负荷对柴油/PODE混合燃料燃烧及排放的影响

摘要：在现代能源领域，柴油/生物柴油混合燃料的研究日益受到重视，尤其是在节能减排和环境保护的大背景下。本文旨在探讨不同负荷条件下，柴油与棕榈油甲酯（PODE）混合燃料在燃烧过程中的特性变化，以及这些变化对排放特性的影响。本文旨在为优化混合燃料的使用提供理论依据和实践指导，希望达到提高能源效率和减少环境污染的双重目标。

关键词：负荷；柴油/PODE混合燃料；燃烧；排放

引言

柴油作为一种广泛使用的燃料，其燃烧产生的污染物对环境和人类健康构成了严重威胁。因此，研究和开发柴油的替代品或改进其燃烧特性，以减少有害排放，具有重要的现实意义。

一、负荷对柴油/PODE混合燃料燃烧特性的影响

1.1不同负荷下的燃烧特性分析

随着负荷的变化，柴油/PODE混合燃料的燃烧过程呈现出明显的差异。在低负荷工况下，由于喷入气缸内的燃料量相对较少，燃烧室内的温度和压力上升较为缓慢。混合燃料的着火延迟期相对较长，这是因为低负荷时缸内的温度和氧气浓度较低，不利于燃料的快速蒸发与氧化反应。在着火延迟期内，燃料不断积累，一旦着火，燃烧速率会在短时间内迅速增加，形成较为明显的预混燃烧阶段，火焰前锋迅速传播，释放出大量的热量，导致缸内压力快速上升，压力升高率较大。而在中高负荷时，喷入的燃料量增多，缸内的温度和压力水平较高，混合燃料的着火延迟期显著缩短。燃料在喷射后能够更快地与空气混合并发生燃烧反应，预混燃烧阶段相对不那么突出，扩散燃烧占据了更主要的地位。燃烧过程更加平稳，压力升高率相对较低，且整个燃烧持续时间随着负荷的增加而有所缩短。这是由于高负荷下充足的燃料供应和良好的燃烧条件使得燃烧能够更高效地进行，燃料能够在较短时间内完成燃烧转化为有用功。

1.2不同负荷下的燃烧特征参数

负荷对柴油/PODE混合燃料的燃烧特征参数有着重要影响。着火延迟期方面，如前文所述，低负荷下着火延迟期长，高负荷下着火延迟期短。着火延迟期的长短直接关系到燃烧过程的稳定性和燃烧噪声等问题。较长的着火延迟期可能导致在燃烧初期积累过多的燃料，一旦着火，会产生较大的压力波动，增加燃烧噪声和NOx的排放。燃烧持续时间在不同负荷下也有明显变化。低负荷时燃烧持续时间较长，这是因为燃料量少且燃烧速度相对较慢；而高负荷时燃烧持续时间缩短，因为燃料供应充足且燃烧条件良好，燃烧能够快速完成。燃烧持续时间与发动机的动力输出和热效率密切相关，较短的燃烧持续时间有助于提高发动机的功率密度和热效率。缸内最大压力及其出现时刻也是重要的燃烧特征参数，随着负荷的增加，缸内最大压力逐渐升高，其出现时刻也会提前。这是由于高负荷下燃料燃烧释放的能量更多，导致缸内压力迅速上升并达到更高值，而良好的燃烧条件使得燃烧过程提前完成，最大压力出现时刻提前。

1.3燃油经济性与有效热效率分析

在负荷变化过程中，柴油/PODE混合燃料的燃油经济性和有效热效率呈现出特定的变化趋势。低负荷时，由于发动机的摩擦损失、泵气损失等在总能量损失中所占比例较大，尽管混合燃料本身具有一定的燃烧优势，但燃油经济性和有效热效率相对较低。此时，发动机需要消耗较多的燃料来维持运转，但输出的有效功较少。随着负荷的增加，发动机的热效率逐渐提高。这是因为在中高负荷下，燃料能够更充分地燃烧，燃烧产生的热量能够更多地转化为有用功，而摩擦损失和泵气损失等在总能量中所占比例相对减小。柴油/PODE混合燃料由于其自身的物理化学性质，如PODE较高的含氧量有助于燃料的充分燃烧，使得在相同负荷下与纯柴油相比，其有效热效率有所提高。在高负荷工况下，这种优势更加明显，能够在一定程度上降低发动机的燃油消耗率，提高燃油经济性。然而，当负荷过高时，可能会由于燃烧温度过高、燃烧不完全等问题导致热效率略有下降，因此需要合理控制发动机的负荷范围，以充分发挥柴油/PODE混合燃料在燃油经济性和有效热效率方面的优势。

二、负荷对柴油/PODE混合燃料排放特性的影响

2.1常规排放物分析

2.1.1负荷对CO排放的影响

CO排放主要与燃料的不完全燃烧有关。在低负荷工况下，由于燃烧温度较低，混合燃料的燃烧不够充分，导致CO排放量相对较高。此时，缸内的氧气浓度虽然相对较高，但由于燃料量少且燃烧速度慢，部分燃料无法完全氧化为CO₂，而是生成了CO。随着负荷的增加，燃烧温度逐渐升高，燃料与空气的混合更加充分，有利于CO的进一步氧化，CO排放量逐渐降低。在中高负荷时，燃烧过程较为稳定且高效，CO排放能够控制在较低水平。但当负荷过高时，可能会因为局部缺氧或燃烧时间不足等原因，导致CO排放略有上升。总体而言，柴油/PODE混合燃料在中高负荷下的CO排放表现优于低负荷工况，且与纯柴油相比，由于其较好的燃烧特性，在相同负荷下CO排放量通常较低。

2.1.2负荷对HC排放的影响

HC排放主要源于燃料未参与燃烧或燃烧不完全的碳氢化合物。低负荷时，HC排放较高，原因与CO排放类似，即着火延迟期长、燃烧温度低、燃料与空气混合不均匀等因素导致部分燃料未能充分燃烧而以HC的形式排出。随着负荷的增加，燃烧条件改善，HC排放量显著减少。高负荷下，燃烧室内的高温和强烈的气流运动使得燃料能够更彻底地燃烧，HC排放能够得到有效控制。柴油/PODE混合燃料中的PODE含氧量高，有助于促进燃料的氧化反应，在降低HC排放方面具有一定优势，在各负荷工况下其HC排放量相比纯柴油都有不同程度的降低。

2.1.3负荷对NOx排放的影响

NOx排放的形成与燃烧温度、氧气浓度和停留时间等因素密切相关。在低负荷时，由于燃烧温度较低，NOx排放量相对较少。随着负荷的增加，缸内温度和压力升高，燃烧过程中高温富氧的环境使得NOx的生成量急剧增加。这是因为高温促进了空气中氮气与氧气的反应，生成大量的NOx。柴油/PODE混合燃料在高负荷下，由于其燃烧特性的变化，如燃烧速度快、燃烧持续时间短等，虽然缸内温度较高，但相比纯柴油，NOx排放的增加幅度可能会有所减小。然而，在整个负荷范围内，控制NOx排放仍然是使用柴油/PODE混合燃料时面临的一个重要挑战，需要采取相应的尾气后处理技术或优化燃烧策略来降低其排放水平。

2.2非常规排放物分析

除了常规排放物外，柴油/PODE混合燃料在燃烧过程中还会产生一些非常规排放物，如醛类、酮类等含氧有机物以及颗粒物中的可溶性有机成分等。这些非常规排放物的生成机理较为复杂，与燃料的组成、燃烧过程中的中间产物以及后处理过程等都有关系。在低负荷工况下，由于燃烧不充分，可能会产生相对较多的含氧有机物。随着负荷的增加，燃烧条件改善，这些非常规排放物的排放量会有所减少，但在高负荷时，由于燃烧温度过高，可能会导致一些新的化学反应发生，从而使某些非常规排放物的排放量再次增加或出现新的排放物种。对柴油/PODE混合燃料非常规排放物的研究对于全面评估其环境影响和制定相应的排放控制策略具有重要意义，目前相关研究仍在不断深入，旨在进一步降低其对环境和人体健康的潜在危害。

三、结语

本文通过对柴油/PODE混合燃料在不同负荷条件下的燃烧及排放特性进行了全面分析，揭示了负荷变化对燃烧效率和排放物的影响。未来研究需进一步优化混合比例，以实现更高效的能源利用和更环保的排放标准。

参考文献

[1]何冬.喷射策略对柴油/正丁醇/PODE混合燃料燃烧与排放影响研究[D].西华大学，2022.

[2]段旭东.喷油策略对柴油/正丁醇/PODE混合燃料部分预燃烧过程和排放的影响[D].西华大学，2020.

[3]斯涛.PODE对柴油/生物柴油混合燃料燃烧与排放特性的影响[D].长安大学，2018.