乳化柴油在4100QBZL柴油机上的使用性能研究

李阳阳 马志义

（1.长安大学，陕西 西安 710064；2.陕西省交通新能源开发应用与汽车节能重点实验室，陕西 西安 710064）

0 前言

当前我国公路施工能耗高、污染大，而筑路及施工机械是其排放污染的重要源头，对筑路及施工机械的排放污染进行控制迫在眉睫。我国目前筑路及施工机械几乎全部采用四冲程柴油机作为动力装置；对此种类型动力装置的排放控制措施目前主要包括三种方法：新型燃料、机内净化及尾气后处理。其中乳化柴油作为使用性能优异、成本低廉、减排效果显著的新型燃料已在汽车发动机领域得到了一致认可，广泛推广使用乳化柴油，不失为筑路及施工机械今后可推广的减排方法。

1 研究背景

乳化柴油是一种油包水型乳液，与普通柴油相比，乳化柴油燃烧性能好，排放低，早在上世纪就得到了人们的关注和研究。法国埃尔夫石油公司、美国清洁燃料公司、壳牌澳洲公司等石油公司也对其进行了研究和生产；国内河南农业大学、江苏大学、南昌大学、河南农业大学等多所高等院校和科研单位也对其进行了一定的研究。研究结果表明针对不同类型的柴油机，乳化柴油在含水不超过15～20%的条件下，可以在保证发动机各项性能的前提下，有效降低碳烟排放。其主要减排的机理是乳化柴油喷射入气缸后，其中被包裹的水分子遇热迅速汽化膨胀，使油滴爆破，形成所谓的“微爆现象”，使混合气更为均匀，燃烧更为充分，抑制了残炭烟尘的形成，从而降低碳烟排放。

目前相关研究主要针对乳化柴油的调配、储存、理化参数等指标进行了研究，对其在柴油机上的使用性能及对排放的影响的研究年代久远，已难以反映目前技术水平的柴油机使用乳化柴油的情况。本文利用一台昆明云内动力有限公司出产的4100QBZL发动机，对自行配置的乳化柴油进行了动力性、经济性及排放性能等使用性能试验，并对试验结果进行了分析。

2 试验设计

2.1 试验仪器

本文中所使用的仪器设备如下：

表1 试验设备

2.2 燃料配制

本试验所配制的乳化柴油配制比例为1.5%（质量比）乳化剂，8.5%（质量比）水，90%（质量比）0# 柴油。

2.3 试验过程

试验测试了4100QBZL柴油机燃用乳化柴油及0#柴油时的外特性、2000r/min、2600r/min下的负荷特性曲线，依此对发动机使用乳化柴油时的动力性及经济性进行了评定。最后测试4100QBZL柴油机燃用乳化柴油时自由加速烟度变化，以确定乳化柴油对排放的影响。

3 试验结果与分析

3.1 外特性试验

外特性试验结果如图1、图2所示。试验结果表明，发动机使用配制的乳化柴油后，功率、扭矩等动力性指标有一定的下降，油耗上升。发动机在使用0#柴油时，在 1800、2000、2100、2200、2300、2400、2600、2800r/min，油门最大时输出功率分别为58.5、61.8、61.5、63.9、62.9、63.2、66.2kW； 比油耗分别为 190.6、195.2、201.9、198.7、200.3、214.1、200.2、224.6g/（kW·h）。 当使用配制的乳化柴油后， 发动机输出功率分别为 57.1、60.3、60.5、60.2、60.9、61.4、62.1kW，平均下降了 1.8kW，为 2.95%；比油耗分别为 215.6、210.0、214.4、221.0、224.4、232.4、324.7g/（kW·h），平均上升了 19.6g/（kW·h），为 9.06%。

图1 外特性功率、扭矩曲线

图2 外特性油耗曲线

3.2 负荷特性试验

外特性试验结果如图3、图4所示。试验结果表明，发动机使用配制的乳化柴油后，比油耗有一定的上升。此处对油耗变化的评定方法借鉴GB 14951的计算方法，其对平均比油耗的计算方法如下：

图3 2600r/min负荷特性比油耗曲线

图4 2000r/min负荷特性比油耗曲线

其中：g为发动机油耗（有效燃油消耗率）均值，单位为g/（kW·h）；ge为发动机比油耗拟合方程，其根据测试数据，由统计学软件拟合而成；P1为该转速下发动机最大功率的30%，单位为kW，本文设定为54kW；P2为该转速下发动机最大功率的90%，单位为kW，本文设定为18kW。

根据此种计算方法，计算得知，发动机在燃用0#柴油及乳化柴油时，2600r/min负荷特性下比油耗均值分别为252.81及 276.12g/（kW·h），平均上升了 9.21%。 发动机在燃用 0# 柴油及乳化柴油时，2000r/min负荷特性下比油耗均值分别为222.38 及 242.54g/（kW·h），平均上升了 9.06%。

3.3 自由加速烟度试验

自由加速烟度试验结果如表2所示。

表2 自由加速烟度测试数据 K/m-1（光吸收系数）

试验用柴油机使用乳化柴油与使用0号柴油相比，自由加速烟度下降了平均28.0%。

4 总结与展望

根据以上试验结果，我们可以得出以下结论：

（1）4100QBZL柴油机燃用乳化柴油运转正常，虽然外特性功率、扭矩有一定的下降，但是基本不影响其正常工作。（2）4100QBZL柴油机燃用乳化柴油后油耗上升，经济性下降，比油耗平均上升9%左右。但考虑到配制的乳化柴油中含有8.5%的水及1.5%的添加剂，但油耗没有超过10%，在一定程度上也达到了节约柴油的效果。（3）4100QBZL柴油机燃用乳化柴油后尾气烟度明显降低，说明本文配制的乳化柴油对于降低烟度排放有显著的效果。（4）由于试验条件有限，本文此次并未对其他排放指标进行测试，在下一步的试验和研究中，有必要对NOx、颗粒物的排放变化及乳化柴油对尾气催化装置的影响进行深入的探讨和研究。

[1]张合.筑路机械柴油机的使用特点[J].工程与机械维修，2007(10)：178

[2]王永红.乳化柴油的研究进展[J].润滑油与燃料，2007(2)：5-8

[3]王永红.乳化柴油的研制及应用[J].炼油技术与工程，2003(8)：26-28