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废食用油生物柴油混合物在船用辅助柴油机中的燃烧特性和氮氧化物排放
亮点
- 在船用辅助柴油机上应用了较高的废食用油生物柴油混合燃料。
- 测试燃料燃烧和排放的结果显然取决于发动机的状况。
- 较高的废食用油生物柴油混合物会稍微增加气缸压力，同时降低点火延迟。
- 较高的废食用油生物柴油混合物有减少氮氧化合物排放的潜力。
- 在测试燃料中NO2/NO的比例随着发动机负荷和生物柴油含量的增加而降低。
图形概要
摘要
国际海事组织（IMO）制定了“油污污染海事协议”（MARPOL）VI来管理船舶排放。在大型远洋船舶中，船用辅助柴油机广泛用于发电，还可能产生大量的有害排放物。为了减少这些排放，船用柴油机中使用了一些替代燃料。在此基础上，本文研究了六缸涡轮增压中冷直喷式船用辅助柴油机分别采用超低硫柴油（ULSD），B70（含70vol％的生物柴油），B90和纯废食用油生物柴油（B100）时的燃烧和排放特性及排放情况。研究了在1050r/min和1500r/min（额定转速）的条件下，25％，50％，75％发动机负荷下高生物柴油比对柴油机燃烧特性和氮氧化物（一氧化氮和二氧化氮）排放的影响。实验结果表明，随着试验燃料中生物柴油含量的增加，汽缸压力略有下降，点火提前，点火延迟时间减少，燃烧持续时间变长。当试验发动机在低负荷下运行时，最大峰值放热率（HRR）下降幅度约为14.3％，高负荷条件下最大放热率可达21.3％。对于每种试验燃料，随着发动机负荷的增加，汽缸压力和峰值热释放率均显着增加。排气歧管的温度随着测试燃料中生物柴油含量的增加而降低。此外，当使用高生物柴油替代率时，由于扩散燃烧模式下缸内温度的降低，氮氧化物排放量显着下降。一氧化氮排放量随着发动机扭矩的增加而增加，而二氧化氮排放量则减少。因此，由于缸体温度的升高，二氧化氮与一氧化氮的比例随着发动机负荷的增加而急剧下降。 1.引言
大型远洋船是物流，客运和国防的主要动力来源。此外，目前超过90％的国际贸易是通过远洋航运进行的。大型远洋航运具有燃油消耗率高，运行时间长，有害排放水平高的三个典型特征。与车辆相比，航运会导致更严重的环境污染。为了减少这些有害排放物，IMO（国际海事组织）制定了加强有关NOx和SOx排放法律的规章制度。自二零一六年起，国际海事组织（IMO）第三级法规已适用于长江三角洲，珠江三角洲和环渤海地区三个排放控制区（ECAs）的新远洋航运。
近年来，世界各地的船用柴油机制造企业和航运企业都把重点放在减少NOx和SOx排放的战略上。对于大多数远洋船舶，主要和辅助船用柴油机都使用最低等级的重油（HFO）。使用HFO的柴油机在燃烧过程中会产生大量的有害废气排放。许多国家已经调整了能源政策来寻求清洁燃料。替代燃料之一是可再生，经济和环保的生物柴油。它也可以广泛应用于对石油燃料需求最高的船用柴油机。生物柴油作为替代燃料的优点，除了其可再生性外，还有最小的芳香烃和硫含量，十六烷值高，润滑性高，闪点高，无毒性和高生物降解性。此外，生物柴油中含有约10-11%重量的氧。另外，由于生物柴油既可以以纯净形式使用，也可以以混合形式使用，因此不需要对柴油机进行改造。但也存在发热量低，挥发性低，粘度高，倾点高等缺点。在以往的研究中，一些研究人员已经研究了生物柴油的环境影响。他们发现废气中的CO排放量，硫含量，未燃烧的碳氢化合物和颗粒物（PM）与传统柴油相比明显下降。
生物柴油可以完全溶解在柴油中，因此可以与柴油按任意比例混合。在美国，大约90％的生物柴油是从甲基或大豆甲基酯中提取的，因为它是全球最大的大豆生产国。由于其在成本，性能和排放收益之间的良好平衡，含有80％柴油和20％生物柴油的混合燃料在美国广泛使用。在欧洲，菜籽油是生物柴油的主要原料，符合适用标准EN14214 。在东南亚，生物柴油主要来自麻风树。近年来，废食用油越来越受到人们的青睐，被用作中国的生物柴油来源。
然而，以往关于生物柴油应用的大多数研究仅限于汽车柴油发动机，混合燃料中生物柴油含量的比例较低。由于船用辅助柴油机在大型远洋船舶上被广泛用于发电，因此船用柴油机的排放也需要注意。另外，使用生物柴油和柴油混合燃料时NO排放与NO2排放之间的关系尚不清楚。
缺乏关于生物柴油对船用辅助柴油机燃烧和排放的影响的新的研究活动迫使作者进行这项研究工作。混合燃料与不同的生物柴油超低硫柴油（ULSD）的比率被用于发动机测试。主要目的是找出生物柴油和柴油混合燃料的高比例对船用柴油机燃烧和NOx排放的影响。
本文介绍了选定的废食用油生物柴油和超低硫轻质燃料对排放水平影响的实验室测试结果。
图一实验系统示意图
2.实验装置和程序
2.1试验发动机和燃料
在这项研究中，实验是在6缸涡轮增压中冷直喷式船用辅助柴油机上进行的。使用具有不同混合比例的废烹饪油生物柴油和超低硫柴油的燃料。图1显示了本研究中使用的实验装置的示意图。试验柴油机的主要技术指标如表1所示。船用辅助柴油机配备了水力测功机，并采用了控制发动机试验系统（常通系统）来调整柴油机转速和扭矩。该系统允许在固定发动机转速下调整发动机负荷或在固定发动机负荷下调整发动机转速。
在这项研究中，超低硫柴油含硫量低于10ppm。本研究使用的生物柴油是由普生石油化工有限公司生产的废食用油生产的，符合EN4214。生物柴油主要含棕榈酸甲酯，油酸甲酯和亚油酸甲酯。测试燃料含有轻质柴油中生物柴油的0％，70％，90％和100％体积，被确定为B0（ULSD），B70，B90和B100（纯废食用油生物柴油）。表2显示了超低硫柴油和生物柴油的主要特性。对于每种情况，使用精度为0.1g的电子天平（岛津平衡，型号BX-32KH）以重量分析法测量燃料消耗量。燃料氮氧化物排放和大量消耗的标准误差分别为2.9％和1.6％。燃料的大量消耗和详细的柴油机运行条件如表3所示。
2.2发动机试验与测量
使用压力传感器（Kistler 6613CG1，0.5％分辨率）来测量安装在测试柴油机的第一气缸中的气缸压力。 压力传感器与电荷放大器和轴编码器（AVL 364C）一起使用，以0.5个曲轴转角间隔获取气缸压力数据。 用燃烧分析仪分析压力数据的平均值以获得放热率。 测试船用辅助柴油机的NOx（NO和NO2）排放量采用移动排放测试系统（SEMTECHECOSTAR，Sensor，Inc.）进行测量。当测量值高于155 ppm时NOx测量仪器的精度小于满量程的1％ ，低于155 ppm时小于于满量程的2％。 测试系统的原理是基于比尔 - 朗伯定律。
2.3测试模式和过程
在这项研究中，在稳定状态下进行实验来研究生物柴油对柴油的高取代比率对燃烧特性和NOx排放的影响。测试柴油发动机在1050r / min和1500r / min（额定发动机转速）但发动机负载不同的两种稳定发动机转速下运行，如表3所示。为了获得高的重复性测量，试验柴油机允许运行几分钟，直到冷却水温度，润滑油温度和排气温度达到稳态值。冷却水温度保持在80℃和85℃之间，润滑油温度保持在90℃和100℃之间，取决于发动机的条件。测试柴油机以不同的试验燃料为燃料进行试验，对燃料消耗，尾气温度和氮氧化物排放量进行三分钟连续测量，并获得平均实验结果。为确保实验不确定度小于5％，每个稳态实验重复至少两次。此外，如果这些结果在95％的显著水平上彼此不同，则使用双侧学生T检验来比较从不同测试燃料获得的测试结果。
表格1 测试发动机规格
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型号 |
6135G128ZCa |
|
|
机型 |
六缸直列式水冷直喷式发动机 |
|
|
压缩比 |
17.0:1 |
|
|
缸径/冲程(mm) |
135/150 |
|
|
容量 (L) |
12.88 |
|
|
最大功率12小时(kW) (PS) |
178.2 (242) |
|
|
连续输出 (kW) (PS) |
162 (220) |
|
|
额定转速 (r/min) |
1500 |
|
|
点火顺序 |
1–5–3–6–2–4 |
|
|
摄入类型 |
涡轮增压，中间冷却 |
|
表格2 超低硫柴油（ULSD）和生物柴油的性能
|
性能 |
超低硫柴油 |
生物柴油 |
|
密度(20 ℃) (kg/m3) |
839 |
873.8 |
|
粘度(40 ℃) (mm2/s) |
2.4 |
4.395 |
|
十六烷值 |
53 |
55.3 |
|
硫含量(mg/kg) |
lt;10 |
lt;10 |
|
蒸发热(kJ/kg) |
250–290 |
300 |
|
低热值(MJ/kg) |
42.5 |
37.5 |
|
闪点(℃) |
82 |
182.5 |
|
碳含量(wt%) |
86.6 |
77.1 |
表格3 ULSD，B70，B90和B100在各种发动机负载下的燃料消耗（FC）
|
模式 发动机转速发动机负荷 |
柴油消耗量 (kg/h) |
B70 消耗量 (kg/h) |
B90 消耗量 (kg/h) |
生物柴油消耗量 (kg/h) |
|
|
1050 r/min |
125Nm(25%) |
4.24 |
4.70 |
4.82 |
4.84 |
|
250Nm(50%) |
6.50 |
7.13 |
7.32 |
7.44 |
|
|
375Nm(75%) |
8.80 |
9.73 |
9.96 |
10.17 |
|
|
1500 r/min |
273Nm(25%) |
11.48 |
12.36 |
12.71 |
12.83 |
|
546Nm(50%) |
19.29 |
20.84 |
21.47 |
21.79 |
|
|
819Nm(75%) |
25.91 |
28.05 |
29.17 |
29.39 |
3.结果与讨论
3.1高生物柴油与柴油比对燃烧特性的影响
图2显示了不同测试燃料的平均气缸压力和放热率曲线。在这项研究中，气缸压力数据是通过对100个周期数据进行平均而获得的，以减小周期变化的影响并用于计算热释放速率。如图2所示，在所有的发动机工况下，随着试验燃料中生物柴油含量的增加，汽缸压力略有下降。在ULSD模式和生物柴油添加剂柴油模式下，燃烧的气缸压力和热释放速率曲线相似。使用生物柴油 - 柴油混合物的汽缸压力比纯UL
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