李向暉，王忠俊，陳恩博

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

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2135G船用柴油機(jī)燃用摻水乳化油試驗分析

李向暉，王忠俊，陳恩博

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

在2135G型柴油機(jī)上進(jìn)行摻水乳化油和0#純柴油對比試驗，分析不同負(fù)荷、不同摻水率條件下?lián)剿榛蛯Σ裼蜋C(jī)燃燒性能、經(jīng)濟(jì)性能、排放性能的影響，討論乳化油穩(wěn)定性、著火延遲在實際應(yīng)用中的影響因素。試驗結(jié)果表明：燃用摻水乳化油后，柴油機(jī)滯燃期延長、最高爆發(fā)壓力增大、排溫降低；當(dāng)量比油耗略有下降，經(jīng)濟(jì)性得到一定程度改善；主要排放物NOx和碳煙體積濃度均有下降，燃用摻水乳化油可以起到節(jié)油降污的作用。

乳化油；柴油機(jī)；摻水率；微爆理論；排放

目前，全世界正面臨能源短缺和環(huán)境惡化的雙重威脅，而作為占世界貿(mào)易總運量2/3的海上運輸，船舶對環(huán)境的影響不容小覷。國際海事組織(IMO)于2008年修訂了MARPOL公約附則VI《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》和《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》，旨在對船舶污染進(jìn)行限制[1]。作為船舶主要動力的柴油機(jī)如何降低排放、提高經(jīng)濟(jì)性成為了被廣泛研究的課題。柴油摻水乳化技術(shù)不僅可以在不改變原機(jī)構(gòu)造的情況下達(dá)到較好的節(jié)油效果，并且能夠有效抑制NOx、顆粒物的排放量。國內(nèi)外學(xué)者研究表明燃用摻水乳化油是船舶節(jié)油降污的重要手段，但仍存在對燃燒機(jī)理認(rèn)識不一、工質(zhì)穩(wěn)定性差、著火延遲時間增加等問題[2]。為此，通過在2135G型柴油機(jī)上進(jìn)行試驗，對比燃用純柴油和摻水乳化油時對柴油機(jī)的燃燒、油耗，以及排放的影響。

1　試驗設(shè)計

1.1試驗裝置

試驗在2135G柴油機(jī)臺架上進(jìn)行，柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格見表1。

表1　2135G柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

臺架測功器及操控臺為江蘇啟測生產(chǎn)的Y380測功器和EMC900測功監(jiān)控系統(tǒng)；試驗用到的缸壓傳感器為KISTLER生產(chǎn)的6125BU20型傳感器，所用放大器為KISTLER生產(chǎn)的5011型放大器；試驗所用到的排放測試儀器為美國CAI公司生產(chǎn)的CAI600型排放分析儀和中國佛山市南華儀器有限公司生產(chǎn)的NHT-6型不透光煙度計。

試驗使用0#輕柴油作為純柴油樣本，其物理特性參數(shù)見表2。

表2　0#柴油主要物性參數(shù)

通過電超聲裝置將同樣的純柴油制備成試驗用的乳化油，所制乳化油為油包水型(W/O)。試驗臺架見圖1。

圖1　摻水乳化油試驗臺架示意圖

1.2試驗方法

不改變柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能，在2135G型柴油機(jī)試驗臺架上，進(jìn)行純柴油和摻水乳化油的燃燒對比實驗。在控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變的情況下，選取10%、25%、50%、75%和100%負(fù)荷工況點，在每個工況點下燃用純柴油及已配制好的摻水率分別為5.00%、7.81%、10.45%、16.03%的乳化油。通過測試儀器所反映出來的結(jié)果，對比燃用純柴油和各摻水率乳化油時，柴油機(jī)燃燒、油耗、排放的差異。

2　試驗結(jié)果及原因分析

2.1燃燒性能

由于各摻水率乳化油缸壓變化趨勢大體相同，因此選取純柴油和7.81%、16.03%摻水率乳化油繪制缸壓曲線。75%負(fù)荷和25%負(fù)荷下缸壓變化見圖2、3。在75%負(fù)荷下，燃用乳化油時滯燃期變長，且滯燃期隨著摻水量的加大而變長；燃用乳化油時的最高爆發(fā)壓力相比純柴油略有升高，并且隨著摻水率的增大最高爆發(fā)壓力有上升趨勢。25%負(fù)荷與75%負(fù)荷趨勢相同，但與75%負(fù)荷相比，25%負(fù)荷下乳化油的滯燃期和最高燃燒壓力與純柴油更加貼近。柴油機(jī)摻水乳化對排溫的影響見圖4，從測量結(jié)果來看，燃用乳化油排氣溫度略有下降。

圖2　75%負(fù)荷下缸壓變化

圖3　25%負(fù)荷下缸壓變化

圖4　柴油機(jī)摻水乳化對排溫的影響

燃用摻水乳化油會使滯燃期增加，是由于乳化油中水的汽化潛熱遠(yuǎn)大于油，蒸發(fā)時吸取大量熱能，造成缸內(nèi)溫度偏低；另外由于柴油摻水乳化后油滴變大，噴油霧化時物理準(zhǔn)備時間加長，也會使滯燃期變長。隨著摻水率的增加，乳化油微爆效應(yīng)更充分，水粒沸騰吸熱，使滯燃期延長幅度加大。而最高爆發(fā)壓力增大是因為微爆效應(yīng)，增進(jìn)了混合氣均勻度，使著火滯燃期變長，燃前的預(yù)混合量增多，著火后壓力升高率和最高爆發(fā)壓力均會略有增加[3]。乳化油微爆效應(yīng)見圖5。

圖5　乳化油油滴微爆效應(yīng)示意

燃用乳化油時排氣溫度有所降低，主要原因是摻水乳化油中水蒸發(fā)吸熱，使氣缸內(nèi)局部溫度降低；此外乳化油的微爆作用造成二次霧化的效果，使預(yù)混燃燒量增多，燃燒的等容度提高，即在接近上止點處完成膨脹過程，因此后燃減輕，排溫降低。

2.2經(jīng)濟(jì)性能

由于乳化油中含有水相、油相兩相，因此衡量柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性時應(yīng)將乳化油的比油耗換算成國標(biāo)0#柴油對應(yīng)的比油耗，再與純柴油進(jìn)行對比。在這里引入當(dāng)量耗油量與當(dāng)量比油耗概念。

(1)

當(dāng)量比油耗=當(dāng)量油耗/有效功率

(2)

當(dāng)量比油耗be隨負(fù)荷的變化情況見圖6。由圖6可見，在大多數(shù)負(fù)荷情況下，各個摻水率乳化油的當(dāng)量比油耗都略有下降，但節(jié)油效果不明顯。在低負(fù)荷時，除5%摻水率以外的乳化油沒有起到節(jié)油作用，當(dāng)量比油耗不降反升。由試驗結(jié)果看出，當(dāng)摻水率為5%時，節(jié)油效果最好，其平均節(jié)油率3.8%左右，最大節(jié)油率為5.4%。

圖6　柴油機(jī)摻水乳化對當(dāng)量比油耗的影響

燃用乳化油當(dāng)量比油耗略有下降，是由于乳化油微爆作用，大的油滴爆裂為細(xì)小顆粒，霧化和燃燒得到了改善，進(jìn)而燃燒速率提升；同時噴霧的動量及貫穿距增加，使油氣摻混充分，燃燒效果更好。而在低負(fù)荷時，乳化油中水的作用使滯燃期增加，且乳化油的微爆作用在低負(fù)荷噴油量小時效果甚微，因此造成燃燒持續(xù)期變長，后燃增加，達(dá)不到節(jié)油的效果[4]。而隨著負(fù)荷升高，缸內(nèi)處于高溫狀態(tài)，之前低負(fù)荷時由于低溫沒有發(fā)生微爆的油滴進(jìn)而會產(chǎn)生微爆效應(yīng)，促進(jìn)油氣混合，改良了工質(zhì)燃燒情況，使比油耗下降。摻水率對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響與工況和用油有關(guān)，摻水率過低時，弱的微爆作用起不到節(jié)油效果；摻水率過高時，水汽化過分吸熱會導(dǎo)致缸內(nèi)溫度過低，阻礙工質(zhì)燃燒和柴油機(jī)做功。

2.3排放性能

摻水乳化油對NOx、碳煙的影響見圖7、8。對比可知，燃用摻水乳化油的NOx排放有一定程度的下降，且隨著摻水率的升高，NOx排放呈線性降低的趨勢。摻水率16.03%的乳化油降低效果最明顯，最大降低率27.3%。相比于對NOx排放的限制，燃用乳化油對煙度排放的限制更易受到負(fù)荷的影響。在低負(fù)荷時，燃用乳化油的煙度水平降低不明顯；但在中高負(fù)荷下，煙度水平有大幅度降低，最大降低率達(dá)到75.7%。

圖7　柴油機(jī)摻水乳化對NOx的影響

圖8　柴油機(jī)摻水乳化對煙度的影響

燃用乳化油可以從3個方面抑制NOx的生成。首先，乳化油燃料中含有高汽化潛熱的水，水的汽化吸熱使最高燃燒溫度和缸內(nèi)溫度降低，可以阻礙NOx的生成；其次，燃油摻水后水與氧原子形成大量OH-離子，稀釋了氧原子，防止了局部富氧的現(xiàn)象[5]；另外，乳化油的微爆作用使燃燒持續(xù)時間變短，讓氮氣不能長時間停留在高溫部位。因此，燃用摻水乳化油在各方面抑制了NOx生成量。

柴油機(jī)中的碳煙一般在燃燒溫度高、局部缺氧的部位產(chǎn)生。燃用摻水乳化油可以使缸內(nèi)最高溫度下降，從溫度方面抑制了碳煙的產(chǎn)生；此外由于乳化油微爆效應(yīng)使油氣摻混更完全，減少了局部缺氧地區(qū)的出現(xiàn)；還有氣缸內(nèi)水蒸氣在缺氧的條件下，將發(fā)生水煤氣反應(yīng)，生成可燃燒的H2和CO[6]，進(jìn)一步減少了碳煙中碳粒子的含量。因此，燃用乳化油能夠較好的降低碳煙排放。

3　乳化油的應(yīng)用

現(xiàn)如今，用加水的方式來優(yōu)化柴油機(jī)油耗、排放的實例有很多。例如，油水乳化后形成新的工質(zhì)、添加新的噴嘴將水直接噴入燃燒室、將水噴入進(jìn)氣道再進(jìn)入缸內(nèi)燃燒等[7]。在實際應(yīng)用中，采用摻水乳化油在節(jié)油降污方面的效果是最好的。然而，船機(jī)在燃用乳化油的過程中還是會受到各種因素的制約。

首先，乳化油制備后的穩(wěn)定性是柴油機(jī)燃用乳化油時不能忽視的因素。穩(wěn)定性直接影響了乳化油的燃燒效果，穩(wěn)定性差時，會造成油水分層，不但達(dá)不到節(jié)油降污的要求，有時甚至還會造成熄火[8]。另外，柴油機(jī)的著火延遲受到摻水率的影響。摻水率過大時，會增長著火延遲時間，導(dǎo)致柴油機(jī)啟動困難。

3.1乳化油的穩(wěn)定性

乳化油在制備完成之后，由于水與柴油密度不同以及水自身的凝聚作用，乳化油內(nèi)部必定會經(jīng)歷分層、絮凝、變型、破乳的油水分離過程，而乳化油的穩(wěn)定性就是減緩這種分離過程的能力。乳化油穩(wěn)定性受到多種條件的影響，不但與乳化劑的種類用量相關(guān)，還與乳化溫度、摻水率及乳化裝置等有很大關(guān)聯(lián)。

1)乳化劑性質(zhì)、用量的影響。乳化油穩(wěn)定性首先與制備時乳化劑的性質(zhì)及用量相關(guān)。乳化劑使工質(zhì)顆粒中的油水界面生成一層界面膜，乳化劑用量少即濃度低時，界面膜的強(qiáng)度差，乳化油穩(wěn)定性差；而用量加大時，油水間的界面膜分子作用更強(qiáng)烈，排列更緊密，穩(wěn)定性變強(qiáng)[9]。對于乳化劑的性質(zhì)而言，則是使用復(fù)合型乳化劑優(yōu)于單相型乳化劑。

2)摻水率的影響。實踐和理論均證明，乳化油中加水越多，乳化油分層速度就越快，保持穩(wěn)定的時間越短[10]。

3)乳化溫度的影響。乳化油在乳化時存在最佳溫度。溫度過高時，一方面油、水、乳化劑粘度都會下降，導(dǎo)致穩(wěn)定性惡化；另一方面由于油相、水相受熱膨脹程度不同，因此溫度升高會使分子擾動增大，穩(wěn)定性降低。

3.2乳化油的著火延遲

乳化油中由于水的加入，造成缸內(nèi)溫度降低，滯燃期變長，因此增加了著火延遲時間。乳化油的著火延遲時間受到以下幾種因素影響：

1)摻水率的影響。摻水率對乳化油的著火延遲起著決定性作用，摻水率過大會造成柴油機(jī)難以著火。研究表明，摻水率大于50%以上，則乳化燃料起不到燃燒的效果，柴油機(jī)不能啟動[11]。

2)添加劑的影響。在乳化油中摻入易點燃、易揮發(fā)的添加劑可以明顯減少乳化油著火延遲時間，并改善缸內(nèi)燃料燃燒。這是由于添加劑在缸內(nèi)先于燃料揮發(fā)而發(fā)生氧化反應(yīng)，缸內(nèi)溫度得到提高。揮發(fā)性越好的添加劑越能加快放熱反應(yīng)速率，減少著火延遲時間。

3)環(huán)境壓力的影響。環(huán)境壓力對推遲著火起著雙向作用。首先，壓力提高致使反應(yīng)速率增加，縮短著火延遲時間；另外，壓力提高引起工質(zhì)中各組分沸點升高，導(dǎo)致著火延遲時間延長。經(jīng)研究表明，兩種作用綜合的結(jié)果是壓力升高能減少著火延遲時間[12]。

4　結(jié)論

1)燃用乳化油使滯燃期變長，最高燃燒壓力略有增大，排氣溫度降低。燃用乳化油后，當(dāng)量比油耗略有降低，經(jīng)濟(jì)性得到一定程度改善，最大節(jié)油率為5.4%。柴油機(jī)NOx、碳煙均隨乳化油摻水率增大而降低， NOx最大降低率為27.3%，碳煙最大降低率可達(dá)75.7%，使這兩者同時降低是摻水乳化油的獨特效果。

2)2135G型柴油機(jī)在實船應(yīng)用中摻水率5.00%時綜合經(jīng)濟(jì)性最佳；而摻水率16.03%時綜合排放性最好。

3)在應(yīng)用方面，乳化油穩(wěn)定性、摻水率大時柴油機(jī)啟動難度是乳化技術(shù)的關(guān)鍵。穩(wěn)定性易受乳化劑性質(zhì)用量、摻水率、乳化溫度等影響；著火延遲易受摻水率、添加劑及環(huán)境壓力等影響。

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Analysis on the Experiment of Using Water Emulsified Diesel on 2135G Marine Diesel Engine

LI Xiang-hui, WANG Zhong-jun, CHEN En-bo

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The contrast experimental analysis is carried out between using emulsified fuel and diesel on 2135G-diesel engine. The effects of emulsified on the features of combustion, economy and emission for diesel engine under various load and water content ratio are investigated, as well as the influence factors of stability and ignition delay of emulsified oil in practical application. The results show that the emulsified fuel can prolong ignition delay period and increase maximum combustion pressure. It can also decrease discharge temperature. The emulsified fuel can decrease fuel consumption rate, raise economic efficiency and reduce the emission of NOx and Soot obviously. In a word, emulsified fuel has functions of saving fuel and reducing pollution.

emulsified fuel; diesel engine; water content ratio; micro-explosion theory; emission

2016-03-26

2016-04-13

交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2015329811130)

李向暉(1992—)，男，碩士生

U664.121

A

1671-7953(2016)04-0126-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.029

研究方向:內(nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化及排放控制

E-mail:476393686@qq.com