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

（長安大學汽車學院，陜西省交通新能源開發、應用與汽車節能重點實驗室，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

（長安大學汽車學院，陜西省交通新能源開發、應用與汽車節能重點實驗室，西安710064）

為了研究添水量對生物柴油燃燒與排放的影響，在一臺兩缸直噴式柴油機上對不同摻水量廢棄油脂生物柴油的燃燒與排放特性進行了對比試驗研究.研究結果表明：隨著摻水量的增加，峰值燃燒壓力增加；CO與HC略有增加，但它們排放絕對值很低且不是柴油機的主要排放污染物；NOx排放明顯降低；小負荷時碳煙排放增加，大負荷時碳煙排放明顯降低；排氣溫度明顯降低；比油耗略有增加.研究結果證明：柴油機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替代燃料的開發與應用.在我國，二甲醚、液化石油氣、生物柴油與醇類等柴油機優良替代燃料形成了多元化區域性發展態勢.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].生物柴油以其來源廣泛、物理性能與柴油相近、環境友好以及可直接在柴油機上燃用等優點，得到了廣泛關注深入研究與初步應用[7-13].

摻水微乳化燃料是指燃料油與水形成透明、澄清的熱力學穩定的油包水型燃料.這種微乳化燃料與常規的乳化燃料相比，具有以下優點：①長期放置后，燃料穩定，油水不分層；②油包水型微乳化燃料的內相是水，水的沸點比油低，在發動機氣缸內，總是作為燃料內相的水先達到沸點而汽化，從而產生微爆效應，有利于燃料燃燒更加完全，從而降低污染物排放.

目前對生物柴油的研究已經非常深入完善.在柴油機上燃用生物柴油，動力性基本一致（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[1]對生物柴油（大豆油為原料）摻水微乳化燃料的配制與性能進行了研究，此項研究為首創，但是存在一些問題：水的比例小（最高的基礎燃料∶水體積比為100∶1）；助溶劑乙醇在基礎燃料中比例為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%，同時提高摻水量，研究了多種表面活性劑及復配配方，并篩選了適合廢棄油脂生物柴油摻水微乳化燃料的配方；對不同摻水量比例摻水微乳化燃料的燃燒特性，經濟性和排放特性進行研究.推動車用柴油機替代能源的開發與節能減排的深入開展.

1 試驗設備和燃料

1.1 試驗設備

試驗用柴油機型號是CT2100Q，為雙缸直噴式，標定功率為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°，最大扭矩點對應發動機轉速為1500 r/min.

采用CB566型燃燒分析儀，壓力傳感器，電荷放大器，曲軸轉角發生器以及光電傳感器等組成的一套動態壓力測試設備，用于分析測錄發動機的缸壓；采用AVL Digas 4000發動機排氣分析儀測量HC、CO與NOx排放；采用AVL Dismoke 4000部分流不透光煙度計測量碳煙排放，選擇消光系數K（m-1）表示碳煙排放.

1.2 試驗燃料

試驗選取了以廢棄油脂為原料制成的生物柴油，不含水分；選取普通自來水作為微乳化對象.選取無水乙醇作為助溶劑，當生物柴油和乙醇體積比為9∶1時（記為E10），加入表面活性劑AEO-9和吐溫20（4∶1）的復配乳化劑，通過手動攪拌就可與水形成穩定的微乳化燃料.100 mL E10最大摻水量與復配乳化劑的關系見表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，摻水量高會引起微乳化燃料熱值大幅度降低.同時，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行對比，分別為BD100W1和BD100W3（分別表示100 mL E10中添加1 mL或3 mL水）.

2 結果分析

2.1 燃燒壓力

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

通過圖1可以看出，與BD100相比：①1500 r/min時，兩種微乳化燃料的峰值燃燒壓力隨摻水量的增加而增加，且增加的幅度隨負荷的增加而增加.這是由于：一方面，乙醇含氧量為34.78%，遠高于生物柴油的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相，氣缸內總是內相的水先達到沸點，吸熱汽化，使燃料產生微爆，相當于燃料的二次霧化，從而使燃料燃燒更加完全.②1800 r/min時，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；隨負荷增加的變化沒有明顯規律.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 燃燒壓力對比

2.2 燃料經濟性

1500 r/min下，三種燃料比油耗的對比見圖2.比油耗由實測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，發出相同功率必須噴入更多燃料.

圖2 1500r/min下比油耗對比

2.3 排放

文中對轉速為1500r/min時BD100W1，BD100W3與BD100的排放污染物CO，HC，NOx和碳煙進行了對比研究，對比結果見圖3～圖6.

從圖3中可以看出：①HC排放的變化趨勢基本一致.HC排放先隨著負荷增加而降低，至大負荷時開始增加.原因分析如下：在小負荷時缸內溫度較低，形成的猝冷層較厚，同時已燃氣體的溫度較低因此冷激效應明顯，故在小負荷時三種燃料的HC排放較高；隨著負荷的增加，缸內的熱力狀態大幅度提高，燃燒溫度上升，冷激效應逐漸減弱使得HC排放逐漸減少；當達到高負荷時，由于供油量增加導致過量空氣系數減小，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溫度，因此冷激效應產生的HC排放增加.

從圖4中可以看出：①CO排放的變化趨勢基本一致，隨負荷增加，CO排放先降低，而后增加.這是因為負荷增加，氣缸整體熱力狀態提高，燃燒更加完全，CO排放降低；在大負荷時，由于循環供油量增加，燃油霧化質量相對較差，導致燃燒不完全程度增加，不完全燃燒產物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，冷激效應增強，不完全燃燒產物CO排放增加.這與前文摻水微乳化燃料燃燒完全并不矛盾，微爆效應確實使得燃燒完全，但是由于摻水微乳化燃料的冷激效應以及燃燒速度的加快，未參加燃燒的燃料被部分氧化，導致CO排放略有增加.

圖3 HC排放對比

圖4 CO排放對比

圖5 碳煙排放對比

圖6 NOx排放對比

從圖5中可以看出：①在小負荷時，與BD100相比，BD100W1和BD100W3的碳煙排放增加，且隨摻水量增加而增加.在小負荷時，氣缸內熱力狀態差，摻水微乳化燃料冷激效應強化，使得碳煙排放增加.②中高負荷時，BD100W1和BD100W3的碳煙排放大幅度降低.這是由于：一方面，隨著負荷的增加，缸內溫度逐漸升高，熱力狀態改善，且生物柴油摻水微乳化燃料的微爆效應，使得參加燃燒的燃油在缸內混合更為均勻，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溫度下降，同時，由于水的微爆效應，燃料粒子更加細小，混合氣更加均勻，使得氣缸內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弱化.

從圖6中可以看出：與BD100相比，BD100W1和BD100W3的NOx排放在整個負荷范圍內明顯降低，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測的排氣溫度來反映.轉速1500 r/min下不同燃料實測排氣溫度見圖7，可以看出，隨著摻水量的增加，實測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下排氣溫度對比

3 結論

（1）廢棄油脂生物柴油在乙醇以及復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穩定性，放置3個月后仍不分層，并且可以直接在柴油機上使用.

（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的主要污染物且排放絕對量很低；NOx排放明顯降低；碳煙排放在小負荷時增加，中高負荷時大幅度降低.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

中央高校基本科研業務費專項資金（CHD2010JC095）；長安大學基礎研究支持計劃專項基金

馬志義（1962-），男，實驗師，主要從事交通新能源、內燃機燃燒與排放控制等方面的研究，E-mail:colen7680@126.com.

2095-3046（2012）05-0006-05