柴油机燃料中，加氢衍生可再生柴油的性能和排放特性是怎样的？
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文|可乐君
编辑|可乐君
化石燃料源自富含碳的死亡植物和动物的厌氧分解，一直主导着能源来源并推动着工业化世界。全球能源消耗的约70-80%来自化石燃料。包括煤炭、石油和天然气在内的化石燃料是不可再生的，并且是全球变暖和气候变化的主要原因。
化石燃料的开采、提炼和利用导致了环境的不可估量的破坏。此外，根据消耗速度估计，全球石油储量约为1.65万亿桶，可能在未来五十年内完全耗尽。
为了增加可再生燃料在交通部门能源组合中的份额，可再生能源和其他污染较少的燃料（如电力、天然气、生物乙醇、丙烷、生物柴油、喷气燃料和生物甲烷）已经得到测试。
这些可再生和污染较少的能源已被发现可以满足生物能源的巨大需求和要求，并确保能源供应的安全性。
例如，在许多地区，电动汽车的推广面临着高成本、基础设施不足以及电池充电时间长的问题。液体生物燃料具有从废料和其他低碳足迹的可再生资源中生产的优势，因此它们是更经济可行的选择。
今天我就带大家一起了解，生物柴油、乙醇和“生物柴油-乙醇混合物”在压燃式发动机上的性能和排放特性，并深入探讨HDRD在柴油发动机中的性能和排放行为。
●○可再生燃料HRDD○●
HDRD，又称可再生柴油、绿色柴油和加氢蔬菜油，是第二代液体生物燃料。HDRD在化学上与PBD燃料相同，但与生物柴油不同。
生物柴油，也称为脂肪酸甲酯（FAME），主要通过催化酯交换反应过程生成，而HDRD是在C15-C18范围内直链和支链烷烃的混合物。
石油柴油和HDRD的性质相似，使其能够符合汽车燃料规范，无缝应用于压燃式发动机，并利用相同的运输基础设施 。
全球HDRD的产量从2011年的15亿升增长到2017年的95亿升，并预计将在2024年达到130亿升 。
此外，由于HDRD具有吸引力的特性和有利的利用方式，自2019年以来，全球生物燃料产量的生产能力和份额一直在增加（图2）。这一趋势预计将持续下去。
为了满足HDRD的日益增长的需求和利用，许多商业生产工厂已经安装和投入使用了先进的技术
图3显示了全球HDRD工厂的生产商、年产能和所在国家。HDRD通常是通过催化反应在加氢条件下生产的。
HDRD的生产过程包括加氢处理、脱羧和/或脱酰过程。在加氢处理过程中，通过脱羧和加氢脱氧反应，利用氢气从甘油三酯分子中去除氧原子，具体取决于催化剂选择和工艺条件 。
这可以通过将精馏加氢处理装置与HDRD生产装置进行联合处理，或建立一个独立的装置来实现。图5显示了HDRD生产的反应途径。
一般来说，HDRD可以通过各种技术从糖、淀粉或纤维素材料等原料合成。此外，蔬菜油、废食用油、废动物脂肪、回收脂肪和其他含三酸甘油酯的油脂可以通过热解和加氢处理转化为HDRD。
使用废食用油、动物脂肪、藻类油、马齿苋油和喀然油等可再生原料生产HDRD在适度的生产条件下表现出高产率。
通过加氢处理将三酸甘油酯转化为HDRD涉及化学反应，如加氢、脱羧、脱酰和加氢脱氧反应 。
HDRD的生产符合美国材料试验协会（ASTM）D975和欧洲标准化委员会（EN 590）的方法和规范 。
HDRD的十六烷值是衡量CI发动机柴油燃料点火质量的指标，通常介于820千克/立方米和845千克/立方米之间，高于PBD燃料和生物柴油。
较高的十六烷值使得使用HDRD燃料的CI发动机可以以更高的热效率运行，并且燃料消耗更低 。
相比生物柴油或PBD燃料，较低的密度值表示体积热值降低和燃料消耗增加。HDRD具有较高的润滑性，确保最小的发动机磨损，静音运行和平稳的发动机运行 。
CI发动机是一种内燃机。作为热机，CI发动机将燃料中的化学能转化为机械功 。
柴油燃料通过燃油喷射器进入气缸，并与预热空气混合，混合物由于活塞的运动而自燃。
●○HDRD在CI发动机中的性能○●
为了解决在CI发动机中使用PBD燃料时存在的明显不足之处，各种研究人员已经开始使用HDRD。
然而，在测量性能特征时，主要的性能指标包括功率、扭矩、燃料消耗、热效率和平均有效压力。
例如，制动比燃料消耗（BSFC）是一个重要的性能指标，它衡量燃料转化为有用功的效率，而机械效率计算引擎的有效性，即制动功率与示功率之比。
另外，制动热效率（BTE）衡量发动机将燃料中的化学能高效转化为有用功的能力。
为了解决在CI发动机中使用PBD燃料时存在的明显不足之处，各种研究人员已经开始使用HDRD。
然而，在测量性能特征时，主要的性能指标包括功率、扭矩、燃料消耗、热效率和平均有效压力。
例如，制动比燃料消耗（BSFC）是一个重要的性能指标，它衡量燃料转化为有用功的效率，而机械效率计算引擎的有效性，即制动功率与示功率之比。
另外，制动热效率（BTE）衡量发动机将燃料中的化学能高效转化为有用功的能力。
较低的BSFC是因为较低的粘度和高热值对燃料雾化产生了影响。在垂直单缸、四冲程、4.3千瓦发动机上比较了HDRD和生物柴油的发动机性能，涵盖了不同负荷情况。
HDRD在较高负荷下显示出较高的BSFC和BTE。这些结果归因于HDRD的运动粘度和发热值。
在单缸、四冲程3.5千瓦直喷水冷试验台上HDRD与生物柴油和PBD混合物的性能，涵盖了不同负荷情况。HDRD的BSFC、BTE和EGT较生物柴油和PBD混合物更高。
HDRD相比于生物柴油和PBD具有更高的发热值和十六烷指数，虽然HDRD在CI发动机中的应用还不广泛，但一些报道显示，与生物柴油相比，HDRD是PBD燃料的更好替代品。HDRD的性质是推动其作为可行有效替代PBD燃料的重要因素。
在轻型和重型单缸CI发动机上测试HDRD及其混合物后，在不同工况下将结果与PBD燃料进行比较。
重型研究发动机采用了AVL 501单缸发动机，而轻型研究发动机则采用了Ricardo Hydra发动机和Volvo NED4气缸头。
实验数据显示，在所有的发动机负载条件下，使用HDRD在轻型和重型发动机中都能提高BTE和BSFC。
这些结果归因于HDRD的高氧含量和较低的发热值，相较于PBD燃料及其混合物，HDRD的BTE和BSFC比生物柴油及其混合物更好。
这些结果是由于HDRD的发热值和燃烧特性。证实了HDRD相比于生物柴油在CI发动机的交通应用中是更好的燃料。
在一项对搭载涡轮增压器和中冷器的六缸、6.37升梅赛德斯-奔驰CI发动机进行的测试中，HDRD产生了较少的NOx但较多的PM排放。
与PBD相比，HDRD产生的NOx和PM排放量较少，且均在可接受的欧洲III标准范围内，
类似地，轻型和重型CI发动机在不同负荷下使用HDRD和PBD燃料混合物进行了测试。
轻型发动机采用了单缸共轨式Ricardo Hydra和Volvo NED4缸盖发动机，而重型发动机则采用了单缸共轨式AVL 501和Volvo D13缸盖。
排放特性的结果显示，对于使用HDRD燃料的两种发动机类型，在不同测试负荷下，NOx排放略微增加，而PM和烟尘排放减少。
研究人员报告了在4缸、直喷式、水冷、66千瓦、1.9 TDI柴油发动机测试混合物中测试HDRD燃料时，CO、烟尘、HC和NOx的排放减少。
然而，由于HDRD燃料的氧含量较高，CO2排放增加了8%。当实验人员在一辆欧洲III标准、51千瓦的菲亚特Panda车上测试HDRD和PBD燃料时，他们记录了HC减少27%、NOx减少30%、CO减少18%、CO2减少3%和PM减少5%的结果。
从这里能得出结论，将HDRD作为CI发动机的燃料，特别是在交通领域，将减少对环境有害气体的排放，确保更清洁的空气质量，最终改善人类健康。
●○可再生燃料HRDD对社会的影响○●
HDRD在全球生物燃料中的份额从2019年的约5%增加到2021年的约10%，这表明其全球产能有所增加。
这一趋势预计将继续，体现了各国为增加可再生燃料在能源结构中的份额而做出的协同努力。
与PBD和生物柴油相比，HDRD具有简单的生产方法、低成本原料、环保性质、改善的性能以及适度的排放，使其成为未来的燃料。
大多数研究的结果显示，HDRD使测试的CI引擎的BTE增加了超过20%。例如，在较低负载下，BTE从21%增加到23%。然而，在较高负载下，分别记录到40%、80%和100%引擎负载时，增加了34%、36%和32%。
在排放方面，大多数研究报告在满负荷条件下，NOx、HC、CO和烟雾排放分别减少了约15%、30%、35%和75%。
然而，一些作者报告称，NOx没有变化，而HDRD燃料的CI引擎NOx排放增加。综合观点表明，与生物柴油和PBD相比，HDRD的性能更好，排放更少。
这点非常的重要，因为它为增加HDRD的生产和利用提供了合理性。与PBD和生物柴油相比，可用信息显示大多数研究人员和消费者更偏向于HDRD。
例如，根据主要性能标准，HDRD在内燃机燃料方面的表现优于PBD和生物柴油。此外，HDRD的生产成本相对较低，与生物柴油相比具有可比性。
就像生物柴油一样，HDRD是由木质纤维素生物质、废弃油脂和动物脂肪生成的。HDRD不仅环保、成本效益高，而且通过排放较少的有毒气体保护环境。
将HDRD用作CI燃料旨在提供可持续且环保的替代方案，以帮助实现能源安全，并替代PBD燃料的使用。
尽管生物柴油、生物乙醇和沼气的使用已经得到了广泛应用并具有显著优势，但HDRD的使用可以填补这些可再生燃料所带来的性能差距。
使用HDRD可以确保更好的发动机性能，为CI发动机提供更多运行选项。使用生物柴油在未经改装的CI发动机中会产生NOx排放是其中一个缺点，而使用HDRD在大多数情况下可以减少NOx排放。
为了降低NOx排放，燃料中十六烷和十二烷的浓度应增加。这可以通过在生产过程中通过添加剂改变原料来实现。然而，这违背了碳链长度对NOx排放的影响的概念。
HDRD是PBD燃料的可持续替代品，也是比生物柴油更有效的可再生燃料。在CI发动机中应用HDRD可以实现在所有负载和转速下的机械效率、BTE的提高以及燃料消耗的降低。
与PBD燃料相比，使用HDRD燃料的CI发动机报告产生的CO、CO2、NOx和颗粒物更少。
尽管由于涉及高温和高压，HDRD的生产过程比生物柴油更复杂和昂贵，但总体上使用HDRD的优势超过生物柴油。
未来需要进行更多的研究，以简化HDRD的生产过程，使其覆盖化。因此需要提高人们对HDRD生产和利用的认识。