馬志義，陳昊，宋俊良，趙福磊

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710064）

廢棄油脂生物柴油摻水微乳化燃料的燃燒與排放

馬志義，陳昊，宋俊良，趙福磊

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710064）

為了研究添水量對(duì)生物柴油燃燒與排放的影響，在一臺(tái)兩缸直噴式柴油機(jī)上對(duì)不同摻水量廢棄油脂生物柴油的燃燒與排放特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究.研究結(jié)果表明：隨著摻水量的增加，峰值燃燒壓力增加；CO與HC略有增加，但它們排放絕對(duì)值很低且不是柴油機(jī)的主要排放污染物；NOx排放明顯降低；小負(fù)荷時(shí)碳煙排放增加，大負(fù)荷時(shí)碳煙排放明顯降低；排氣溫度明顯降低；比油耗略有增加.研究結(jié)果證明：柴油機(jī)使用摻水微乳化燃料，可以改善燃燒狀況，控制主要排放污染物.

摻水量；生物柴油；微乳化；燃燒；排放

0 引言

石油資源的日益緊缺加快了柴油機(jī)替代燃料的開發(fā)與應(yīng)用.在我國(guó)，二甲醚、液化石油氣、生物柴油與醇類等柴油機(jī)優(yōu)良替代燃料形成了多元化區(qū)域性發(fā)展態(tài)勢(shì).生物柴油是指以油料作物、野生油料作物和工程微藻等水生植物油脂，以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油等為原料油通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料[1-6].生物柴油以其來(lái)源廣泛、物理性能與柴油相近、環(huán)境友好以及可直接在柴油機(jī)上燃用等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛關(guān)注深入研究與初步應(yīng)用[7-13].

摻水微乳化燃料是指燃料油與水形成透明、澄清的熱力學(xué)穩(wěn)定的油包水型燃料.這種微乳化燃料與常規(guī)的乳化燃料相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①長(zhǎng)期放置后，燃料穩(wěn)定，油水不分層；②油包水型微乳化燃料的內(nèi)相是水，水的沸點(diǎn)比油低，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)，總是作為燃料內(nèi)相的水先達(dá)到沸點(diǎn)而汽化，從而產(chǎn)生微爆效應(yīng)，有利于燃料燃燒更加完全，從而降低污染物排放.

目前對(duì)生物柴油的研究已經(jīng)非常深入完善.在柴油機(jī)上燃用生物柴油，動(dòng)力性基本一致（略有降低）；HC、CO與碳煙排放降低；NOx排放增加.摻水微乳化燃料由于水汽化吸熱而降低燃燒溫度，是控制NOx排放的有效措施.文獻(xiàn)[1]對(duì)生物柴油（大豆油為原料）摻水微乳化燃料的配制與性能進(jìn)行了研究，此項(xiàng)研究為首創(chuàng)，但是存在一些問題：水的比例?。ㄗ罡叩幕A(chǔ)燃料∶水體積比為100∶1）；助溶劑乙醇在基礎(chǔ)燃料中比例為20%，燃料的熱值降低較多；作為生物柴油原料，廢棄油脂比大豆油更為合適.

基于以上分析，文中將乙醇體積比例限制為10%，同時(shí)提高摻水量，研究了多種表面活性劑及復(fù)配配方，并篩選了適合廢棄油脂生物柴油摻水微乳化燃料的配方；對(duì)不同摻水量比例摻水微乳化燃料的燃燒特性，經(jīng)濟(jì)性和排放特性進(jìn)行研究.推動(dòng)車用柴油機(jī)替代能源的開發(fā)與節(jié)能減排的深入開展.

1 試驗(yàn)設(shè)備和燃料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用柴油機(jī)型號(hào)是CT2100Q，為雙缸直噴式，標(biāo)定功率為13.7 kW，缸徑為100 mm，活塞行程為105 mm，排量為1.7 L，壓縮比為17，供油提前角為19±1°，最大扭矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min.

采用CB566型燃燒分析儀，壓力傳感器，電荷放大器，曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生器以及光電傳感器等組成的一套動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試設(shè)備，用于分析測(cè)錄發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓；采用AVL Digas 4000發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析儀測(cè)量HC、CO與NOx排放；采用AVL Dismoke 4000部分流不透光煙度計(jì)測(cè)量碳煙排放，選擇消光系數(shù)K（m-1）表示碳煙排放.

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)選取了以廢棄油脂為原料制成的生物柴油，不含水分；選取普通自來(lái)水作為微乳化對(duì)象.選取無(wú)水乙醇作為助溶劑，當(dāng)生物柴油和乙醇體積比為9∶1時(shí)（記為E10），加入表面活性劑AEO-9和吐溫20（4∶1）的復(fù)配乳化劑，通過手動(dòng)攪拌就可與水形成穩(wěn)定的微乳化燃料.100 mL E10最大摻水量與復(fù)配乳化劑的關(guān)系見表1.

表1 E10微乳化燃料最大摻水量

由表1可知，隨著復(fù)配乳化劑添加量的增加，E10的最大摻水量增加.考慮到乙醇熱值較低，摻水量高會(huì)引起微乳化燃料熱值大幅度降低.同時(shí)，摻水量的小幅度增加，需要大量表面活性劑.因此綜合考慮選擇兩種摻水比例與純生物柴油進(jìn)行對(duì)比，分別為BD100W1和BD100W3（分別表示100 mL E10中添加1 mL或3 mL水）.

2 結(jié)果分析

2.1 燃燒壓力

轉(zhuǎn)速分別為1500 r/min、1800 r/min，扭矩分別為40 N·m，60 N·m時(shí)，兩種摻水微乳化燃料（BD100W1和BD100W3）與純生物柴油（BD100）燃燒壓力對(duì)比見圖1.

通過圖1可以看出，與BD100相比：①1500 r/min時(shí)，兩種微乳化燃料的峰值燃燒壓力隨摻水量的增加而增加，且增加的幅度隨負(fù)荷的增加而增加.這是由于：一方面，乙醇含氧量為34.78%，遠(yuǎn)高于生物柴油的10%，因此燃燒開始以后，BD100W1和BD100W3的高含氧量將加快燃燒速度；另一方面，水作為微乳化燃料的內(nèi)相，氣缸內(nèi)總是內(nèi)相的水先達(dá)到沸點(diǎn)，吸熱汽化，使燃料產(chǎn)生微爆，相當(dāng)于燃料的二次霧化，從而使燃料燃燒更加完全.②1800 r/min時(shí)，兩種微乳化燃料的峰值壓力隨摻水量的增加而增加，原因同上；隨負(fù)荷增加的變化沒有明顯規(guī)律.因此，燃燒速度的加快和燃燒完全程度的增加使摻水微乳化燃料峰值燃燒壓力增加.

圖1 燃燒壓力對(duì)比

2.2 燃料經(jīng)濟(jì)性

1500 r/min下，三種燃料比油耗的對(duì)比見圖2.比油耗由實(shí)測(cè)30秒的燃料消耗量折算得到.與BD100相比：BD100W1與BD100W3的比油耗增加，且隨著摻水量的增加，增加的幅度增加.這是由于兩種微乳化燃料熱值低，發(fā)出相同功率必須噴入更多燃料.

圖2 1500r/min下比油耗對(duì)比

2.3 排放

文中對(duì)轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)BD100W1，BD100W3與BD100的排放污染物CO，HC，NOx和碳煙進(jìn)行了對(duì)比研究，對(duì)比結(jié)果見圖3～圖6.

從圖3中可以看出：①HC排放的變化趨勢(shì)基本一致.HC排放先隨著負(fù)荷增加而降低，至大負(fù)荷時(shí)開始增加.原因分析如下：在小負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度較低，形成的猝冷層較厚，同時(shí)已燃?xì)怏w的溫度較低因此冷激效應(yīng)明顯，故在小負(fù)荷時(shí)三種燃料的HC排放較高；隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)的熱力狀態(tài)大幅度提高，燃燒溫度上升，冷激效應(yīng)逐漸減弱使得HC排放逐漸減少；當(dāng)達(dá)到高負(fù)荷時(shí)，由于供油量增加導(dǎo)致過量空氣系數(shù)減小，未燃HC增加.②與BD100相比，BD100W1和BD100W3的HC排放增加，且隨摻水量的增加而增加.摻水微乳化燃料中乙醇和水汽化吸熱降低了缸內(nèi)溫度，因此冷激效應(yīng)產(chǎn)生的HC排放增加.

從圖4中可以看出：①CO排放的變化趨勢(shì)基本一致，隨負(fù)荷增加，CO排放先降低，而后增加.這是因?yàn)樨?fù)荷增加，氣缸整體熱力狀態(tài)提高，燃燒更加完全，CO排放降低；在大負(fù)荷時(shí)，由于循環(huán)供油量增加，燃油霧化質(zhì)量相對(duì)較差，導(dǎo)致燃燒不完全程度增加，不完全燃燒產(chǎn)物CO排放增加.②與BD100相比，BD100W1和BD100W3的CO排放略有增加.這是由于隨著摻水量增加，冷激效應(yīng)增強(qiáng)，不完全燃燒產(chǎn)物CO排放增加.這與前文摻水微乳化燃料燃燒完全并不矛盾，微爆效應(yīng)確實(shí)使得燃燒完全，但是由于摻水微乳化燃料的冷激效應(yīng)以及燃燒速度的加快，未參加燃燒的燃料被部分氧化，導(dǎo)致CO排放略有增加.

圖3 HC排放對(duì)比

圖4 CO排放對(duì)比

圖5 碳煙排放對(duì)比

圖6 NOx排放對(duì)比

從圖5中可以看出：①在小負(fù)荷時(shí)，與BD100相比，BD100W1和BD100W3的碳煙排放增加，且隨摻水量增加而增加.在小負(fù)荷時(shí)，氣缸內(nèi)熱力狀態(tài)差，摻水微乳化燃料冷激效應(yīng)強(qiáng)化，使得碳煙排放增加.②中高負(fù)荷時(shí)，BD100W1和BD100W3的碳煙排放大幅度降低.這是由于：一方面，隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)溫度逐漸升高，熱力狀態(tài)改善，且生物柴油摻水微乳化燃料的微爆效應(yīng)，使得參加燃燒的燃油在缸內(nèi)混合更為均勻，燃燒更加充分，碳煙排放明顯降低；另一方面，摻水微乳化燃料的缸內(nèi)溫度下降，同時(shí)，由于水的微爆效應(yīng)，燃料粒子更加細(xì)小，混合氣更加均勻，使得氣缸內(nèi)局部高溫缺氧的情況弱化，從而脫氫裂解生成碳煙的情況相對(duì)弱化.

從圖6中可以看出：與BD100相比，BD100W1和BD100W3的NOx排放在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)明顯降低，且隨摻水量的增加NOx排放降低的幅度增加.這是由于：①與BD100相比，摻水微乳化燃料微爆后粒子更加細(xì)小，與空氣混合的更加充分，燃燒更加完全，氧氣的利用率高，氧濃度降低，抑制了NOx的生成；②水與乙醇汽化吸熱，降低了燃燒溫度，有利于降低NOx的生成.燃燒溫度降低可以從實(shí)測(cè)的排氣溫度來(lái)反映.轉(zhuǎn)速1500 r/min下不同燃料實(shí)測(cè)排氣溫度見圖7，可以看出，隨著摻水量的增加，實(shí)測(cè)的排氣溫度逐漸降低，而燃燒溫度必然也是降低的.

圖71500 r/min下排氣溫度對(duì)比

3 結(jié)論

（1）廢棄油脂生物柴油在乙醇以及復(fù)配表面活性劑的共同作用下，可以與水形成澄清透明的微乳化燃料.該燃料具有很好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，放置3個(gè)月后仍不分層，并且可以直接在柴油機(jī)上使用.

（2）廢棄油脂生物柴油摻水微乳化燃料的峰值燃燒壓力增加；微爆效應(yīng)使得燃燒更加完全.

（3）廢棄油脂生物柴油摻水微乳化燃料的HC與CO排放略有增加，但是這兩種都不是柴油機(jī)的主要污染物且排放絕對(duì)量很低；NOx排放明顯降低；碳煙排放在小負(fù)荷時(shí)增加，中高負(fù)荷時(shí)大幅度降低.因此生物柴油摻水微乳化燃料是一種清潔替代燃料.

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Combustion and emission of micro-emulsion waste oil biodiesel mixed with water

MA Zhi-yi，CHEN Hao,SONG Jun-liang,ZHAO Fu-lei

（School of Automobile,Chang＇an University,Key Laboratory of Development and Application for New Transportation Energy of Shaanxi Province，Xi＇an 710064,China）

To study the influence of water content on the combustion and emissions of biodiesel,combustion and emission,fuels of different water contents are compared in a two cylinder direct injection diesel engine.Results show that,with the increase of water content,peak burning pressure increases;CO and HC increases slightly,but the emission absolute value is very low and it is not the main pollutants of diesel engine;NOxemissions decrease significantly;smoke emission increases at small load,while smoke emission decreases significantly at large load;emission temperature reduces significantly;specific fuel consumption increases slightly.Results show that when diesel engines employs micro-emulsions fuel mixed with water,the combustion can be improved and the main emissions can be controlled.

water content;biodiesel;micro-emulsion;combustion;emission

U464.172;TE626.24

A

2012-07-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（CHD2010JC095）；長(zhǎng)安大學(xué)基礎(chǔ)研究支持計(jì)劃專項(xiàng)基金

馬志義（1962-），男，實(shí)驗(yàn)師，主要從事交通新能源、內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制等方面的研究，E-mail:colen7680@126.com.

2095-3046（2012）05-0006-05