如何改变燃油的喷射时机，来提升生物柴油发动机的工作效率
编辑|白客观书
前言
温室效应等环境问题，如今正在不断凸显，找到可以替代传统石油的燃料，就变得越来越重要，而生物柴油作为一种可再生的替代燃料，因其较低的碳排放和对环境的较小影响而备受关注。
我们在生物柴油的使用过程中，发现其性能和排放特性与传统柴油仍存在差异，需要进一步的研究和改进。
我们通过合理调整喷射时机和喷射压力，可以优化燃烧过程，提高燃料的利用效率，减少有害气体和颗粒物的排放。
所以研究如何通过改变喷射时机与喷射压力，来改善生物柴油发动机的性能，具有重要的实际意义。
我们最终对燃油喷射时机进行了改变，并且对不同喷射压力在不同时机下进行了研究，燃油雾化的变化可能会对压燃式发动机的运行特性产生显著影响。
生物柴油的生产
我们在最基本的油品提取过程中，需要得到一些罗望子种子，然后进行机械分离，在酯交换反应过程中，我们要使用的催化剂是氢氧化钾（一种碱性催化剂），随后将氢氧化钾与醇混合，并不断搅拌，随后放置在烧杯中，种子出的油同样需要被加热、搅拌，并保持在60°C。
我们完成这个操作后，把氢氧化钾溶液倒入烧杯中，同样保持在60°C，这是因为醇在较高温度下会蒸发，而60°C就是刚好的一个温度，在甲醇的环境下，我们将溶液在720转/分钟的搅拌速度下搅拌2小时，然后在分离器内静置超过24小时，罗望子种子的甲酯位于分离器的顶部，而甘油则沉淀在底部。
我们在去除甘油后，甲酯（生物柴油）被多次清洗以去除剩余的甘油，将生物柴油加热至100摄氏度以蒸发水分，得到完全的生物柴油，并且我们最终得到的是100％的罗望子种子生物柴油（TSB），接下来就可以进行燃料特性评估和使用。
发动机的设置
我们使用了Kirloskar TV1发动机进行了TSB的测试，TSB的测试技术在以下几行中进行了描述，它与生物柴油相比，柴油的运动黏度和密度较低，因此将生物柴油与石油柴油混合可能会改善混合燃料的品质，使其更有利于高效燃烧。
我们选择了B20进行分析，对喷射的时机进行了修改，并对每个修改的注射时机进行了注射压力的改变，研究了发动机的运行特性，由于生物柴油具有较高的密度，我们改变了注射策略以实现更好的燃烧效果。
我们在改变的喷射时机和喷射压力的过程中，发现了适用于生物柴油在压燃式发动机，最适合喷射的压力和最适合喷射的时机。
传统的柴油发动机在标准操作条件和参数下运行，注射压力（IP）和注射时机（IT）分别为200巴和23° CA bTDC。
我们在相同的参数下，将罗望子种子生物柴油被注入压燃式发动机中，并在不同负荷条件下进行了生物柴油混合物的测试，包括0%、25%、50%、75%和100%的负荷，注射器的IP在校准后被减小到180巴的压力，我们在成功进行实验后，将注射器校准为240帕斯卡的压力，这是实验的标准操作条件的升级。
我们在注射器的IP下完成实验，将发动机操作调整为在TDC之前的滞后和提前的IT，我们还可以通过改变喷油嘴的垫片来修改IT，我们去掉垫片会使IT提前，增加的垫片会使喷油时机延后。
我们随后通过调整时机至19° bTDC并提前至27° bTDC，校准了IT，最终从实验中测量了改变IP和IT后的发动机运行特性。
排放气体的特性
一氧化碳（CO）排放是检测发动机燃烧程度的体现，发动机的完全燃烧取决于燃料特性。
发动机在全功率输出的条件下，TSB 180 bar、TSB 200 bar、TSB 240 bar、TSB 19° bTDC、27° bTDC和柴油的最大CO排放分别为0.077、0.067、0.096、0.069和0.165%，引擎负荷的增加会导致柴油燃料和羊齿种子生物柴油中CO排放的增加，TSB 240 bar的CO排放增加了84.4%。
我们发现排放物中出现了碳氢化合物（HC），它的排放主要是由于发动机中异质燃料的不完全燃烧，负荷的增加会导致柴油和TSB的碳氢化合物排放增加，因此在全负荷条件下，TSB 180 bar、TSB 200 bar、TSB 240 bar、TSB 19° bTDC、27° bTDC和柴油的最大HC排放分别为62、50、50、62、72和49 ppm，最大的HC排放发生在27° bTDC时刻。
我们相较于之前测试的23° bTDC，增加了36%，这在全负荷条件下，发动机运行在富燃混合气体状态，因此火焰传播减弱，导致不完全燃烧，产生HC排放。
我们将燃料液滴在气缸壁上的沉积降低了燃烧效率，释放了HC，19° bTDC的喷射时机和180 bar的喷射压力相较于标准的23° bTDC和200 bar的喷射时机和喷射压力，HC排放增加了21%。
氮氧化物（NOx）的排放主要是由于氧气的可用性和燃烧温度，负荷的增加会导致NOx排放的增加，在全负荷条件下，TSB 180 bar、TSB 200 bar、TSB 240 bar、TSB 19° bTDC、27° bTDC和柴油的最大NOx排放分别为1879、1745、1802、1053、2279和1837、27° bTDC喷射时机的NOx排放较高，最低的NOx排放（49.4%）出现在19° bTDC的喷射时机，因为其点火延迟时间相对较短。
我们在TSB 19° bTDC中，发现燃烧温度的增加所需的时间较短，这导致了较少的NOx的排放，而氧气在燃烧过程中的消耗程度，可以通过二氧化碳（CO2）的排放来体现。
我们在全功率的条件下，TSB 180 bar、TSB 200 bar、TSB 240 bar、TSB 19° bTDC、27° bTDC和柴油的最大CO2排放分别为8.8、8.83、9.25、8.95、8.97和8.31，最大的CO2排放出现在240 bar压力的喷射压力下，比200 bar压力的喷射增加了4.64%，从23° bTDC到19° bTDC和27° bTDC的喷射时机的变化，CO2排放增加了1.34%和1.5%。
排放中的煤烟形成和发动机排放中的碳残留物导致排放气体的不透明度。增加的烟雾不透明度是不正确燃烧的表现。在全负荷条件下，TSB 180 bar、TSB 200 bar、TSB 240 bar、TSB 19° bTDC、27° bTDC和柴油的烟雾不透明度分别为61.9、66.5、67.3、68.1、71.6和63.3。
TSB 240 bar的高压喷射导致了燃烧室内引入的燃料量增加，剩余的未燃燃料释放出烟雾排放，在180 bar压力的喷射压力下，由于较低的热释放速率和指示热效率，排放烟雾的不透明度比标准发动机操作参数降低了7.1%。
总结
我们的这个实验评估旨在研究采用罗望子籽生物柴油与石油柴油混合燃料（20%混合比例）的柴油发动机，以下陈述总结了所进行实验的结果。
我们在罗望子籽生物柴油（TSB）19° bTDC的燃油喷射时机下，BTE提高了0.88%。然而，将燃油喷射时机延迟至TSB 27° bTDC会降低BTE 1.08%，这是燃烧过早的原因导致的。
在TSB 180 bar下，发动机的燃油比能消耗降低了5.7%。将TSB 19° bTDC的燃油喷射时机延迟会降低BSEC 4.7%。
在TSB 27° bTDC的燃油喷射时机下，气缸内峰值压力增加了5.2%，而将燃油喷射时机延迟至TSB 19° bTDC会导致峰值压力降低20%。
在全功率启动的情况下，TSB 27° bTDC的最大热释放速率（HRR）增加了1.28%，原因是延长了点火时间。
随着燃油喷射压力的增加，一氧化碳和二氧化碳减少，燃烧得到了改善，而27° bTDC的喷射时机增加了NOx的排放。在19° bTDC的喷射时机下，NOx排放减少，而CO和CO2增加。
最大的碳氢化合物（HC）排放在TSB 27° bTDC下，与TSB 23° bTDC相比增加了36%。在喷射时机为19° bTDC以及燃油喷射压力为180 bar的情况下，HC排放增加了21%。
最低的NOx排放率在延迟点火时机TSB 19° bTDC下减少了49.4%，这是因为气缸内压力和燃烧温度降低所致。
在27° bTDC时，NOx排放增加了27.3%，这是因为点火延迟更长，燃烧周期延长，使氮气与氧气分子结合。
将燃油喷射时机提前至TSB 27° bTDC使烟雾不透明度增加了7.38%，而在TSB 180 bar下，烟雾不透明度降低了7.1%，燃烧得到改善。
我们从实验结果可以得知，提高喷射压力可以增强燃油雾化，从而加强燃烧，改善燃烧室内的氧气水平可以降低引擎排气中的一氧化碳和碳氢化合物排放，同时氧化未燃烧的碳氢化合物。
参考文献
<1> 国内外生物柴油发展现状. 张雁玲;孟凡飞;王家兴;凌凤香;张会成.现代化工,2019
<2> 2016版ACEA轻负荷发动机油规格简介. 包冬梅;杨超;刘颖.润滑油,2018
<3> 车用柴油机燃用生物柴油的排放特性. 陈韬;谢辉;吴志新;杨平龙;王维.环境工程学报,2017
<4> 车用生物柴油的应用与发展趋向分析. 李婷.当代化工研究,2016
<5> 生物柴油中不饱和脂肪酸甲酯对内燃机油摩擦学性能的影响. 王学春;方建华;陈波水;李亮;王九;吴江.润滑与密封,2015
<6> 出口车用柴油与进口生物燃料油质量对比分析. 牟明仁;郭雅琳;王鹏;任亮;李雪峰;李强;尚宇光.石化技术,2014