生物柴油摻混燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展

周飛 杜敏

摘 要：本文主要對(duì)生物柴油的優(yōu)缺點(diǎn)和生物柴油的摻混燃燒技術(shù)進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)介紹了生物柴油與純柴油、汽油、醇類燃料以及氫燃料在各種實(shí)驗(yàn)工況下進(jìn)行摻混燃燒對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃燒性能以及排放性能的影響進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)生物柴油摻混燃燒技術(shù)未來的研究方向以及運(yùn)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：生物柴油;燃燒特性;摻混

中圖分類號(hào)：G304 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

生物柴油是一種清潔、可生物降解和無(wú)毒的燃料，與純柴油相比，生物柴油主要存在以下缺點(diǎn)：①生物柴油的密度高，可壓縮性小;②生物柴油的低溫流動(dòng)性差;③生物柴油的熱值低，價(jià)格昂貴。因此，直接燃用生物柴油的實(shí)用性較差。通過將生物柴油與其他燃料的摻混燃燒可以改善燃料的理化性質(zhì)，可以獲得更加良好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃燒以及排放性能，本文主要針對(duì)生物柴油摻混燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 生物柴油摻燒技術(shù)的主要類別

目前，世界各地關(guān)于生物柴油摻燒技術(shù)的研究類別較多，通常是將生物柴油與可再生燃料或一些傳統(tǒng)的化石燃料進(jìn)行混合來制備混合燃料，進(jìn)一步達(dá)到抑制生物柴油缺點(diǎn)來改善柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能、以及燃燒和排放性能的目的。本章將對(duì)當(dāng)前主要的摻燒技術(shù)進(jìn)行闡述。

1.1 生物柴油與柴油摻燒

由于生物柴油具有可溶于柴油的性質(zhì)，通常將其與柴油按比例混合，以獲得生物柴油-柴油混合燃料。目前在生物柴油-柴油燃料的研究中生物柴油的摻燒比例一般保持在5%～50%。制備的混合燃料與純生物柴油相比，每升燃料所含的能量增加，可以大幅度提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的作功能力。且生物柴油具有良好的潤(rùn)滑性能，與柴油混合后，可以提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，改善其性能。除此之外，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提下，生物柴油與柴油的摻燒能夠有效的減少化石柴油的使用。

1.2 生物柴油與汽油摻燒

汽油作為點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料，因其良好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放性能，也被選作柴油或生物柴油的燃料添加劑。生物柴油的高粘度、高傾點(diǎn)和低揮發(fā)性等特點(diǎn)，導(dǎo)致其霧化質(zhì)量差，在燃燒過程中容易使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)存在局部富燃料區(qū)域。為了改善霧化質(zhì)量，將生物柴油與低比例的汽油進(jìn)行摻混，可降低混合燃料的粘度，提高其揮發(fā)性以改善生物柴油-汽油混合燃料的理化性質(zhì)。其中，汽油的引入方式主要是通過預(yù)混噴射或者熏蒸燃料的方法，從而實(shí)現(xiàn)生物柴油-汽油的摻混燃燒。

1.3 生物柴油與醇類燃料摻燒

實(shí)驗(yàn)研究中常見的醇類燃料有乙醇（C2H5OH）、丁醇（C4H9OH）、戊醇（C5H11OH）等。與生物柴油和柴油相比，醇類燃料具有低密度、低運(yùn)動(dòng)粘度、低熱值、高蒸發(fā)潛熱、含氧量高和良好的冷流性能等特點(diǎn)[2-4]。將醇添加至生物柴油能夠有效降低混合燃料的密度和粘度，并且使混合燃料的理化性質(zhì)得到改善。醇類燃料的高含氧量有利于氣缸內(nèi)燃料的充分燃燒，改善燃燒質(zhì)量，減少?gòu)U氣排放;高蒸發(fā)潛熱，使生物柴油-醇燃料在蒸發(fā)過程中吸收更多的熱量，降低排氣溫度，減少NOx的排放。因此，在生物柴油摻燒的研究中，醇類燃料作為另一種添加燃料被廣泛應(yīng)用。

2 生物柴油摻燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)性能的評(píng)估主要通過發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)比熱效率（BTE）、制動(dòng)比能耗（BSEC）、制動(dòng)比燃油消耗（BSFC）等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。本章將生物柴油摻燒技術(shù)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行介紹。

2.1 摻混柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)性能

Kashif ur Rehman[1]等使用10%和20%的生物柴油與柴油摻混制備生物柴油-柴油混合燃料，在不同的燃油噴射時(shí)間（FITs）、燃油噴射壓力（FIPs）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，隨著FIPs和FITs的增加，生物柴油摻混燃料的BSFC增加。Y.H.Teoh[2]等選用MOB生物柴油與柴油摻混就行試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)與純柴油相比，當(dāng)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用MOB混合燃料時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和制動(dòng)功率都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì);此外，混合燃料燃燒的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，混合燃料的使用也使得發(fā)動(dòng)機(jī)的BSFC增加，BSEC下降。

2.2 摻混汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)性能

Yanuandri Putrasari[3]等利用GCI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)5%-20%汽油-生物柴油混合燃料展開實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，燃燒生物柴油-汽油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率受到了一定的影響。與純生物柴油相比，當(dāng)噴油正時(shí)保持在18-35CA BTDC時(shí)，燃用混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低;當(dāng)噴油正時(shí)在55-65CA BTDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率得到改善。

2.3 摻混醇類燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)性能

B.Ashok[4]等使用正戊醇和CIME生物柴油進(jìn)行混合，制備了B90P10、B80P20、B70P30、B60P40、B50P50五種CIME混合燃料，并在各種實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，與純生物柴油相比，CIME混合燃料測(cè)試出的熱效率最大提高了30%;其中B90P10的BTE較高約為27%，但略低于純柴油的BTE值;和純柴油相比，CIME混合燃料的BSFC從42%增加到了27.3%。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正戊醇的添加比例超過40%時(shí)，會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成一定的負(fù)面效應(yīng)。由此可見，正丁醇的添加有助于改善燃油的消耗情況。

3 生物柴油摻燒對(duì)燃燒特性的影響

燃料的燃燒特性主要包括點(diǎn)火延遲、氣缸壓力變化以及熱釋放率等，本章將針對(duì)以上敘述的生物柴油摻燒方式在各自實(shí)驗(yàn)條件下?lián)綗贸鋈紵匦赃M(jìn)行闡述。

3.1 摻混柴油的燃燒特性

Kashif ur Rehman[1]等研究發(fā)現(xiàn)，在低負(fù)荷下，提前或者延遲燃油噴射時(shí)間可以形成低溫預(yù)混燃（LTPC），導(dǎo)致點(diǎn)火延遲時(shí)間和熱釋放速率增加。Y.H.Teoh[2]等研究表明，與柴油相比，MOB生物柴油-柴油混合燃料表現(xiàn)出較差的燃燒特性，混合燃料導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)峰值壓力和峰值熱釋放率都隨著混合比例的增加而降低。