不同供油提前角下地沟油生物柴油-柴油混合燃料的经济性和排放特性试验研究

何金戈， 童 开， 肖明伟， 符永锐， 张惜辉

(1.海南大学机电工程学院，海南 海口 570228； 2.中海油新能源生物能源化工有限公司 海南 东方 572600)

不同供油提前角下地沟油生物柴油-柴油混合燃料的经济性和排放特性试验研究

何金戈1， 童 开1， 肖明伟1， 符永锐2， 张惜辉1

(1.海南大学机电工程学院，海南 海口 570228； 2.中海油新能源生物能源化工有限公司 海南 东方 572600)

研究了不同供油提前角下，直喷柴油机燃用体积比为30∶70的地沟油生物柴油-柴油混合燃料(B30)的经济性和排放特性.结果表明，B30地沟油生物柴油-柴油混合燃料在供油提前角18° CA时，燃油消耗率最低，增大或减小供油提前角，燃油消耗率都会增加， 24° CA比18° CA在最大负荷处燃油消耗率最高可增加18%；随着供油提前角的减小，NOX的排放降低，但会在一定程度上增加CO和炭烟的排放；在供油提前角为 22° CA时，HC排放最低，增大或减小供油提前角，HC排放都会增加，22° CA比16° CA在大负荷时可以降低68%，比18° CA降低50%.

地沟油生物柴油；供油提前角；经济性；排放性

地沟油是将下水道中的油腻漂浮物或者将宾馆、酒楼的泔水经过简单加工、提炼出的油[1].由于地沟油能产生醛、酸等具有恶臭的物质，破坏土壤结构，而且近年来，地沟油制售食用油返回餐桌的恶性事件频频发生，对环境和人都造成了极大的危害[2].将地沟油制备成生物柴油重新利用,是为地沟油寻找合适出路的有效办法.生物柴油是典型的再生能源,无毒,具有高的生物降解率,可大大减轻对环境的污染及影响.与化石柴油相比, 地沟油生物柴油较高的燃料十六烷值、不含硫和芳烃、低挥发性以及燃料中含氧等优点,使其具有降低柴油机排放的潜能[3].生物柴油可直接应用于现有的柴油机，也可以与柴油以一定比例混合使用[4].供油提前角是柴油机的一个重要参数，对柴油机的燃油经济性、动力性、排放性能等的影响比其他参数更为显著，合理选择供油提前角是优化发动机性能和降低有害物排放的有效措施[5].供油提前角最优化的研究已成为越来越重要的课题.地沟油生物柴油的理化特性与石化柴油相比稍有差异，因此有必要研究地沟油生物柴油及其混合燃料与柴油机的供油提前角的适应性问题[6].本研究使用中国海洋石油总公司(海南省东方市)配制的地沟油生物柴油，通过在直喷式双缸柴油机上燃用其与柴油的混合燃料，研究了不同供油提前角对发动机的经济性和排放性能的影响，以期优化地沟油生物柴油的发动机的供油提前角，为地沟油生物柴油的推广应用提供试验和理论依据.

1 材料与方法

1.1试验材料

本试验使用地沟油生物柴油与0号石化柴油按照体积比30∶70混合配制而成.0号石化柴油为市购中石化商品柴油.地沟油生物柴油为中海油新能源生物能源化工有限公司提炼并提供，其主要性能指标如表1所示.

1.2试验装置

发动机台架测试装置为 ESF-300电涡流测功机及控制试验台，尾气排放测试装置为AVL Digas 4000型五气体分析仪和AVL Disomke 4000型不透光烟度计，油耗测试装置为湖南湘仪测试有限公司生产的FC2210智能油耗仪，DX-②大功率磁力搅拌机.试验柴油机的主要技术参数如表2所示.

1.3试验方法

将地沟油生物柴油和纯柴油以体积比为30∶70进行混合后，在搅拌机上均匀搅拌5 min.保持在发动机的喷油压力等其他结构参数不变的情况下，通过保持和调整发动机的供油提前角，使发动机的供油提前角参数在24°，22°，20°，18°，16°的条件下，以额定转速(1 500 r·min-1)进行发动机负荷特性试验，测试发动机的经济性和排放性.

表1 地沟油生物柴油主要性能指标及检验标准Table 1 Fuel properties and detection methods ofbiodiesel produced from waste cooking oil

表2 柴油机技术参数Table 2 Engine specifications

2 结果与分析

2.1不同供油提前角对发动机经济性的影响

图1是B30混合燃料在标定转速时不同供油提前角下的燃油消耗率曲线.从图1可以看出，供油提前角的变化对柴油机的有效燃油消耗率具有显著影响,B30混合燃料在18° CA 附近燃油消耗率最低.随着供油提前角从24° CA逐渐减小到18° CA，相同负荷下的燃油消耗率逐渐降低，最大负荷处降低15%；但当供油提前角进一步减小到16° CA，有效燃油消耗率反而有所升高，但相差不大.

图1 供油提前角对混合燃料燃油消耗率的影响Fig.1 Effect of fuel supply advance angle onbrake specific fuel consumption

与石化柴油相比，地沟油生物柴油的高黏度会使其雾化不良；同时由于其具有较高的汽化潜热，会使汽缸内温度下降较多，不利于燃料的着火燃烧，这2个因素会造成滞燃期增加，使着火落后期延长.但地沟油生物柴油的十六烷值较石化柴油大，从这个角度讲，又会使滞燃期增加.地沟油生物柴油的最佳点火提前角受到以上2个因素的综合影响和制约[6].B30混合燃料的之所以会在18° CA时出现有效燃油消耗率最小的现象，是因为B30混合燃料的滞燃期较石化柴油是减小的缘故.原机的供油提前角是 22° CA，混合燃料B30的经济性最好是在18° CA.当供油提前角为18° CA时，最大爆发压力正好在 10°～15° CA，因此经济性最好.

当供油提前角大于18° CA时，混合燃料将喷入温度和压力相对较低的空气中，着火燃烧后活塞仍在上行，压缩负功增加，故适当减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时，燃料实现空间雾化的时间缩短，影响了预混燃烧阶段可着火混合气的形成，使预混燃烧阶段的燃烧效率下降，同时混合燃料不能在上止点附近及时燃烧，散热损失增加，有效燃油消耗率反而降低.

2.2不同供油提前角对柴油机排放性的影响

2.2.1 供油提前角对NOX排放的影响 图2是柴油机燃烧B30混合燃料在标定转速时不同供油提前角下的NOX排放曲线.

图2 供油提前角对混合燃料NOX排放的影响Fig.2 Effect of fuel supply advanceangle on NoX emission

由图2可以看出，在各种负荷工况下，随着供油提前角逐渐变大，柴油机的NOX排放都逐渐增高.在低负荷时相差不大，大负荷时NOX排放差异明显.特别是在12 kW时出现峰值，24° CA时的NOX排放值比16° CA的排放值增加了35%.

由NOX的生成机理可知，其3个主要因素是燃烧温度、氧气浓度、燃料在燃烧室中逗留的时间等因素有关[7].供油提前角增大，混合燃料进入气缸较早，进入气缸时的温度和压力较低，导致滞燃期延长，滞燃期内形成的预混混合气均匀且处于化学计量空燃比附近，可燃混合气数量增加，使得在速燃期的燃烧过程中缸内的温度和压力迅速升高，导致NOX排放量上升[8]；同时，随着供油提前角增大，导致燃烧始点提前，燃烧时间增加，增大了反应物在气缸的滞留时间，这些也使得NOX排放增多.

2.2.2 供油提前角对烟度的影响 图3是发动机燃烧B30混合燃料在标定转速时不同供油提前角下烟度(用光吸收系数K表示)的排放曲线.由图3可以看出，供油提前角对烟度影响较大，烟度排放会随着供油提前角的增大而减小.在小负荷处差异较小, 在中、大负荷处, 16° CA比 24° CA时光吸收系数K高250%.这是因为碳烟的生成主要在扩散燃烧中发生,随着供油提前角的减小, 燃料燃烧滞燃期相对缩短.相同负荷下, 滞燃期越短, 在滞燃期内喷入的燃油量越少, 参加预混燃烧的燃油比例相应减少, 进行扩散燃烧的燃油就越多, 碳烟也越多[9].

2.2.3 供油提前角对CO排放的影响 图4是混合燃料在标定转速时不同供油提前角下的CO排放曲线.由图4可以看出，在小负荷处, 各个供油提前角下CO排放量相差不大，而在大负荷段，随着供油提前角的减小, CO排放量增大.在中等负荷时， 24° CA和16° CA,HC排放最大降低60%以上.

图3 供油提前角对混合燃料烟度的影响Fig.3 Effect of fuel supply advance angle onexhaust soot emission

图4 供油提前角对混合燃料CO排放的影响Fig.4 Effect of fuel supply advanceangle on CO emission

结果表明，在小负荷工况，柴油机以较大的平均过量空气系数运行，CO氧化条件较好，此时不同供油提前角下CO排放相当.供油提前角大，滞燃期长，进行扩散燃烧的燃油少，因此供油提前角增大，CO排放减少.在中、大负荷工况，随着供油提前角的减小,缸内温度和压力增大，滞燃期缩短, 滞燃期内的喷油量减少，参加预混合燃烧的燃料量减少；着火后参加扩散燃烧的喷油量增加.扩散燃烧的特点是边喷射、边混合、边燃烧，混合气极为不均匀.而混合气极均匀、相对缺氧是生成CO的主要原因.另外，供油提前角减小的燃烧虽然使缸内平均温度较高, 但混合中已有燃烧产物混入, 局部缺氧严重, 且高温下的燃烧时间缩短,燃烧不完全，这就造成CO排放量随供油提前角的缩小而升高的结果[10].

2.2.4 供油提前角对HC排放的影响 图5是混合燃料在标定转速下不同供油提前角下的HC排放曲线.由图5可以看出，在22° CA之前，随着供油提前角的增大，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排放在大负荷时降低68%， 比18° CA降低50%.但当供油提前角达到24° CA时，HC的排放反而略有升高.

图5 供油提前角对混合燃料HC排放的影响Fig.5 Effect of Fuel Supply AdvanceAngle on HC emission

结果表明，随着供油提前角的增大，混合燃料滞燃期延长, 使滞燃期内的喷油量占循环喷油量的分量增加，加强了预混合燃烧，燃烧过程中生成的HC被氧化的机会增多，因此减少了HC的排放.反之，减小供油提前角延迟喷油延迟燃烧开始的时刻, 扩散燃烧期延长，局部可能缺氧造成燃烧不完全，导致HC的排放则会增大[11].如果供油提前角过大，如24° CA时，燃油在气缸内压力和温度较低时喷射，地沟油生物柴油密度大，油束射程大，燃油可能被喷至汽缸壁，而燃油壁面温度较低会导致燃油雾化质量变差，增大了火焰淬火层厚度，排放造成HC的排放增加.

3 结论

1)在其它参数不变的条件下，适当减小供油提前角可以降低地沟油生物柴油的燃油消耗率.B30地沟油生物柴油-柴油混合燃料在18° CA燃油消耗率最低.

2)在其它参数不变的条件下，适当减小供油提前角可以有效降低NOX的排放，但会在一定程度上增加CO，HC以及炭烟的排放.

3)供油提前角 22° CA时，HC排放最低.

[1] CANAKCI M. The potential of restaurant waste lipids as biodiesel feedstocks[J].Bioresource Technology, 2007, 98(1): 183-190.

[2] 符太军,纪 威,姚亚光，等.生物柴油的制取及其在柴油机上的试验研究[J].拖拉机与农用运输车,2006,33(1):50-55.

[3] KORBITZ W. Biodiesel production in Europe and North America: An encouraging prospect[J].Renewable Energy, 1999, 16:1078-1083.

[4] 袁银南,张 恬,梅德清,等.直喷式柴油机燃用生物柴油燃烧特性的研究[J].内燃机学报,2007,25(1):43-46.

[5] 葛蕴珊,信建民,吴思进,等.增压柴油机燃用生物柴油的排放特性[J].燃烧科学与技术,2004(4):125-129.

[6] 陆克久.供油提前角对生物柴油发动机性能影响的研究[J].小型内燃机与摩托车, 2013,42(1):65-69.

[7] 司利增,边耀璋,蔡永江.柴油机燃用生物柴油的特性[J].长安大学学报: 自然科学版,2006,26(5):83-85.

[8] 邹 强,李旭聪,姚春德.喷油提前角对非道路移动机械用柴油机性能的影响[J].柴油机, 2012,34(3):14-17.

[9] 陈 昊,白 喆,王 娇.生物柴油/ 柴油混合燃料喷油提前角优化[J].河南科技大学学报:自然科学版,2010,31(1):31-33.

[10] 潘江如,陈 昊,张春化.袁华智喷油提前角对生物柴油燃烧和排放的影响[J].河北工业大学学报,2010,39(3):15-18.

[11] 潘江如,张春化,袁居安.生物柴油的喷油正时调整特性[J].汽车技术,2009(4):37-40.

(责任编辑：蒋国良)

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

海南省自然科学基金项目(512118)

何金戈，1971年生，男，河南宝丰人，副教授，从事汽车新型燃料方面的研究.

1000-2340(2014)05-0626-05