农用柴油机燃用乳化柴油的经济性和排放性研究

张承亮，陈振斌 ， 孙 瑞

（海南大学机电工程学院，海南 海 口 570228）

柴油机的热效率高、燃油经济性好、功率范围广，而且具有CO和HC排放低、运行安全、使用寿命长等优点，因而广泛应用于农业机械［1－2］。然而调查显示，农业机械单机的NOx和PM排放分别是机动车的2.0倍和1.5倍，控制农业机械排放已经成为亟待解决的问题［3］。柴油机的含水燃烧是实现节能减排的一种有效途径，并且可以同时改善PM和NOx排放［4］。几十年来，清洁燃料的研发与应用逐渐受到世界各国的重视，国内外对乳化柴油的开发利用进行了大量的前期研究，这些研究主要集中在乳化柴油的配制及乳化柴油的理化特性、燃烧特性、燃油经济性和排放特性等方面，但总体上对乳化柴油的研究还不够完善和系统。

对不同含水比例乳化柴油的经济性和排放性进行研究，可为乳化柴油在农业机械上的推广应用提供理论依据。本研究利用GT－Power仿真软件建立295A柴油机模型，对4种不同含水比例的乳化柴油分别在不同负荷率条件下的经济性和排放性进行仿真分析。通过综合考虑乳化柴油经济性和排放性的评价指标，确定最优的含水比例乳化柴油，并在双缸柴油机上对该乳化柴油和纯柴油进行了标定转速1 500r／min下的发动机负荷特性对比试验与分析，为后期发动机参数优化设计提供参考。

1 发动机模型的建立与标定

1.1 模型的建立

利用GT－Power软件建立295A柴油机进排气系统、曲轴箱、气缸、喷油系统等模块的模型，同时按照各模块的要求输入相关数据。模型添加了4种不同含水比例的乳化柴油燃料库：ED10（纯净水10%、柴油87.2%、乳化剂及助溶剂2.8%），ED15（纯净水15%、柴油82.2%、乳化剂及助溶剂2.8%）、ED20（纯净水20%、柴油77.2%、乳化剂及助溶剂2.8%）和ED25（纯净水25%、柴油72.2%、乳化剂及助溶剂2.8%）。根据计算和相关文献［5］得到不同比例乳化柴油的主要理化特性参数（见表1）。

表1 乳化柴油的理化特性

1.2 试验设备及仪器

在295A柴油机上进行发动机负荷特性试验，该机的主要技术参数见表2。主要的测试设备包括：ESF－300电涡流测功器，扭矩测量精度±0.2%FS，转速测量精度±1r／min；AVL Disomke4000不透光烟度计，测量范围0～99.99m－1，测量精度0.01m－1；AVL Digas4000五气体分析仪，NOx排放测量范围0～5 000×10－6，测量精度1×10－6。

表2 柴油机技术参数

按照内燃机台架性能试验方法，测试柴油机在标定转速（1 500r／min）下25%，50%，75%和100%等4种不同负荷率的燃油消耗率以及NOx和soot排放等。在试验过程中没有调整供油压力、喷油嘴的启喷压力、供油提前角等原机参数。

1.3 模型标定

为了保证所建立的发动机仿真模型的合理性，利用试验对仿真模拟结果进行验证。图1示出了燃用柴油时，不同负荷率下试验值与计算值的对比。结果显示：1）功率方面，试验值与计算值最大误差出现在100%负荷下，为3.2%；2）燃油消耗率方面，相同的负荷率下试验值与计算值的最大误差为3.04%；3）NOx排放方面，相同的负荷率下试验值与计算值的最大误差为4.95%；4）soot排放方面，鉴于试验方法与计算模拟的差异，两者按照文献［6］介绍的拟合公式K＝0.006 1C－0.016 41（K 为消光系数；C为碳粒质量浓度）进行换算，结果显示，在75%的负荷率时试验值与计算值误差最大，为3.1%。试验值与计算值的最大误差均在5%以内，因此，仿真模型符合精度要求。

2 仿真结果与分析

在标定转速（1 500r／min）不同负荷率下，对柴油机燃用不同含水比例乳化柴油的经济性与排放特性进行了仿真。

2.1 燃油消耗率

图2示出了燃用柴油及不同比例乳化柴油时，燃油消耗率随负荷率的变化曲线。由图2a可知，不同含水比例乳化柴油的实际燃油消耗率都比纯柴油高，并且随着含水比例的增加而增加。由于乳化柴油中含有10%～25%的水，而水的密度大且没有热值，因此，乳化柴油的实际燃油消耗率高于柴油。为了方便比较，图2b示出的是减去水的乳化柴油的当量燃油消耗率。由图2b可知，除ED10，ED25在25%负荷时当量燃油消耗率高于纯柴油3.2%，4.75%外，其他负荷下当量燃油消耗率均低于纯柴油；ED10，ED15，ED20和ED25在4种不同负荷下相对于柴油的平均节油率分别为2.9%，3.68%，4.2%，0.8%。随着含水比例的增加，乳化柴油的节油率呈现先增大后降低的趋势。

原因分析：1）根据流体流动阻力和能量损失的性质可知，乳化柴油黏度与密度的增大将导致喷油时体积流量与喷射压力降低，这对柴油机的燃烧是不利的，但是乳化柴油的当量燃油消耗率降低，间接说明含水燃烧提高了燃烧效率。2）根据能量守恒定律，柴油掺水后的热值并没有提高，含水燃烧的微爆效应加快了燃烧速度，提高了热效率。然而，乳化柴油的微爆强度与含水比例有一定的关系，含水比例过高或过低都不利于微爆的发生，微爆发生的强弱取决于微爆发生时油滴内剩余水分的多少［7］。3）水在进燃烧室前为液态，出燃烧室时为气态，水的升温和汽化吸收的热量来源于燃烧室周围零部件和燃油燃烧放出的热量。当含水比例过大时，大量的热量被带走，能量损失增加，从而降低热效率，导致节油率下降［8］。另外，水的升温和汽化是个吸热过程，会使缸内温度降低，在50%～100%负荷时，降低了峰值温度和局部高温；但在25%负荷时，液滴的蒸发过程受到抑制，影响了此刻的燃烧效率（例如ED25当量燃油消耗率高于柴油）。总之，当因微爆效应而增加的未燃燃料燃烧产生的热量与水在缸内膨胀做功之和大于水的排气热量损失时，乳化柴油才会起到节油效果。故随着乳化柴油含水比例的增大，乳化柴油的节油率出现先增大后减小的趋势。

2.2 有害物排放

图3示出了乳化柴油在不同负荷率下NOx以及soot的排放变化曲线。由图3a可知，在宽广的负荷范围下，燃用乳化柴油的NOx排放显著下降，且随着含水比例的增加，减排效果更加明显，这说明乳化柴油中的水分对抑制NOx的生成有直接影响。随着负荷率的增加，乳化柴油NOx的减排效果下降。由计算可知，ED10，ED15，ED20和ED25的平均减排率分别为15.2%，26.5%，39.0%，57.1%。图3b示出了在不同的负荷范围内soot的排放变化曲线。由图可知，随着负荷率的增加，soot的排放量增加；在相同的负荷下，随着含水比例的增加，soot的排放减少，且随着负荷率的升高，soot的减排效果更加明显。由计算可知，ED10，ED15，ED20，ED25的平均减排率分别为21.4%，44.6%，60.4%，75.9%。

3 最优乳化柴油的选取及试验验证

3.1 经济性与排放性的综合评价函数

相比于柴油，乳化柴油在降低NOx和soot排放方面起到较好的效果，然而实际燃油消耗率却相对增加，同时ED10，ED25的当量燃油消耗率在低负荷时仍稍高于柴油。发动机经济性和排放性往往是不一致的。对于乳化柴油发动机的性能评估，应综合考虑其经济性和排放性，将其综合性能评价放在第一位。所以，最佳燃料的选取应在经济性和排放性之间取得最优化。结合Montgomery及Reiz［11］提出的关于柴油机的经济性与排放性的综合评估方法，得出燃用乳化柴油时经济性与排放性的综合评价函数f（x）的表达式

式中：φ（NOx），φ（soot）代表排放量；be代表当量燃油消耗率；φ0（NOx），φ0（soot）代表排放目标值；be0代表燃油消耗率目标值；a，b，c为权重系数。函数值f（x）越大，表明柴油机的经济性与排放性的综合性能越好；反之，其经济性与排放性的综合性能越差。

结合国家排放标准［12］的要求及295A柴油机的实际运行情况，按照相应的换算方法，将φ0（NOx），φ0（soot），be0的 值 分 别 设 置 为 960×10－6，2.5×10－6m－1，210g／（kW·h）。考察这5种变量随负荷的变化围绕目标值波动的程度，发现燃油消耗率的波动程度远低于排放量的波动程度，因此需设置较高的权重系数，同时为保证计算结果不失真［13］，将a，b，c的值分别设置为12，8，80。经过测算得出4种不同乳化柴油在不同的负荷率下经济性与排放性综合评价的函数值（见表3）。结果表明，乳化柴油的经济性与排放性综合评价（合计）函数值均高于柴油，其中，最优为ED15，其次为ED10。

表3 不同燃料的经济性与排放性综合评价函数值

3.2 试验验证

将经济性与排放性综合评价最优的乳化柴油ED15和柴油分别进行发动机负荷特性试验，测试这两种燃料在标定转速1 500r／min不同负荷率下的燃油消耗率、NOx排放值及soot排放值，同时对ED15的仿真结果和实测结果进行比较分析。由图4对比结果可见：1）ED15当量燃油消耗率的计算值与试验值的最大误差为5.4%，在不同的负荷率下ED15的当量燃油消耗率均低于柴油，节油率分别为5.5%，3.0%，1.1%，3.2%；2）ED15NOx排放的计算值与试验值的最大误差为4.4%；在4种不同的负荷下，ED15的 NOx减排率分别为42.7%，37.4%，11.9%，9.2%；3）ED15soot排放的计算值与试验值的最大误差为6.0%，随着负荷率的增加，soot的减排效果更加明显，在4种不同负荷率下的减排率分别为37.9%，30%，52%，47.8%。

4 结论

a）仿真结果表明，除了ED10，ED25的当量燃油消耗率在25%的负荷率下略高于柴油外，ED10，ED15，ED20和ED25的当量燃油消耗率在其他负荷率下均低于柴油；

b）乳化柴油在降低NOx和soot排放方面效果显著；

c）乳化柴油的经济性与排放性综合评价函数测算结果表明，乳化柴油的经济性与排放性综合评价（合计）函数值均高于柴油，最优为ED15，其次为ED10；

d）试验结果表明，经济性与排放性综合评价最优的ED15在4种不同负荷率下的当量燃油消耗率均低于纯柴油，节油率分别为5.5%，3.0%，1.1%，3.2%，NOx减排率分别为42.7%，37.4%，11.9%，12.9%，soot减排率分别为37.9%，30%，52%，47.8%。

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