何金戈， 童 開， 肖明偉， 符永銳， 張惜輝

(1.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228； 2.中海油新能源生物能源化工有限公司 海南 東方 572600)

不同供油提前角下地溝油生物柴油-柴油混合燃料的經(jīng)濟(jì)性和排放特性試驗(yàn)研究

何金戈1， 童 開1， 肖明偉1， 符永銳2， 張惜輝1

(1.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228； 2.中海油新能源生物能源化工有限公司 海南 東方 572600)

研究了不同供油提前角下，直噴柴油機(jī)燃用體積比為30∶70的地溝油生物柴油-柴油混合燃料(B30)的經(jīng)濟(jì)性和排放特性.結(jié)果表明，B30地溝油生物柴油-柴油混合燃料在供油提前角18° CA時(shí)，燃油消耗率最低，增大或減小供油提前角，燃油消耗率都會(huì)增加， 24° CA比18° CA在最大負(fù)荷處燃油消耗率最高可增加18%；隨著供油提前角的減小，NOX的排放降低，但會(huì)在一定程度上增加CO和炭煙的排放；在供油提前角為 22° CA時(shí)，HC排放最低，增大或減小供油提前角，HC排放都會(huì)增加，22° CA比16° CA在大負(fù)荷時(shí)可以降低68%，比18° CA降低50%.

地溝油生物柴油；供油提前角；經(jīng)濟(jì)性；排放性

地溝油是將下水道中的油膩漂浮物或者將賓館、酒樓的泔水經(jīng)過簡(jiǎn)單加工、提煉出的油[1].由于地溝油能產(chǎn)生醛、酸等具有惡臭的物質(zhì)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，而且近年來，地溝油制售食用油返回餐桌的惡性事件頻頻發(fā)生，對(duì)環(huán)境和人都造成了極大的危害[2].將地溝油制備成生物柴油重新利用,是為地溝油尋找合適出路的有效辦法.生物柴油是典型的再生能源,無毒,具有高的生物降解率,可大大減輕對(duì)環(huán)境的污染及影響.與化石柴油相比, 地溝油生物柴油較高的燃料十六烷值、不含硫和芳烴、低揮發(fā)性以及燃料中含氧等優(yōu)點(diǎn),使其具有降低柴油機(jī)排放的潛能[3].生物柴油可直接應(yīng)用于現(xiàn)有的柴油機(jī)，也可以與柴油以一定比例混合使用[4].供油提前角是柴油機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性能等的影響比其他參數(shù)更為顯著，合理選擇供油提前角是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能和降低有害物排放的有效措施[5].供油提前角最優(yōu)化的研究已成為越來越重要的課題.地溝油生物柴油的理化特性與石化柴油相比稍有差異，因此有必要研究地溝油生物柴油及其混合燃料與柴油機(jī)的供油提前角的適應(yīng)性問題[6].本研究使用中國(guó)海洋石油總公司(海南省東方市)配制的地溝油生物柴油，通過在直噴式雙缸柴油機(jī)上燃用其與柴油的混合燃料，研究了不同供油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響，以期優(yōu)化地溝油生物柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)的供油提前角，為地溝油生物柴油的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)使用地溝油生物柴油與0號(hào)石化柴油按照體積比30∶70混合配制而成.0號(hào)石化柴油為市購(gòu)中石化商品柴油.地溝油生物柴油為中海油新能源生物能源化工有限公司提煉并提供，其主要性能指標(biāo)如表1所示.

1.2試驗(yàn)裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試裝置為 ESF-300電渦流測(cè)功機(jī)及控制試驗(yàn)臺(tái)，尾氣排放測(cè)試裝置為AVL Digas 4000型五氣體分析儀和AVL Disomke 4000型不透光煙度計(jì)，油耗測(cè)試裝置為湖南湘儀測(cè)試有限公司生產(chǎn)的FC2210智能油耗儀，DX-②大功率磁力攪拌機(jī).試驗(yàn)柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.

1.3試驗(yàn)方法

將地溝油生物柴油和純柴油以體積比為30∶70進(jìn)行混合后，在攪拌機(jī)上均勻攪拌5 min.保持在發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油壓力等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過保持和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的供油提前角，使發(fā)動(dòng)機(jī)的供油提前角參數(shù)在24°，22°，20°，18°，16°的條件下，以額定轉(zhuǎn)速(1 500 r·min-1)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性.

表1 地溝油生物柴油主要性能指標(biāo)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Fuel properties and detection methods ofbiodiesel produced from waste cooking oil

表2 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2 Engine specifications

2 結(jié)果與分析

2.1不同供油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖1是B30混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)不同供油提前角下的燃油消耗率曲線.從圖1可以看出，供油提前角的變化對(duì)柴油機(jī)的有效燃油消耗率具有顯著影響,B30混合燃料在18° CA 附近燃油消耗率最低.隨著供油提前角從24° CA逐漸減小到18° CA，相同負(fù)荷下的燃油消耗率逐漸降低，最大負(fù)荷處降低15%；但當(dāng)供油提前角進(jìn)一步減小到16° CA，有效燃油消耗率反而有所升高，但相差不大.

圖1 供油提前角對(duì)混合燃料燃油消耗率的影響Fig.1 Effect of fuel supply advance angle onbrake specific fuel consumption

與石化柴油相比，地溝油生物柴油的高黏度會(huì)使其霧化不良；同時(shí)由于其具有較高的汽化潛熱，會(huì)使汽缸內(nèi)溫度下降較多，不利于燃料的著火燃燒，這2個(gè)因素會(huì)造成滯燃期增加，使著火落后期延長(zhǎng).但地溝油生物柴油的十六烷值較石化柴油大，從這個(gè)角度講，又會(huì)使滯燃期增加.地溝油生物柴油的最佳點(diǎn)火提前角受到以上2個(gè)因素的綜合影響和制約[6].B30混合燃料的之所以會(huì)在18° CA時(shí)出現(xiàn)有效燃油消耗率最小的現(xiàn)象，是因?yàn)锽30混合燃料的滯燃期較石化柴油是減小的緣故.原機(jī)的供油提前角是 22° CA，混合燃料B30的經(jīng)濟(jì)性最好是在18° CA.當(dāng)供油提前角為18° CA時(shí)，最大爆發(fā)壓力正好在 10°～15° CA，因此經(jīng)濟(jì)性最好.

當(dāng)供油提前角大于18° CA時(shí)，混合燃料將噴入溫度和壓力相對(duì)較低的空氣中，著火燃燒后活塞仍在上行，壓縮負(fù)功增加，故適當(dāng)減小供油提前角有利于燃油消耗率降低.但若供油提前角小于18° CA時(shí)，燃料實(shí)現(xiàn)空間霧化的時(shí)間縮短，影響了預(yù)混燃燒階段可著火混合氣的形成，使預(yù)混燃燒階段的燃燒效率下降，同時(shí)混合燃料不能在上止點(diǎn)附近及時(shí)燃燒，散熱損失增加，有效燃油消耗率反而降低.

2.2不同供油提前角對(duì)柴油機(jī)排放性的影響

2.2.1 供油提前角對(duì)NOX排放的影響 圖2是柴油機(jī)燃燒B30混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)不同供油提前角下的NOX排放曲線.

圖2 供油提前角對(duì)混合燃料NOX排放的影響Fig.2 Effect of fuel supply advanceangle on NoX emission

由圖2可以看出，在各種負(fù)荷工況下，隨著供油提前角逐漸變大，柴油機(jī)的NOX排放都逐漸增高.在低負(fù)荷時(shí)相差不大，大負(fù)荷時(shí)NOX排放差異明顯.特別是在12 kW時(shí)出現(xiàn)峰值，24° CA時(shí)的NOX排放值比16° CA的排放值增加了35%.

由NOX的生成機(jī)理可知，其3個(gè)主要因素是燃燒溫度、氧氣濃度、燃料在燃燒室中逗留的時(shí)間等因素有關(guān)[7].供油提前角增大，混合燃料進(jìn)入氣缸較早，進(jìn)入氣缸時(shí)的溫度和壓力較低，導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混混合氣均勻且處于化學(xué)計(jì)量空燃比附近，可燃混合氣數(shù)量增加，使得在速燃期的燃燒過程中缸內(nèi)的溫度和壓力迅速升高，導(dǎo)致NOX排放量上升[8]；同時(shí)，隨著供油提前角增大，導(dǎo)致燃燒始點(diǎn)提前，燃燒時(shí)間增加，增大了反應(yīng)物在氣缸的滯留時(shí)間，這些也使得NOX排放增多.

2.2.2 供油提前角對(duì)煙度的影響 圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒B30混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)不同供油提前角下煙度(用光吸收系數(shù)K表示)的排放曲線.由圖3可以看出，供油提前角對(duì)煙度影響較大，煙度排放會(huì)隨著供油提前角的增大而減小.在小負(fù)荷處差異較小, 在中、大負(fù)荷處, 16° CA比 24° CA時(shí)光吸收系數(shù)K高250%.這是因?yàn)樘紵煹纳芍饕跀U(kuò)散燃燒中發(fā)生,隨著供油提前角的減小, 燃料燃燒滯燃期相對(duì)縮短.相同負(fù)荷下, 滯燃期越短, 在滯燃期內(nèi)噴入的燃油量越少, 參加預(yù)混燃燒的燃油比例相應(yīng)減少, 進(jìn)行擴(kuò)散燃燒的燃油就越多, 碳煙也越多[9].

2.2.3 供油提前角對(duì)CO排放的影響 圖4是混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)不同供油提前角下的CO排放曲線.由圖4可以看出，在小負(fù)荷處, 各個(gè)供油提前角下CO排放量相差不大，而在大負(fù)荷段，隨著供油提前角的減小, CO排放量增大.在中等負(fù)荷時(shí)， 24° CA和16° CA,HC排放最大降低60%以上.

圖3 供油提前角對(duì)混合燃料煙度的影響Fig.3 Effect of fuel supply advance angle onexhaust soot emission

圖4 供油提前角對(duì)混合燃料CO排放的影響Fig.4 Effect of fuel supply advanceangle on CO emission

結(jié)果表明，在小負(fù)荷工況，柴油機(jī)以較大的平均過量空氣系數(shù)運(yùn)行，CO氧化條件較好，此時(shí)不同供油提前角下CO排放相當(dāng).供油提前角大，滯燃期長(zhǎng)，進(jìn)行擴(kuò)散燃燒的燃油少，因此供油提前角增大，CO排放減少.在中、大負(fù)荷工況，隨著供油提前角的減小,缸內(nèi)溫度和壓力增大，滯燃期縮短, 滯燃期內(nèi)的噴油量減少，參加預(yù)混合燃燒的燃料量減少；著火后參加擴(kuò)散燃燒的噴油量增加.擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)是邊噴射、邊混合、邊燃燒，混合氣極為不均勻.而混合氣極均勻、相對(duì)缺氧是生成CO的主要原因.另外，供油提前角減小的燃燒雖然使缸內(nèi)平均溫度較高, 但混合中已有燃燒產(chǎn)物混入, 局部缺氧嚴(yán)重, 且高溫下的燃燒時(shí)間縮短,燃燒不完全，這就造成CO排放量隨供油提前角的縮小而升高的結(jié)果[10].

2.2.4 供油提前角對(duì)HC排放的影響 圖5是混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下不同供油提前角下的HC排放曲線.由圖5可以看出，在22° CA之前，隨著供油提前角的增大，HC的排放大幅降低.22° CA的供油提前角比16° CA的供油提前角HC排放在大負(fù)荷時(shí)降低68%， 比18° CA降低50%.但當(dāng)供油提前角達(dá)到24° CA時(shí)，HC的排放反而略有升高.

圖5 供油提前角對(duì)混合燃料HC排放的影響Fig.5 Effect of Fuel Supply AdvanceAngle on HC emission

結(jié)果表明，隨著供油提前角的增大，混合燃料滯燃期延長(zhǎng), 使滯燃期內(nèi)的噴油量占循環(huán)噴油量的分量增加，加強(qiáng)了預(yù)混合燃燒，燃燒過程中生成的HC被氧化的機(jī)會(huì)增多，因此減少了HC的排放.反之，減小供油提前角延遲噴油延遲燃燒開始的時(shí)刻, 擴(kuò)散燃燒期延長(zhǎng)，局部可能缺氧造成燃燒不完全，導(dǎo)致HC的排放則會(huì)增大[11].如果供油提前角過大，如24° CA時(shí)，燃油在氣缸內(nèi)壓力和溫度較低時(shí)噴射，地溝油生物柴油密度大，油束射程大，燃油可能被噴至汽缸壁，而燃油壁面溫度較低會(huì)導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量變差，增大了火焰淬火層厚度，排放造成HC的排放增加.

3 結(jié)論

1)在其它參數(shù)不變的條件下，適當(dāng)減小供油提前角可以降低地溝油生物柴油的燃油消耗率.B30地溝油生物柴油-柴油混合燃料在18° CA燃油消耗率最低.

2)在其它參數(shù)不變的條件下，適當(dāng)減小供油提前角可以有效降低NOX的排放，但會(huì)在一定程度上增加CO，HC以及炭煙的排放.

3)供油提前角 22° CA時(shí)，HC排放最低.

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(責(zé)任編輯：蔣國(guó)良)

Experimentalstudyoneconomicandexhaustemissioncharacteristicsofdieselenginefueledwithwastecookingoilbio-dieselblendedwithdieselatdifferentfuelsupplyadvanceangle

HE Jin-ge1, TONG Kai1, XIAO Ming-wei1, FU Yong-rui2, ZHANG Xi-hui1

(1.Mechanical and Electrical Engineering College, Hainan University，Haikou 570228, China； 2.CNOOC New Energy Bio-Energy Chemical Co., Ltd., Dongfang 572600， China)

The experiment of economic and exhaust emission characteristics of diesel engine fueled with 30% waste cooking oil bio-diesel blended with 70% diesel at different fuel supply advance angle was conducted. The experimental results show that: the best economic fuel injection timing of B30 Blending fuel was at 18° CA. Increase or decrease fuel supply advance angle, and specific fuel consumption increased. The specific fuel consumption increased by 18% when fuel supply advance angle was at 18° CA compared with 24° CA at maximum load；With the decrease of the fuel delivery advance angle, NOXemissions reduced, but CO and soot emissions increased to a certain extent; when fuel supply advance angle was at 22° CA, HC emissions was the lowest, with the increase/decrease of fuel delivery advance angle, HC emissions increased, HC emissions increased by 68% and 50% when the fuel supply advance angle was at 22° CA and 16° CA, or 18° CA at maximum load respectively.

waste cooking oil bio-diesel；fuel supply advance angle；fuel economic performance；emissions performance

TK427

：A

2014-01-10

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(512118)

何金戈，1971年生，男，河南寶豐人，副教授，從事汽車新型燃料方面的研究.

1000-2340(2014)05-0626-05