在生物柴油发动机中，脂肪酸酯分子对可再生能源有何意义？
麻烦看官老爷们右上角点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持!
文|楠猫
编辑|楠猫
在生物燃料领域的研究和创新不断推动着可再生能源的发展，而生物柴油作为其中的重要一环，正引起了科学家们越来越多的关注。
生物柴油的制备过程中，脂肪酸酯分子扮演着重要的角色。这些分子不仅为生物柴油的性能和品质做出贡献，还为能源之路开辟了新的里程！
本文将深入探讨生物柴油发动机中脂肪酸酯分子的作用、研究进展以及对可再生能源的意义。通过了解这些关键分子的贡献，我们能更好地理解生物柴油的性能提升。
WaFO和WaFO生物柴油的燃料性能评价
为了表征脂肪酸，我们按照标准制备技术将WaFO加工成测试样品，而WaFO生物柴油是在气相色谱-质谱仪GC–MS中直接测试的，并从它们的光谱数据中进行研究。
因此，WaFO报道油酸、棕榈酸、硬脂酸是其主要脂肪酸，其含量分别为35.41%、24.24%和16.15%。同样，WaFO生物柴油报道了特征性优势脂肪酸的乙酯，其浓度分别为35.63%、27.73%和18.34%。
而WaFO生物柴油由51.4%的饱和FAE和49.18%的不饱和FAE组成；并表明所得生物柴油与饱和和不饱和FAE平衡。
随后，通过根据ASTM D6751标准评估WaFO生物柴油的燃料特性，评估其与纯柴油的燃料相容性以及在CI发动机中的适用性。
我们先使用简单的比重计测量WaFO生物柴油的密度，如ASTM D1298方法中规定的，据报道比纯柴油高4.14%。
接下来，按照ASTM D445方法，使用校准的玻璃粘度管测量WaFO生物柴油的运动粘度，发现其比纯柴油高27.96%。同时据报道WaFO生物柴油的闪点和燃点分别比纯柴油高80℃和81 ℃;并在ASTM D93-16方法中描述的Pensky Martens闭杯装置中进行测试
然后根据ASTM D613方法评估，发现WaFO生物柴油的十六烷值比纯柴油高27.74%。这里，WaFO生物柴油比纯柴油具有更高的密度、运动粘度、闪点和十六烷值。
这是由长碳链FAE如油酸乙酯、棕榈酸乙酯和硬脂酸乙酯所贡献的；
然而，由于其中存在不饱和油酸乙酯，所以仍然显著较低。
相反，根据ASTM D240方法在弹式量热计内测试，WaFO生物柴油的热值比纯柴油低11.1%；
并且这种减少通过其燃料结合的氧分子和硫含量的缺乏来阐明，硫含量未能对其热值贡献显著的份额。
从化学性质看，WaFO生物柴油的皂化值和碘值分别为191.38 mg KOH/gm和53.26 g I2/100克，因为它增加了不饱和FAE的浓度。
我们利用ASTM D664法可以估算出WaFO生物柴油的酸值为0.11%，这表明FFAs和单甘酯有效地转化为脂肪酸酯。
与WaFO生物柴油的化学组成相关的分析数据表明，其平均分子量比纯柴油高35%；
其碳和氢含量估计比后一种燃料低9.92%和12.06%。
此外，WaFO生物柴油中有效氧含量为10.75%，并且鉴于这种燃料结合氧含量，被认为是氧化的生物燃料。
表中总结了根据ASTM标准评估的WaFO生物柴油和纯柴油的燃料特性，以及它们的允许范围和测试方法。
WaFO及其主要FAE的发动机特性
WaFO生物柴油的性能、排放和燃烧特性的评估在Kirloskar TV1单缸CI发动机上进行，该发动机配备有内置水冷系统，整合了本研究中使用的测试发动机和烟气分析仪的产品规格。
这里，本研究测试的参数包括性能特性燃料消耗率和制动热效率、排放特性碳和氮的一氧化物和二氧化物、未燃烧的碳氢化合物排放和废气温度和燃烧特性最大缸内压力、点火延迟、放热率。
为了测试的目的，在本研究中使用了两种不同类型的样品，命名如下:共混样品和酯样品，混合样品由B10、B20和B30样品组成。
分别有10%、20%和30%的生物柴油混合在纯柴油中，并将用于评估生物柴油在发动机中的性能趋势。
另一方面，酯样品由表征的主要FAE、油酸乙酯、棕榈酸乙酯和硬脂酸乙酯组成，以相对于B20共混物的浓度共混，并命名为油酸盐混合物、棕榈酸盐混合物、硬脂酸盐混合物。
为了更好地理解，共混物和酯样品的共混物以数学关联的形式表示Eqs。并用于计算制造必要混合物所需的柴油和生物柴油/酯的体积。
B20混合物被确定为理解FAE在决定WaFO生物柴油的发动机特性中的影响的理想比例，并且由于其20%混合的任何生物柴油的增加的性能而被认可。
混合酯样品不仅降低了成本，还减少了与低温结晶和粘度增加相关的技术挑战。表中报告WaFO混合生物柴油的总体发动机特性，以及纯柴油在其发动机负载上的平均特性。
燃烧特性
通常，气缸内的缸内压力表示喷射的燃料与空气的均匀混合程度，并有助于提高燃烧速率。从表3和图1与纯柴油样品相比，混合物和酯样品都报告了更高的缸内压力。
因为它们的十六烷值更高，这缩短了它们的点火延迟,从而允许它们利用它们的燃料结合氧含量燃烧。
所以B10混合油报告为10.33%，B20混合油报告为12.64%，B30混合油报告为15.46%，与纯柴油相比具有更高的峰值缸内压力。
同样，硬脂酸盐混合物报告为3.27%，棕榈酸盐混合物报告为5.1%，油酸盐混合物报告为6.75%，与纯柴油相比，缸内压力峰值更高。
在将酯样品与生物柴油B20混合物进行比较时，油酸酯混合物报告的缸内压力峰值变化最小，为5.52%，其次是棕榈酸酯混合物和硬脂酸酯混合物，分别为6.72%和8.3%。
这里，棕榈酸盐和硬脂酸盐混合物的降低的峰值压力表示它们燃烧的早期开始SOC ,引用它们缩短的ID，除了它们降低的浓度。
相比之下，油酸酯共混物报道了峰值压力的边际降低，这是由于其不饱和性，这降低了其十六烷值并延长了其ID。
这种延长的时间延迟在预混燃烧阶段积累了大量的燃料，并在扩散燃烧阶段利用可获得的燃料结合氧进行燃烧。
与此相关的是，WaFO生物柴油中饱和FAE棕榈酸乙酯和硬脂酸乙酯的存在引发了预混燃烧阶段的早期SOC，因为它们的十六烷值较高。
并为引发不饱和FAE油酸乙酯等的燃烧提供了足够的活化能。在受控燃烧阶段。此外，考虑到燃烧的燃料量增加，为了满足发动机的能量需求，对于混合物和酯样品，缸内压力随着发动机负荷而增加。
瞬时放热率
更常见的是，放热率曲线简述燃烧冲程的时间线，指示喷射开始SOI、点火延迟ID、燃烧开始SOC，以及最终在燃料燃烧过程中释放的热量。
从表3和图2混合物和酯样品碰巧报告了比纯柴油更高的iHRR，这是因为它们的燃烧开始早且持续时间长。
这为累积的低挥发性燃料在预混阶段和扩散燃烧阶段经历燃烧提供了足够的时间。此外，燃料结合氧在确保混合物和酯样品中这些FAE的完全氧化中起着至关重要的作用。
相比之下，B10混合物报道为11.36%，B20混合物报道为12.97%，B30混合物报道为15.47%，与纯柴油相比具有更高的放热率。
以类似的方式，硬脂酸盐混合物报道为3.75%，棕榈酸盐混合物报道为5.73%，油酸盐混合物报道为6.82%，与纯柴油相比具有更高的热释放速率。
相对于生物柴油B20混合物，油酸酯混合物的iHRR变化最小5.39%，其次分别是棕榈酸酯混合物6.41%和硬脂酸酯混合物8.12%。
从以上比较可以看出，油酸酯混合物的HRR由于其不饱和含量而保持较高，导致ID延长和预混燃烧阶段减少；帮助积聚的低挥发性燃料在扩散燃烧阶段利用其燃料结合氧完全氧化。
相比之下，棕榈酸酯共混物表现出较高的iHRR，因为其饱和含量，需要较少的活化能，和最小的ID；从而引发早期燃烧并为进行中的燃烧提供足够的能量。
硬脂酸盐混合物也报道了类似趋势。然而，由于柴油混合物中硬脂酸乙酯的浓度降低，它仍然低于所有其它酯样品。
总的来说，可以推断饱和FAE棕榈酸乙酯和硬脂酸乙酯是预混燃烧阶段的活性，尤其是WaFO生物柴油早期着火的原因。
在此之后，发现不饱和FAE油酸乙酯在扩散燃烧阶段通过它们的延迟燃烧，从而释放大量热能，在提高整体HRR方面起着关键作用。
像Pmax一样，考虑到燃烧的燃料量增加，为了满足发动机的能量需求，对于混合物和酯样品，HRR也随着发动机负荷而增加。
点火延迟(ID)
燃料的点火延迟表示SOI和SOC之间的延迟时间，并且总是用曲轴角度来表示。
从表3和图3共混物和酯样品都报告了降低的ID，因为它们的十六烷值高；
并且在纯柴油之前的燃烧开始中起了重要的作用。
事实上，这个ID受到物理和化学延迟的广泛影响，但是主要受化学延迟的影响。因此，发现纯柴油和B10调合物、B20调合物和B30调合物之间的ID变化为2.4、3和3.6 CA BTDC，低于前者。
同样，纯柴油与油酸盐、硬脂酸盐和棕榈酸盐混合物之间的ID变化据报道为0.4、1和1.2 CA BTDC，低于柴油样品。
在与B20生物柴油混合物比较的酯样品中，油酸酯混合物报告的BTDC为2.6 CA，硬脂酸酯混合物报告的BTDC为2 CA，棕榈酸酯混合物报告的BTDC为1.8 CA，ID更高。
由此得出结论，棕榈酸酯和硬脂酸酯共混物由于其较高的饱和度而具有较高的十六烷值，因此表现出较短的ID。
然而，比B20生物柴油混合物更高的延迟时间是由于其混合物样品中棕榈酸乙酯和硬脂酸乙酯的可用性降低。
相反，油酸酯共混物比其它酯样品报告了更长的ID，这是由于它们的十六烷值低，说明了它的不饱和性和增加的可用性，除了它的高粘度。
最终，WaFO生物柴油报告了缩短的ID，因为其饱和FAEs棕榈酸乙酯和硬脂酸乙酯表现出早期SOC，并引发了其不饱和对应物的燃烧。
除此之外，不饱和FAE油酸乙酯本身比柴油具有更高的CN，这使其能够启动早期SOC。这里，试验样本的ID随着发动机负荷的增加而减小，这是因为燃料的可用性增加了。
特别是，混合物和酯样品都报告了较低的ID，因为注入的燃料量更多，这间接表明十六烷值增加。
制动热效率(BTE)
在通常的实践中，发动机通过转换燃料中储存的化学能来产生实际机械功输出的能力由其制动热效率来表示，并将制动功率与燃料功率相关联。
从表中和图5与纯柴油相比，B10调合物、B20调合物和B30调合物的BTE分别降低了10.29%、13.05%和15.5%，硬脂酸盐混合物增加2.47%，棕榈酸盐混合物增加4.68%，油酸盐混合物增加7.62%。
这里，柴油的高BTE，尽管十六烷值低，是由于其较高的热值和较低的挥发性，这使其能够完全燃烧，特别是在其扩散燃烧阶段，尽管缺乏燃料结合氧含量。
与B20生物柴油混合物相比，油酸酯混合物报告为6.24%，棕榈酸酯混合物报告为9.65%，硬脂酸酯混合物报告为12.22%，BTE更高。
硬脂酸盐混合物在其他酯样品中显示出最高的BTE，因为其热值增加，并且降低了硬脂酸乙酯在共混物样品中的可用性，这对其所得粘度有显著影响。
硬脂酸乙酯内径的缩短为其在预混燃烧阶段燃烧提供了充足的时间，并为积聚的柴油在扩散燃烧阶段快速燃烧提供了充足的能量，从而产生足够的热能。
同样，棕榈酸盐混合物也报道了类似的现象，而BTE的降低是由于其浓度比硬脂酸盐混合物高。
油酸酯共混物在酯样品中报道了最低的BTE，列举了其不饱和度、低热值和增加的粘度速率。因此，为了能量平衡，需要更多的燃料。
比B20共混物更高的BTE是由于共混物样品中油酸乙酯的可用性降低，以及其利用其燃料结合氧进行完全氧化的功效。
比较这些结果，可以推断饱和FAEs棕榈酸乙酯和硬脂酸乙酯在预混阶段引发燃烧，并在扩散燃烧阶段为引发不饱和FAEs油酸乙酯的燃烧提供足够的活化能。
鉴于因ID缩短而导致的早期SOC，WaFO中的FAE报告了早期点火，并利用其燃料结合氧含量经历了完全氧化。
因此，报告类似的BTE喜欢纯柴油。同样考虑到燃烧的燃料量增加，为了满足发动机的能量需求，所有测试样品的BTE随着发动机负荷而增加。
未燃烧的碳氢化合物(HC)排放
从表中和图10使用它们的燃料结合氧含量，在完全氧化的情况下，混合物和酯样品都显示出减少的HC排放。
除此之外，这些氧分子有助于释放高火焰温度，并传播到整个气缸，燃烧未燃烧的碳氢化合物。
不幸的是，纯柴油由于其高挥发性降低了气缸壁附近的绝热火焰温度，因此其快速燃烧的结果是微量的HC排放。
与柴油调合物相比，B10调合物为17.75%，B20调合物为10.91%，B30调合物为5.89%；
油酸盐混合物报告为23.71%，棕榈酸盐混合物报告为27.15%，硬脂酸盐混合物报告为34.72%，HC排放较低。
相对而言，与B20生物柴油混合物相比，硬脂酸盐混合物报告的HC排放最低27.22%，其次是棕榈酸盐混合物18.54%和油酸盐混合物14.66%。
支持这一点的是，棕榈酸盐和硬脂酸盐混合物显示出较低的HC排放，并且很明显，这些样品中氧气的存在降低了它们的HC排放。
解释这一点，这些饱和的FAE引发早期燃烧，并在气缸内提供足够的温度，以确保柴油的完全氧化。
同时，油酸酯共混物报告了比其它酯样品更高的HC排放，因为其增加了可用性和不饱和度，这导致不良的雾化和汽化，并降低了存在于火焰温度降低的局部区域的液滴的燃烧效率。
最终WaFO生物柴油利用其燃料结合氧含量完全燃烧。有趣的是，WaFO生物柴油中的不饱和FAEs油酸乙酯降低了其雾化率，从而形成微小的燃料液滴，所以它们被饱和FAEs棕榈酸乙酯和硬脂酸乙酯提供的热能燃烧。
测试样品的HC排放随着发动机负荷而增加，除了它们高气缸压力之外，由于高发动机温度，即使在较高负荷下，混合物和酯样品的HC排放仍然低于柴油样品。
本研究评估了WaFO生物柴油及其主要脂肪酸酯的燃料性能和发动机适用性。结果显示，WaFO生物柴油具有较高的密度、运动粘度、闪点和十六烷值，主要受脂肪酸酯成分影响。
尽管其热值降低，未燃烧的碳氢化合物排放减少，混合物和酯样品在发动机性能方面表现出较高的缸内压力、点火延迟缩短、放热率增加以及制动热效率改善。
饱和脂肪酸酯在预混燃烧中起关键作用，而不饱和脂肪酸酯在扩散燃烧中提供活化能。总体而言，研究为了解WaFO生物柴油的性能和发动机适用性提供了重要信息。