農用柴油機燃用乳化柴油的經濟性和排放性研究

張承亮，陳振斌 ， 孫 瑞

（海南大學機電工程學院，海南 海 口 570228）

柴油機的熱效率高、燃油經濟性好、功率范圍廣，而且具有CO和HC排放低、運行安全、使用壽命長等優點，因而廣泛應用于農業機械［1－2］。然而調查顯示，農業機械單機的NOx和PM排放分別是機動車的2.0倍和1.5倍，控制農業機械排放已經成為亟待解決的問題［3］。柴油機的含水燃燒是實現節能減排的一種有效途徑，并且可以同時改善PM和NOx排放［4］。幾十年來，清潔燃料的研發與應用逐漸受到世界各國的重視，國內外對乳化柴油的開發利用進行了大量的前期研究，這些研究主要集中在乳化柴油的配制及乳化柴油的理化特性、燃燒特性、燃油經濟性和排放特性等方面，但總體上對乳化柴油的研究還不夠完善和系統。

對不同含水比例乳化柴油的經濟性和排放性進行研究，可為乳化柴油在農業機械上的推廣應用提供理論依據。本研究利用GT－Power仿真軟件建立295A柴油機模型，對4種不同含水比例的乳化柴油分別在不同負荷率條件下的經濟性和排放性進行仿真分析。通過綜合考慮乳化柴油經濟性和排放性的評價指標，確定最優的含水比例乳化柴油，并在雙缸柴油機上對該乳化柴油和純柴油進行了標定轉速1 500r／min下的發動機負荷特性對比試驗與分析，為后期發動機參數優化設計提供參考。

1 發動機模型的建立與標定

1.1 模型的建立

利用GT－Power軟件建立295A柴油機進排氣系統、曲軸箱、氣缸、噴油系統等模塊的模型，同時按照各模塊的要求輸入相關數據。模型添加了4種不同含水比例的乳化柴油燃料庫：ED10（純凈水10%、柴油87.2%、乳化劑及助溶劑2.8%），ED15（純凈水15%、柴油82.2%、乳化劑及助溶劑2.8%）、ED20（純凈水20%、柴油77.2%、乳化劑及助溶劑2.8%）和ED25（純凈水25%、柴油72.2%、乳化劑及助溶劑2.8%）。根據計算和相關文獻［5］得到不同比例乳化柴油的主要理化特性參數（見表1）。

表1 乳化柴油的理化特性

1.2 試驗設備及儀器

在295A柴油機上進行發動機負荷特性試驗，該機的主要技術參數見表2。主要的測試設備包括：ESF－300電渦流測功器，扭矩測量精度±0.2%FS，轉速測量精度±1r／min；AVL Disomke4000不透光煙度計，測量范圍0～99.99m－1，測量精度0.01m－1；AVL Digas4000五氣體分析儀，NOx排放測量范圍0～5 000×10－6，測量精度1×10－6。

表2 柴油機技術參數

按照內燃機臺架性能試驗方法，測試柴油機在標定轉速（1 500r／min）下25%，50%，75%和100%等4種不同負荷率的燃油消耗率以及NOx和soot排放等。在試驗過程中沒有調整供油壓力、噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角等原機參數。

1.3 模型標定

為了保證所建立的發動機仿真模型的合理性，利用試驗對仿真模擬結果進行驗證。圖1示出了燃用柴油時，不同負荷率下試驗值與計算值的對比。結果顯示：1）功率方面，試驗值與計算值最大誤差出現在100%負荷下，為3.2%；2）燃油消耗率方面，相同的負荷率下試驗值與計算值的最大誤差為3.04%；3）NOx排放方面，相同的負荷率下試驗值與計算值的最大誤差為4.95%；4）soot排放方面，鑒于試驗方法與計算模擬的差異，兩者按照文獻［6］介紹的擬合公式K＝0.006 1C－0.016 41（K 為消光系數；C為碳粒質量濃度）進行換算，結果顯示，在75%的負荷率時試驗值與計算值誤差最大，為3.1%。試驗值與計算值的最大誤差均在5%以內，因此，仿真模型符合精度要求。

2 仿真結果與分析

在標定轉速（1 500r／min）不同負荷率下，對柴油機燃用不同含水比例乳化柴油的經濟性與排放特性進行了仿真。

2.1 燃油消耗率

圖2示出了燃用柴油及不同比例乳化柴油時，燃油消耗率隨負荷率的變化曲線。由圖2a可知，不同含水比例乳化柴油的實際燃油消耗率都比純柴油高，并且隨著含水比例的增加而增加。由于乳化柴油中含有10%～25%的水，而水的密度大且沒有熱值，因此，乳化柴油的實際燃油消耗率高于柴油。為了方便比較，圖2b示出的是減去水的乳化柴油的當量燃油消耗率。由圖2b可知，除ED10，ED25在25%負荷時當量燃油消耗率高于純柴油3.2%，4.75%外，其他負荷下當量燃油消耗率均低于純柴油；ED10，ED15，ED20和ED25在4種不同負荷下相對于柴油的平均節油率分別為2.9%，3.68%，4.2%，0.8%。隨著含水比例的增加，乳化柴油的節油率呈現先增大后降低的趨勢。

原因分析：1）根據流體流動阻力和能量損失的性質可知，乳化柴油黏度與密度的增大將導致噴油時體積流量與噴射壓力降低，這對柴油機的燃燒是不利的，但是乳化柴油的當量燃油消耗率降低，間接說明含水燃燒提高了燃燒效率。2）根據能量守恒定律，柴油摻水后的熱值并沒有提高，含水燃燒的微爆效應加快了燃燒速度，提高了熱效率。然而，乳化柴油的微爆強度與含水比例有一定的關系，含水比例過高或過低都不利于微爆的發生，微爆發生的強弱取決于微爆發生時油滴內剩余水分的多少［7］。3）水在進燃燒室前為液態，出燃燒室時為氣態，水的升溫和汽化吸收的熱量來源于燃燒室周圍零部件和燃油燃燒放出的熱量。當含水比例過大時，大量的熱量被帶走，能量損失增加，從而降低熱效率，導致節油率下降［8］。另外，水的升溫和汽化是個吸熱過程，會使缸內溫度降低，在50%～100%負荷時，降低了峰值溫度和局部高溫；但在25%負荷時，液滴的蒸發過程受到抑制，影響了此刻的燃燒效率（例如ED25當量燃油消耗率高于柴油）。總之，當因微爆效應而增加的未燃燃料燃燒產生的熱量與水在缸內膨脹做功之和大于水的排氣熱量損失時，乳化柴油才會起到節油效果。故隨著乳化柴油含水比例的增大，乳化柴油的節油率出現先增大后減小的趨勢。

2.2 有害物排放

圖3示出了乳化柴油在不同負荷率下NOx以及soot的排放變化曲線。由圖3a可知，在寬廣的負荷范圍下，燃用乳化柴油的NOx排放顯著下降，且隨著含水比例的增加，減排效果更加明顯，這說明乳化柴油中的水分對抑制NOx的生成有直接影響。隨著負荷率的增加，乳化柴油NOx的減排效果下降。由計算可知，ED10，ED15，ED20和ED25的平均減排率分別為15.2%，26.5%，39.0%，57.1%。圖3b示出了在不同的負荷范圍內soot的排放變化曲線。由圖可知，隨著負荷率的增加，soot的排放量增加；在相同的負荷下，隨著含水比例的增加，soot的排放減少，且隨著負荷率的升高，soot的減排效果更加明顯。由計算可知，ED10，ED15，ED20，ED25的平均減排率分別為21.4%，44.6%，60.4%，75.9%。

3 最優乳化柴油的選取及試驗驗證

3.1 經濟性與排放性的綜合評價函數

相比于柴油，乳化柴油在降低NOx和soot排放方面起到較好的效果，然而實際燃油消耗率卻相對增加，同時ED10，ED25的當量燃油消耗率在低負荷時仍稍高于柴油。發動機經濟性和排放性往往是不一致的。對于乳化柴油發動機的性能評估，應綜合考慮其經濟性和排放性，將其綜合性能評價放在第一位。所以，最佳燃料的選取應在經濟性和排放性之間取得最優化。結合Montgomery及Reiz［11］提出的關于柴油機的經濟性與排放性的綜合評估方法，得出燃用乳化柴油時經濟性與排放性的綜合評價函數f（x）的表達式

式中：φ（NOx），φ（soot）代表排放量；be代表當量燃油消耗率；φ0（NOx），φ0（soot）代表排放目標值；be0代表燃油消耗率目標值；a，b，c為權重系數。函數值f（x）越大，表明柴油機的經濟性與排放性的綜合性能越好；反之，其經濟性與排放性的綜合性能越差。

結合國家排放標準［12］的要求及295A柴油機的實際運行情況，按照相應的換算方法，將φ0（NOx），φ0（soot），be0的 值 分 別 設 置 為 960×10－6，2.5×10－6m－1，210g／（kW·h）。考察這5種變量隨負荷的變化圍繞目標值波動的程度，發現燃油消耗率的波動程度遠低于排放量的波動程度，因此需設置較高的權重系數，同時為保證計算結果不失真［13］，將a，b，c的值分別設置為12，8，80。經過測算得出4種不同乳化柴油在不同的負荷率下經濟性與排放性綜合評價的函數值（見表3）。結果表明，乳化柴油的經濟性與排放性綜合評價（合計）函數值均高于柴油，其中，最優為ED15，其次為ED10。

表3 不同燃料的經濟性與排放性綜合評價函數值

3.2 試驗驗證

將經濟性與排放性綜合評價最優的乳化柴油ED15和柴油分別進行發動機負荷特性試驗，測試這兩種燃料在標定轉速1 500r／min不同負荷率下的燃油消耗率、NOx排放值及soot排放值，同時對ED15的仿真結果和實測結果進行比較分析。由圖4對比結果可見：1）ED15當量燃油消耗率的計算值與試驗值的最大誤差為5.4%，在不同的負荷率下ED15的當量燃油消耗率均低于柴油，節油率分別為5.5%，3.0%，1.1%，3.2%；2）ED15NOx排放的計算值與試驗值的最大誤差為4.4%；在4種不同的負荷下，ED15的 NOx減排率分別為42.7%，37.4%，11.9%，9.2%；3）ED15soot排放的計算值與試驗值的最大誤差為6.0%，隨著負荷率的增加，soot的減排效果更加明顯，在4種不同負荷率下的減排率分別為37.9%，30%，52%，47.8%。

4 結論

a）仿真結果表明，除了ED10，ED25的當量燃油消耗率在25%的負荷率下略高于柴油外，ED10，ED15，ED20和ED25的當量燃油消耗率在其他負荷率下均低于柴油；

b）乳化柴油在降低NOx和soot排放方面效果顯著；

c）乳化柴油的經濟性與排放性綜合評價函數測算結果表明，乳化柴油的經濟性與排放性綜合評價（合計）函數值均高于柴油，最優為ED15，其次為ED10；

d）試驗結果表明，經濟性與排放性綜合評價最優的ED15在4種不同負荷率下的當量燃油消耗率均低于純柴油，節油率分別為5.5%，3.0%，1.1%，3.2%，NOx減排率分別為42.7%，37.4%，11.9%，12.9%，soot減排率分別為37.9%，30%，52%，47.8%。

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