生物柴油-柴油-DEC混合燃料發動機的噴霧、燃燒與排放性能分析

趙禮飛 祝先標 王云鵬

摘要： 應用紋影法觀察高壓共軌系統下燃料的宏觀噴霧特性，在高壓共軌柴油機上開展外特性下燃燒和排放試驗，分析生物柴油-柴油-碳酸二乙酯（diethyl carbonate，DEC）混合燃料的噴霧、燃燒與排放特性，生物柴油和柴油按體積比為3 ： 7混合后的燃料記為B30，DEC和B30按體積比2 ： 8摻混后的燃料記為B30DEC20。試驗結果表明：混合性燃料B30DEC20的霧化效果明顯提升，噴霧形態勻稱、飽滿，噴霧錐角、噴霧濃度等接近柴油；外特性運行時，燃用B30DEC20的發動機轉矩比燃用柴油低27.4 N · m，但其熱效率比燃用柴油高，轉速為2 400 r/min時，燃用B30DEC20的發動機熱效率比燃用柴油高1.5%；B30DEC20的含氧屬性使其具有較低的顆粒物（particulate matter，PM）和CO排放，燃用該燃料的發動機PM排放比燃用柴油降低65%～85%，THC排放低于燃用柴油；雖然燃用B30DEC20發動機的NO ?x 比排放大于燃用其他燃料，但當發動機轉速大于2 400 r/min后，燃用B30DEC20發動機的NO ?x 排放低于燃用柴油。

關鍵詞： 生物柴油；柴油；DEC；噴霧；燃燒；排放

中圖分類號：TK401 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0002-09

引用格式： ?趙禮飛，祝先標，王云鵬.生物柴油-柴油-DEC混合燃料發動機的噴霧、燃燒與排放性能分析［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：8-16.

ZHAO Lifei， ZHU Xianbiao， WANG Yunpeng.Analysis of spray， combustion and emission performance of biodiesel-diesel-DEC fuel blends［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：8-16.

0 引言

石油和天然氣資源短缺造成的能源危機嚴重威脅社會經濟發展，化石能源燃燒嚴重污染環境，危害人體健康，研究和開發綠色可再生能源不僅減少人們對傳統能源的依賴，促進經濟發展，也有利于改善環境。與化石燃料不同，生物柴油是一種可再生的生物質燃料，原材料來源廣泛，植物油、動物脂肪、某些富含脂類的藻類和廢棄的餐飲油都可以用來制備生物柴油[1]。生物柴油幾乎不含芳香烴和硫，能夠明顯減少顆粒物（particulate matter，PM）等有害物質排放。生物柴油中的碳主要由植物光合作用從大氣中吸收，通常被認為是一種廣義上的碳中和燃料。羅祎青等[2]應用全生命周期分析方法，分析了微藻生物柴油整個生產過程中的碳平衡，發現生物柴油整個生產加工過程中固定的CO 2多于產生的CO 2。最重要的是生物柴油可以和現有的能源基礎設施兼容，可與柴油以任意比例摻混后直接用在柴油機上，不需要對發動機做任何改動。

生物柴油的黏度高，霧化性差，導致燃料與空氣混合不足，燃料燃燒不充分[3]。為了降低生物柴油的黏度，改善燃燒效果，通常把生物柴油和柴油摻混或者摻混低黏度的含氧添加劑。elik[4]研究了大豆生物柴油-榛子生物柴油-柴油混合物，發現混合燃料的放熱率和氣缸內的峰值壓力降低、NO ?x 排放增加、CO和THC排放減少，這和生物柴油的氧含量高、熱值低有關。Zhang等[5]研究了柴油中添加不同比例的生物柴油后發動機性能和排放的變化，發現NO ?x 排放和有效燃油消耗率增加，缸內壓力峰值隨著生物柴油混合比的增加而降低。王繼文等[6]在大功率柴油機上研究柴油與不同配比的生物柴油摻混，發現發動機轉矩隨生物柴油配比增加而降低，燃用B20（生物柴油在混合燃料中的體積分數為20%）、B50（生物柴油在混合燃料中的體積分數為50%）的發動機轉矩比柴油分別降低159%和790%，燃用B50的發動機NO ?x 排放增加5860%、碳煙排放降低3510%。劉少華等[7]研究生物柴油和柴油混合物在高原缺氧環境下的燃燒特性，發現生物柴油的含氧特性使燃燒過程得到改善，在轉速為2 200 r/min、負荷為發動機最大輸出轉矩的60%時（簡稱負荷比為60%），燃用B50發動機的缸壓和放熱率峰值高于柴油。近年來，碳酸二乙脂（diethyl carbonate，DEC）和生物柴油混合后可用于替代化石燃料，減少發動機的CO 2和PM排放，DEC作為添加劑的研究逐漸增多[8-9]。Deblas-debas[10]研究了DEC與植物油混合的燃燒排放，認為DEC與植物油的混合物可以完全取代柴油，雖然其熱值比柴油低，輸出功率降低，但PM排放降低92%～95%，幾乎為零排放；Bridjesh等[11] 研究表明，將DEC和廢塑料油按一定比例混合到柴油中，可以降低發動機燃油消耗率，提高熱效率，并顯著減少NO ?x 、CO和HC排放。

本文中將生物柴油和柴油按體積比3 ： 7混合后的燃料記為B30，將含氧添加劑DEC和B30按體積比為1 ： 9和2 ： 8混合后的燃料分別記為B30DEC10、B30DEC20，通過試驗分析不同混合燃料的噴霧特性、燃燒與排放性能的變化，為生物柴油作為替代燃料的推廣應用提供依據。

1 燃料的理化屬性

燃料的密度、黏度、表面張力、熱值、十六烷值、汽化潛熱和氧含量等熱物理屬性對燃料的噴霧、燃燒與排放性能有重要影響。本文中試驗使用的生物柴油為大豆油中提取的脂肪酸甲酯（記為B100），購自某生物工程有限公司，柴油為某加油站購買的0#國六柴油（記為B0），DEC由某國藥集團公司生產。不同燃料的理化屬性如表1所示。

2 噴霧特性

將噴油器固定在定容彈中，利用紋影法觀察高壓共軌系統下各燃料的宏觀噴霧特性。噴霧試驗工況如表2所示。

本試驗分析的噴霧參數包括噴霧貫穿距離 d ?st、噴霧錐角 α 、噴霧投影面積和噴霧濃度等。噴霧貫穿距離指從噴嘴到噴霧邊緣底部的距離，噴霧錐角為噴霧貫穿距離的二分之一處噴霧邊緣輪廓和噴嘴形成的夾角，噴霧投影面積為垂直于平行光方向噴霧平面的投影面積[12]?；诩y影法圖像處理原理，光線通過不同的噴霧濃度投影到高速相機上，即產生不同灰度。本文中選取灰度小于30的區域為液核區，將液核區占總噴霧投影面積的百分比定義為噴霧濃度。燃料霧化性越好，透光性越差，灰度越小，噴霧濃度越大。噴霧特性參數定義如圖1所示。

2.1 噴霧形態

噴射壓力為120 MPa、環境背壓為3 MPa時，不同燃料的噴霧形態如圖2～6所示。

由圖2～6可知：B30和B0形狀相近，但B30的噴霧錐角略微收窄，經過0.5 ms后噴霧貫穿距離有增大的趨勢；B100的噴霧錐角進一步收窄，上半部分呈細長型，表明B100的霧化能力最差；在B30中添加DEC后，噴霧邊緣新增很多毛刺狀，表明混合燃料的波動增大，增加了混合燃料的破碎；B30DEC10的頭部噴霧面積較大，頭部呈啞鈴狀，這可能是因為DEC的密度較大，將DEC摻混到B30后，增大了混合燃料的密度，使燃料燃燒時火焰縱向迅速發展，液體燃料集中在頭部；B30DEC20的最大噴霧寬度更靠近噴嘴處，且B30DEC20的體態勻稱、飽滿，表明摻混DEC后，燃料的黏度降低，此時DEC低黏度的作用大于密度的作用；B30DEC20燃料的霧化能力增強，燃料擴散效果好。

2.2 噴霧特性

2.2.1 噴霧貫穿距離

不同工況下各燃料的噴霧貫穿距離如圖7所示。

由圖7可知：在B30中摻混DEC后，混合燃料密度增大，噴霧貫穿距離增大；B30DEC20的噴霧貫穿距離最大，柴油的噴霧貫穿距離最小。噴霧貫穿距離由大到小分別為B30DEC20、B30DEC10、B30、B0。分析原因為：DEC的黏度較小，在B30中摻混DEC有利于降低混合燃料的黏度，促進燃料破碎，在一定程度上阻礙噴霧向前發展。但是從試驗結果可以看出，燃料密度對噴霧貫穿距離的影響最大，這是因為燃料的密度越大，燃料離開噴嘴時的初始動能越大，有利于噴霧向前發展[13-14]。

2.2.2 噴霧錐角

不同工況下各燃料的噴霧錐角對比如圖8所示。

由圖8可知：隨時間增加，燃料的噴霧錐角先增大后減小并趨于穩定，噴射經過0.6 ms后，各燃料的噴霧錐角出現差異，B0的噴霧錐角大于B100，B30的噴霧錐角略小于B0。在B30中摻混DEC后，進一步降低了燃料的黏度和表面張力，燃料的霧化能力增強，使B30DEC20的噴霧錐角比B30大，接近B0。雖然B30DEC10的黏度和表面張力也比B30小，但是B30DEC10的密度較大，B30DEC10的噴霧縱向發展迅速，使B30DEC10的噴霧錐角最低。

2.2.3 噴霧投影面積

不同工況下各燃料的噴霧投影面積對比如圖9所示。

由圖9可知：B30DEC10的噴霧投影面積小于B30，這和B30DEC10的噴霧錐角最小有關；B30DEC20的噴霧投影面積大于B30，更接近柴油，B30DEC20混合燃料的霧化效果明顯提升；隨著噴射壓力的增大，噴霧貫穿距離增大，噴霧投影面積增大；隨著環境背壓的增大，抑制了噴霧貫穿距離的增加，噴霧投影面積減小[15]。

2.2.4 噴霧濃度

不同工況下各燃料的噴霧濃度對比如圖10所示。

由圖10可知：B30DEC10的噴霧濃度略小于B30DEC20，B30DEC20的噴霧濃度更接近柴油。這可能是因為混合燃料中DEC的體積分數為10%時，燃料的密度和動能增大，燃料更容易向前發展，而橫向擴散能力減弱；當混合燃料中DEC的體積分數增大到20%后，混合燃料的黏度進一步降低，混合燃料的破碎能力和霧化效果明顯提升，噴霧均勻性提高，使得液核和噴霧投影面積比增大[16]，接近B0；生物柴油B100的噴霧濃度最小，這也說明生物柴油的霧化能力最差。

3 燃燒及排放性能分析

在滿足國六排放標準的直列4缸、增壓中冷、高壓共軌、廢氣再循環（exaust gas recirculation，EGR）柴油機上進行燃燒與排放性能試驗，柴油機的基本技術參數如表3所示。

保持燃料噴射量不變，分別測試不同燃料在外特性下的燃燒及排放性能。試驗前，發動機預熱30 min，當水溫為（85±2）℃、油溫為（90±2）℃，排放測試系統預熱完成后，開始試驗并記錄數據。每次更換燃油之前，清空油箱和油耗儀中剩余的燃油；更換燃油后，對發動機進行預熱30 min，清潔油管中殘留的燃油。試驗在發動機臺架上進行，發動機臺架試驗系統測試原理如圖11所示。

3.1 燃燒性能

外特性下燃用不同燃料的發動機性能對比如圖12所示。

由圖12a）可知：燃用B0的發動機轉矩最大，B30的轉矩略小于B0；隨著混合燃料中DEC比例的增大，轉矩逐漸下降，燃用B30DEC20的發動機轉矩最??；發動機轉速為1 600 r/min時，燃用B30DEC20的發動機轉矩比柴油低274 N · m，比B30低193 N · m。這是因為柴油的熱值最大，生物柴油的熱值比柴油小12%，DEC的熱值最小，噴油量相同時，燃料熱值越小，輸出轉矩越小[17]。由圖12b）可知：在B30中摻混DEC后，混合燃料的熱效率提高，燃用B30DEC20的發動機熱效率高于柴油；轉速2 400 r/min時，燃用B30DEC20的發動機熱效率比柴油高15%。這可能是因為B30中摻混DEC后，混合燃料的黏度降低，提升了燃料的霧化性能，有利于燃料和空氣充分混合； B30DEC20的含氧量最大，燃料燃燒更加充分，有利于提升熱效率[18]。由圖12c）可知：隨著燃料熱值降低，渦前排溫逐漸降低，燃用柴油的發動機渦前排溫最高，B30DEC20的渦前排溫最低。

3.2 排放特性

外特性下燃用不同燃料發動機的PM比排放 e （PM）、NO ?x 比排放 e （NO ?x ）、THC比排放 e （THC）、CO比排放 e （CO）對比如圖13所示。

由圖13a）、b）可知：在B30中添加DEC后，混合燃料的含氧量增大，抑制了PM生成，燃用B30DEC20發動機的PM比排放比B30減少了50%～60%，比柴油機PM排放減少了65%～85%；混合燃料具有一定的含氧量，增加了燃燒室內混合氣體的局部氧濃度，促進了NO ?x 生成，且隨著燃料中含氧量增加，NO ?x 排放逐漸增大，燃用B30DEC20和生物柴油的發動機NO ?x 排放較高；但在轉速大于2 400 r/min后，燃用混合燃料發動機的NO ?x 排放比柴油低，這可能是因為高轉速下燃料的燃燒溫度較低。由圖13c）、d）可知：燃用混合燃料發動機的THC、CO排放比柴油低，這是因為混合燃料自身的含氧量有利于促進THC和CO氧化，減少發動機的THC和CO排放[19]；B30DEC20發動機的CO排放最小，在部分轉速下B30DEC20發動機的THC排放略大于B30DEC10，這可能是因為B30DEC20的密度最大，更容易進入活塞與氣缸間的狹隙或者接觸到氣缸壁產生濕壁，從而產生壁冷效應，使THC排放增大[20]。

4 結論

1）B30和B0的噴霧形態形狀相近，但是B30的噴霧錐角略微收窄，B100的噴霧錐角進一步收窄，上半部分呈細長型； B30DEC10噴霧的縱向發展迅速，液體燃料集中在頭部，頭部呈啞鈴狀；B30DEC20噴霧的體態勻稱、飽滿，燃料的霧化能力增強，燃料擴散效果好。

2）根據噴霧特性分析，燃料密度對噴霧貫穿距離的影響最大，B30DEC20具有最大的噴霧貫穿距離；同時B30DEC20的噴霧錐角比B30大，噴霧濃度更接近柴油。

3）根據外特性下發動機的性能和排放分析，燃用B30DEC20的發動機外特性下轉矩比燃用柴油時低27.4 N · m，但其熱效率比燃用柴油高，轉速為2 400 r/min時燃用B30DEC20發動機熱效率比燃用柴油高15%； B30DEC20的含氧屬性使其PM和CO排放最低，PM排放比柴油減少了65%～85%，THC排放也低于柴油；雖然燃用B30DEC20時，NO ?x 排放增大，但是試驗發現轉速大于2 400 r/min后，NO ?x 排放低于柴油。

4）在不改變柴油機結構的前提下，采用B30DEC20替代柴油有效，雖然動力性能略有下降，但發動機的熱效率提升，并且PM和CO排放較低。

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Analysis of spray， combustion and emission performance of

biodiesel-diesel-DEC fuel blends

ZHAO Lifei， ZHU Xianbiao， WANG Yunpeng

Anhui Jianghuai Automobile Group Co. ， Ltd. ， Hefei 230601， China

Abstract： The schlieren method is used to observe the macro spray characteristics of the fuel under the high-pressure common rail system， and the combustion and emission tests of the external characteristics are carried out on the high-pressure common rail diesel engine to analyze the spray， combustion and emission characteristics of the biodiesel-diesel-DEC blend fuel. The fuel mixed with biodiesel and diesel in a volume ratio of 3 ： 7 is referred to as B30， while the fuel mixed with DEC and B30 in a volume ratio of 2 ： 8 is referred to as B30DEC20.The test results show that B30DEC20 fuel atomization effect is improved， the spray shape is symmetrical and full， and the spray cone angle and spray concentration are close to diesel fuel. In the external characteristics， the torque of the engine fueled with B30DEC20 is 27.4 N · m lower than that of a diesel engine， but its thermal efficiency is higher.When the engine speed is 2 400 r/min， the thermal efficiency of the engine fueled with B30DEC20 is 1.5% higher than diesel engine. The oxygen-containing properties of B30DEC20 result in fewer PM and CO emissions，with PM emissions of the engine fueled with B30DEC20 reduces by 65%-85% and THC emissions is lower than diesel engine. Although the NO ?x ?emissions of the engine using B30DEC20 are higher than other fuels engine， but the test found that when speed over 2 400 r/min，NO ?x ?emissions are lower than those of diesel.

Keywords： ?biodiesel;diesel; DEC; spray;combustion;emission

（責任編輯：劉麗君）