重油和二甲醚复合燃料的燃烧及排放特性的研究*

陈永芳　孙世芳　王炳辉（-浙江国际海运职业技术学院　浙江 舟山　360　宁波大学海运学院）

重油和二甲醚复合燃料的燃烧及排放特性的研究*

陈永芳1孙世芳1王炳辉2
（1-浙江国际海运职业技术学院浙江 舟山3160212宁波大学海运学院）

在不改变YC6A220C玉柴发动机结构和参数的前提下，燃用120 cSt纯重油、25%二甲醚和45%二甲醚复合燃料，将发动机的工况设定为1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min，负荷为20%，40%、60%、80%和100%进行对比。对燃料的燃烧和排放性能进行测定，试验结果表明：重油-二甲醚复合燃料相比纯重油，在燃烧性上有明显改善，缸压增大，放热率峰值提高，滞燃期缩短；随着复合燃料中二甲醚比重的增加，复合燃料的放热率进一步提高；在排放方面，复合燃料相比纯重油，污染物中的一氧化碳、碳氢化合物和烟度都有明显的下降，当复合燃料中二甲醚比重增加时，减排效果更加明显，其中一氧化碳减排最大达到57.6%；碳氢化合物达到76.84%；碳烟减排率为57.85%，而氮氧化物排量在低负荷时上升了28.87%。

发动机重油二甲醚 NOx碳烟减排

引言

随着世界经济的不断发展，国际贸易也愈加频繁，随之带来了航运业的大发展，但是在发展的同时，各国也看到了海洋运输所带来的问题。一方面，在海洋运输中，品质低劣的重油被广泛运用在船舶柴油机上，造成的大气和海洋环境污染日益严重［1-3］。为此，国际海事组织制定了相关的法规用来加强对船舶柴油机排放物中的污染物控制。另一方面，海洋运输中船舶柴油机所依赖的石化能源越来越少，石油价格持续走高，能源危机不断出现［4］。因此柴油机排放物的控制和代用燃料的开发已成为各国共同有待解决的难题。本文在研究了目前船用柴油机排放法规的基础上，考虑到船用柴油机燃烧重油所带来的对柴油机的损害和对环境的破坏，比较了目前主要代用燃料的优缺点和在柴油机上应用的特点，取长补短，找出最能弥补重油燃料缺点的代用燃料，且同时又能改善此代用燃料自身缺陷。减少NOχ的生成。

本文旨在通过燃烧重油-二甲醚复合燃料，观察其燃烧和排放情况，为重油和二甲醚在柴油机上的应用提供一条新的出路。对于船用柴油机而言，二甲醚由于黏度过低（0.184 mm2/s，25℃），对柴油机的精密喷射偶件起不到润滑作用，而120 cSt重油又由于黏度过高（117 mm2/s，50℃），往往需要加热至100℃，其黏度才能达到柴油机燃用的要求［5］。在本试验中，由于加入了低黏度的二甲醚，重油无需加热，通过观察试验过程缸内压力变化及尾气排放，研究重油-二甲醚复合燃料的燃烧和排放性能。

1　试验方法及设备

试验采用YC6A220C柴油机，其主要技术参数见表1。台架试验所用的主要设备见表2。试验用燃料的物化性质见表3。若针对燃用重油进行试验时，大型中低速柴油机是更为合适的，但由于试验条件的限制，我们使用YC6A220C柴油机进行测试。

表1　YC6A220C柴油机主要技术参数

在试验中，我们选取了柴油机的转速、负荷和二甲醚质量比作为测量参数，柴油机的转速选定为1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min，负荷分别是20%，40%、60%、80%和100%。混合燃料中二甲醚的质量比重分别为25%和45%，纯120 cSt重油作为对比参照燃料，复合燃料的燃油温度在30℃，纯重油的测量温度控制在50℃［6］。试验台架由试验样机、缸压采集系统和排气采集系统组成。试验用的是YC6A220C玉柴发动机。将柴油机安装在试验台架上，用Kistler 6125B压电式传感器测量缸内燃烧压力获取燃料缸内燃烧情况，缸内压力数值由缸压采集系统采集50个循环取其平均；用启测DW250电涡流测功机和柴油机台架试验系统检测试验过程中柴油机的转速、功率及扭矩等参数；另用FGA-4100检测柴油机不同工况下的排放状况，记录下HC、CO、CO2和NOχ的浓度值，并用半自动立式滤纸烟度机测试烟度值，试验台架布置如图1所示。混合燃料供油瓶示意图如图2所示。

表2　主要测试设备

表3　试验用燃料的物化性质

2　试验结果分析

2.1重油-二甲醚复合燃料燃烧特性分析

柴油机缸内的工质压力会随着曲轴转角或者气缸容积变化而变化，示功图就是以曲轴转角为自变量，缸内压力为因变量的曲线图，曲线所代表的面积就表示一个工作循环过程中工质所做的平均有效指示功。因此，我们可以通过示功图来研究缸内燃烧的整个过程的压力变化、燃料热释放率以及气缸和气壁的传热过程，这为研究重油-二甲醚复合燃料的燃烧性能提供了重要依据［7］。

图1　试验装置示意图

图2　混合燃料供油瓶示意图

图3显示的分别是柴油机在转速为1 200 r/min时，不同负荷下燃料缸内放热率变化情况。从图中可以看到：随着负荷的上升，各燃料的放热率峰值升高；复合燃料在任一负荷下的放热率峰值都要高于重油，45%二甲醚复合燃料对应40%，60%和80%负荷下重油的放热率峰值，要分别高出14.68%，13.68%和13.32%；同示功图相似，重油放热率峰值对应的曲轴转角滞后于复合燃料，说明重油的着火时刻滞后于复合燃料，且随着复合燃料中二甲醚含量的增大，差距越加明显。因此复合燃料的良好燃烧性可以从图中清晰地看出，这也就证明了是复合燃料中的二甲醚起到了增强雾化效果［8］，扩大燃烧区域的作用，并缩短了滞燃期，有利于控制排放。

2.2重油-二甲醚复合燃料排放特性分析

燃料的排放特性是考量燃料优劣的一项重要指标，而测量燃料燃烧产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对比，比排放量指内燃机单位功所排放的污染物质量，用g/（kW·h）表示，也可以称为污染的排放率。根据干燥尾气体积计算可得［9］：

式中：Gn表示标准状态下尾气体积，P为大气压强，T为尾气的温度，P1尾气湿度的大气分压。

图4所示，分别是各燃料在1 200 r/min，1400 r/min

和1 600 r/min时氮氧化物排放对比图。从图4中看出：无论是重油还是复合燃料，随着柴油机负荷上升，氮氧化物排放量都有所上升，这是因为负荷的增大，循环供油量增大，最高燃烧温度上升，过量空气系数减少而导致NOχ排量增大。随着复合燃料中二甲醚比重的提高，氮氧化物的排放量呈现出上升速度逐渐减小的趋势。但当工况在低负荷时，相比纯重油，复合燃料的NOχ排放有所增加，这是因为复合燃料的放热率的最大值高于纯重油，缸内温度高于纯重油，不利于控制氮氧化物；而低负荷时，重油由于高粘度和高密度，雾化性差不利于扩散燃烧，因此缸内的爆发压力和温度都要低于复合燃料，因此氮氧化物排放量相对较低，平均比复合燃料低了28.87%。而当柴油机的负荷增大后，复合燃料氮氧化物的排放量上升较慢，这是因为一方面二甲醚具有高十六烷值，使得复合燃料相比重油滞燃期缩短，降低了缸内燃烧温度；另一方面就是二甲醚具有较高的汽化潜热值，在燃烧过程中带走了一部分热量，降低了缸内燃烧温度，有利于控制氮氧化物的生成［10］。所以当柴油机在大负荷运行过程中，掺加二甲醚能够减少氮氧化物的排放，最高在1 600 r/min时可达5.6%的减排率。

图3　各种燃料在1200r/min，40%，60%和80%工况下放热率

图4　NOχ在1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min比排放情况

从图5看出，在不同负荷下，复合燃料的HC排放量都有所降低，而且复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不同负荷为例，45%二甲醚复合燃料HC排放量相比较纯重油，分别降低了45.63%、48.42%、49.42%和31.58%。主要可以从以下3个方面加以分析：第一点，从HC的生成途径来看，由于复合燃料中未燃烧的HC主要是由狭缝容积、润滑油膜以及燃烧中的积碳对HC产生吸附作用，由于复合燃料中的二甲醚进入气缸内迅速汽化，并且随着转速的提高，未燃烧完的HC随着二甲醚蒸汽进入到狭小的缝隙容积内，润滑油膜和积碳对未燃尽的HC的吸附和释放时间缩短［11］，这就使得随着二甲醚含量和转速的提高，HC的排放量逐渐降低；第二点，可以从重油和二甲醚化学结构中看出，重油是不同含碳量的直链烷烃、烯烃和芳香烃等所组成的大分子混合物，比起二甲醚的分子结构要复杂的多。因此，二甲醚比起重油易于完全燃烧，未燃尽的HC就会减少；第三点，由于HC排放是在高温高压脱氧下形成的，而二甲醚具有优良的燃烧性，改善了缸内的燃烧，有利于燃料与空气的混合，增加了燃烧压力，有利于抑制HC污染物的生成。

从图6中可以看出：各燃料烟度的排放随着负荷的增加而降低，这是由于在低负荷时，缸内温度低，滞燃期较长，部分重油在滞燃期内直接喷射到活塞头部，这部分燃油蒸发变慢，燃烧恶化［12-13］。同时，重油中的重质成分在高温缺氧下发生部分不完全燃烧和热裂解，这也使得烟度排放增加，但随着负荷的增加，缸内燃烧温度上升，那些组成碳烟的成分在高温条件下被氧化，所以负荷增加时，碳烟排放会跟着降低。25%二甲醚复合燃料减排效果并不明显，但随着混合燃料中二甲醚含量的增加，燃料碳烟的排放量也随之大幅度降低，在1 600 r/min，不同负荷时分别达到了38.89%、50.93%、45.52%和57.85%的降幅。这是因为一是重油的粘度、密度比较大，其喷射、雾化和燃烧性能比较差；二是重油中含有不容易着火燃烧的大分子物质多环芳香烃，其导致缸内燃烧恶化和不完全燃烧，从而导致排气烟度的增加。相比之下二甲醚中含有大量的氧（占质量的34.8%），并且没有直链碳键，所以连接在氧原子上的碳原子无法形成不饱和烃类，进而聚合成大颗粒碳烟。所以复合燃料的使用可以减低烟度的排放。

图5　碳氢化合物1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min比排放情况

3　结论

1）复合燃料相比重油，在燃烧过程中，缸内压力最高值增大，放热率峰值提高，达到峰值的时间减少，滞燃期缩短；随着复合燃料中二甲醚比重的增加，复合燃料的放热率进一步提高，对应最高值的曲轴转角减小。

图6　碳烟1 200 r/min、1 400 r/min和1 600 r/min比排放情况

2）复合燃料相比纯重油，柴油机尾气污染物中的CO、HC和碳烟排放量都有所下降，当在复合燃料中二甲醚比重增加时，减排效果更加明显，其中CO减排最大达到57.6%；HC达到76.84%；烟度减排率为57.85%。

3）相比重油，复合燃料NOχ排放量在低负荷时上升了28.87%。而在大负荷高转速运行过程中，掺加二甲醚能够减少NOχ的排放，因此对于NOχ，需要进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

浙江省高职高专专业带头人领军项目（编号：1j2013201）：宁波市基金项目2012A610169。

陈永芳（1968-），男，副教授，主要研究方向为交通运输工程及船舶修造教育研究。

2015-12-15）