柴油发动机如何在减少磨损的情况下，使用生物燃料代替化石燃料？
文 | 趣史研社
编辑 | 趣史研社
前言
20世纪初，德国工程师鲁道夫·迪塞尔发明了利用植物油的柴油发动机，标志着替代燃料能源的开发起步。
而随着时间的推移，人们开始认识到化石燃料的有限性以及与之相关的环境问题，替代燃料的研究再度引起广泛关注。
其中，生物柴油作为一种可再生、环保的燃料方案备受关注，生物柴油是从植物油或动物脂肪等生物质资源中提取制造的，可取代传统柴油，降低对化石燃料的依赖。
为实现这一目标，本实验致力于改进生物柴油的生产工艺，提高生产效率，降低成本，并确保符合环境标准。
那么实验的最终结果如何呢？生物柴油是否具备替代石油的可能性？
生物柴油的可行性
为了评估生物柴油燃料的效能，研究人员通过使用不同原料和不同生物柴油混合物，对发动机性能进行了评估。
但目前关于使用生物柴油与塑料废油混合物的负载影响研究相对较少，现有研究主要关注点都是性能和排放特性。
就如他们通常将所有低负载和中等负载情况都视为高怠速，而这会在运输行业的卡车和车辆中增加排放量。
经过研究证实，高怠速或低负载会增加NOx排放量，与高速公路驾驶相比，道路上的排放量可能增加1.5倍，换句话说，增加低负载会导致NOx排放的增加。
在低负载怠速状态下，不仅油耗增加，发动机的磨损和维护也会增加，举例来说，卡车怠速时的平均油耗范围从0.8克/小时到1.5克/小时，具体取决于发动机的尺寸、环境温度以及其他系统的负荷情况。
相比之下，低负载期间的不完全燃烧排放可能达到其1至5倍之多。
另一方面，在低负载状态下，其他排放物可能增加至295克/小时，在整个驾驶周期中，约有45-75%的碳排放量，而在怠速和低负载状态下，不完全燃烧排放量可能达到86.4克/小时。
大多数柴油发动机通常会在怠速模式下花费大量时间，无论是在交通站、检查站还是在加油站等交替停留期间，怠速时间的消耗因许多不同原因而有很大差异。
对于长途运输卡车来说，最常见的原因是气候控制、货物装卸或服务以及维护，卡车长时间怠速的另一个原因是为了为驾驶室供暖、空调以及为其中设施供电。
生物柴油具有一系列具体的物理化学特性，被称为PD特性，研究表明生物柴油燃料相对于传统柴油具有多种优势。
例如，生物柴油具有生物可降解性、不易燃性、可再生性、无爆炸性、无毒性和环保性等特点。
这些特性使得生物柴油成为替代化石燃料的有力候选，生物柴油可以由多种原料制成，包括废弃植物油、废塑料、废弃生物质、动物脂肪以及最新的微藻等。
此外，生物柴油还具备在无需发动机改装的情况下作为燃料使用的能力，因此具备较高的技术优势。
然而，生物柴油和生物柴油混合物的使用会影响柴油发动机的性能特征，劣质的生物柴油燃料可能导致沉积和堵塞问题。
除此之外，使用生物柴油还可能引起腐蚀、发动机过度磨损和提前失效，而且生物柴油可能导致喷油泵中的沉积物，干扰燃烧过程中混合燃料的喷雾模式，从而影响发动机性能。
与使用生物柴油燃料相关的其他缺点还包括润滑油稀释，让曲轴箱油位升高，从而可能导致发动机油压下降和发动机轴承磨损增加。
所以，确保生物柴油的质量和测试，是确保柴油发动机正确评估、认可和耐用性的关键因素，为此，进行了以下实验。
方法和材料
实验选择以废塑料热解油为原材料，对生物柴油的特性进行研究。
选择使用废塑料热解油进行这项研究有两个方面的优势，首先，WPPO能够将废弃塑料转化为能源，从而减少废弃塑料对环境造成的影响。
这种方法具有环境友好的潜力，能够在一定程度上解决废弃塑料对环境的负面影响。
选择废塑料作为研究对象还具备可持续性的特点，因为城市固体废物管理场所很容易获取这些废塑料。
这些塑料来自德班大都会中心内的各种收集设施，其中包括各种类型的塑料制品。
通过研究废塑料热解油的性能，可以探索将这些常见的废弃物转化为有用的能源的可能性，从而为环境管理和资源利用提供一种创新的方法。
这不仅可以减少塑料废物对环境造成的污染，还能为能源需求提供一种替代解决方案，在这个背景下，研究WPPO的使用在可持续性和环境保护方面具有积极意义。
需要注意的是，将废塑料转化为能源的过程可能涉及一系列化学和工程技术，以确保废塑料被有效地转化为高质量的燃料或能源。
因此，在研究中需要综合考虑WPPO的生产工艺、能源产出、环境影响等方面的因素，以全面评估其在可持续性和能源领域的潜力。
这项研究使用了一台四缸的依维柯柴油双燃料发动机进行测试，为了分析发动机的压力情况，研究中采用了传感器、曲轴位置传感器以及编码器。
这两种传感器的作用，是使用LabVIEW软件来获取与曲轴位置变化和相关的缸内压力数据，并进行燃烧数据的记录和绘制。
在实验中，将发动机与机械测功机连接在一起，设置了不同的发动机转速和负载，在怠速模式下，将模式1设置为发动机转速500转/分钟，相当于25%的负载。
而在模式2中，发动机转速为1000转/分钟，相当于50%的发动机负载，另外，在中速模式下，有两种选择：1500转/分钟和2000转/分钟，分别对应75%和100%的发动机负载。
为了控制发动机的负载，机械测功机配备了螺杆式加载装置，以确保每个负载都与预期的发动机转速目标同步。
通过这些发动机测试，能够获取到不同工况下的发动机性能数据，并结合之前提到的燃烧数据，进一步分析和评估生物柴油混合物在发动机内的燃烧特性以及对性能的影响。
这些数据有助于揭示生物柴油混合物在实际发动机运行中的表现，为替代燃料的研究提供了重要的实验依据，而生物柴油的制动比和油耗数据也极为重要。
生物柴油的制动比和油耗
基于上述实验得到的数据，可通过统计分析得出生物柴油的制动比和油耗。
首先以BSFC（油耗比）作为燃料消耗率，衡量单位时间内的燃料流量，以流速的形式进行测量，因此，BSFC指示了发动机如何有效地利用提供的燃料来产生期望的功率。
在BSFC的测量中，较低的值通常被视为更好，因为它表示在产生一定功率的情况下所消耗的燃料较少。
BSFC通过测量燃烧燃料和空气混合物的效率，来评估燃料的利用率，即燃料为发动机曲轴的旋转提供的实际能量。
BSFC可以定义为单位能量所使用的燃料质量的比率，在每个运行周期中，BSFC旨在获得与供应燃料相对应的输出功率。
研究显示了BSFC随发动机转速变化的情况，揭示了随着发动机转速的增加，燃料消耗也随之增加。
在不同的生物柴油混合物和PD混合物下，在发动机满负荷运行时，BSFC的值分别为0.4千克/千瓦时、0.41千克/千瓦时、0.42千克/千瓦时、0.43千克/千瓦时和0.35千克/千瓦时。
在发动机负载情况下，热能向机械能的转化随着燃烧温度的升高而增加。
这会导致生物柴油的BSFC增加，这种增加与燃料的热值差异成正比。
此外，生物柴油混合物的BSFC增加也与其密度有关。
因为高密度的混合物可能需要更高的注入压力，与传统柴油燃料相比，某些生物柴油混合物，包括WPPO混合物，可能在热值方面存在差异，导致影响其BSFC性能，这当中也包含了制动热效率的差异。
制动热效率
除了制动比和油耗外，制动的热效率也同样是衡量生物柴油性能的重要指标之一。
在实验中，BTE指发动机制动功率与所消耗燃料的燃烧热量之间的比率，BTE也决定了发动机将热能转化为实际机械能的程度。
BTE受到发动机设计、使用的燃料类型和发动机应用的影响，在不同发动机负载下，BTE表现出了变化。
在某些情况下，高发动机负载似乎会提高BTE，这可以从1000r/min50%发动机负载到1500 r/min 75%发动机负载的中间负载中看出。
而当发动机在部分负载下运行时，总热效率可能会下降到28%，这表示在满载热效率的22.39%基础上降低了1%。
现代道路上的柴油发动机在满负载运行时提供了约42%的BTE，但却浪费了近28%的废气排放所用的燃料。
研究显示了BTE随发动机负载变化的情况，结果显示随着负载的增加，所有测试的WPPO和PD燃料混合物的BTE都有所增加。
这些实验结果揭示了BTE与发动机负载之间的关系，表明随着负载增加，发动机利用燃料的效率也增加，但这一理论在WPPO生物柴油燃烧中并不适用。
WPPO燃烧分析
由于WPPO生物柴油具有较高的十六烷指数，相对于PD燃油，其燃烧过程更早开始，因此释放速率较高。
这导致WPPO生物柴油在燃烧过程中的气缸峰值压力比PD更高，以模式1中WPPO混合物与PD的比较为例，在发动机转速从25 r/min增加到500 r/min，负载为1000%。
在这种情况下，WPPO混合物在模式1中表现出比PD更高的峰值气缸压力，这一趋势随着混合比的增加而更加明显。
与高速运行的发动机相比，低速和低负载条件下残余气体温度和发动机壁温度较低，换句话说，喷射压力和燃料温度较低，因此燃烧会受到延迟。
这就解释了为什么相对于WPPO生物柴油混合物，柴油在燃烧分析中在3°CA之后才开始燃烧，这导致柴油在动力冲程上止点之后达到峰值气缸压力。
而生物柴油混合物在动力冲程的TDC之前，就达到了气缸压力峰值，PD燃油的峰值气缸压力为55bar，所以56/WPPO95混合物的峰值气缸压力为5bar。
这是因为生物柴油混合物在预混合阶段具有快速燃烧特性，从而增强了燃烧过程，在所有测试燃料中，PD的气缸压力峰值最低，稍微滞后于TDC。
结语
生物柴油作为一种替代燃料，在环境友好性、可持续性和燃料性能方面呈现出巨大潜力。
通过深入研究不同生物柴油混合物在发动机运行中的影响，我们可以更好地理解其在实际应用中的可行性和适用性。
这种研究为寻找替代化石燃料的可持续性解决方案，提供了有价值的指导。