生物乳化柴油對船用柴油機性能和排放影響的試驗研究

朱成瑋，余凱，金志偉，劉宇，肖進

(上海交通大學 動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240)

船用柴油機由于經濟性和可靠性等方面的優勢，占據了船舶動力裝置90%以上[1]的份額。一直以來，船用柴油機的污染物排放是大氣污染的來源之一，主要包括氮氧化物(NOx)、碳煙、顆粒物(PM)、碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)[2]。NOx排放將引發酸雨、破壞臭氧層[3]，碳煙顆粒物則會引發各類呼吸系統疾病和肺癌[4]。隨著人們對環境污染的日益重視，國際排放法規也越來越嚴格。2005年5月生效的MARPOL73/78公約附則VI規定了船舶NOx排放標準和排放控制區域，2008年通過的MARPOL公約附則VI修正案規定了更為嚴格的Tier Ⅱ和TierⅢ排放標準，分別針對2011年和2016年以后生產的船用柴油機[1,5]。日益嚴苛的排放法規迫使業界內急需開展內燃機技術改進和替代燃料的研究。

生物柴油是指來自可再生油脂原料的長鏈脂肪酸甲酯[6]，碳鏈長度通常為14～18，與普通柴油相近，應用于柴油機時不需對其結構做任何修改[7-8]。餐廚廢油被認為是最具有利用價值的生物柴油制備原料，不會引發生物柴油和糧食的競爭問題，而且把餐廚廢油轉化成生物柴油是一種有效的回收策略，既可以提高生物柴油的生成產量，也可以減少對土壤和水源的污染[9-10]。國內外研究表明，柴油機燃用生物柴油能夠有效降低碳煙、顆粒物、HC和CO等的排放，但會增加NOx的排放[11]。

本研究針對柴油機排放污染以及柴油機燃用普通生物柴油NOx排放較高的問題，提出在利用餐廚廢油作為原料制成的生物柴油中摻混乳化劑、水、丁醇和柴油，形成生物乳化柴油應用于柴油機。其中，水的蒸發與微爆[12-14]可以分別降低缸內溫度和改善油氣混合質量，從而提高燃燒效率，改善NOx排放；丁醇作為含氧燃料可以改善燃燒，降低NOx和PM排放[15]。

在恒定轉速下，對柴油機燃用柴油、生物柴油和3種不同配比的生物乳化柴油進行試驗，對比其燃燒特性、動力性、經濟性和排放特性。旨在探究將餐廚廢油制成的生物乳化柴油應用于船用輔機，并在滿足動力性的前提下降低NOx和碳煙等排放的可行性。

1 試驗方法

1.1 試驗樣機及測試設備

試驗所用柴油機為濰柴WP6.240型，直列6缸、四沖程、渦輪增壓中冷、高壓共軌直噴式柴油機。發動機排量6.23 L，缸徑105 mm，沖程120 mm，壓縮比18，額定功率132 kW(轉速2 300 r/min)，最大扭矩650 N·m(轉速1 400～1 600 r/min)。試驗使用CE-52HA型電渦流測功機和EIM0301D型測控儀對柴油機轉速和扭矩進行控制。采用6052C型氣缸壓力傳感器和5018A電荷放大器采集氣缸壓力信號，并通過OSIRIS Revolution II型燃燒分析儀分析處理信號，曲軸每轉過1°采集1次氣缸壓力信號，連續采樣100個發動機工作循環。油耗使用CF050M319N6BZMZZZ型智能油耗儀測量。采用DISMOKE 4000不透光煙度計測量排放煙度，采用CEB series II排放分析儀測量NOx、CO、CO2、HC等的排放。

1.2 試驗燃料

使用市場上銷售的國五柴油、生物柴油B100(不摻混其他燃料的純生物柴油,以餐廚廢油為原料制備)以及3種不同配方的生物乳化柴油E10、E15、E20(生物乳化柴油中柴油的質量分數分別為90%、85%、80%，其余成分的質量分數見表1)進行試驗。燃料的詳細成分和理化特性分別如表1所示。其中運動黏度和密度是20 ℃時的測定值。

表1 燃料油品組分及理化特性

1.3 試驗工況

試驗按符合ISO 8178標準的船用輔機恒定轉速試驗(D2)模式進行[16]，即在額定轉速2 300 r/min下，依次對負荷率分別為100%、75%、50%、25%、10%的5個工況點進行試驗。5個工況點的加權系數分別為0.05、0.25、0.30、0.30、0.10。根據5個工況點測得的試驗數據和對應的加權系數，可以計算試驗柴油機燃用5種燃料時的加權平均燃油消耗率(5個工況點下單位有效功率的燃油消耗率加權平均值)和加權平均排放(5個工況點下單位有效功率的污染物排放加權平均值)。

2 試驗結果

2.1 燃燒特性

圖1所示為試驗用柴油機在額定轉速2 300 r/min、100%負荷工況下燃用5種燃料的氣缸壓力在最高壓力點附近的變化曲線。由圖1可知：燃用E10、E15和E20三種生物乳化柴油的最高燃燒壓力與柴油區別不大，其中E10和E15分別比柴油高0.63%、0.67%，E20比燃用柴油降低0.42%；B100的最高燃燒壓力較低，比燃用柴油降低3.36%。分析原因：

1)乳化燃料中存在獨特的微爆現象，對燃料進行了二次霧化，加強了油氣混合，使得燃燒更充分，提高了缸內壓力[17]；

2)生物乳化柴油和B100的熱值低于柴油，且在燃燒過程中，水分蒸發吸收一部分熱量。B100燃燒不存在微爆現象，因此燃燒壓力低于柴油。

圖2為2 300 r/min、100%負荷下，5種燃料的瞬時放熱率在放熱率峰值附近的變化曲線。由圖2可知：燃用E10、E15、E20時的瞬時放熱率峰值分別比燃用柴油高2.11%、1.16%、1.16%，燃用B100的瞬時放熱率峰值比燃用柴油降低3.66%。這說明，微爆效應能夠有效改善燃油霧化，提高放熱率，進而改善燃燒[18]。

圖1 100%負荷時缸內壓力隨曲軸轉角的變化曲線圖2 100%負荷時瞬時燃燒放熱率隨曲軸轉角變化曲線

2.2 動力性與經濟性

圖3所示為5種燃料在恒速特性下的動力性對比。從圖3中可以看出：與燃用柴油相比，燃用E10、E15、E20以及B100時的輸出功率都有一定程度的降低。在100%負荷下，燃用B100比燃用柴油降低9.13%，燃用E10、E15、E20三種生物乳化柴油比燃用柴油分別降低2.26%，6.19%和7.40%。這是因為：隨著燃油中柴油質量分數的下降，燃油熱值也隨之下降(見表1)，燃燒相同質量的燃油所釋放出的能量減少[19-20]，因此功率降幅有所增大。

圖4所示為5種燃料的燃油消耗率隨負荷的變化曲線，從圖4中可以看出：燃用B100時的燃油消耗率最高，燃用E10時最低。燃用E10時5種工況下的加權平均燃油消耗率相比燃用柴油時降低0.84%。燃用E15和E20時分別增高3.05%和5.93%，燃用B100時增高10.73%。

圖3 恒速特性下燃油動力性對比 圖4 恒速特性下燃油消耗率對比

2.3 排放特性

2.3.1 NOx

試驗柴油機燃用5種燃料的NOx排放如圖5所示，加權平均NOx排放如圖6所示。從圖5中可以看出：在5種工況點下，燃用B100時的NOx排放均高于燃用純柴油，而燃用E10、E15、E20三種生物乳化柴油時的NOx排放均低于燃用純柴油，其加權平均NOx排放比燃用柴油時分別平均降低5.6%、7.79%、10.59%。這是由于NOx主要形成于火焰前峰面，高溫、富氧和高溫持續時間是NOx生成的主要原因[21]，而B100的氧含量較高，因而燃燒溫度更高，NOx排放更高[22]。E10、E15和E20三種燃料摻混了不同質量分數的水和丁醇，水的汽化潛熱高，其蒸發吸熱將降低整個缸內循環的工質溫度，丁醇熱值低，飽和蒸汽壓力高，亦能降低柴油機缸內溫度，從而降低NOx排放[23]。因此，隨著水和丁醇質量分數的增加，NOx排放降低的越多。

本文所測排放均為柴油機不使用任何后處理技術時的裸機排放，因而NOx排放較高。如圖6所示，在D2循環下，柴油、E10、E15、E20的加權平均NOx排放分別為12.12、11.20、11.09、10.63 g/(kW·h)，遠高于IMO TierⅢ轉速高于2 000 r/min時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)與選擇性催化還原(Selective Catalyctic Reduction，SCR)之后，試驗用柴油機燃用柴油的NOx排放為1.97 g/(kW·h)，與TierⅢ的限值相同，E10、E15、E20的NOx排放分別為1.88、1.72、1.60 g/(kW·h)，顯著低于TierⅢ的NOx排放限值。

圖5 恒速特性下NOx排放對比 圖6 恒速特性下加權平均NOx排放對比

2.3.2 煙度

圖7 恒速特性下煙度排放對比

使用不透光煙度計測量碳煙排放，采用不透光度作為衡量碳煙排放的指標。圖7所示為燃用5種燃料時的煙度排放對比，從圖7中可以看出：在中低負荷下，5種燃油的煙度排放區別不大，在75%和100%負荷下，生物乳化柴油的煙度排放明顯低于柴油。在100%負荷下，燃用B100時的煙度排放最低，比柴油降低83.2%，這是由于生物柴油在高溫富氧的條件下，燃燒得到了強化。燃用E10、E15、E20三種燃油時的煙度相比柴油依次降低60.8%、80.4%、83.2%，也即隨著水和丁醇質量分數的增加，碳煙排放降低更加顯著。這是由于摻混水后，微爆效應改善了燃油霧化[25]，使得燃燒更充分，摻混丁醇后，燃料含氧量增加，燃燒得到了強化[26]。

2.3.3 CO和CO2

圖8所示為恒速特性下5種燃料的CO排放對比。燃用5種燃料時的CO排放整體上相差不大。燃用B100時的CO排放最低，其加權平均CO排放比燃用柴油時降低8.69%，這是由于其燃燒溫度高，燃燒更完全。燃用E10、E15、E20三種生物乳化柴油時的CO排放整體略低于柴油，加權平均CO排放比燃用柴油時依次降低3.18%、3.64%、7.09%，即隨著水和丁醇質量分數的增加，CO降幅逐漸增大。

圖9所示為燃用5種燃料的CO2排放對比，可以看出CO2排放基本無差別，燃用B100時的排放比燃用柴油時略高，但總的來說，生物乳化柴油對柴油機CO2排放的影響很小。

圖8 恒速特性下CO排放對比 圖9 恒速特性下CO2排放對比

3 結論

1)燃用E10、E15、E20三種生物乳化柴油時發動機的氣缸壓力峰值與燃用柴油時相差不大，瞬時放熱率峰值高于柴油；而燃用B100時的氣缸壓力和放熱率都低于柴油。說明水的加入能夠有效促進燃燒。

2)柴油機燃用三種生物乳化柴油和B100的動力性都比純柴油略低，燃用E10時的燃油消耗率與柴油相差不大，燃用E15，E20和B100時的燃油消耗率比柴油高。

3)柴油機燃用生物乳化柴油的NOx和碳煙排放較燃用純柴油顯著降低，且隨著水和丁醇質量分數的增加，降幅更為明顯。整體上，CO排放與柴油相比差別不大，CO2排放基本無差別。

4)E10生物乳化柴油能夠在保證良好的動力性和經濟性的同時，大幅降低柴油機的NOx和碳煙排放，達到節能減排并回收利用餐廚廢油的目的。