柴油機(jī)摻燒重柴油的可行性研究

2013-12-23 04:50:56陳新梅

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2013年1期

陳新梅

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

能源問題在世界范圍內(nèi)成為越來越嚴(yán)重的一個問題，各國都在“開源節(jié)流”以緩解本國的能源壓力，比如美國、歐盟諸國、馬來西亞、日本等國家都在進(jìn)行生物柴油、甲醚等代用燃料的研究，這就是開源；另一種方法就是提倡節(jié)約能源，開展各種各樣的節(jié)能措施。

本文通過對2135柴油機(jī)做摻燒重柴油的試驗，來研究中小型柴油機(jī)上使用劣質(zhì)燃油的可行性。中小型柴油機(jī)燃用處理好的重柴油，首要是保證柴油機(jī)能長時間穩(wěn)定運(yùn)行，即需要研究柴油機(jī)摻燒重柴油的性能指標(biāo)；其次是根據(jù)越來越嚴(yán)格的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，討論柴油機(jī)摻燒重柴油的排放指標(biāo)。

1 試驗裝置及效果

因為重柴油的粘度過高，在中小型柴油機(jī)上直接燃燒會有困難，試驗過程中需要對重柴油加熱，降低重柴油粘度以提高重柴油的霧化質(zhì)量，優(yōu)化燃燒質(zhì)量。基于這一原理，試驗裝置關(guān)鍵部分是重柴油的加熱以及重柴油和輕柴油的混合。

試驗裝置配套的柴油機(jī)型號是2135柴油機(jī)。主要設(shè)備還包括：LCS 油耗轉(zhuǎn)速測量儀，LCS 油耗稱，DY2000 溫度傳感器，D4 水力測功器，PROTECH 不透光柴油煙度計，噪聲測量儀。臺架的布置盡量滿足試驗要求，且盡可能的反映實際情況。圖1為柴油機(jī)熱平衡試驗臺架示意圖。

圖1 熱平衡試驗平臺組成

2 試驗研究的結(jié)果分析

以下將分析2135柴油機(jī)摻燒重柴油后的性能指標(biāo)和排放指標(biāo)。包括對燃油加熱等預(yù)處理，摻入燃油添加劑，更換新型濾芯等試驗措施時，試驗結(jié)果的分析比較。

2.1 摻燒重柴油對柴油機(jī)負(fù)荷特性及排放特性的影響

內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷特性是指當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速不變時，燃油消耗率或燃料消耗量，有時也加上排氣溫度等性能參數(shù)隨負(fù)荷而變化的關(guān)系。因為柴油機(jī)在實際運(yùn)行時很難保持轉(zhuǎn)速不變，所以，負(fù)荷特性一般是在試驗臺架上測取，本試驗就是在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下測取的負(fù)荷特性。

圖2、圖3 分別為燃燒0 號純柴油及摻燒50%20號重柴油的負(fù)荷特性線。由圖可見，當(dāng)保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變、負(fù)荷增加時，0號純柴油及摻燒50%20號重柴油的燃油消耗量均上升，而燃油消耗率先下降后平緩并有上升的趨勢。這是因為，轉(zhuǎn)速不變時，其充量系數(shù)基本保持不變，當(dāng)負(fù)荷增大時所需功率增加，需要更多的燃油支持燃燒，燃油消耗量必然增加，而可燃混合氣的過量空氣系數(shù)φa 隨負(fù)荷的增加而逐漸減少，當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷過大時，φa 過小，導(dǎo)致燃燒惡化，當(dāng)燃油耗量的增加率大于功率的增加率時，燃油消耗率上升。

圖2 燃燒0號柴油的負(fù)荷特性

圖3 摻燒20號重油的負(fù)荷特性

比較摻燒燃料的耗油率，如圖4所示，相同的功率負(fù)荷比下，摻燒重油的燃油消耗率較高，0號純柴油的耗油率較低，這與理論相符合。因為重柴油密度比純柴油高，但燃燒值比純柴油低，當(dāng)達(dá)到相同功率要求時，耗油率必然增加。從圖4還可看出，燃油消耗率的最低點依次從純柴油、摻燒重油右移。在負(fù)荷特性曲線上，最低燃油消耗率越小，內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性越好；be曲線越平坦，在越寬廣的負(fù)荷范圍內(nèi)能保持較好的燃料經(jīng)濟(jì)性。由此可見，純柴油的負(fù)荷適用范圍最廣，適于路況多變的汽車，摻燒油適于工況變化不大的工程機(jī)械及中小型船舶。最低燃油消耗率右移，說明摻燒油在負(fù)荷較大時有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性，這也與工程機(jī)械與船舶主機(jī)一般負(fù)荷較大相匹配。

圖5為100%純柴油和摻燒50%重柴油燃燒時不同工況下的排氣溫度比較。由圖可見，排氣溫度隨著負(fù)荷的增加而增加，這就表示隨負(fù)荷的增大，排氣能量增大，可供回收利用的熱量也將增大。比較摻燒重柴油的排氣溫度比燃燒0號純柴油的排氣溫度，在各種工況下，摻燒重柴油的溫度都比較高，不會影響排氣余熱的利用。

圖4 摻燒燃料的耗油率比較

圖5 摻燒燃料的排氣溫度的比較

2.2 燃料及設(shè)備改進(jìn)對柴油機(jī)工作性能影響

（1）摻入燃油添加劑的影響

圖6為0號柴油無添加劑和Ⅰ型添加劑及Ⅱ型添加劑的耗油率及排放的比較，添加劑Ⅰ為柴油清凈劑，添加劑Ⅱ采用了液相納米分散技術(shù)。所謂液相納米技術(shù)，即用脂肪酸對納米微粒進(jìn)行表面修飾，使其在油中的分散穩(wěn)定性得到提高。由圖可見，Ⅰ型添加劑使燃油耗油量、排放煙度、CO、CO2、HC等均有大幅提高，Ⅱ型添加劑與無添加劑比較，降低了燃油消耗率，排放煙度、CO、CO2、NO 的排量變化不大，HC 排放量在低速區(qū)比較高，但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)排放比較好。綜合比較，燃油添加劑Ⅱ的綜合指標(biāo)較好，改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性，減少有害排放，可以推廣使用。

（2）有無新型濾清器的影響

劣質(zhì)油因為粘度大，殘?zhí)肌r青、灰分含量高，易導(dǎo)致燃燒不良，使燃燒室、排氣系統(tǒng)污染，積碳增加，磨損活動機(jī)件等。一般采用預(yù)處理的方法清除不純物質(zhì)，如使用燃油濾清器。本試驗通過對換用新型濾清器前后燃燒結(jié)果的比較，來分析加強(qiáng)預(yù)先處理對柴油機(jī)燃油消耗率及排放的影響。

圖6 摻入添加劑的油耗率和尾氣排放的比較

圖7為供油系統(tǒng)中有無新型濾清器的燃油消耗率和排放煙度的比較。由圖可知，使用新型濾清器后，燃油消耗率在低轉(zhuǎn)速處略有增加，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時基本不變，在高轉(zhuǎn)速處耗油率降低。因為新型濾清器更好的過濾掉燃油中的殘?zhí)肌⒒曳?、瀝青等不純物質(zhì)，排放煙度有明顯的降低。

圖7 采用新舊型濾清器油耗率和尾氣排放的比較

3 試驗總結(jié)及展望

此次對2135型柴油機(jī)摻燒重柴油的臺架實驗，通過分析負(fù)荷特性和排放特性，得出如下結(jié)論：

（1）摻燒劣質(zhì)油需加熱。低質(zhì)燃油粘度較高，不利于噴油系統(tǒng)中濾清器和精密偶件的正常工作。燃油粘度受溫度影響較大，設(shè)計合理、運(yùn)行正常的加熱及溫控系統(tǒng)在中小型船舶應(yīng)用低質(zhì)燃油中有著關(guān)鍵作用。試驗結(jié)果顯示，柴油機(jī)的負(fù)荷特性和排放特性都略有升高。但能保證柴油機(jī)長時間運(yùn)行工作穩(wěn)定，排氣溫度略有升高，對余熱利用沒有影響。

（2）摻燒重柴油的預(yù)處理須得當(dāng)。燃油加熱溫度應(yīng)適當(dāng)，溫度太高會危及噴油泵、噴油器的工作可靠性，也浪費(fèi)加熱能量；溫度太低粘度偏高，會影響噴油、霧化和混合，柴油機(jī)性能欠佳。一般低質(zhì)燃油（如20＃重柴油）加熱到65OC 左右較合理。

（3）進(jìn)行了使用添加劑和應(yīng)用新型設(shè)備對柴油機(jī)的負(fù)荷特性和排放特性的影響的研究。結(jié)果表明，不同的添加劑對燃燒和排放特性有不同的效果，選用合適的添加劑能明顯的改進(jìn)柴油機(jī)的工作性能。同時，摻燒重油時選用新型濾清器對排放性能有明顯的改善，使排放煙度大幅降低。

內(nèi)河中小型船舶動力以高速和中速柴油機(jī)為主，部分為車用柴油機(jī)的變型機(jī)。相對于車用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較低，缸徑偏大，船舶布置和機(jī)艙空間允許利用排氣和冷卻熱量加熱燃油，有利于低質(zhì)燃油的采用。試驗臺架的研究為中小型柴油機(jī)摻燒重柴油的可行性提供了依據(jù)，希望盡快進(jìn)行實船實驗。