尽管如此，无论如何，这些百分比差异实际上非常小；因此，可以得出结论，在考虑燃料的低热值和消耗速率的测量的小不确定性时，其值没有发生变化（生物燃料相对于纯柴油燃料）。

五、结论

通过在作者实验室的直喷柴油发动机上使用多种不同来源的植物油或生物柴油作为传统柴油燃料的补充剂，进行了一项广泛的实验研究。

在每次测试中，发动机以2000转/分钟的速度和中低负荷运行， 测量 排气烟度以及氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和总未燃烃（HC）等排放气体。通过测量的燃料体积流量和高位发热值计算制动比燃料消耗量（b.s.f.c.）和制动热效率。

比较了与纯柴油燃料相比，从基准运行情况中测得的性能和排放参数之间的差异。将这种比较扩展到使用植物油混合物和生物柴油混合物之间的比较。

与纯柴油燃料相比，使用来自不同来源的生物柴油可以减少一氧化碳（CO）的排放，降低幅度与混合物中生物柴油的比例越高，降低的程度越大。

相反，使用来自不同来源的植物油混合物会增加一氧化碳的排放，增加幅度与混合物中植物油的比例越高，增加的程度越大。然而，一氧化碳排放水平已经非常低。

使用来自不同来源的生物柴油或植物油混合物与纯柴油燃料相比，发动机性能相似，几乎具有相同的制动热效率，高负荷下的比油耗较高，中负荷下10/90混合物的比油耗最低。

将柴油发动机燃烧的理论方面与生物柴油和植物油的物理和化学性质之间的显著差异相结合，有助于正确解释观察到的发动机行为。

实际结论是，在植物油混合物中，虽然对于稍微增加的烟雾排放有些担忧，但所有经过测试的生物柴油或植物油混合物，无论使用的原料材料如何，至少在与常规柴油燃料的低混合比下，可以安全和有利地用于柴油发动机中。

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