張承亮，陳振斌 ， 孫 瑞

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海 口 570228）

柴油機(jī)的熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、功率范圍廣，而且具有CO和HC排放低、運(yùn)行安全、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械［1－2］。然而調(diào)查顯示，農(nóng)業(yè)機(jī)械單機(jī)的NOx和PM排放分別是機(jī)動(dòng)車的2.0倍和1.5倍，控制農(nóng)業(yè)機(jī)械排放已經(jīng)成為亟待解決的問(wèn)題［3］。柴油機(jī)的含水燃燒是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一種有效途徑，并且可以同時(shí)改善PM和NOx排放［4］。幾十年來(lái)，清潔燃料的研發(fā)與應(yīng)用逐漸受到世界各國(guó)的重視，國(guó)內(nèi)外對(duì)乳化柴油的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了大量的前期研究，這些研究主要集中在乳化柴油的配制及乳化柴油的理化特性、燃燒特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性等方面，但總體上對(duì)乳化柴油的研究還不夠完善和系統(tǒng)。

對(duì)不同含水比例乳化柴油的經(jīng)濟(jì)性和排放性進(jìn)行研究，可為乳化柴油在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。本研究利用GT－Power仿真軟件建立295A柴油機(jī)模型，對(duì)4種不同含水比例的乳化柴油分別在不同負(fù)荷率條件下的經(jīng)濟(jì)性和排放性進(jìn)行仿真分析。通過(guò)綜合考慮乳化柴油經(jīng)濟(jì)性和排放性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最優(yōu)的含水比例乳化柴油，并在雙缸柴油機(jī)上對(duì)該乳化柴油和純柴油進(jìn)行了標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 500r／min下的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)與分析，為后期發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立與標(biāo)定

1.1 模型的建立

利用GT－Power軟件建立295A柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、曲軸箱、氣缸、噴油系統(tǒng)等模塊的模型，同時(shí)按照各模塊的要求輸入相關(guān)數(shù)據(jù)。模型添加了4種不同含水比例的乳化柴油燃料庫(kù)：ED10（純凈水10%、柴油87.2%、乳化劑及助溶劑2.8%），ED15（純凈水15%、柴油82.2%、乳化劑及助溶劑2.8%）、ED20（純凈水20%、柴油77.2%、乳化劑及助溶劑2.8%）和ED25（純凈水25%、柴油72.2%、乳化劑及助溶劑2.8%）。根據(jù)計(jì)算和相關(guān)文獻(xiàn)［5］得到不同比例乳化柴油的主要理化特性參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 乳化柴油的理化特性

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

在295A柴油機(jī)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)，該機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。主要的測(cè)試設(shè)備包括：ESF－300電渦流測(cè)功器，扭矩測(cè)量精度±0.2%FS，轉(zhuǎn)速測(cè)量精度±1r／min；AVL Disomke4000不透光煙度計(jì)，測(cè)量范圍0～99.99m－1，測(cè)量精度0.01m－1；AVL Digas4000五氣體分析儀，NOx排放測(cè)量范圍0～5 000×10－6，測(cè)量精度1×10－6。

表2 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

按照內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)方法，測(cè)試柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速（1 500r／min）下25%，50%，75%和100%等4種不同負(fù)荷率的燃油消耗率以及NOx和soot排放等。在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有調(diào)整供油壓力、噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角等原機(jī)參數(shù)。

1.3 模型標(biāo)定

為了保證所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的合理性，利用試驗(yàn)對(duì)仿真模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖1示出了燃用柴油時(shí)，不同負(fù)荷率下試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比。結(jié)果顯示：1）功率方面，試驗(yàn)值與計(jì)算值最大誤差出現(xiàn)在100%負(fù)荷下，為3.2%；2）燃油消耗率方面，相同的負(fù)荷率下試驗(yàn)值與計(jì)算值的最大誤差為3.04%；3）NOx排放方面，相同的負(fù)荷率下試驗(yàn)值與計(jì)算值的最大誤差為4.95%；4）soot排放方面，鑒于試驗(yàn)方法與計(jì)算模擬的差異，兩者按照文獻(xiàn)［6］介紹的擬合公式K＝0.006 1C－0.016 41（K 為消光系數(shù)；C為碳粒質(zhì)量濃度）進(jìn)行換算，結(jié)果顯示，在75%的負(fù)荷率時(shí)試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差最大，為3.1%。試驗(yàn)值與計(jì)算值的最大誤差均在5%以內(nèi)，因此，仿真模型符合精度要求。

2 仿真結(jié)果與分析

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速（1 500r／min）不同負(fù)荷率下，對(duì)柴油機(jī)燃用不同含水比例乳化柴油的經(jīng)濟(jì)性與排放特性進(jìn)行了仿真。

2.1 燃油消耗率

圖2示出了燃用柴油及不同比例乳化柴油時(shí)，燃油消耗率隨負(fù)荷率的變化曲線。由圖2a可知，不同含水比例乳化柴油的實(shí)際燃油消耗率都比純柴油高，并且隨著含水比例的增加而增加。由于乳化柴油中含有10%～25%的水，而水的密度大且沒(méi)有熱值，因此，乳化柴油的實(shí)際燃油消耗率高于柴油。為了方便比較，圖2b示出的是減去水的乳化柴油的當(dāng)量燃油消耗率。由圖2b可知，除ED10，ED25在25%負(fù)荷時(shí)當(dāng)量燃油消耗率高于純柴油3.2%，4.75%外，其他負(fù)荷下當(dāng)量燃油消耗率均低于純柴油；ED10，ED15，ED20和ED25在4種不同負(fù)荷下相對(duì)于柴油的平均節(jié)油率分別為2.9%，3.68%，4.2%，0.8%。隨著含水比例的增加，乳化柴油的節(jié)油率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。

原因分析：1）根據(jù)流體流動(dòng)阻力和能量損失的性質(zhì)可知，乳化柴油黏度與密度的增大將導(dǎo)致噴油時(shí)體積流量與噴射壓力降低，這對(duì)柴油機(jī)的燃燒是不利的，但是乳化柴油的當(dāng)量燃油消耗率降低，間接說(shuō)明含水燃燒提高了燃燒效率。2）根據(jù)能量守恒定律，柴油摻水后的熱值并沒(méi)有提高，含水燃燒的微爆效應(yīng)加快了燃燒速度，提高了熱效率。然而，乳化柴油的微爆強(qiáng)度與含水比例有一定的關(guān)系，含水比例過(guò)高或過(guò)低都不利于微爆的發(fā)生，微爆發(fā)生的強(qiáng)弱取決于微爆發(fā)生時(shí)油滴內(nèi)剩余水分的多少［7］。3）水在進(jìn)燃燒室前為液態(tài)，出燃燒室時(shí)為氣態(tài)，水的升溫和汽化吸收的熱量來(lái)源于燃燒室周圍零部件和燃油燃燒放出的熱量。當(dāng)含水比例過(guò)大時(shí)，大量的熱量被帶走，能量損失增加，從而降低熱效率，導(dǎo)致節(jié)油率下降［8］。另外，水的升溫和汽化是個(gè)吸熱過(guò)程，會(huì)使缸內(nèi)溫度降低，在50%～100%負(fù)荷時(shí)，降低了峰值溫度和局部高溫；但在25%負(fù)荷時(shí)，液滴的蒸發(fā)過(guò)程受到抑制，影響了此刻的燃燒效率（例如ED25當(dāng)量燃油消耗率高于柴油）?？傊?dāng)因微爆效應(yīng)而增加的未燃燃料燃燒產(chǎn)生的熱量與水在缸內(nèi)膨脹做功之和大于水的排氣熱量損失時(shí)，乳化柴油才會(huì)起到節(jié)油效果。故隨著乳化柴油含水比例的增大，乳化柴油的節(jié)油率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

2.2 有害物排放

圖3示出了乳化柴油在不同負(fù)荷率下NOx以及soot的排放變化曲線。由圖3a可知，在寬廣的負(fù)荷范圍下，燃用乳化柴油的NOx排放顯著下降，且隨著含水比例的增加，減排效果更加明顯，這說(shuō)明乳化柴油中的水分對(duì)抑制NOx的生成有直接影響。隨著負(fù)荷率的增加，乳化柴油NOx的減排效果下降。由計(jì)算可知，ED10，ED15，ED20和ED25的平均減排率分別為15.2%，26.5%，39.0%，57.1%。圖3b示出了在不同的負(fù)荷范圍內(nèi)soot的排放變化曲線。由圖可知，隨著負(fù)荷率的增加，soot的排放量增加；在相同的負(fù)荷下，隨著含水比例的增加，soot的排放減少，且隨著負(fù)荷率的升高，soot的減排效果更加明顯。由計(jì)算可知，ED10，ED15，ED20，ED25的平均減排率分別為21.4%，44.6%，60.4%，75.9%。

3 最優(yōu)乳化柴油的選取及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 經(jīng)濟(jì)性與排放性的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)

相比于柴油，乳化柴油在降低NOx和soot排放方面起到較好的效果，然而實(shí)際燃油消耗率卻相對(duì)增加，同時(shí)ED10，ED25的當(dāng)量燃油消耗率在低負(fù)荷時(shí)仍稍高于柴油。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性往往是不一致的。對(duì)于乳化柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能評(píng)估，應(yīng)綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性和排放性，將其綜合性能評(píng)價(jià)放在第一位。所以，最佳燃料的選取應(yīng)在經(jīng)濟(jì)性和排放性之間取得最優(yōu)化。結(jié)合Montgomery及Reiz［11］提出的關(guān)于柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與排放性的綜合評(píng)估方法，得出燃用乳化柴油時(shí)經(jīng)濟(jì)性與排放性的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)f（x）的表達(dá)式

式中：φ（NOx），φ（soot）代表排放量；be代表當(dāng)量燃油消耗率；φ0（NOx），φ0（soot）代表排放目標(biāo)值；be0代表燃油消耗率目標(biāo)值；a，b，c為權(quán)重系數(shù)。函數(shù)值f（x）越大，表明柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與排放性的綜合性能越好；反之，其經(jīng)濟(jì)性與排放性的綜合性能越差。

結(jié)合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)［12］的要求及295A柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，按照相應(yīng)的換算方法，將φ0（NOx），φ0（soot），be0的 值 分 別 設(shè) 置 為 960×10－6，2.5×10－6m－1，210g／（kW·h）。考察這5種變量隨負(fù)荷的變化圍繞目標(biāo)值波動(dòng)的程度，發(fā)現(xiàn)燃油消耗率的波動(dòng)程度遠(yuǎn)低于排放量的波動(dòng)程度，因此需設(shè)置較高的權(quán)重系數(shù)，同時(shí)為保證計(jì)算結(jié)果不失真［13］，將a，b，c的值分別設(shè)置為12，8，80。經(jīng)過(guò)測(cè)算得出4種不同乳化柴油在不同的負(fù)荷率下經(jīng)濟(jì)性與排放性綜合評(píng)價(jià)的函數(shù)值（見(jiàn)表3）。結(jié)果表明，乳化柴油的經(jīng)濟(jì)性與排放性綜合評(píng)價(jià)（合計(jì)）函數(shù)值均高于柴油，其中，最優(yōu)為ED15，其次為ED10。

表3 不同燃料的經(jīng)濟(jì)性與排放性綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

將經(jīng)濟(jì)性與排放性綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)的乳化柴油ED15和柴油分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)，測(cè)試這兩種燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 500r／min不同負(fù)荷率下的燃油消耗率、NOx排放值及soot排放值，同時(shí)對(duì)ED15的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析。由圖4對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)：1）ED15當(dāng)量燃油消耗率的計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大誤差為5.4%，在不同的負(fù)荷率下ED15的當(dāng)量燃油消耗率均低于柴油，節(jié)油率分別為5.5%，3.0%，1.1%，3.2%；2）ED15NOx排放的計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大誤差為4.4%；在4種不同的負(fù)荷下，ED15的 NOx減排率分別為42.7%，37.4%，11.9%，9.2%；3）ED15soot排放的計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大誤差為6.0%，隨著負(fù)荷率的增加，soot的減排效果更加明顯，在4種不同負(fù)荷率下的減排率分別為37.9%，30%，52%，47.8%。

4 結(jié)論

a）仿真結(jié)果表明，除了ED10，ED25的當(dāng)量燃油消耗率在25%的負(fù)荷率下略高于柴油外，ED10，ED15，ED20和ED25的當(dāng)量燃油消耗率在其他負(fù)荷率下均低于柴油；

b）乳化柴油在降低NOx和soot排放方面效果顯著；

c）乳化柴油的經(jīng)濟(jì)性與排放性綜合評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)算結(jié)果表明，乳化柴油的經(jīng)濟(jì)性與排放性綜合評(píng)價(jià)（合計(jì)）函數(shù)值均高于柴油，最優(yōu)為ED15，其次為ED10；

d）試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)性與排放性綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)的ED15在4種不同負(fù)荷率下的當(dāng)量燃油消耗率均低于純柴油，節(jié)油率分別為5.5%，3.0%，1.1%，3.2%，NOx減排率分別為42.7%，37.4%，11.9%，12.9%，soot減排率分別為37.9%，30%，52%，47.8%。

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