農(nóng)用柴油機燃用乳化柴油的經(jīng)濟性和排放性研究

張承亮，陳振斌 ， 孫 瑞

（海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南 海 口 570228）

柴油機的熱效率高、燃油經(jīng)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(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械［1－2］。然而調(diào)查顯示，農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)機械排放已經(jīng)成為亟待解決的問題［3］。柴油機的含水燃燒是實現(xiàn)節(jié)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(fā)與應(yīng)用逐漸受到世界各國的重視，國內(nèi)外對乳化柴油的開發(fā)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(jīng)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(tǒng)。

對不同含水比例乳化柴油的經(jīng)濟性和排放性進行研究，可為乳化柴油在農(nóng)業(yè)機械上的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。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(jīng)濟性和排放性進行仿真分析。通過綜合考慮乳化柴油經(jīng)濟性和排放性的評價指標(biāo)，確定最優(yōu)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(biāo)定轉(zhuǎn)速1 500r／min下的發(fā)動機負荷特性對比試驗與分析，為后期發(fā)動機參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 發(fā)動機模型的建立與標(biāo)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(tǒng)、曲軸箱、氣缸、噴油系統(tǒng)等模塊的模型，同時按照各模塊的要求輸入相關(guān)數(shù)據(jù)。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(jù)計算和相關(guān)文獻［5］得到不同比例乳化柴油的主要理化特性參數(shù)（見表1）。

表1 乳化柴油的理化特性

1.2 試驗設(shè)備及儀器

在295A柴油機上進行發(fā)動機負荷特性試驗，該機的主要技術(shù)參數(shù)見表2。主要的測試設(shè)備包括：ESF－300電渦流測功器，扭矩測量精度±0.2%FS，轉(zhuǎn)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(shù)參數(shù)

按照內(nèi)燃機臺架性能試驗方法，測試柴油機在標(biāo)定轉(zhuǎn)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(diào)整供油壓力、噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角等原機參數(shù)。

1.3 模型標(biāo)定

為了保證所建立的發(fā)動機仿真模型的合理性，利用試驗對仿真模擬結(jié)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(jié)果顯示：1）功率方面，試驗值與計算值最大誤差出現(xiàn)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(shù)；C為碳粒質(zhì)量濃度）進行換算，結(jié)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(nèi)，因此，仿真模型符合精度要求。

2 仿真結(jié)果與分析

在標(biāo)定轉(zhuǎn)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(jīng)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(dāng)量燃油消耗率。由圖2b可知，除ED10，ED25在25%負荷時當(dāng)量燃油消耗率高于純柴油3.2%，4.75%外，其他負荷下當(dāng)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(jié)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(jié)油率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。

原因分析：1）根據(jù)流體流動阻力和能量損失的性質(zhì)可知，乳化柴油黏度與密度的增大將導(dǎo)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(dāng)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(jù)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(yīng)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(guān)系，含水比例過高或過低都不利于微爆的發(fā)生，微爆發(fā)生的強弱取決于微爆發(fā)生時油滴內(nèi)剩余水分的多少［7］。3）水在進燃燒室前為液態(tài)，出燃燒室時為氣態(tài)，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(dāng)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(dǎo)致節(jié)油率下降［8］。另外，水的升溫和汽化是個吸熱過程，會使缸內(nèi)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(fā)過程受到抑制，影響了此刻的燃燒效率（例如ED25當(dāng)量燃油消耗率高于柴油）?？傊?，當(dāng)因微爆效應(yīng)而增加的未燃燃料燃燒產(chǎn)生的熱量與水在缸內(nèi)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(jié)油效果。故隨著乳化柴油含水比例的增大，乳化柴油的節(jié)油率出現(xiàn)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(nèi)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(yōu)乳化柴油的選取及試驗驗證

3.1 經(jīng)濟性與排放性的綜合評價函數(shù)

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(dāng)量燃油消耗率在低負荷時仍稍高于柴油。發(fā)動機經(jīng)濟性和排放性往往是不一致的。對于乳化柴油發(fā)動機的性能評估，應(yīng)綜合考慮其經(jīng)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(yīng)在經(jīng)濟性和排放性之間取得最優(yōu)化。結(jié)合Montgomery及Reiz［11］提出的關(guān)于柴油機的經(jīng)濟性與排放性的綜合評估方法，得出燃用乳化柴油時經(jīng)濟性與排放性的綜合評價函數(shù)f（x）的表達式

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

結(jié)合國家排放標(biāo)準［12］的要求及295A柴油機的實際運行情況，按照相應(yīng)的換算方法，將φ0（NOx），φ0（soot），be0的 值 分 別 設(shè) 置 為 960×10－6，2.5×10－6m－1，210g／（kW·h）?？疾爝@5種變量隨負荷的變化圍繞目標(biāo)值波動的程度，發(fā)現(xiàn)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(shè)置較高的權(quán)重系數(shù)，同時為保證計算結(jié)果不失真［13］，將a，b，c的值分別設(shè)置為12，8，80。經(jīng)過測算得出4種不同乳化柴油在不同的負荷率下經(jīng)濟性與排放性綜合評價的函數(shù)值（見表3）。結(jié)果表明，乳化柴油的經(jīng)濟性與排放性綜合評價（合計）函數(shù)值均高于柴油，其中，最優(yōu)為ED15，其次為ED10。

表3 不同燃料的經(jīng)濟性與排放性綜合評價函數(shù)值

3.2 試驗驗證

將經(jīng)濟性與排放性綜合評價最優(yōu)的乳化柴油ED15和柴油分別進行發(fā)動機負荷特性試驗，測試這兩種燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)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(jié)果和實測結(jié)果進行比較分析。由圖4對比結(jié)果可見：1）ED15當(dāng)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(dāng)量燃油消耗率均低于柴油，節(jié)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(jié)論

a）仿真結(jié)果表明，除了ED10，ED25的當(dāng)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(dāng)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(jīng)濟性與排放性綜合評價函數(shù)測算結(jié)果表明，乳化柴油的經(jīng)濟性與排放性綜合評價（合計）函數(shù)值均高于柴油，最優(yōu)為ED15，其次為ED10；

d）試驗結(jié)果表明，經(jīng)濟性與排放性綜合評價最優(yōu)的ED15在4種不同負荷率下的當(dāng)量燃油消耗率均低于純柴油，節(jié)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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