陳 鍇，王炳輝，龐宏磊

(寧波大學海運學院，寧波315211)

柴油機因為動力性能和經(jīng)濟性能好而普遍應用于工業(yè)、機械農(nóng)業(yè)和交通運輸業(yè).但是，柴油機因能源消耗量大和污染物排放量多而將面臨嚴峻的挑戰(zhàn).使用含氧燃料或作為含氧添加劑與柴油混合，被認為是降低柴油機煙度、NO和CO排放的有效措施.其中，柴油摻燒甲醇和重油摻水乳化燃料已經(jīng)成為最具有潛力的代用燃料，它具有不改變柴油機結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)點，成為近些年來研究的重點.

考慮到柴油和甲醇、水的不溶性，目前國內(nèi)外的很多專家學者都從事在線混合乳化的研究，并且研制了多種在線乳化裝置和適合在線乳化的配方和添加劑[1-4].而在實際應用中，由于在線乳化裝置、柴油機本身和環(huán)境等因素影響，使得在線混合乳化的可靠性比穩(wěn)定的混合液的低，所以，針對穩(wěn)定的混合液配方的研究也是很有意義的，越來越多的人嘗試在甲醇和柴油的混合液中加入水，并利用添加劑使混合液能在較長的時間里穩(wěn)定不分層.文中在YC6A220C柴油機上分別使用穩(wěn)定柴油-甲醇試驗液、柴油-甲醇-水試驗液和柴油，對比分析柴油摻燒甲醇以及甲醇-水對柴油機經(jīng)濟性能和排放性能的影響，從而為發(fā)展代用燃料提供依據(jù).

1 實驗裝置

實驗采用YC6A220C玉柴發(fā)動機.將柴油機安裝到試驗臺架上，在進油端安裝HZB2000油耗儀，以檢測油耗量和油耗率;在試驗過程中，用OW250電渦流測功機和內(nèi)燃機臺架試驗系統(tǒng)檢測發(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、出水溫度和排氣溫度等參數(shù);FGA-4100汽車排氣分析儀檢測 HC、CO、CO2和NO的排放濃度，各數(shù)據(jù)信號傳送給計算機，另用半自動立式濾紙煙度計測柴油機的煙度.如圖1所示.柴油機主要性能參數(shù)見表1.

表1 試驗柴油機主要技術(shù)參數(shù)

2 燃料的配制及試驗

從理論上講，柴油機燃燒柴油會因為柴油機燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)局部貧氧而導致不完全燃燒，造成能量和資源的浪費.甲醇的價格比柴油低，水的價格可以忽略不計，往柴油里添加甲醇和水等含氧物質(zhì)能緩解燃燒區(qū)的貧氧狀況，減少柴油的不完全燃燒，還能減少因燃燒不完全而造成的排氣污染.在柴油中添加甲醇和水的節(jié)油機理可以用“微爆理論”[5-6]解釋:柴油跟水或甲醇均勻混合，就是油包水或油包甲醇型混合液，由于甲醇和水的沸點低于柴油的沸點，當油表面燃燒時，內(nèi)部的甲醇和水受熱并汽化，急劇膨脹的體積產(chǎn)生巨大的壓力，當壓力大于油滴的表面張力時，油滴爆破并進行二次霧化，這樣使得柴油和空氣的接觸面積大幅增加，提高燃燒效率，減少不完全燃燒，達到節(jié)油的效果，同時減少排放.

用試驗驗證，柴油-甲醇需要加入甲型添加劑才能均勻混合，能保證2小時甚至更長時間不分層，并且呈現(xiàn)透明的亮色，顏色比柴油深一點;而柴油-甲醇-水則需要加入乙型乳化劑才能使混合液均勻并能保證2小時甚至更長時間均勻混合不分層.將3種試驗液分別加到燃油箱進行試驗，每次更換燃油后，使柴油機運行一段時間以排出上次測量殘留的燃油，以免對測量結(jié)果產(chǎn)生影響.

實驗前，配比80%的0#柴油和20%甲醇，并加入適量的添加劑攪拌使得柴油和甲醇均勻混合，靜置2小時不分層，為柴油-甲醇試驗液;另配70%0#柴油、20%甲醇和10%水，并加入適量乳化劑攪拌均勻，靜置2小時不分層，為柴油-甲醇-水試驗液;取0#柴油為純柴油試驗液.柴油、甲醇和水的部分理化性質(zhì)如表2所示.

表2 甲醇、柴油和水的特性參數(shù)

將3種試驗液分別配20 kg做試驗，柴油機額定轉(zhuǎn)速1499 r/min，利用測功機改變柴油機的功率，記錄轉(zhuǎn)矩分別為250 N·m、380 N·m、515 N·m和634 N·m(對應的功率分別為39.2 kW、59.6 kW、80.5 kW和99.5 kW)時油或混合液的消耗量和消耗率，CO、CO2、HC和NO排放濃度，整理并將實驗結(jié)果用圖的形式表示.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 節(jié)能效果

1)柴油機的燃料消耗量是隨著負荷的增大而增大的，如圖2所示.

圖2 燃用3種試驗液時的油耗量對比

在相同的轉(zhuǎn)矩(即相同的功率)下，柴油-甲醇-水和柴油-甲醇的消耗量要比純柴油的量大，因為混合液中含有甲醇的熱值比柴油低，而水是不能燃燒的.對比柴油-甲醇-水曲線和柴油-甲醇曲線，兩條曲線在柴油機轉(zhuǎn)矩約450 N·m(功率為70 kW)時相交，試驗液消耗量約為17.5 kg/h，柴油-甲醇-水消耗量在功率小于70 kW時比柴油-甲醇的小，在39.2 kW時少9.6%，而在功率大于70 kW時大，在99.5 kW時多5%.因為在柴油機低負荷時廢氣增壓基本無效，導致機內(nèi)壓力低，過量空氣系數(shù)偏低，燃燒溫度和強度都偏低，而柴油-甲醇比柴油-甲醇-水的粘度大，微爆效應不如后者強烈，混合液含氧量比后者低，這樣導致燃燒不如后者完全，綜合得出柴油機在低負荷時，柴油-甲醇試驗液比柴油-甲醇-水試驗液多;隨著負荷的增大，柴油機廢氣渦輪增壓效果逐漸明顯，機內(nèi)壓力就會增大，過量空氣系數(shù)趨向飽和值，柴油和甲醇燃燒基本完全，柴油-甲醇-水中的水占10%的比重，這些水在機內(nèi)汽化潛熱會帶走一部分的熱，從而降低機內(nèi)的燃燒溫度和強度，混合液的消耗量就會比柴油-甲醇的量多.

2)柴油機功率與 CO2的排放關(guān)系，如圖3所示.

在柴油機低負荷時，柴油-甲醇-水和柴油-甲醇的CO2的排放量比純柴油的大，因為純柴油燃燒不完全，排放廢棄物中的碳煙含量較高，CO2含量很低;而柴油-甲醇-水的CO2排放量要比柴油-甲醇略低，因為水煤氣反應使得一部分的CO2與水反應生成CO和H2.隨著柴油機功率的增大，柴油機廢棄渦輪增壓效果明顯，機內(nèi)過量空氣系數(shù)增大，純柴油燃燒完全，CO2的濃度逐漸增大，趨向柴油-甲醇-水混合液的CO2的排放濃度，達到柴油機燃燒排放的正常值.

圖3 燃用3種試驗液時的CO2排放對比

3)燃料消耗率的變化曲線符合柴油機的特征曲線是先減小后增大的，在燃料消耗率最小時經(jīng)濟性最好，如圖4所示.

圖4 燃用3種試驗液時的油耗率對比

對于YC6A220C玉柴發(fā)動機，3種試驗液的最小消耗量均約在轉(zhuǎn)矩510 N·m(功率為80 kW)處，也就是說該柴油機使用這3種試驗液的功率在80 kW時經(jīng)濟性最好，這說明柴油與甲醇和甲醇-水的混合液沒有改變柴油機的基本特性.燃料消耗率q是對應于燃料消耗量Q的，

故柴油-甲醇消耗率在負荷低于70 kW時，比柴油-甲醇-水的消耗率大，在負荷高于70 kW時比柴油-甲醇-水小.

4)柴油機運行消耗的能量可以利用燃料的熱值進行評估，混合液中添加劑的量非常的少，約為混合液總量的5‰，而添加劑的性質(zhì)與柴油相近，將添加劑以柴油算，3種試驗液的消耗熱值可用如下公式計算

式中:m1，m2，m3分別為消耗柴油、甲醇和水的消耗率，kg/(kW·h);q1，q2分別為柴油和甲醇的低位發(fā)熱量，MJ/kg;r為水的汽化潛熱，約2.26 MJ/kg.

計算結(jié)果如圖5所示.

圖5 燃用3種試驗液時的消耗熱值對比

3種試驗液的消耗熱值曲線跟對應的試驗液消耗率的趨勢相同，柴油-甲醇-水曲線和柴油-甲醇曲線在負荷約為69 kW時相交.在任意相同的負荷工況下，純柴油的消耗熱值都是最大的，它和柴油-甲醇-水在負荷為39.2 kW時，相差約14%，在80 kW時相差約9%，和柴油-甲醇在負荷為39.2 kW時相差約6%，在99.5 kW時相差約16%，這說明在柴油中添加甲醇和甲醇-水乳化后燃燒都有很好的節(jié)能效果.

3.2 排放影響

1)NO的排放濃度

圖6 燃用3種試驗液時NO排放對比

柴油機排氣中的NO的生成條件是高溫、富氧和高溫持續(xù)時間[7]，那么要抑制NO的生成就要從這3個方面入手.從圖6可以看到NO的排放濃度隨著負荷的增大而增大.在相同的負荷下，柴油-甲醇的NO的排放濃度是最大的，柴油-甲醇-水的排放濃度是最小的.因為柴油-甲醇中的甲醇為NO的生成提供了富氧條件，從而使得NO的排放濃度要比另外兩種大;柴油-甲醇-水中水氣化潛熱要吸收一部分熱量，這樣使得柴油機的燃燒強度減弱，高溫和高溫持續(xù)時間等條件得到抑制，NO的濃度就相對偏少.

2)HC和CO的排放濃度

HC和CO都是由于不完全燃燒而產(chǎn)生的，而柴油機的HC和CO排放濃度都很低.從圖7和圖8可以看出，CO排放濃度在柴油機低負荷時，要高于高負荷時，而HC的相反.柴油-甲醇-水的HC的排放濃度是最大的，在39.2 kW時比純柴油高約41%，在80 kW時大約24%;而柴油-甲醇的CO的排放濃度是最大的，在39.2 kW時比純柴油高約50%，在80 kW或負荷更大時，與另外兩種試驗液的排放基本相同.綜上可以說明在柴油中添加甲醇和甲醇-水增加了HC和CO的排放，其原因與混合燃料混合比例和混合氣的均勻性等多種因素有關(guān).但這些增加的量遠遠小于燃用柴油-甲醇-水混合試驗液時NO排放減少的量.

圖7 燃用3種試驗液時HC排放對比

圖8 燃用3種試驗液時CO排放對比

3)煙度

碳煙是由燃油在高溫缺氧的情況下裂解而成的.柴油摻燒甲醇能緩解缺氧狀況，柴油摻燒甲醇-水能有效緩解高溫缺氧狀況，降低排氣煙度.如圖9所示.

圖9 燃用3種試驗液時的煙度對比

在柴油機低負荷時，柴油摻燒甲醇和甲醇-水煙度基本相同，且比燃用純柴油時低約40%，這說明柴油摻燒甲醇和甲醇-水會導致碳煙排放顯著下降，碳煙下降的原因主要是因為甲醇和甲醇-水相對于純柴油含氧量高而碳氫比很低，這使得總?cè)剂系暮剂坑兴陆?，從而限制了碳煙生?在柴油機中，高負荷時柴油摻燒甲醇煙度和燃用純柴油基本相同，且比柴油摻燒甲醇-水高約20%，這是因為中高負荷時，柴油機要提供更多的動能，機內(nèi)燃燒強度更大，柴油-甲醇中的甲醇由于量的限制只能起到助燃的作用，而柴油-甲醇-水中的甲醇-水不但起到助燃的作用還起到降低柴油機燃燒室溫度的作用，這就為降低柴油高溫裂解，減少碳煙的排放提供了有利條件.

4 結(jié)論

1)柴油機摻燒甲醇和水極大的利用了甲醇和水在柴油機內(nèi)燃燒優(yōu)勢，特別是柴油摻燒甲醇-水，實現(xiàn)了柴油機高效和低排放的運行.

2)柴油摻燒甲醇和甲醇-水有明顯的節(jié)能效果，兩種試驗液節(jié)油率均約為8%，其中柴油-甲醇-水的經(jīng)濟價值更明顯.

3)柴油摻燒甲醇和甲醇-水都能一定程度緩解柴油機燃燒室不理想燃燒，減少碳煙的排放.

4)柴油機燃用柴油-甲醇-水排放NO的濃度和碳煙排放是降低了，但是HC和CO的濃度卻升高了，這說明柴油摻燒甲醇-水的排氣后處理要更嚴格;柴油摻燒甲醇有節(jié)能效果卻增加了NO、HC和CO的排放.

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