废弃油脂生物柴油掺水微乳化燃料的燃烧与排放

马志义，陈昊，宋俊良，赵福磊

（长安大学汽车学院，陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室，西安710064）

废弃油脂生物柴油掺水微乳化燃料的燃烧与排放

马志义，陈昊，宋俊良，赵福磊

（长安大学汽车学院，陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室，西安710064）

为了研究添水量对生物柴油燃烧与排放的影响，在一台两缸直喷式柴油机上对不同掺水量废弃油脂生物柴油的燃烧与排放特性进行了对比试验研究.研究结果表明：随着掺水量的增加，峰值燃烧压力增加；CO与HC略有增加，但它们排放绝对值很低且不是柴油机的主要排放污染物；NOx排放明显降低；小负荷时碳烟排放增加，大负荷时碳烟排放明显降低；排气温度明显降低；比油耗略有增加.研究结果证明：柴油机使用掺水微乳化燃料，可以改善燃烧状况，控制主要排放污染物.

掺水量；生物柴油；微乳化；燃烧；排放

0 引言

石油资源的日益紧缺加快了柴油机替代燃料的开发与应用.在我国，二甲醚、液化石油气、生物柴油与醇类等柴油机优良替代燃料形成了多元化区域性发展态势.生物柴油是指以油料作物、野生油料作物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油脂、废餐饮油等为原料油通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料[1-6].生物柴油以其来源广泛、物理性能与柴油相近、环境友好以及可直接在柴油机上燃用等优点，得到了广泛关注深入研究与初步应用[7-13].

掺水微乳化燃料是指燃料油与水形成透明、澄清的热力学稳定的油包水型燃料.这种微乳化燃料与常规的乳化燃料相比，具有以下优点：①长期放置后，燃料稳定，油水不分层；②油包水型微乳化燃料的内相是水，水的沸点比油低，在发动机气缸内，总是作为燃料内相的水先达到沸点而汽化，从而产生微爆效应，有利于燃料燃烧更加完全，从而降低污染物排放.

目前对生物柴油的研究已经非常深入完善.在柴油机上燃用生物柴油，动力性基本一致（略有降低）；HC、CO与碳烟排放降低；NOx排放增加.掺水微乳化燃料由于水汽化吸热而降低燃烧温度，是控制NOx排放的有效措施.文献[1]对生物柴油（大豆油为原料）掺水微乳化燃料的配制与性能进行了研究，此项研究为首创，但是存在一些问题：水的比例小（最高的基础燃料∶水体积比为100∶1）；助溶剂乙醇在基础燃料中比例为20%，燃料的热值降低较多；作为生物柴油原料，废弃油脂比大豆油更为合适.

基于以上分析，文中将乙醇体积比例限制为10%，同时提高掺水量，研究了多种表面活性剂及复配配方，并筛选了适合废弃油脂生物柴油掺水微乳化燃料的配方；对不同掺水量比例掺水微乳化燃料的燃烧特性，经济性和排放特性进行研究.推动车用柴油机替代能源的开发与节能减排的深入开展.

1 试验设备和燃料

1.1 试验设备

试验用柴油机型号是CT2100Q，为双缸直喷式，标定功率为13.7 kW，缸径为100 mm，活塞行程为105 mm，排量为1.7 L，压缩比为17，供油提前角为19±1°，最大扭矩点对应发动机转速为1500 r/min.

采用CB566型燃烧分析仪，压力传感器，电荷放大器，曲轴转角发生器以及光电传感器等组成的一套动态压力测试设备，用于分析测录发动机的缸压；采用AVL Digas 4000发动机排气分析仪测量HC、CO与NOx排放；采用AVL Dismoke 4000部分流不透光烟度计测量碳烟排放，选择消光系数K（m-1）表示碳烟排放.

1.2 试验燃料

试验选取了以废弃油脂为原料制成的生物柴油，不含水分；选取普通自来水作为微乳化对象.选取无水乙醇作为助溶剂，当生物柴油和乙醇体积比为9∶1时（记为E10），加入表面活性剂AEO-9和吐温20（4∶1）的复配乳化剂，通过手动搅拌就可与水形成稳定的微乳化燃料.100 mL E10最大掺水量与复配乳化剂的关系见表1.

表1 E10微乳化燃料最大掺水量

由表1可知，随着复配乳化剂添加量的增加，E10的最大掺水量增加.考虑到乙醇热值较低，掺水量高会引起微乳化燃料热值大幅度降低.同时，掺水量的小幅度增加，需要大量表面活性剂.因此综合考虑选择两种掺水比例与纯生物柴油进行对比，分别为BD100W1和BD100W3（分别表示100 mL E10中添加1 mL或3 mL水）.

2 结果分析

2.1 燃烧压力

转速分别为1500 r/min、1800 r/min，扭矩分别为40 N·m，60 N·m时，两种掺水微乳化燃料（BD100W1和BD100W3）与纯生物柴油（BD100）燃烧压力对比见图1.

通过图1可以看出，与BD100相比：①1500 r/min时，两种微乳化燃料的峰值燃烧压力随掺水量的增加而增加，且增加的幅度随负荷的增加而增加.这是由于：一方面，乙醇含氧量为34.78%，远高于生物柴油的10%，因此燃烧开始以后，BD100W1和BD100W3的高含氧量将加快燃烧速度；另一方面，水作为微乳化燃料的内相，气缸内总是内相的水先达到沸点，吸热汽化，使燃料产生微爆，相当于燃料的二次雾化，从而使燃料燃烧更加完全.②1800 r/min时，两种微乳化燃料的峰值压力随掺水量的增加而增加，原因同上；随负荷增加的变化没有明显规律.因此，燃烧速度的加快和燃烧完全程度的增加使掺水微乳化燃料峰值燃烧压力增加.

图1 燃烧压力对比

2.2 燃料经济性

1500 r/min下，三种燃料比油耗的对比见图2.比油耗由实测30秒的燃料消耗量折算得到.与BD100相比：BD100W1与BD100W3的比油耗增加，且随着掺水量的增加，增加的幅度增加.这是由于两种微乳化燃料热值低，发出相同功率必须喷入更多燃料.

图2 1500r/min下比油耗对比

2.3 排放

文中对转速为1500r/min时BD100W1，BD100W3与BD100的排放污染物CO，HC，NOx和碳烟进行了对比研究，对比结果见图3～图6.

从图3中可以看出：①HC排放的变化趋势基本一致.HC排放先随着负荷增加而降低，至大负荷时开始增加.原因分析如下：在小负荷时缸内温度较低，形成的猝冷层较厚，同时已燃气体的温度较低因此冷激效应明显，故在小负荷时三种燃料的HC排放较高；随着负荷的增加，缸内的热力状态大幅度提高，燃烧温度上升，冷激效应逐渐减弱使得HC排放逐渐减少；当达到高负荷时，由于供油量增加导致过量空气系数减小，未燃HC增加.②与BD100相比，BD100W1和BD100W3的HC排放增加，且随掺水量的增加而增加.掺水微乳化燃料中乙醇和水汽化吸热降低了缸内温度，因此冷激效应产生的HC排放增加.

从图4中可以看出：①CO排放的变化趋势基本一致，随负荷增加，CO排放先降低，而后增加.这是因为负荷增加，气缸整体热力状态提高，燃烧更加完全，CO排放降低；在大负荷时，由于循环供油量增加，燃油雾化质量相对较差，导致燃烧不完全程度增加，不完全燃烧产物CO排放增加.②与BD100相比，BD100W1和BD100W3的CO排放略有增加.这是由于随着掺水量增加，冷激效应增强，不完全燃烧产物CO排放增加.这与前文掺水微乳化燃料燃烧完全并不矛盾，微爆效应确实使得燃烧完全，但是由于掺水微乳化燃料的冷激效应以及燃烧速度的加快，未参加燃烧的燃料被部分氧化，导致CO排放略有增加.

图3 HC排放对比

图4 CO排放对比

图5 碳烟排放对比

图6 NOx排放对比

从图5中可以看出：①在小负荷时，与BD100相比，BD100W1和BD100W3的碳烟排放增加，且随掺水量增加而增加.在小负荷时，气缸内热力状态差，掺水微乳化燃料冷激效应强化，使得碳烟排放增加.②中高负荷时，BD100W1和BD100W3的碳烟排放大幅度降低.这是由于：一方面，随着负荷的增加，缸内温度逐渐升高，热力状态改善，且生物柴油掺水微乳化燃料的微爆效应，使得参加燃烧的燃油在缸内混合更为均匀，燃烧更加充分，碳烟排放明显降低；另一方面，掺水微乳化燃料的缸内温度下降，同时，由于水的微爆效应，燃料粒子更加细小，混合气更加均匀，使得气缸内局部高温缺氧的情况弱化，从而脱氢裂解生成碳烟的情况相对弱化.

从图6中可以看出：与BD100相比，BD100W1和BD100W3的NOx排放在整个负荷范围内明显降低，且随掺水量的增加NOx排放降低的幅度增加.这是由于：①与BD100相比，掺水微乳化燃料微爆后粒子更加细小，与空气混合的更加充分，燃烧更加完全，氧气的利用率高，氧浓度降低，抑制了NOx的生成；②水与乙醇汽化吸热，降低了燃烧温度，有利于降低NOx的生成.燃烧温度降低可以从实测的排气温度来反映.转速1500 r/min下不同燃料实测排气温度见图7，可以看出，随着掺水量的增加，实测的排气温度逐渐降低，而燃烧温度必然也是降低的.

图71500 r/min下排气温度对比

3 结论

（1）废弃油脂生物柴油在乙醇以及复配表面活性剂的共同作用下，可以与水形成澄清透明的微乳化燃料.该燃料具有很好的热力学稳定性，放置3个月后仍不分层，并且可以直接在柴油机上使用.

（2）废弃油脂生物柴油掺水微乳化燃料的峰值燃烧压力增加；微爆效应使得燃烧更加完全.

（3）废弃油脂生物柴油掺水微乳化燃料的HC与CO排放略有增加，但是这两种都不是柴油机的主要污染物且排放绝对量很低；NOx排放明显降低；碳烟排放在小负荷时增加，中高负荷时大幅度降低.因此生物柴油掺水微乳化燃料是一种清洁替代燃料.

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Combustion and emission of micro-emulsion waste oil biodiesel mixed with water

MA Zhi-yi，CHEN Hao,SONG Jun-liang,ZHAO Fu-lei

（School of Automobile,Chang＇an University,Key Laboratory of Development and Application for New Transportation Energy of Shaanxi Province，Xi＇an 710064,China）

To study the influence of water content on the combustion and emissions of biodiesel,combustion and emission,fuels of different water contents are compared in a two cylinder direct injection diesel engine.Results show that,with the increase of water content,peak burning pressure increases;CO and HC increases slightly,but the emission absolute value is very low and it is not the main pollutants of diesel engine;NOxemissions decrease significantly;smoke emission increases at small load,while smoke emission decreases significantly at large load;emission temperature reduces significantly;specific fuel consumption increases slightly.Results show that when diesel engines employs micro-emulsions fuel mixed with water,the combustion can be improved and the main emissions can be controlled.

water content;biodiesel;micro-emulsion;combustion;emission

U464.172;TE626.24

A

2012-07-08

中央高校基本科研业务费专项资金（CHD2010JC095）；长安大学基础研究支持计划专项基金

马志义（1962-），男，实验师，主要从事交通新能源、内燃机燃烧与排放控制等方面的研究，E-mail:colen7680@126.com.

2095-3046（2012）05-0006-05