文|艺海探秘
编辑|艺海探秘
前言
在许多国家，混合生物柴油-柴油燃料被批准作为未经改装的柴油发动机的商业燃料，可达到20%（B20） 。生物柴油燃料的性质，限制了它们在高混合比下在柴油发动机中的应用，因此引入化学添加剂作为改善这些性质的可行选项 。我们研究调查了在生物柴油-柴油混合燃料B30中加入6%的两种醇类添加剂（乙醇和丁醇）对柴油发动机循环变化的影响 。
气缸内压力分析结果显示，混合燃料B30无添加剂时表现出最低的变异系数 。此外，与柴油燃料相比 ， 使用醇类添加剂的混合燃料B30的发动机循环变异性增加，乙醇添加剂混合燃料B30的发动机循环变异性高于丁醇 。
混合燃料
小波功率谱分析结果显示，气缸内压力变化呈现出不同类型的行为 ， 从无添加剂的B30的间歇性波动到加入醇类添加剂的B30的强烈周期振荡 ， 相比之下，与柴油燃料相比 。
此外，全局小波谱显示，使用醇类添加剂的混合燃料B30的总体谱功率增加，这与变异系数的结果一致 。
生物柴油作为一种可再生和清洁能源逐渐引起了更多关注，它可以在柴油发动机中使用 ， 无需或只需少量改装 。生物柴油是饱和和不饱和长链脂肪酸的单醇酯混合物 。
由于生物柴油的粘度较高、能量含量较低以及其倾点和云点较高 ， 生物柴油-柴油混合燃料的利用限制在20%的混合比 。
燃料添加剂是一种常用的方法，可以使混合生物柴油-柴油燃料在高混合比下作为替代燃料使用 。
通常来说 ， 生物柴油的能量含量比矿物柴油要低 ， 这会直接影响发动机的功率 。因此 ， 在选择添加剂时，我们需要确保它不会使燃料的能量含量变差 。
醇类添加剂如乙醇（E）和丁醇（BU）可用于改善生物柴油燃料的性质 。然而，这些添加剂的闪点和自燃温度相对较低，与柴油和生物柴油燃料相比，当超过一定限制时可能会导致发动机循环变化的显著增加 。
醇类添加剂
这些变化可能导致发动机输出功率的降低和更高的排放；因此，有必要通过对影响整体燃烧过程的不同参数有更好的了解，以开发有效的策略来控制最佳添加剂比例 。
已进行了多项研究，使用变异系数（COV）分析内燃机的循环变化（CCV） 。即使两个时间序列的均值完全不同，变异系数可以提供一个实用的统计量来比较变异程度 。它为给定时间序列提供了一个单一的数值度量，用于描述数据中的时间变异性 。
此外，为了考虑时间序列的频谱特性，本研究使用基于小波的谱时分析方法，研究IMEP时间序列的CCV，并估计添加剂对混合燃料B30的发动机循环变化的影响 。小波分析技术在各种应用中越来越多地用于时间序列分析 。
连续小波变换（CWT）近年来在研究气候波动方面引起了更多关注 。在内燃机领域，早期的研究主要集中在火花点火发动机（SI）上 。然而，近年的一些研究已经对柴油发动机进行了研究，以研究不同的发动机转速和与矿质柴油相比的不同替代燃料的影响 。
我们的研究旨在调查柴油发动机在混合棕榈生物柴油-柴油燃料B30以及添加6%两种不同醇类添加剂的情况下的循环变化 。对压力平均有效值（IMEP）时间序列进行小波分析，以研究柴油发动机的循环变化 。此外，计算IMEP变异系数（COVimep），并将其与混合燃料B30和矿质柴油进行比较，以指示化学添加剂对发动机循环变化的趋势 。
一、方法
1.1. 材料和燃料制备
棕榈油生物柴油（POME）由马来西亚雪兰莪地区的一家商业公司供应 。柴油燃料由一家商业燃料生产商提供 。棕榈油甲酯和矿质柴油的燃料样品通过将30%的POME与70%的矿质柴油按体积混合，使用电磁搅拌器进行混合制备成混合燃料B30 。混合物连续搅拌约20分钟 。然后，在低搅拌速度下将丁醇和乙醇添加到混合燃料中 。在混合物连续搅拌20分钟后，静置30分钟 ， 以达到室温下的平衡状态，然后再进行任何测试 。化学添加剂的使用也有一些限制，例如较低的润滑性、降低的着火性和十六烷值、较高的挥发性和较低的混溶性，可能导致未燃烧碳氢化合物排放增加 。
十六烷值改进剂
因此，丁醇和乙醇添加剂以体积分数6%的小比例添加到混合燃料中 ， 分别对应于B30BU6和B30E6燃料 。
1.2. 柴油发动机测试
使用自然吸气式的四缸三菱4D68水冷柴油发动机进行燃料发动机测试 。发动机的规格为：22.4:1的压缩比 ， 总排量为1.998 dm3，0.89的缸径/冲程比 。测试的燃料包括混合燃料B30、B30E6、B30BU6和矿质柴油 。
压力传感器
发动机与150 kW的涡流制动器相连，由Dynalec控制器控制；测量和控制有效扭矩和发动机转速 。测试在2500 rpm的发动机转速下进行，节气门开度为50% 。使用Kistler 6041A水冷热稳定压力传感器 ， 测量范围为0至250 bar，灵敏度为-20 pC/bar，用于测量气缸内压力 。
使用Kistler 2613B1曲轴角编码器获取曲轴角信号 ， 并由DEWECA数据采集系统记录压力和曲轴角信息 。连续收集了200个发动机循环的气缸内压力数据 。发动机配备了废气再循环系统，但在这个实验中，EGR模式设置为关闭 。
曲轴角编码器
1.3. 发动机循环变化
使用变异系数（COV）和小波分析来评估IMEP时间序列的循环变化（CCV） 。COVimep被广泛用于评估发动机研究中的循环变化 。它定义为其标准差（SD）与均值IMEP之比，并通常以百分比形式表示：
其中 ， (IMEP)代表特定燃烧循环的指示平均有效压力 。对于N个连续的发动机循环，IMEP时间序列关于小波ψ(t)的连续小波变换定义如下：
其中，n是时间索引 ， s是小波尺度，δt是采样间隔，ψ*是复共轭 。
连续小波变换的平方模被定义为小波功率谱（WPS），表示信号能量 。WPS被绘制在时间-频率（或时间-周期）平面上，描述了各种时间序列的周期性及其随时间的变化 。
为了描述本研究中考虑的IMEP时间序列，WPS被绘制在以循环数为x轴、周期（循环）为y轴的平面上 。从WPS中还可以计算出另一个有用的量，称为全局小波谱（GWS） 。GWS是WPS在整个时间上的平均值，类似于平滑的傅立叶谱：
从全局小波谱的峰值位置可以识别出时间序列的主要周期性 。小波ψ被称为分析小波或母小波 ， ψ上的星号表示复共轭 。在本研究中，采用了6阶的Morlet小波作为分析中的母小波 。选择6阶可以在时间和频率分辨率之间取得良好的平衡 。Morlet小波已成功地作为母小波在不同的应用中使用 。
二、结果与讨论
图1展示了在2500 rpm和半负荷条件下，从发动机测试中收集的指示平均有效压力的变异系数 。从图中可以看出，在所测试的燃料中，混合燃料B30的COVimep最低，这是由于与矿质柴油相比 ， POME具有较高的十六烷值的影响 。
图1
使用醇类添加剂的混合燃料B30导致COVimep增加，约比矿质柴油燃料增加了14%的乙醇添加剂和10%的丁醇添加剂 。这意味着，混合燃料B30和醇类添加剂的循环变化变得更加明显 。
这是由于化学添加剂的不同化学组成和高挥发性影响了燃料混合物的燃烧过程 。此外 ， 由于乙醇的闪点较低（16℃）相比之下，乙醇的COVimep高于丁醇（35℃） 。
（注：COVimep指的是指示平均有效压力的变异系数）
在小波功率谱（WPS）中，红色噪声背景谱轮廓线围起来的区域表示大于95%的置信度 。U形曲线下的区域被称为影响锥（COI） 。COI是WPS的区域 ， 在该区域内，边缘效应变得重要，COI内的结果可能不可靠，应谨慎使用 。
图2
根据IMEP时间序列的200个循环的记录长度，我们将考虑小于64个周期的周期性 。从图2中的WPS和全局小波谱（GWS）可以清楚地看出，IMEP的循环变化在柴油燃料中出现在多个时间尺度上 。
图3
然而 ， 图3揭示了混合燃料B30的发动机循环变化主要表现为低频间歇性波动 。当引入添加剂时，持续的低频振荡往往在发动机循环变化中产生 ， 如图4和图5所示 。
图4
图5
混合燃料加入丁醇时的持续振荡出现在4个周期和16个周期之间，持续约20个发动机循环 。另一方面，加入乙醇的混合燃料的持续振荡出现在8个周期和16个周期之间，以及16个周期和32个周期之间，持续约50个发动机循环 。
总的来说，从不同燃料的GWS图中可以看出，随着添加剂在混合燃料B30中的引入，谱功率增加 。对比测试燃料的GWS发现 ， 混合燃料B30的总体谱功率最低，而加入乙醇的混合燃料B30的总体谱功率较高 ， 表明醇类添加剂对IMEP时间序列的循环变化有显著影响 。
三、结论
指示平均有效压力分析的结果显示，无添加剂的混合燃料B30的COVimep最低 。此外 ， 使用6%的丁醇和乙醇与混合燃料B30相比，发动机的循环变异性分别增加了23%和28% 。此外，使用添加剂的发动机循环变化超过了使用柴油燃料的变化，而且乙醇的影响更为明显 。
小波功率谱分析结果显示，气缸内压力变化表现出不同的行为类型，从无添加剂的B30的间歇性波动到加入醇类添加剂的B30的强烈周期振荡，相比之下，与柴油燃料相比 。不同的周期性及其持续的循环数是从小波功率谱的时间-周期表示中确定的 。
小波谱也能够清楚地显示出间歇性模式 。此外，全局小波谱显示，使用添加剂的混合燃料B30的总体谱功率增加 ， 这与指示平均有效压力的变异系数结果相一致 。因此，两种添加剂似乎都增加了循环变化 ， 其中丁醇的发动机循环变化较乙醇的混合燃料B30较小 。
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【不同醇类添加剂对柴油机循环变化影响的比较】