上柴柴油机备件-生物燃料正丁醇与传统柴油燃料混合在一起的应用柴油机的工作冲程

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文|南猫

编辑|南猫

为了减少燃烧化石燃料造成的环境污染物排放，人们对将生物燃料正丁醇混合到柴油中的应用越来越感兴趣。

在此背景下，生物燃料正丁醇与常规柴油的混合应用备受关注。 最近，一项涉及涡轮增压压燃式发动机的研究结果表明，正丁醇-柴油D2混合物在提高发动机性能和改善燃烧特性方面显示出巨大潜力。

这项研究还将进一步深入了解这种燃料在内燃机中的适用性，不仅有助于减少颗粒物排放，还可以提高燃烧效率并推动更环保的燃料选择。

让我们深入探讨这个话题，探索正丁醇柴油混合燃料在减排和保护环境方面的潜力！

TDI柴油发动机

如下图所示，我们可以看到不同测试燃料（B0、B5、B10和B20）对喷射时间的影响。 测试选择了两种发动机工作速度：1500 rpm 和 3000 rpm。 当发动机转速较高时，每种燃料的喷射时间都会相应提前，以保证燃料有足够的时间充分燃烧。

在部分负荷工况或低速工况下，根据制动平均有效压力BMEP，电子控制单元EDC将延迟电控喷油启动SOI的时机，以满足发动机工况。

图 2a 和 b 显示了混合物对歧管增压压力的影响，分别在 1500 rpm 和 3000 rpm 下进行测试。 随着空燃比降低，增大增压压力有助于提高制动热效率BTE。

图 3 中所示的功率和扭矩降低是由于 EDC 单元中的固定算法和设定点造成的。 未经修改，EDC 使用柴油作为编程的参考燃料。

当用正丁醇/柴油混合燃料代替柴油时，EDC将增加燃料的质量流量以补偿输送能量的减少，因为正丁醇的热值比柴油低。

因此，以上说明了测试工况下不同燃料对喷油正时的影响以及EDC在调节燃料质量流量中的作用。 这些结果对于优化发动机性能和燃料利用率具有重要意义。

这是通过改变控制系统的燃料控制环的位置来实现的。 然而，DF 的 EDC 设定点是固定的，并控制在不同负载下可以输送的柴油量。 因此，混合物的质量流量不能增加到该点以上。 这解释了使用正丁醇/DF 时功率和扭矩输出降低的原因，如图 3 所示。

废气温度EGT对BMEP的影响如图4a和b所示。 数据图显示，对于所有测试燃料：DF、B5、B10 和 B20，BMEP 的 EGT 都会增加。 混合物的蒸发热高于 DF，导致蒸发冷却，从而降低 EGT。

此外，混合物中分子氧含量的增加高于DF也是通过降低燃料的能量含量来降低EGT的因素。

B10 在 3000 rpm 时 25% 和 50% 负载下的不规则性可能是由于燃烧不稳定造成的，这在 B10% 的高标准偏差中也很明显。

显示压力、HRR 和燃油混合物对 (TDI) CI 发动机的影响

在燃烧研究中，CN 是衡量燃料自燃难易程度的指标。 它测量燃料燃烧期间喷射开始和第一次可识别的压力增加之间的时间延迟。 CN值越高，燃料的自燃延迟时间越短，燃烧过程越容易发生。

放热量是指燃料在燃烧过程中发生化学反应而产生的净燃烧热量，受燃料物理化学性质的影响。 这些反应产生的热量导致每个燃烧循环期间平均压力增加。 这个平均压力称为IP，可以用测功机图上的压力读数来表示。

进气中的剩余氧气限制了燃烧速率减缓的最后阶段，该阶段发生在曲轴角向排气过程推进之前。 当增加共享体积中正丁醇的量时，结合含氧燃料的分子氧含量，发动机转速增加，从而改善混合物的混合质量。

随着发动机转速的增加，预混燃烧阶段的现象越来越清晰地观察到，在2500和时，B5和B10的预混情况相似。

在 2500 rpm 时观察到较高的放热率，因为与 3000 rpm 和 3500 rpm 的较高转速相比，在 2500 rpm 时燃料燃烧所需的停留时间更长，从而允许燃烧更多燃料。

混合控制燃烧或预混阶段之后的最后阶段表明，随着混合物中正丁醇所占体积的增加，混合物的放热曲线比DF更陡。 可以看出，混合气的燃烧效率比DF好，燃烧持续时间缩短。

在之前的一项研究中，我们单独使用 BD30（由 30% 生物柴油或甲酯组成，源自菜籽油 (RME)，与 70% 柴油混合）成功减少了点火延迟。

然而，当E10（由10%乙醇和90%柴油组成）与BD30一起添加到混合物中时，ID变长，这不是预期的结果，因为这会导致测试发动机难以启动问题。

通过比较氯化萘的数据，我们发现RME的氯化萘值为55，而DF的氯化萘值为51。相比之下，正丁醇的CN值为25左右，乙醇的CN值为大约8。

因此，当柴油中正丁醇的含量增加到20%以上时，正丁醇取代了DF中更丰富的CN成分，延长了燃烧的启动SOC，促进了发动机的困难启动。

然而，这也限制了DF中可以混合的正丁醇的最大比例。 按混合物体积计大于20%的正丁醇进一步降低了混合物的CN。

因此，存在一个限制：当混合物的最终 CN 太低而无法启动发动机时，这就会成为问题。

之前的研究表明，就最大压力和放热率而言，由 50% 生物柴油和 50% 柴油组成的 B50 是优于 Bu20 的首选燃料类型。

在实验中，我们使用单缸、四冲程、直喷、风冷、自然吸气的TD212柴油机，最大功率为3.5 kW（3600 rpm），最大热释放率（HRR）为15.5 J /度。

在另一项研究中，B50 被推荐为最适合柴油发动机的混合燃料。 DF的燃烧持续时间比Bu20长，B20（正丁醇20%，DF 80%）的燃烧持续时间缩短。

与 DF 相比，这可以通过更陡峭的热曲线观察到。 图 5a-c 表明，对于所有测试燃料，随着 HRR 在低速下增加，峰值压力的平均 IP 变化不大。

满负荷时，所有测试燃料的 IP 和 HRR 分别在 2500、3000 和 3500 rpm 下进行评估。 运行中的 BMEP 混合物如表 3 所示。据观察，在 3500、3000 和 2500 rpm 下，预混物热释放在 5 CAD 范围内为 17–24j/deg。

在本研究中，我们观察到 15-23 焦耳/度范围内的最大压力，并针对 DF、B50 和 Bu20 进行了测试。 这些实验在 1500 rpm 的恒定速度下进行。

然而，值得注意的是，在该发动机中，EDC 电子控制燃油喷射的存在可能会限制流向混合物的燃油流量。

通过在 BD30 中添加 E10 的酒精混合物，我们通过降低酒精含量实现了延长点火延迟和缩短点火延迟。 之前的研究使用的是 T40 M D-144 柴油发动机，该发动机于 2003 年购买四冲程柴油机的示功图，并在 2004 年至 2008 年期间使用。

发动机的更多细节如下：

(a)机械功率为37kW，转速为； (b) 发动机为自然吸气式； (c)燃油喷射方式为直喷； (d) 发动机有四个气缸，直径为 110 毫米； (f)行程为120毫米； (g)压缩比为16.5:1； (h) 采用圆盘活塞； (i) 发动机是压燃式发动机。

燃油通过单活塞燃油泵通过三孔喷嘴供应。 初始燃油喷射发生在曲轴转角之前 25 升 BTDC。 喷油器上的针阀提升压力设置为17.5±0.5 MPa。

分析

在双燃料柴油和初级燃料中，生物柴油和正丁醇馏分都缩短了混合物的燃烧持续时间。 但由于正丁醇的一定局限性，其较低的CN值阻碍了DF中添加量超过20%（体积比）。 相比之下，生物柴油的CN值较高，因此可以增加其在DF中的混合比例。

我们的结果仅关注正丁醇对 DF 的影响，并与其他研究的结果进行比较。 研究表明，当生物柴油添加到正丁醇/DF 混合物中时，燃烧特性会得到改善。 实验结果表明B50混合物的性能优于Bu20。

图 6 说明了压力循环的标准偏差。 可以推断，混合燃料的压力与平均值的偏差小于柴油。 换句话说，混合物具有比参考燃料更稳定的燃烧特性。 混合物 B10 在所有速度下均表现出较高的标准偏差，从而表现出比其他混合物更不稳定的燃烧质量。

其他人的类似研究使用变异系数 COV 来测量缸内压力的热力学循环变化，以确定混合物 Bu20 和 B50 的燃烧稳定性。

他们发现，对于发动机负载，混合物的 COV 低于 5%，这与我们的研究一致，即平均缸内压力循环的标准偏差低于 DF 的标准偏差。

TDI压燃式发动机碳烟浓度

图 7 显示了 1500 和 3000 rpm 时废气中的烟灰浓度。 在直喷式柴油机中，燃油和空气的分布会不均匀，这也成为碳烟形成的一个因素。 除了过量空气因素外，空气和燃料的混合方式也会影响烟灰的形成。

碳烟的形成取决于许多因素，包括发动机的状况、燃烧室的类型以及燃料的物理和化学性质的差异。 当DF中添加一定量的正丁醇时，烟尘排放量会减少。

这是因为与正丁醇中的羟基结合的氧原子可以通过干扰烟灰生成的前体物质的产生而充当限制因素。 正丁醇具有较低的碳氢比船舶物资，这也减少了烟灰的形成。

根据研究结果，可以清楚地观察到烟尘浓度显着降低。 使用正丁醇/DF 混合物时，烟灰浓度显着降低。 无论是在 1500 rpm 还是 3000 rpm 时，混合物的烟灰浓度均低于纯 DF。

对于B5、B10和B20燃料，在75%负载和下，随着正丁醇与DF的共享体积比的增加，烟尘排放量分别减少55.5%、77.8%和85.1%。

在发动机测试中船舶配件，所有测试燃料在 3000 rpm 转速下的碳烟排放减少量均高于 1500 rpm 转速下的碳烟排放量。

75% 负载时烟尘排放量的减少量最高。 混合物与 3000 rpm 时 25% 和 50% 负载趋势的轻微偏差尚不清楚：

这可能是由燃烧过程中的温度分布引起的，因为温度在烟灰形成和氧化中也起着重要作用。

在这项研究中，使用涡轮增压四缸压燃式发动机来评估不同比例的正丁醇和柴油混合物的性能和燃烧特性。

将结果与使用相似比例的正丁醇和 40% 生物柴油的其他研究进行了比较。 在这项研究中，观察到 B20 的燃烧特性得到改善四冲程柴油机的示功图，这一结果与在 B20 中添加 40% 生物柴油的其他研究类似。

从标准差图中可以看出，混合气的标准差值低于纯柴油，这表明混合气的燃烧过程更加稳定。 在两项比较研究中，都观察到烟尘排放量显着减少。

在另一项研究中，当将生物乙醇混合物引入 BD30/柴油混合物中时，获得了类似的减少效果。 在这两种情况下，都添加了较小比例的生物醇。

然而，在这项研究中，对于 B5、B10 和 B20 混合物，与柴油相比，在 1500 rpm 和 75% 负载下，烟灰排放量分别减少了 55.5%、77.8% 和 85.1%。

这种显着的减少表明了正丁醇/柴油混合物减少颗粒物和提高燃烧效率的潜力。 因此，正丁醇/柴油混合物是一种非常有前景的燃料，值得在混合动力研究中广泛推广和应用！

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