柴油机掺烧重柴油的可行性研究

陈新梅

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050）

能源问题在世界范围内成为越来越严重的一个问题，各国都在“开源节流”以缓解本国的能源压力，比如美国、欧盟诸国、马来西亚、日本等国家都在进行生物柴油、甲醚等代用燃料的研究，这就是开源；另一种方法就是提倡节约能源，开展各种各样的节能措施。

本文通过对2135柴油机做掺烧重柴油的试验，来研究中小型柴油机上使用劣质燃油的可行性。中小型柴油机燃用处理好的重柴油，首要是保证柴油机能长时间稳定运行，即需要研究柴油机掺烧重柴油的性能指标；其次是根据越来越严格的尾气排放标准，讨论柴油机掺烧重柴油的排放指标。

1 试验装置及效果

因为重柴油的粘度过高，在中小型柴油机上直接燃烧会有困难，试验过程中需要对重柴油加热，降低重柴油粘度以提高重柴油的雾化质量，优化燃烧质量。基于这一原理，试验装置关键部分是重柴油的加热以及重柴油和轻柴油的混合。

试验装置配套的柴油机型号是2135柴油机。主要设备还包括：LCS 油耗转速测量仪，LCS 油耗称，DY2000 温度传感器，D4 水力测功器，PROTECH 不透光柴油烟度计，噪声测量仪。台架的布置尽量满足试验要求，且尽可能的反映实际情况。图1为柴油机热平衡试验台架示意图。

图1 热平衡试验平台组成

2 试验研究的结果分析

以下将分析2135柴油机掺烧重柴油后的性能指标和排放指标。包括对燃油加热等预处理，掺入燃油添加剂，更换新型滤芯等试验措施时，试验结果的分析比较。

2.1 掺烧重柴油对柴油机负荷特性及排放特性的影响

内燃机负荷特性是指当内燃机转速不变时，燃油消耗率或燃料消耗量，有时也加上排气温度等性能参数随负荷而变化的关系。因为柴油机在实际运行时很难保持转速不变，所以，负荷特性一般是在试验台架上测取，本试验就是在标定转速下测取的负荷特性。

图2、图3 分别为燃烧0 号纯柴油及掺烧50%20号重柴油的负荷特性线。由图可见，当保持柴油机转速不变、负荷增加时，0号纯柴油及掺烧50%20号重柴油的燃油消耗量均上升，而燃油消耗率先下降后平缓并有上升的趋势。这是因为，转速不变时，其充量系数基本保持不变，当负荷增大时所需功率增加，需要更多的燃油支持燃烧，燃油消耗量必然增加，而可燃混合气的过量空气系数φa 随负荷的增加而逐渐减少，当柴油机负荷过大时，φa 过小，导致燃烧恶化，当燃油耗量的增加率大于功率的增加率时，燃油消耗率上升。

图2 燃烧0号柴油的负荷特性

图3 掺烧20号重油的负荷特性

比较掺烧燃料的耗油率，如图4所示，相同的功率负荷比下，掺烧重油的燃油消耗率较高，0号纯柴油的耗油率较低，这与理论相符合。因为重柴油密度比纯柴油高，但燃烧值比纯柴油低，当达到相同功率要求时，耗油率必然增加。从图4还可看出，燃油消耗率的最低点依次从纯柴油、掺烧重油右移。在负荷特性曲线上，最低燃油消耗率越小，内燃机的经济性越好；be曲线越平坦，在越宽广的负荷范围内能保持较好的燃料经济性。由此可见，纯柴油的负荷适用范围最广，适于路况多变的汽车，掺烧油适于工况变化不大的工程机械及中小型船舶。最低燃油消耗率右移，说明掺烧油在负荷较大时有很好的燃油经济性，这也与工程机械与船舶主机一般负荷较大相匹配。

图5为100%纯柴油和掺烧50%重柴油燃烧时不同工况下的排气温度比较。由图可见，排气温度随着负荷的增加而增加，这就表示随负荷的增大，排气能量增大，可供回收利用的热量也将增大。比较掺烧重柴油的排气温度比燃烧0号纯柴油的排气温度，在各种工况下，掺烧重柴油的温度都比较高，不会影响排气余热的利用。

图4 掺烧燃料的耗油率比较

图5 掺烧燃料的排气温度的比较

2.2 燃料及设备改进对柴油机工作性能影响

（1）掺入燃油添加剂的影响

图6为0号柴油无添加剂和Ⅰ型添加剂及Ⅱ型添加剂的耗油率及排放的比较，添加剂Ⅰ为柴油清净剂，添加剂Ⅱ采用了液相纳米分散技术。所谓液相纳米技术，即用脂肪酸对纳米微粒进行表面修饰，使其在油中的分散稳定性得到提高。由图可见，Ⅰ型添加剂使燃油耗油量、排放烟度、CO、CO2、HC等均有大幅提高，Ⅱ型添加剂与无添加剂比较，降低了燃油消耗率，排放烟度、CO、CO2、NO 的排量变化不大，HC 排放量在低速区比较高，但在高速运转区排放比较好。综合比较，燃油添加剂Ⅱ的综合指标较好，改善柴油机经济性，减少有害排放，可以推广使用。

（2）有无新型滤清器的影响

劣质油因为粘度大，残碳、沥青、灰分含量高，易导致燃烧不良，使燃烧室、排气系统污染，积碳增加，磨损活动机件等。一般采用预处理的方法清除不纯物质，如使用燃油滤清器。本试验通过对换用新型滤清器前后燃烧结果的比较，来分析加强预先处理对柴油机燃油消耗率及排放的影响。

图6 掺入添加剂的油耗率和尾气排放的比较

图7为供油系统中有无新型滤清器的燃油消耗率和排放烟度的比较。由图可知，使用新型滤清器后，燃油消耗率在低转速处略有增加，正常运转时基本不变，在高转速处耗油率降低。因为新型滤清器更好的过滤掉燃油中的残碳、灰分、沥青等不纯物质，排放烟度有明显的降低。

图7 采用新旧型滤清器油耗率和尾气排放的比较

3 试验总结及展望

此次对2135型柴油机掺烧重柴油的台架实验，通过分析负荷特性和排放特性，得出如下结论：

（1）掺烧劣质油需加热。低质燃油粘度较高，不利于喷油系统中滤清器和精密偶件的正常工作。燃油粘度受温度影响较大，设计合理、运行正常的加热及温控系统在中小型船舶应用低质燃油中有着关键作用。试验结果显示，柴油机的负荷特性和排放特性都略有升高。但能保证柴油机长时间运行工作稳定，排气温度略有升高，对余热利用没有影响。

（2）掺烧重柴油的预处理须得当。燃油加热温度应适当，温度太高会危及喷油泵、喷油器的工作可靠性，也浪费加热能量；温度太低粘度偏高，会影响喷油、雾化和混合，柴油机性能欠佳。一般低质燃油（如20＃重柴油）加热到65OC 左右较合理。

（3）进行了使用添加剂和应用新型设备对柴油机的负荷特性和排放特性的影响的研究。结果表明，不同的添加剂对燃烧和排放特性有不同的效果，选用合适的添加剂能明显的改进柴油机的工作性能。同时，掺烧重油时选用新型滤清器对排放性能有明显的改善，使排放烟度大幅降低。

内河中小型船舶动力以高速和中速柴油机为主，部分为车用柴油机的变型机。相对于车用柴油机转速较低，缸径偏大，船舶布置和机舱空间允许利用排气和冷却热量加热燃油，有利于低质燃油的采用。试验台架的研究为中小型柴油机掺烧重柴油的可行性提供了依据，希望尽快进行实船实验。

1 陈新梅.内河船舶柴油动力装置节能研究［D］.华中科技大学硕士学位论文，华中科技大学图书馆存.2009