生物柴油掺混燃烧技术的研究进展

2023.07.29

周飞杜敏

摘要：本文主要对生物柴油的优缺点和生物柴油的掺混燃烧技术进行了综述，重点介绍了生物柴油与纯柴油、汽油、醇类燃料以及氢燃料在各种实验工况下进行掺混燃烧对柴油发动机性能、燃烧性能以及排放性能的影响进行了总结，并对生物柴油掺混燃烧技术未来的研究方向以及运用前景进行了展望。

关键词：生物柴油;燃烧特性;掺混

中图分类号：G304 文献标识码：A

生物柴油是一種清洁、可生物降解和无毒的燃料，与纯柴油相比，生物柴油主要存在以下缺点：①生物柴油的密度高，可压缩性小;②生物柴油的低温流动性差;③生物柴油的热值低，价格昂贵。因此，直接燃用生物柴油的实用性较差。通过将生物柴油与其他燃料的掺混燃烧可以改善燃料的理化性质，可以获得更加良好的发动机性能、燃烧以及排放性能，本文主要针对生物柴油掺混燃烧技术的研究进展进行综述。

1 生物柴油掺烧技术的主要类别

目前，世界各地关于生物柴油掺烧技术的研究类别较多，通常是将生物柴油与可再生燃料或一些传统的化石燃料进行混合来制备混合燃料，进一步达到抑制生物柴油缺点来改善柴油发动机性能、以及燃烧和排放性能的目的。本章将对当前主要的掺烧技术进行阐述。

1.1 生物柴油与柴油掺烧

由于生物柴油具有可溶于柴油的性质，通常将其与柴油按比例混合，以获得生物柴油-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掺烧比例一般保持在5%～50%。制备的混合燃料与纯生物柴油相比，每升燃料所含的能量增加，可以大幅度提高柴油发动机的作功能力。且生物柴油具有良好的润滑性能，与柴油混合后，可以提高柴油发动机的寿命，改善其性能。除此之外，在保证发动机正常工作的前提下，生物柴油与柴油的掺烧能够有效的减少化石柴油的使用。

1.2 生物柴油与汽油掺烧

汽油作为点火式发动机的主要燃料，因其良好的发动机性能和排放性能，也被选作柴油或生物柴油的燃料添加剂。生物柴油的高粘度、高倾点和低挥发性等特点，导致其雾化质量差，在燃烧过程中容易使柴油发动机内存在局部富燃料区域。为了改善雾化质量，将生物柴油与低比例的汽油进行掺混，可降低混合燃料的粘度，提高其挥发性以改善生物柴油-汽油混合燃料的理化性质。其中，汽油的引入方式主要是通过预混喷射或者熏蒸燃料的方法，从而实现生物柴油-汽油的掺混燃烧。

1.3 生物柴油与醇类燃料掺烧

实验研究中常见的醇类燃料有乙醇（C2H5OH）、丁醇（C4H9OH）、戊醇（C5H11OH）等。与生物柴油和柴油相比，醇类燃料具有低密度、低运动粘度、低热值、高蒸发潜热、含氧量高和良好的冷流性能等特点[2-4]。将醇添加至生物柴油能够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质得到改善。醇类燃料的高含氧量有利于气缸内燃料的充分燃烧，改善燃烧质量，减少废气排放;高蒸发潜热，使生物柴油-醇燃料在蒸发过程中吸收更多的热量，降低排气温度，减少NOx的排放。因此，在生物柴油掺烧的研究中，醇类燃料作为另一种添加燃料被广泛应用。

2 生物柴油掺烧对发动机性能的影响

发动机性能的评估主要通过发动机的制动比热效率（BTE）、制动比能耗（BSEC）、制动比燃油消耗（BSFC）等方面进行评价。本章将生物柴油掺烧技术对柴油发动机性能的影响进行介绍。

2.1 掺混柴油的发动机性能

Kashif ur Rehman[1]等使用10%和20%的生物柴油与柴油掺混制备生物柴油-柴油混合燃料，在不同的燃油喷射时间（FITs）、燃油喷射压力（FIPs）进行实验，研究结果表明，随着FIPs和FITs的增加，生物柴油掺混燃料的BSFC增加。Y.H.Teoh[2]等选用MOB生物柴油与柴油掺混就行试验。发现与纯柴油相比，当在柴油发动机中使用MOB混合燃料时，发动机的扭矩和制动功率都呈现出下降的趋势;此外，混合燃料燃烧的试验数据显示，混合燃料的使用也使得发动机的BSFC增加，BSEC下降。

2.2 掺混汽油的发动机性能

Yanuandri Putrasari[3]等利用GCI发动机对5%-20%汽油-生物柴油混合燃料展开实验。结果表明，燃烧生物柴油-汽油混合燃料的发动机的热效率受到了一定的影响。与纯生物柴油相比，当喷油正时保持在18-35CA BTDC时，燃用混合燃料的发动机热效率降低;当喷油正时在55-65CA BTDC时，发动机的热效率得到改善。

2.3 掺混醇类燃料的发动机性能

B.Ashok[4]等使用正戊醇和CIME生物柴油进行混合，制备了B90P10、B80P20、B70P30、B60P40、B50P50五种CIME混合燃料，并在各种实验条件下进行燃烧试验。研究发现，与纯生物柴油相比，CIME混合燃料测试出的热效率最大提高了30%;其中B90P10的BTE较高约为27%，但略低于纯柴油的BTE值;和纯柴油相比，CIME混合燃料的BSFC从42%增加到了27.3%。研究还发现，当正戊醇的添加比例超过40%时，会给发动机性能造成一定的负面效应。由此可见，正丁醇的添加有助于改善燃油的消耗情况。

3 生物柴油掺烧对燃烧特性的影响

燃料的燃烧特性主要包括点火延迟、气缸压力变化以及热释放率等，本章将针对以上叙述的生物柴油掺烧方式在各自实验条件下掺烧得出燃烧特性进行阐述。

3.1 掺混柴油的燃烧特性

Kashif ur Rehman[1]等研究发现，在低负荷下，提前或者延迟燃油喷射时间可以形成低温预混燃（LTPC），导致点火延迟时间和热释放速率增加。Y.H.Teoh[2]等研究表明，与柴油相比，MOB生物柴油-柴油混合燃料表现出较差的燃烧特性，混合燃料导致发动机缸内峰值压力和峰值热释放率都随着混合比例的增加而降低。