生物乳化柴油对船用柴油机性能和排放影响的试验研究

朱成玮，余凯，金志伟，刘宇，肖进

(上海交通大学 动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240)

船用柴油机由于经济性和可靠性等方面的优势，占据了船舶动力装置90%以上[1]的份额。一直以来，船用柴油机的污染物排放是大气污染的来源之一，主要包括氮氧化物(NOx)、碳烟、颗粒物(PM)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)[2]。NOx排放将引发酸雨、破坏臭氧层[3]，碳烟颗粒物则会引发各类呼吸系统疾病和肺癌[4]。随着人们对环境污染的日益重视，国际排放法规也越来越严格。2005年5月生效的MARPOL73/78公约附则VI规定了船舶NOx排放标准和排放控制区域，2008年通过的MARPOL公约附则VI修正案规定了更为严格的Tier Ⅱ和TierⅢ排放标准，分别针对2011年和2016年以后生产的船用柴油机[1,5]。日益严苛的排放法规迫使业界内急需开展内燃机技术改进和替代燃料的研究。

生物柴油是指来自可再生油脂原料的长链脂肪酸甲酯[6]，碳链长度通常为14～18，与普通柴油相近，应用于柴油机时不需对其结构做任何修改[7-8]。餐厨废油被认为是最具有利用价值的生物柴油制备原料，不会引发生物柴油和粮食的竞争问题，而且把餐厨废油转化成生物柴油是一种有效的回收策略，既可以提高生物柴油的生成产量，也可以减少对土壤和水源的污染[9-10]。国内外研究表明，柴油机燃用生物柴油能够有效降低碳烟、颗粒物、HC和CO等的排放，但会增加NOx的排放[11]。

本研究针对柴油机排放污染以及柴油机燃用普通生物柴油NOx排放较高的问题，提出在利用餐厨废油作为原料制成的生物柴油中掺混乳化剂、水、丁醇和柴油，形成生物乳化柴油应用于柴油机。其中，水的蒸发与微爆[12-14]可以分别降低缸内温度和改善油气混合质量，从而提高燃烧效率，改善NOx排放；丁醇作为含氧燃料可以改善燃烧，降低NOx和PM排放[15]。

在恒定转速下，对柴油机燃用柴油、生物柴油和3种不同配比的生物乳化柴油进行试验，对比其燃烧特性、动力性、经济性和排放特性。旨在探究将餐厨废油制成的生物乳化柴油应用于船用辅机，并在满足动力性的前提下降低NOx和碳烟等排放的可行性。

1 试验方法

1.1 试验样机及测试设备

试验所用柴油机为潍柴WP6.240型，直列6缸、四冲程、涡轮增压中冷、高压共轨直喷式柴油机。发动机排量6.23 L，缸径105 mm，冲程120 mm，压缩比18，额定功率132 kW(转速2 300 r/min)，最大扭矩650 N·m(转速1 400～1 600 r/min)。试验使用CE-52HA型电涡流测功机和EIM0301D型测控仪对柴油机转速和扭矩进行控制。采用6052C型气缸压力传感器和5018A电荷放大器采集气缸压力信号，并通过OSIRIS Revolution II型燃烧分析仪分析处理信号，曲轴每转过1°采集1次气缸压力信号，连续采样100个发动机工作循环。油耗使用CF050M319N6BZMZZZ型智能油耗仪测量。采用DISMOKE 4000不透光烟度计测量排放烟度，采用CEB series II排放分析仪测量NOx、CO、CO2、HC等的排放。

1.2 试验燃料

使用市场上销售的国五柴油、生物柴油B100(不掺混其他燃料的纯生物柴油,以餐厨废油为原料制备)以及3种不同配方的生物乳化柴油E10、E15、E20(生物乳化柴油中柴油的质量分数分别为90%、85%、80%，其余成分的质量分数见表1)进行试验。燃料的详细成分和理化特性分别如表1所示。其中运动黏度和密度是20 ℃时的测定值。

表1 燃料油品组分及理化特性

1.3 试验工况

试验按符合ISO 8178标准的船用辅机恒定转速试验(D2)模式进行[16]，即在额定转速2 300 r/min下，依次对负荷率分别为100%、75%、50%、25%、10%的5个工况点进行试验。5个工况点的加权系数分别为0.05、0.25、0.30、0.30、0.10。根据5个工况点测得的试验数据和对应的加权系数，可以计算试验柴油机燃用5种燃料时的加权平均燃油消耗率(5个工况点下单位有效功率的燃油消耗率加权平均值)和加权平均排放(5个工况点下单位有效功率的污染物排放加权平均值)。

2 试验结果

2.1 燃烧特性

图1所示为试验用柴油机在额定转速2 300 r/min、100%负荷工况下燃用5种燃料的气缸压力在最高压力点附近的变化曲线。由图1可知：燃用E10、E15和E20三种生物乳化柴油的最高燃烧压力与柴油区别不大，其中E10和E15分别比柴油高0.63%、0.67%，E20比燃用柴油降低0.42%；B100的最高燃烧压力较低，比燃用柴油降低3.36%。分析原因：

1)乳化燃料中存在独特的微爆现象，对燃料进行了二次雾化，加强了油气混合，使得燃烧更充分，提高了缸内压力[17]；

2)生物乳化柴油和B100的热值低于柴油，且在燃烧过程中，水分蒸发吸收一部分热量。B100燃烧不存在微爆现象，因此燃烧压力低于柴油。

图2为2 300 r/min、100%负荷下，5种燃料的瞬时放热率在放热率峰值附近的变化曲线。由图2可知：燃用E10、E15、E20时的瞬时放热率峰值分别比燃用柴油高2.11%、1.16%、1.16%，燃用B100的瞬时放热率峰值比燃用柴油降低3.66%。这说明，微爆效应能够有效改善燃油雾化，提高放热率，进而改善燃烧[18]。

图1 100%负荷时缸内压力随曲轴转角的变化曲线图2 100%负荷时瞬时燃烧放热率随曲轴转角变化曲线

2.2 动力性与经济性

图3所示为5种燃料在恒速特性下的动力性对比。从图3中可以看出：与燃用柴油相比，燃用E10、E15、E20以及B100时的输出功率都有一定程度的降低。在100%负荷下，燃用B100比燃用柴油降低9.13%，燃用E10、E15、E20三种生物乳化柴油比燃用柴油分别降低2.26%，6.19%和7.40%。这是因为：随着燃油中柴油质量分数的下降，燃油热值也随之下降(见表1)，燃烧相同质量的燃油所释放出的能量减少[19-20]，因此功率降幅有所增大。

图4所示为5种燃料的燃油消耗率随负荷的变化曲线，从图4中可以看出：燃用B100时的燃油消耗率最高，燃用E10时最低。燃用E10时5种工况下的加权平均燃油消耗率相比燃用柴油时降低0.84%。燃用E15和E20时分别增高3.05%和5.93%，燃用B100时增高10.73%。

图3 恒速特性下燃油动力性对比 图4 恒速特性下燃油消耗率对比

2.3 排放特性

2.3.1 NOx

试验柴油机燃用5种燃料的NOx排放如图5所示，加权平均NOx排放如图6所示。从图5中可以看出：在5种工况点下，燃用B100时的NOx排放均高于燃用纯柴油，而燃用E10、E15、E20三种生物乳化柴油时的NOx排放均低于燃用纯柴油，其加权平均NOx排放比燃用柴油时分别平均降低5.6%、7.79%、10.59%。这是由于NOx主要形成于火焰前峰面，高温、富氧和高温持续时间是NOx生成的主要原因[21]，而B100的氧含量较高，因而燃烧温度更高，NOx排放更高[22]。E10、E15和E20三种燃料掺混了不同质量分数的水和丁醇，水的汽化潜热高，其蒸发吸热将降低整个缸内循环的工质温度，丁醇热值低，饱和蒸汽压力高，亦能降低柴油机缸内温度，从而降低NOx排放[23]。因此，随着水和丁醇质量分数的增加，NOx排放降低的越多。

本文所测排放均为柴油机不使用任何后处理技术时的裸机排放，因而NOx排放较高。如图6所示，在D2循环下，柴油、E10、E15、E20的加权平均NOx排放分别为12.12、11.20、11.09、10.63 g/(kW·h)，远高于IMO TierⅢ转速高于2 000 r/min时NOx排放限值1.97 g/(kW·h)[24]。而在采用了氧化催化器(Diesel Oxident Catalyst，DOC)与选择性催化还原(Selective Catalyctic Reduction，SCR)之后，试验用柴油机燃用柴油的NOx排放为1.97 g/(kW·h)，与TierⅢ的限值相同，E10、E15、E20的NOx排放分别为1.88、1.72、1.60 g/(kW·h)，显著低于TierⅢ的NOx排放限值。

图5 恒速特性下NOx排放对比 图6 恒速特性下加权平均NOx排放对比

2.3.2 烟度

图7 恒速特性下烟度排放对比

使用不透光烟度计测量碳烟排放，采用不透光度作为衡量碳烟排放的指标。图7所示为燃用5种燃料时的烟度排放对比，从图7中可以看出：在中低负荷下，5种燃油的烟度排放区别不大，在75%和100%负荷下，生物乳化柴油的烟度排放明显低于柴油。在100%负荷下，燃用B100时的烟度排放最低，比柴油降低83.2%，这是由于生物柴油在高温富氧的条件下，燃烧得到了强化。燃用E10、E15、E20三种燃油时的烟度相比柴油依次降低60.8%、80.4%、83.2%，也即随着水和丁醇质量分数的增加，碳烟排放降低更加显著。这是由于掺混水后，微爆效应改善了燃油雾化[25]，使得燃烧更充分，掺混丁醇后，燃料含氧量增加，燃烧得到了强化[26]。

2.3.3 CO和CO2

图8所示为恒速特性下5种燃料的CO排放对比。燃用5种燃料时的CO排放整体上相差不大。燃用B100时的CO排放最低，其加权平均CO排放比燃用柴油时降低8.69%，这是由于其燃烧温度高，燃烧更完全。燃用E10、E15、E20三种生物乳化柴油时的CO排放整体略低于柴油，加权平均CO排放比燃用柴油时依次降低3.18%、3.64%、7.09%，即随着水和丁醇质量分数的增加，CO降幅逐渐增大。

图9所示为燃用5种燃料的CO2排放对比，可以看出CO2排放基本无差别，燃用B100时的排放比燃用柴油时略高，但总的来说，生物乳化柴油对柴油机CO2排放的影响很小。

图8 恒速特性下CO排放对比 图9 恒速特性下CO2排放对比

3 结论

1)燃用E10、E15、E20三种生物乳化柴油时发动机的气缸压力峰值与燃用柴油时相差不大，瞬时放热率峰值高于柴油；而燃用B100时的气缸压力和放热率都低于柴油。说明水的加入能够有效促进燃烧。

2)柴油机燃用三种生物乳化柴油和B100的动力性都比纯柴油略低，燃用E10时的燃油消耗率与柴油相差不大，燃用E15，E20和B100时的燃油消耗率比柴油高。

3)柴油机燃用生物乳化柴油的NOx和碳烟排放较燃用纯柴油显著降低，且随着水和丁醇质量分数的增加，降幅更为明显。整体上，CO排放与柴油相比差别不大，CO2排放基本无差别。

4)E10生物乳化柴油能够在保证良好的动力性和经济性的同时，大幅降低柴油机的NOx和碳烟排放，达到节能减排并回收利用餐厨废油的目的。