重油和二甲醚復(fù)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(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院　浙江 舟山　360　寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院）

重油和二甲醚復(fù)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(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院浙江 舟山3160212寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院）

在不改變YC6A220C玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的前提下，燃用120 cSt純重油、25%二甲醚和45%二甲醚復(fù)合燃料，將發(fā)動(dòng)機(jī)的工況設(shè)定為1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min，負(fù)荷為20%，40%、60%、80%和100%進(jìn)行對(duì)比。對(duì)燃料的燃燒和排放性能進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果表明：重油-二甲醚復(fù)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(fù)合燃料中二甲醚比重的增加，復(fù)合燃料的放熱率進(jìn)一步提高；在排放方面，復(fù)合燃料相比純重油，污染物中的一氧化碳、碳?xì)浠衔锖蜔煻榷加忻黠@的下降，當(dāng)復(fù)合燃料中二甲醚比重增加時(shí)，減排效果更加明顯，其中一氧化碳減排最大達(dá)到57.6%；碳?xì)浠衔镞_(dá)到76.84%；碳煙減排率為57.85%，而氮氧化物排量在低負(fù)荷時(shí)上升了28.87%。

發(fā)動(dòng)機(jī)重油二甲醚 NOx碳煙減排

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國際貿(mào)易也愈加頻繁，隨之帶來了航運(yùn)業(yè)的大發(fā)展，但是在發(fā)展的同時(shí)，各國也看到了海洋運(yùn)輸所帶來的問題。一方面，在海洋運(yùn)輸中，品質(zhì)低劣的重油被廣泛運(yùn)用在船舶柴油機(jī)上，造成的大氣和海洋環(huán)境污染日益嚴(yán)重［1-3］。為此，國際海事組織制定了相關(guān)的法規(guī)用來加強(qiáng)對(duì)船舶柴油機(jī)排放物中的污染物控制。另一方面，海洋運(yùn)輸中船舶柴油機(jī)所依賴的石化能源越來越少，石油價(jià)格持續(xù)走高，能源危機(jī)不斷出現(xiàn)［4］。因此柴油機(jī)排放物的控制和代用燃料的開發(fā)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(jī)排放法規(guī)的基礎(chǔ)上，考慮到船用柴油機(jī)燃燒重油所帶來的對(duì)柴油機(jī)的損害和對(duì)環(huán)境的破壞，比較了目前主要代用燃料的優(yōu)缺點(diǎn)和在柴油機(jī)上應(yīng)用的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，找出最能彌補(bǔ)重油燃料缺點(diǎn)的代用燃料，且同時(shí)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(fù)合燃料，觀察其燃燒和排放情況，為重油和二甲醚在柴油機(jī)上的應(yīng)用提供一條新的出路。對(duì)于船用柴油機(jī)而言，二甲醚由于黏度過低（0.184 mm2/s，25℃），對(duì)柴油機(jī)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(dá)到柴油機(jī)燃用的要求［5］。在本試驗(yàn)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(yàn)過程缸內(nèi)壓力變化及尾氣排放，研究重油-二甲醚復(fù)合燃料的燃燒和排放性能。

1　試驗(yàn)方法及設(shè)備

試驗(yàn)采用YC6A220C柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。臺(tái)架試驗(yàn)所用的主要設(shè)備見表2。試驗(yàn)用燃料的物化性質(zhì)見表3。若針對(duì)燃用重油進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，大型中低速柴油機(jī)是更為合適的，但由于試驗(yàn)條件的限制，我們使用YC6A220C柴油機(jī)進(jìn)行測試。

表1　YC6A220C柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在試驗(yàn)中，我們選取了柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和二甲醚質(zhì)量比作為測量參數(shù)，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速選定為1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min，負(fù)荷分別是20%，40%、60%、80%和100%?；旌先剂现卸酌训馁|(zhì)量比重分別為25%和45%，純120 cSt重油作為對(duì)比參照燃料，復(fù)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(yàn)臺(tái)架由試驗(yàn)樣機(jī)、缸壓采集系統(tǒng)和排氣采集系統(tǒng)組成。試驗(yàn)用的是YC6A220C玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)。將柴油機(jī)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，用Kistler 6125B壓電式傳感器測量缸內(nèi)燃燒壓力獲取燃料缸內(nèi)燃燒情況，缸內(nèi)壓力數(shù)值由缸壓采集系統(tǒng)采集50個(gè)循環(huán)取其平均；用啟測DW250電渦流測功機(jī)和柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)檢測試驗(yàn)過程中柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率及扭矩等參數(shù)；另用FGA-4100檢測柴油機(jī)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(dòng)立式濾紙煙度機(jī)測試煙度值，試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖1所示?；旌先剂瞎┯推渴疽鈭D如圖2所示。

表2　主要測試設(shè)備

表3　試驗(yàn)用燃料的物化性質(zhì)

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1重油-二甲醚復(fù)合燃料燃燒特性分析

柴油機(jī)缸內(nèi)的工質(zhì)壓力會(huì)隨著曲軸轉(zhuǎn)角或者氣缸容積變化而變化，示功圖就是以曲軸轉(zhuǎn)角為自變量，缸內(nèi)壓力為因變量的曲線圖，曲線所代表的面積就表示一個(gè)工作循環(huán)過程中工質(zhì)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(nèi)燃燒的整個(gè)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(fù)合燃料的燃燒性能提供了重要依據(jù)［7］。

圖1　試驗(yàn)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(jī)在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，不同負(fù)荷下燃料缸內(nèi)放熱率變化情況。從圖中可以看到：隨著負(fù)荷的上升，各燃料的放熱率峰值升高；復(fù)合燃料在任一負(fù)荷下的放熱率峰值都要高于重油，45%二甲醚復(fù)合燃料對(duì)應(yīng)40%，60%和80%負(fù)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后于復(fù)合燃料，說明重油的著火時(shí)刻滯后于復(fù)合燃料，且隨著復(fù)合燃料中二甲醚含量的增大，差距越加明顯。因此復(fù)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(fù)合燃料中的二甲醚起到了增強(qiáng)霧化效果［8］，擴(kuò)大燃燒區(qū)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(fù)合燃料排放特性分析

燃料的排放特性是考量燃料優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而測量燃料燃燒產(chǎn)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(duì)比，比排放量指內(nèi)燃機(jī)單位功所排放的污染物質(zhì)量，用g/（kW·h）表示，也可以稱為污染的排放率。根據(jù)干燥尾氣體積計(jì)算可得［9］：

式中：Gn表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下尾氣體積，P為大氣壓強(qiáng)，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(shí)氮氧化物排放對(duì)比圖。從圖4中看出：無論是重油還是復(fù)合燃料，隨著柴油機(jī)負(fù)荷上升，氮氧化物排放量都有所上升，這是因?yàn)樨?fù)荷的增大，循環(huán)供油量增大，最高燃燒溫度上升，過量空氣系數(shù)減少而導(dǎo)致NOχ排量增大。隨著復(fù)合燃料中二甲醚比重的提高，氮氧化物的排放量呈現(xiàn)出上升速度逐漸減小的趨勢。但當(dāng)工況在低負(fù)荷時(shí)，相比純重油，復(fù)合燃料的NOχ排放有所增加，這是因?yàn)閺?fù)合燃料的放熱率的最大值高于純重油，缸內(nèi)溫度高于純重油，不利于控制氮氧化物；而低負(fù)荷時(shí)，重油由于高粘度和高密度，霧化性差不利于擴(kuò)散燃燒，因此缸內(nèi)的爆發(fā)壓力和溫度都要低于復(fù)合燃料，因此氮氧化物排放量相對(duì)較低，平均比復(fù)合燃料低了28.87%。而當(dāng)柴油機(jī)的負(fù)荷增大后，復(fù)合燃料氮氧化物的排放量上升較慢，這是因?yàn)橐环矫娑酌丫哂懈呤橹?，使得?fù)合燃料相比重油滯燃期縮短，降低了缸內(nèi)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(nèi)燃燒溫度，有利于控制氮氧化物的生成［10］。所以當(dāng)柴油機(jī)在大負(fù)荷運(yùn)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(shí)可達(dá)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(fù)荷下，復(fù)合燃料的HC排放量都有所降低，而且復(fù)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(fù)荷為例，45%二甲醚復(fù)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(gè)方面加以分析：第一點(diǎn)，從HC的生成途徑來看，由于復(fù)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(duì)HC產(chǎn)生吸附作用，由于復(fù)合燃料中的二甲醚進(jìn)入氣缸內(nèi)迅速汽化，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，未燃燒完的HC隨著二甲醚蒸汽進(jìn)入到狹小的縫隙容積內(nèi)，潤滑油膜和積碳對(duì)未燃盡的HC的吸附和釋放時(shí)間縮短［11］，這就使得隨著二甲醚含量和轉(zhuǎn)速的提高，HC的排放量逐漸降低；第二點(diǎn)，可以從重油和二甲醚化學(xué)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)要復(fù)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(huì)減少；第三點(diǎn)，由于HC排放是在高溫高壓脫氧下形成的，而二甲醚具有優(yōu)良的燃燒性，改善了缸內(nèi)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(fù)荷的增加而降低，這是由于在低負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度低，滯燃期較長，部分重油在滯燃期內(nèi)直接噴射到活塞頭部，這部分燃油蒸發(fā)變慢，燃燒惡化［12-13］。同時(shí)，重油中的重質(zhì)成分在高溫缺氧下發(fā)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(fù)荷的增加，缸內(nèi)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(fù)荷增加時(shí)，碳煙排放會(huì)跟著降低。25%二甲醚復(fù)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(fù)荷時(shí)分別達(dá)到了38.89%、50.93%、45.52%和57.85%的降幅。這是因?yàn)橐皇侵赜偷恼扯取⒚芏缺容^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(zhì)多環(huán)芳香烴，其導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化和不完全燃燒，從而導(dǎo)致排氣煙度的增加。相比之下二甲醚中含有大量的氧（占質(zhì)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(jìn)而聚合成大顆粒碳煙。所以復(fù)合燃料的使用可以減低煙度的排放。

圖5　碳?xì)浠衔? 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min比排放情況

3　結(jié)論

1）復(fù)合燃料相比重油，在燃燒過程中，缸內(nèi)壓力最高值增大，放熱率峰值提高，達(dá)到峰值的時(shí)間減少，滯燃期縮短；隨著復(fù)合燃料中二甲醚比重的增加，復(fù)合燃料的放熱率進(jìn)一步提高，對(duì)應(yīng)最高值的曲軸轉(zhuǎn)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(fù)合燃料相比純重油，柴油機(jī)尾氣污染物中的CO、HC和碳煙排放量都有所下降，當(dāng)在復(fù)合燃料中二甲醚比重增加時(shí)，減排效果更加明顯，其中CO減排最大達(dá)到57.6%；HC達(dá)到76.84%；煙度減排率為57.85%。

3）相比重油，復(fù)合燃料NOχ排放量在低負(fù)荷時(shí)上升了28.87%。而在大負(fù)荷高轉(zhuǎn)速運(yùn)行過程中，摻加二甲醚能夠減少NOχ的排放，因此對(duì)于NOχ，需要進(jìn)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(yè)帶頭人領(lǐng)軍項(xiàng)目（編號(hào)：1j2013201）：寧波市基金項(xiàng)目2012A610169。

陳永芳（1968-），男，副教授，主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸工程及船舶修造教育研究。

2015-12-15）