生物柴油摻混燃燒技術的研究進展

周飛 杜敏

摘 要：本文主要對生物柴油的優缺點和生物柴油的摻混燃燒技術進行了綜述，重點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驗工況下進行摻混燃燒對柴油發動機性能、燃燒性能以及排放性能的影響進行了總結，并對生物柴油摻混燃燒技術未來的研究方向以及運用前景進行了展望。

關鍵詞：生物柴油;燃燒特性;摻混

中圖分類號：G304 文獻標識碼：A

生物柴油是一種清潔、可生物降解和無毒的燃料，與純柴油相比，生物柴油主要存在以下缺點：①生物柴油的密度高，可壓縮性小;②生物柴油的低溫流動性差;③生物柴油的熱值低，價格昂貴。因此，直接燃用生物柴油的實用性較差。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，可以獲得更加良好的發動機性能、燃燒以及排放性能，本文主要針對生物柴油摻混燃燒技術的研究進展進行綜述。

1 生物柴油摻燒技術的主要類別

目前，世界各地關于生物柴油摻燒技術的研究類別較多，通常是將生物柴油與可再生燃料或一些傳統的化石燃料進行混合來制備混合燃料，進一步達到抑制生物柴油缺點來改善柴油發動機性能、以及燃燒和排放性能的目的。本章將對當前主要的摻燒技術進行闡述。

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，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動機的作功能力。且生物柴油具有良好的潤滑性能，與柴油混合后，可以提高柴油發動機的壽命，改善其性能。除此之外，在保證發動機正常工作的前提下，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

汽油作為點火式發動機的主要燃料，因其良好的發動機性能和排放性能，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、高傾點和低揮發性等特點，導致其霧化質量差，在燃燒過程中容易使柴油發動機內存在局部富燃料區域。為了改善霧化質量，將生物柴油與低比例的汽油進行摻混，可降低混合燃料的粘度，提高其揮發性以改善生物柴油-汽油混合燃料的理化性質。其中，汽油的引入方式主要是通過預混噴射或者熏蒸燃料的方法，從而實現生物柴油-汽油的摻混燃燒。

1.3 生物柴油與醇類燃料摻燒

實驗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、低運動粘度、低熱值、高蒸發潛熱、含氧量高和良好的冷流性能等特點[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得到改善。醇類燃料的高含氧量有利于氣缸內燃料的充分燃燒，改善燃燒質量，減少廢氣排放;高蒸發潛熱，使生物柴油-醇燃料在蒸發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用。

2 生物柴油摻燒對發動機性能的影響

發動機性能的評估主要通過發動機的制動比熱效率（BTE）、制動比能耗（BSEC）、制動比燃油消耗（BSFC）等方面進行評價。本章將生物柴油摻燒技術對柴油發動機性能的影響進行介紹。

2.1 摻混柴油的發動機性能

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間（FITs）、燃油噴射壓力（FIPs）進行實驗，研究結果表明，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。發現與純柴油相比，當在柴油發動機中使用MOB混合燃料時，發動機的扭矩和制動功率都呈現出下降的趨勢;此外，混合燃料燃燒的試驗數據顯示，混合燃料的使用也使得發動機的BSFC增加，BSEC下降。

2.2 摻混汽油的發動機性能

Yanuandri Putrasari[3]等利用GCI發動機對5%-20%汽油-生物柴油混合燃料展開實驗。結果表明，燃燒生物柴油-汽油混合燃料的發動機的熱效率受到了一定的影響。與純生物柴油相比，當噴油正時保持在18-35CA BTDC時，燃用混合燃料的發動機熱效率降低;當噴油正時在55-65CA BTDC時，發動機的熱效率得到改善。

2.3 摻混醇類燃料的發動機性能

B.Ashok[4]等使用正戊醇和CIME生物柴油進行混合，制備了B90P10、B80P20、B70P30、B60P40、B50P50五種CIME混合燃料，并在各種實驗條件下進行燃燒試驗。研究發現，與純生物柴油相比，CIME混合燃料測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%。研究還發現，當正戊醇的添加比例超過40%時，會給發動機性能造成一定的負面效應。由此可見，正丁醇的添加有助于改善燃油的消耗情況。

3 生物柴油摻燒對燃燒特性的影響

燃料的燃燒特性主要包括點火延遲、氣缸壓力變化以及熱釋放率等，本章將針對以上敘述的生物柴油摻燒方式在各自實驗條件下摻燒得出燃燒特性進行闡述。

3.1 摻混柴油的燃燒特性

Kashif ur Rehman[1]等研究發現，在低負荷下，提前或者延遲燃油噴射時間可以形成低溫預混燃（LTPC），導致點火延遲時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-柴油混合燃料表現出較差的燃燒特性，混合燃料導致發動機缸內峰值壓力和峰值熱釋放率都隨著混合比例的增加而降低。