重油和二甲醚復合燃料的燃燒及排放特性的研究*

陳永芳　孫世芳　王炳輝（-浙江國際海運職業技術學院　浙江 舟山　360　寧波大學海運學院）

重油和二甲醚復合燃料的燃燒及排放特性的研究*

陳永芳1孫世芳1王炳輝2
（1-浙江國際海運職業技術學院浙江 舟山3160212寧波大學海運學院）

在不改變YC6A220C玉柴發動機結構和參數的前提下，燃用120 cSt純重油、25%二甲醚和45%二甲醚復合燃料，將發動機的工況設定為1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min，負荷為20%，40%、60%、80%和100%進行對比。對燃料的燃燒和排放性能進行測定，試驗結果表明：重油-二甲醚復合燃料相比純重油，在燃燒性上有明顯改善，缸壓增大，放熱率峰值提高，滯燃期縮短；隨著復合燃料中二甲醚比重的增加，復合燃料的放熱率進一步提高；在排放方面，復合燃料相比純重油，污染物中的一氧化碳、碳氫化合物和煙度都有明顯的下降，當復合燃料中二甲醚比重增加時，減排效果更加明顯，其中一氧化碳減排最大達到57.6%；碳氫化合物達到76.84%；碳煙減排率為57.85%，而氮氧化物排量在低負荷時上升了28.87%。

發動機重油二甲醚 NOx碳煙減排

引言

隨著世界經濟的不斷發展，國際貿易也愈加頻繁，隨之帶來了航運業的大發展，但是在發展的同時，各國也看到了海洋運輸所帶來的問題。一方面，在海洋運輸中，品質低劣的重油被廣泛運用在船舶柴油機上，造成的大氣和海洋環境污染日益嚴重［1-3］。為此，國際海事組織制定了相關的法規用來加強對船舶柴油機排放物中的污染物控制。另一方面，海洋運輸中船舶柴油機所依賴的石化能源越來越少，石油價格持續走高，能源危機不斷出現［4］。因此柴油機排放物的控制和代用燃料的開發已成為各國共同有待解決的難題。本文在研究了目前船用柴油機排放法規的基礎上，考慮到船用柴油機燃燒重油所帶來的對柴油機的損害和對環境的破壞，比較了目前主要代用燃料的優缺點和在柴油機上應用的特點，取長補短，找出最能彌補重油燃料缺點的代用燃料，且同時又能改善此代用燃料自身缺陷。減少NOχ的生成。

本文旨在通過燃燒重油-二甲醚復合燃料，觀察其燃燒和排放情況，為重油和二甲醚在柴油機上的應用提供一條新的出路。對于船用柴油機而言，二甲醚由于黏度過低（0.184 mm2/s，25℃），對柴油機的精密噴射偶件起不到潤滑作用，而120 cSt重油又由于黏度過高（117 mm2/s，50℃），往往需要加熱至100℃，其黏度才能達到柴油機燃用的要求［5］。在本試驗中，由于加入了低黏度的二甲醚，重油無需加熱，通過觀察試驗過程缸內壓力變化及尾氣排放，研究重油-二甲醚復合燃料的燃燒和排放性能。

1　試驗方法及設備

試驗采用YC6A220C柴油機，其主要技術參數見表1。臺架試驗所用的主要設備見表2。試驗用燃料的物化性質見表3。若針對燃用重油進行試驗時，大型中低速柴油機是更為合適的，但由于試驗條件的限制，我們使用YC6A220C柴油機進行測試。

表1　YC6A220C柴油機主要技術參數

在試驗中，我們選取了柴油機的轉速、負荷和二甲醚質量比作為測量參數，柴油機的轉速選定為1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min，負荷分別是20%，40%、60%、80%和100%。混合燃料中二甲醚的質量比重分別為25%和45%，純120 cSt重油作為對比參照燃料，復合燃料的燃油溫度在30℃，純重油的測量溫度控制在50℃［6］。試驗臺架由試驗樣機、缸壓采集系統和排氣采集系統組成。試驗用的是YC6A220C玉柴發動機。將柴油機安裝在試驗臺架上，用Kistler 6125B壓電式傳感器測量缸內燃燒壓力獲取燃料缸內燃燒情況，缸內壓力數值由缸壓采集系統采集50個循環取其平均；用啟測DW250電渦流測功機和柴油機臺架試驗系統檢測試驗過程中柴油機的轉速、功率及扭矩等參數；另用FGA-4100檢測柴油機不同工況下的排放狀況，記錄下HC、CO、CO2和NOχ的濃度值，并用半自動立式濾紙煙度機測試煙度值，試驗臺架布置如圖1所示。混合燃料供油瓶示意圖如圖2所示。

表2　主要測試設備

表3　試驗用燃料的物化性質

2　試驗結果分析

2.1重油-二甲醚復合燃料燃燒特性分析

柴油機缸內的工質壓力會隨著曲軸轉角或者氣缸容積變化而變化，示功圖就是以曲軸轉角為自變量，缸內壓力為因變量的曲線圖，曲線所代表的面積就表示一個工作循環過程中工質所做的平均有效指示功。因此，我們可以通過示功圖來研究缸內燃燒的整個過程的壓力變化、燃料熱釋放率以及氣缸和氣壁的傳熱過程，這為研究重油-二甲醚復合燃料的燃燒性能提供了重要依據［7］。

圖1　試驗裝置示意圖

圖2　混合燃料供油瓶示意圖

圖3顯示的分別是柴油機在轉速為1 200 r/min時，不同負荷下燃料缸內放熱率變化情況。從圖中可以看到：隨著負荷的上升，各燃料的放熱率峰值升高；復合燃料在任一負荷下的放熱率峰值都要高于重油，45%二甲醚復合燃料對應40%，60%和80%負荷下重油的放熱率峰值，要分別高出14.68%，13.68%和13.32%；同示功圖相似，重油放熱率峰值對應的曲軸轉角滯后于復合燃料，說明重油的著火時刻滯后于復合燃料，且隨著復合燃料中二甲醚含量的增大，差距越加明顯。因此復合燃料的良好燃燒性可以從圖中清晰地看出，這也就證明了是復合燃料中的二甲醚起到了增強霧化效果［8］，擴大燃燒區域的作用，并縮短了滯燃期，有利于控制排放。

2.2重油-二甲醚復合燃料排放特性分析

燃料的排放特性是考量燃料優劣的一項重要指標，而測量燃料燃燒產物是考察燃料排放特性的重要方式。本文采用比排放的排放對比，比排放量指內燃機單位功所排放的污染物質量，用g/（kW·h）表示，也可以稱為污染的排放率。根據干燥尾氣體積計算可得［9］：

式中：Gn表示標準狀態下尾氣體積，P為大氣壓強，T為尾氣的溫度，P1尾氣濕度的大氣分壓。

圖4所示，分別是各燃料在1 200 r/min，1400 r/min

和1 600 r/min時氮氧化物排放對比圖。從圖4中看出：無論是重油還是復合燃料，隨著柴油機負荷上升，氮氧化物排放量都有所上升，這是因為負荷的增大，循環供油量增大，最高燃燒溫度上升，過量空氣系數減少而導致NOχ排量增大。隨著復合燃料中二甲醚比重的提高，氮氧化物的排放量呈現出上升速度逐漸減小的趨勢。但當工況在低負荷時，相比純重油，復合燃料的NOχ排放有所增加，這是因為復合燃料的放熱率的最大值高于純重油，缸內溫度高于純重油，不利于控制氮氧化物；而低負荷時，重油由于高粘度和高密度，霧化性差不利于擴散燃燒，因此缸內的爆發壓力和溫度都要低于復合燃料，因此氮氧化物排放量相對較低，平均比復合燃料低了28.87%。而當柴油機的負荷增大后，復合燃料氮氧化物的排放量上升較慢，這是因為一方面二甲醚具有高十六烷值，使得復合燃料相比重油滯燃期縮短，降低了缸內燃燒溫度；另一方面就是二甲醚具有較高的汽化潛熱值，在燃燒過程中帶走了一部分熱量，降低了缸內燃燒溫度，有利于控制氮氧化物的生成［10］。所以當柴油機在大負荷運行過程中，摻加二甲醚能夠減少氮氧化物的排放，最高在1 600 r/min時可達5.6%的減排率。

圖3　各種燃料在1200r/min，40%，60%和80%工況下放熱率

圖4　NOχ在1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min比排放情況

從圖5看出，在不同負荷下，復合燃料的HC排放量都有所降低，而且復合燃料中二甲醚的比重越大，HC的排放量就越低，以1 600 r/min不同負荷為例，45%二甲醚復合燃料HC排放量相比較純重油，分別降低了45.63%、48.42%、49.42%和31.58%。主要可以從以下3個方面加以分析：第一點，從HC的生成途徑來看，由于復合燃料中未燃燒的HC主要是由狹縫容積、潤滑油膜以及燃燒中的積碳對HC產生吸附作用，由于復合燃料中的二甲醚進入氣缸內迅速汽化，并且隨著轉速的提高，未燃燒完的HC隨著二甲醚蒸汽進入到狹小的縫隙容積內，潤滑油膜和積碳對未燃盡的HC的吸附和釋放時間縮短［11］，這就使得隨著二甲醚含量和轉速的提高，HC的排放量逐漸降低；第二點，可以從重油和二甲醚化學結構中看出，重油是不同含碳量的直鏈烷烴、烯烴和芳香烴等所組成的大分子混合物，比起二甲醚的分子結構要復雜的多。因此，二甲醚比起重油易于完全燃燒，未燃盡的HC就會減少；第三點，由于HC排放是在高溫高壓脫氧下形成的，而二甲醚具有優良的燃燒性，改善了缸內的燃燒，有利于燃料與空氣的混合，增加了燃燒壓力，有利于抑制HC污染物的生成。

從圖6中可以看出：各燃料煙度的排放隨著負荷的增加而降低，這是由于在低負荷時，缸內溫度低，滯燃期較長，部分重油在滯燃期內直接噴射到活塞頭部，這部分燃油蒸發變慢，燃燒惡化［12-13］。同時，重油中的重質成分在高溫缺氧下發生部分不完全燃燒和熱裂解，這也使得煙度排放增加，但隨著負荷的增加，缸內燃燒溫度上升，那些組成碳煙的成分在高溫條件下被氧化，所以負荷增加時，碳煙排放會跟著降低。25%二甲醚復合燃料減排效果并不明顯，但隨著混合燃料中二甲醚含量的增加，燃料碳煙的排放量也隨之大幅度降低，在1 600 r/min，不同負荷時分別達到了38.89%、50.93%、45.52%和57.85%的降幅。這是因為一是重油的粘度、密度比較大，其噴射、霧化和燃燒性能比較差；二是重油中含有不容易著火燃燒的大分子物質多環芳香烴，其導致缸內燃燒惡化和不完全燃燒，從而導致排氣煙度的增加。相比之下二甲醚中含有大量的氧（占質量的34.8%），并且沒有直鏈碳鍵，所以連接在氧原子上的碳原子無法形成不飽和烴類，進而聚合成大顆粒碳煙。所以復合燃料的使用可以減低煙度的排放。

圖5　碳氫化合物1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min比排放情況

3　結論

1）復合燃料相比重油，在燃燒過程中，缸內壓力最高值增大，放熱率峰值提高，達到峰值的時間減少，滯燃期縮短；隨著復合燃料中二甲醚比重的增加，復合燃料的放熱率進一步提高，對應最高值的曲軸轉角減小。

圖6　碳煙1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min比排放情況

2）復合燃料相比純重油，柴油機尾氣污染物中的CO、HC和碳煙排放量都有所下降，當在復合燃料中二甲醚比重增加時，減排效果更加明顯，其中CO減排最大達到57.6%；HC達到76.84%；煙度減排率為57.85%。

3）相比重油，復合燃料NOχ排放量在低負荷時上升了28.87%。而在大負荷高轉速運行過程中，摻加二甲醚能夠減少NOχ的排放，因此對于NOχ，需要進一步研究其控制方法。

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Combustion and Emission Charcteristics of Heavy Oil and Dimethyl Composite Fuel

Chen Yongfang1，Sun Shifang1，Wang Binghui2
1-Zhejiang International Maritime College（Zhoushan，Zhejiang，316021，China）
2-Faculty of Maritime&Transportation，Ningbo University

Without changing the structure and parameters of YC6A220C Yuchai engine，fueled with 120cSt pure heavy oil，25%of dimethyl ether（DME）and 45%DME composite fuel，the operating condition of the engine is set to 1200rpm，1400rpm and 1600rpm and load is 20%，40%，60%，80%and 100%，the fuel combustion and emission performance were tested.The test results show that，compared to pure heavy oil，the combustion of the heavy oil-two DME composite fuel is improved significantly，the cylinder pressure increases，the peak heat release rate increases，the ignition delay period is shortened；with the increase in the proportion of two DME composite fuel，exothermic compound fuel rate further increased；in terms of emissions，composite fuel compared to pure heavy oil，pollutants in carbon monoxide，hydrocarbons and smoke are reduced，when the two ether compound fuel proportion increased，emission reduction effect is more obvious，carbon dioxide emission was reduced by 57.6%maximum；hydrocarbons emission was reduced by 76.84%；soot emission reduction rate was 57.85%，while nitrogen oxide emission in low load increased by 28.87%.

Diesel engine，Heavy oil，Two methyl ether，NOχ，Carbon smoke，Emission reduction

TK41+.5

A

2095-8234（2016）01-0056-05

浙江省高職高專專業帶頭人領軍項目（編號：1j2013201）：寧波市基金項目2012A610169。

陳永芳（1968-），男，副教授，主要研究方向為交通運輸工程及船舶修造教育研究。

2015-12-15）