不同供油提前角下地溝油生物柴油-柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放特性試驗研究

何金戈， 童 開， 肖明偉， 符永銳， 張惜輝

(1.海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南 ?？?570228； 2.中海油新能源生物能源化工有限公司 海南 東方 572600)

不同供油提前角下地溝油生物柴油-柴油混合燃料的經(jīng)濟性和排放特性試驗研究

何金戈1， 童 開1， 肖明偉1， 符永銳2， 張惜輝1

(1.海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南 海口 570228； 2.中海油新能源生物能源化工有限公司 海南 東方 572600)

研究了不同供油提前角下，直噴柴油機燃用體積比為30∶70的地溝油生物柴油-柴油混合燃料(B30)的經(jīng)濟性和排放特性.結(jié)果表明，B30地溝油生物柴油-柴油混合燃料在供油提前角18° CA時，燃油消耗率最低，增大或減小供油提前角，燃油消耗率都會增加， 24° CA比18° CA在最大負荷處燃油消耗率最高可增加18%；隨著供油提前角的減小，NOX的排放降低，但會在一定程度上增加CO和炭煙的排放；在供油提前角為 22° CA時，HC排放最低，增大或減小供油提前角，HC排放都會增加，22° CA比16° CA在大負荷時可以降低68%，比18° CA降低50%.

地溝油生物柴油；供油提前角；經(jīng)濟性；排放性

地溝油是將下水道中的油膩漂浮物或者將賓館、酒樓的泔水經(jīng)過簡單加工、提煉出的油[1].由于地溝油能產(chǎn)生醛、酸等具有惡臭的物質(zhì)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，而且近年來，地溝油制售食用油返回餐桌的惡性事件頻頻發(fā)生，對環(huán)境和人都造成了極大的危害[2].將地溝油制備成生物柴油重新利用,是為地溝油尋找合適出路的有效辦法.生物柴油是典型的再生能源,無毒,具有高的生物降解率,可大大減輕對環(huán)境的污染及影響.與化石柴油相比, 地溝油生物柴油較高的燃料十六烷值、不含硫和芳烴、低揮發(fā)性以及燃料中含氧等優(yōu)點,使其具有降低柴油機排放的潛能[3].生物柴油可直接應(yīng)用于現(xiàn)有的柴油機，也可以與柴油以一定比例混合使用[4].供油提前角是柴油機的一個重要參數(shù)，對柴油機的燃油經(jīng)濟性、動力性、排放性能等的影響比其他參數(shù)更為顯著，合理選擇供油提前角是優(yōu)化發(fā)動機性能和降低有害物排放的有效措施[5].供油提前角最優(yōu)化的研究已成為越來越重要的課題.地溝油生物柴油的理化特性與石化柴油相比稍有差異，因此有必要研究地溝油生物柴油及其混合燃料與柴油機的供油提前角的適應(yīng)性問題[6].本研究使用中國海洋石油總公司(海南省東方市)配制的地溝油生物柴油，通過在直噴式雙缸柴油機上燃用其與柴油的混合燃料，研究了不同供油提前角對發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性能的影響，以期優(yōu)化地溝油生物柴油的發(fā)動機的供油提前角，為地溝油生物柴油的推廣應(yīng)用提供試驗和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1試驗材料

本試驗使用地溝油生物柴油與0號石化柴油按照體積比30∶70混合配制而成.0號石化柴油為市購中石化商品柴油.地溝油生物柴油為中海油新能源生物能源化工有限公司提煉并提供，其主要性能指標(biāo)如表1所示.

1.2試驗裝置

發(fā)動機臺架測試裝置為 ESF-300電渦流測功機及控制試驗臺，尾氣排放測試裝置為AVL Digas 4000型五氣體分析儀和AVL Disomke 4000型不透光煙度計，油耗測試裝置為湖南湘儀測試有限公司生產(chǎn)的FC2210智能油耗儀，DX-②大功率磁力攪拌機.試驗柴油機的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.

1.3試驗方法

將地溝油生物柴油和純柴油以體積比為30∶70進行混合后，在攪拌機上均勻攪拌5 min.保持在發(fā)動機的噴油壓力等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過保持和調(diào)整發(fā)動機的供油提前角，使發(fā)動機的供油提前角參數(shù)在24°，22°，20°，18°，16°的條件下，以額定轉(zhuǎn)速(1 500 r·min-1)進行發(fā)動機負荷特性試驗，測試發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性.

表1 地溝油生物柴油主要性能指標(biāo)及檢驗標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Fuel properties and detection methods ofbiodiesel produced from waste cooking oil

表2 柴油機技術(shù)參數(shù)Table 2 Engine specifications

2 結(jié)果與分析

2.1不同供油提前角對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響

圖1是B30混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時不同供油提前角下的燃油消耗率曲線.從圖1可以看出，供油提前角的變化對柴油機的有效燃油消耗率具有顯著影響,B30混合燃料在18° CA 附近燃油消耗率最低.隨著供油提前角從24° CA逐漸減小到18° CA，相同負荷下的燃油消耗率逐漸降低，最大負荷處降低15%；但當(dāng)供油提前角進一步減小到16° CA，有效燃油消耗率反而有所升高，但相差不大.

圖1 供油提前角對混合燃料燃油消耗率的影響Fig.1 Effect of fuel supply advance angle onbrake specific fuel consumption

與石化柴油相比，地溝油生物柴油的高黏度會使其霧化不良；同時由于其具有較高的汽化潛熱，會使汽缸內(nèi)溫度下降較多，不利于燃料的著火燃燒，這2個因素會造成滯燃期增加，使著火落后期延長.但地溝油生物柴油的十六烷值較石化柴油大，從這個角度講，又會使滯燃期增加.地溝油生物柴油的最佳點火提前角受到以上2個因素的綜合影響和制約[6].B30混合燃料的之所以會在18° CA時出現(xiàn)有效燃油消耗率最小的現(xiàn)象，是因為B30混合燃料的滯燃期較石化柴油是減小的緣故.原機的供油提前角是 22° CA，混合燃料B30的經(jīng)濟性最好是在18° CA.當(dāng)供油提前角為18° CA時，最大爆發(fā)壓力正好在 10°～15° CA，因此經(jīng)濟性最好.

當(dāng)供油提前角大于18° CA時，混合燃料將噴入溫度和壓力相對較低的空氣中，著火燃燒后活塞仍在上行，壓縮負功增加，故適當(dāng)減小供油提前角有利于燃油消耗率降低.但若供油提前角小于18° CA時，燃料實現(xiàn)空間霧化的時間縮短，影響了預(yù)混燃燒階段可著火混合氣的形成，使預(yù)混燃燒階段的燃燒效率下降，同時混合燃料不能在上止點附近及時燃燒，散熱損失增加，有效燃油消耗率反而降低.

2.2不同供油提前角對柴油機排放性的影響

2.2.1 供油提前角對NOX排放的影響 圖2是柴油機燃燒B30混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時不同供油提前角下的NOX排放曲線.

圖2 供油提前角對混合燃料NOX排放的影響Fig.2 Effect of fuel supply advanceangle on NoX emission

由圖2可以看出，在各種負荷工況下，隨著供油提前角逐漸變大，柴油機的NOX排放都逐漸增高.在低負荷時相差不大，大負荷時NOX排放差異明顯.特別是在12 kW時出現(xiàn)峰值，24° CA時的NOX排放值比16° CA的排放值增加了35%.

由NOX的生成機理可知，其3個主要因素是燃燒溫度、氧氣濃度、燃料在燃燒室中逗留的時間等因素有關(guān)[7].供油提前角增大，混合燃料進入氣缸較早，進入氣缸時的溫度和壓力較低，導(dǎo)致滯燃期延長，滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混混合氣均勻且處于化學(xué)計量空燃比附近，可燃混合氣數(shù)量增加，使得在速燃期的燃燒過程中缸內(nèi)的溫度和壓力迅速升高，導(dǎo)致NOX排放量上升[8]；同時，隨著供油提前角增大，導(dǎo)致燃燒始點提前，燃燒時間增加，增大了反應(yīng)物在氣缸的滯留時間，這些也使得NOX排放增多.

2.2.2 供油提前角對煙度的影響 圖3是發(fā)動機燃燒B30混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時不同供油提前角下煙度(用光吸收系數(shù)K表示)的排放曲線.由圖3可以看出，供油提前角對煙度影響較大，煙度排放會隨著供油提前角的增大而減小.在小負荷處差異較小, 在中、大負荷處, 16° CA比 24° CA時光吸收系數(shù)K高250%.這是因為碳煙的生成主要在擴散燃燒中發(fā)生,隨著供油提前角的減小, 燃料燃燒滯燃期相對縮短.相同負荷下, 滯燃期越短, 在滯燃期內(nèi)噴入的燃油量越少, 參加預(yù)混燃燒的燃油比例相應(yīng)減少, 進行擴散燃燒的燃油就越多, 碳煙也越多[9].

2.2.3 供油提前角對CO排放的影響 圖4是混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時不同供油提前角下的CO排放曲線.由圖4可以看出，在小負荷處, 各個供油提前角下CO排放量相差不大，而在大負荷段，隨著供油提前角的減小, CO排放量增大.在中等負荷時， 24° CA和16° CA,HC排放最大降低60%以上.

圖3 供油提前角對混合燃料煙度的影響Fig.3 Effect of fuel supply advance angle onexhaust soot emission

圖4 供油提前角對混合燃料CO排放的影響Fig.4 Effect of fuel supply advanceangle on CO emission

結(jié)果表明，在小負荷工況，柴油機以較大的平均過量空氣系數(shù)運行，CO氧化條件較好，此時不同供油提前角下CO排放相當(dāng).供油提前角大，滯燃期長，進行擴散燃燒的燃油少，因此供油提前角增大，CO排放減少.在中、大負荷工況，隨著供油提前角的減小,缸內(nèi)溫度和壓力增大，滯燃期縮短, 滯燃期內(nèi)的噴油量減少，參加預(yù)混合燃燒的燃料量減少；著火后參加擴散燃燒的噴油量增加.擴散燃燒的特點是邊噴射、邊混合、邊燃燒，混合氣極為不均勻.而混合氣極均勻、相對缺氧是生成CO的主要原因.另外，供油提前角減小的燃燒雖然使缸內(nèi)平均溫度較高, 但混合中已有燃燒產(chǎn)物混入, 局部缺氧嚴(yán)重, 且高溫下的燃燒時間縮短,燃燒不完全，這就造成CO排放量隨供油提前角的縮小而升高的結(jié)果[10].

2.2.4 供油提前角對HC排放的影響 圖5是混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下不同供油提前角下的HC排放曲線.由圖5可以看出，在22° CA之前，隨著供油提前角的增大，HC的排放大幅降低.22° CA的供油提前角比16° CA的供油提前角HC排放在大負荷時降低68%， 比18° CA降低50%.但當(dāng)供油提前角達到24° CA時，HC的排放反而略有升高.

圖5 供油提前角對混合燃料HC排放的影響Fig.5 Effect of Fuel Supply AdvanceAngle on HC emission

結(jié)果表明，隨著供油提前角的增大，混合燃料滯燃期延長, 使滯燃期內(nèi)的噴油量占循環(huán)噴油量的分量增加，加強了預(yù)混合燃燒，燃燒過程中生成的HC被氧化的機會增多，因此減少了HC的排放.反之，減小供油提前角延遲噴油延遲燃燒開始的時刻, 擴散燃燒期延長，局部可能缺氧造成燃燒不完全，導(dǎo)致HC的排放則會增大[11].如果供油提前角過大，如24° CA時，燃油在氣缸內(nèi)壓力和溫度較低時噴射，地溝油生物柴油密度大，油束射程大，燃油可能被噴至汽缸壁，而燃油壁面溫度較低會導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量變差，增大了火焰淬火層厚度，排放造成HC的排放增加.

3 結(jié)論

1)在其它參數(shù)不變的條件下，適當(dāng)減小供油提前角可以降低地溝油生物柴油的燃油消耗率.B30地溝油生物柴油-柴油混合燃料在18° CA燃油消耗率最低.

2)在其它參數(shù)不變的條件下，適當(dāng)減小供油提前角可以有效降低NOX的排放，但會在一定程度上增加CO，HC以及炭煙的排放.

3)供油提前角 22° CA時，HC排放最低.

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(責(zé)任編輯：蔣國良)

Experimentalstudyoneconomicandexhaustemissioncharacteristicsofdieselenginefueledwithwastecookingoilbio-dieselblendedwithdieselatdifferentfuelsupplyadvanceangle

HE Jin-ge1, TONG Kai1, XIAO Ming-wei1, FU Yong-rui2, ZHANG Xi-hui1

(1.Mechanical and Electrical Engineering College, Hainan University，Haikou 570228, China； 2.CNOOC New Energy Bio-Energy Chemical Co., Ltd., Dongfang 572600， China)

The experiment of economic and exhaust emission characteristics of diesel engine fueled with 30% waste cooking oil bio-diesel blended with 70% diesel at different fuel supply advance angle was conducted. The experimental results show that: the best economic fuel injection timing of B30 Blending fuel was at 18° CA. Increase or decrease fuel supply advance angle, and specific fuel consumption increased. The specific fuel consumption increased by 18% when fuel supply advance angle was at 18° CA compared with 24° CA at maximum load；With the decrease of the fuel delivery advance angle, NOXemissions reduced, but CO and soot emissions increased to a certain extent; when fuel supply advance angle was at 22° CA, HC emissions was the lowest, with the increase/decrease of fuel delivery advance angle, HC emissions increased, HC emissions increased by 68% and 50% when the fuel supply advance angle was at 22° CA and 16° CA, or 18° CA at maximum load respectively.

waste cooking oil bio-diesel；fuel supply advance angle；fuel economic performance；emissions performance

TK427

：A

2014-01-10

海南省自然科學(xué)基金項目(512118)

何金戈，1971年生，男，河南寶豐人，副教授，從事汽車新型燃料方面的研究.

1000-2340(2014)05-0626-05