作者简介： 吴苗苗（1988-），女，硕士研究生，tingyuxuan1001@126.com
摘要：利用废弃油脂制备生物柴油不仅具有可观的经济效益，而且具有良好的社会效益和环境效益.为研究生物柴油掺水微乳化的燃烧和排放性能，在同一台双缸四冲程直喷式柴油机上进行了对比试验，测量燃料的燃烧压力和排放浓度.研究结果表明：与生物柴油相比，生物柴油掺水微乳化燃料的峰值燃烧压力的相对高低随发动机负荷变化.在排放特性中，生物柴油掺水微乳化燃料的烟度和NOx排放量显著降低，这证明掺水微乳化燃料能够改善燃烧状况，控制柴油机主要污染物排放.
关键词：
微乳化； 生物柴油； 燃烧特性； 排放特性
中图分类号： TP 392文献标志码： A
我国每年餐饮业废弃油脂产量达250多万t[1]，将其转化成生物柴油不仅可解决地沟油重返餐桌这一食品安全问题，同时也有利于减轻我国逐年加剧的能源紧缺问题.
由于生物柴油含有10%的氧，造成排放中NOx含量较高.在环境保护日益受到重视的条件下，关于如何降低生物柴油NOx排放的研究越来越多.生物柴油掺水微乳化燃料是生物柴油、水以及表面活性剂组成的具有热力学稳定性的混合物.它能够结合生物柴油和掺水燃烧的优点，而且长期稳定不分层[2].本文通过在生物柴油中掺入乙醇和水形成微乳化燃料，并与生物柴油进行燃烧和排放对比研究，为废弃油脂生物柴油的推广使用提供了试验、理论依据.
1试验仪器与方法
1.1试验发动机及测试仪器
试验采用的发动机为直列、水冷、四冲程、直喷式燃烧室CT2100Q型.其主要技术参数如表1所示.
试验中采用由CB-566型燃烧分析仪、电荷放大器、压力传感器、光电传感器和曲轴转角发生器等组成的一套动态测试分析仪，测量发动机的示功图；废气排放采用AVL DiGas 4000 型发动机排气分析仪测量；烟度采用AVL DiSmoke 4000型部分流不透光烟度计测量.
1.2试验燃料的配制
首先将生物柴油与乙醇按照9∶1的体积比混合配制成100 mL基础燃料.乳化剂由于密度和黏度大且用量相对较少，采用称取质量的方法将乳化剂加入100 mL燃料油中，然后按照试验要求分别掺水1 mL和3 mL搅拌形成生物柴油掺水微乳化燃料，分别用W1和W3表示.生物柴油用B100表示.试验用生物柴油的理化特性如表2所示，三种燃料的配制比例如表3所示.
1.3 试验及处理方法
1.3.1燃烧特性试验及处理方法
选择转速为1 500 r·min-1，平均有效压力分别为0.177 0 MPa、0.190 4 MPa、0.304 6 MPa的工况点进行测试.燃烧压力通过燃烧分析仪直接测出并采集，连续采集100个循环并进行平均计算.
1.3.2排放特性试验及处理方法
试验中，选择转速分别为1 500 r·min-1和1 800 r·min-1的负荷特性（平均有效压力为0.076 2～ 0.342 7 MPa） ，对比分析生物柴油掺水微乳化燃料与生物柴油的氮氧化物和炭烟排放特性.
2试验结果分析
2.1燃烧特性的对比分析
图1为转速1 500 r·min-1下，平均有效压力分别为0.076 2 MPa、0.190 4 MPa、0.304 6 MPa时燃料W1、W3与B100燃烧压力对比.从图中可看出：
（1）在小负荷下，W1和W3的峰值燃烧压力略低于B100.这是由于微乳化燃料中掺入水和乙醇，小负荷下缸内热力状态低，水的汽化潜热高，形成混合气需要吸收更多热量；乙醇的十六烷值低，同时水不能燃烧，使得微乳化燃料的着火性变差，影响燃烧过程，导致做功行程边燃烧边做功，峰值燃烧压力降低.由于W3中的掺水量比W1大，因此峰值燃烧压力低于W1.
（2）随着负荷的增加，W1、W3的峰值燃烧压力逐渐大于B100.造成微乳化燃料峰值燃烧压力升高的原因是：虽然W1和W3燃料的低位热值明显低于B100，但乙醇的含氧量为34.78%，远高于生物柴油，在燃烧过程中，W1和W3的高含氧量将使燃烧加速，放热也更加集中.同时，水作为微乳化燃料的内相，燃烧过程中水吸热汽化产生微爆效应，相当于对燃料进行二次雾化，从而使燃烧更加完全.而且，随着负荷的进一步增加，气缸内的热力状态提高，乙醇对燃烧的加速作用和水的微爆效应进一步得到体现.
（3）在高负荷状态下，随着负荷增加，循环供油量增加，进入气缸内的水增多，水汽化需要消耗更多的热量，因此造成峰值压力降低[3-6].
从试验结果可得出：随着负荷的增大，乙醇对燃烧的加速作用和水的微爆效应逐渐明显，但负荷增大到一定程度时这两个作用的影响逐渐减弱.
2.2排放特性对比分析
2.2.1NOx排放对比
转速分别为1 500 r·min-1和1 800 r·min-1时W1、W3与B100的NOx排放量对比如图2所示.从图中可看出，W1、W3的NOx排放量明显低于B100，而且随着负荷增大，降低的幅度增大.转速为1 500 r·min-1时，在试验的六个工况点，微乳化燃油W1、W3的NOx排放量相对于生物柴油分别降低了12.4%和16.1%.在微乳化燃料燃烧过程中，虽然乙醇的加入会使得微乳化燃料含氧量进一步增加，导致NOx排放量增加；但是水的汽化潜热高于B100，在燃烧过程中吸收热量使得燃烧温度低于B100，并且水的微爆效应有利于燃油的充分雾化，防止局部富氧，从而使得微乳化燃料NOx排放量降低.W1的NOx排放量相对高于W3，这是由于W3的掺水量大，汽化对气缸内温度降低的影响大[7].
随着负荷增大，三种燃料的NOx排放量逐渐增加，到达一定峰值后开始减小，特别是在转速为1 500 r·min-1时.对于柴油机而言，小负荷时，混合气中有较充足的氧，但燃烧室内温度较低，故NOx的排放量较低；随着负荷增大，燃烧温度升高，故NOx的排放量升高；大负荷高转速时，虽然燃烧温度升高，由于氧含量降低以及反应时间缩短，NOx的排放量低.
2.2.2烟度排放对比
转速分别为1 500 r·min-1和1 800 r·min-1时W1、W3与B100的烟度排放量对比如图3所示.从图中可看出，小负荷时，W1、W3的烟度排放量高于B100，中高负荷下低于B100.小负荷下气缸内热力状态较低，水汽化进一步降低缸内温度，易于造成燃烧不完全，因而炭烟排放高.随着负荷的增加，气缸内热力状态提高，微乳化燃料中水的微爆效应使混合气均匀度提高，减少了局部缺氧现象，燃烧更加完全；而且水汽化使缸内温度下降，可防止气缸内局部高温区的形成，同时喷油嘴的温度有所下降，改善了喷油状况，燃烧中原有的高温缺氧、脱氢裂解大大减少.同时，燃烧过程中形成的C会与水蒸气发生水煤气反应，使气缸内的颗粒炭转化为CO2.因此，掺水燃烧后，炭烟排放减少.
三种燃料的炭烟排放量随负荷的变化趋势基本一致，都是先降低再升高.柴油机的烟度大小与工况密切相关.小负荷时柴油机的缸内状况（温度、压力、空气运动状况等）以及燃油喷射特性（喷射压力、喷雾贯穿度、燃油雾化质量等）均不佳，不利于燃烧完全进行，易于形成炭烟.在大负荷时因为过量空气系数小，烟度比中等负荷时的大.
综合以上分析，生物柴油掺水燃烧后可以有效降低NOx和烟度，而且掺水量越多NOx降低越多.
3结论
本文通过试验研究可以得出以下结论：
（1）在废弃油脂生物柴油中加入乙醇和水形成的微乳化燃料具有很好的稳定性，长时间放置不分层，可以在柴油机上直接使用，并且具有良好的性能.
（2）在水的微爆效应和汽化吸热、乙醇对燃烧的加速作用和低十六烷值的影响下，与生物柴油相比，生物柴油掺水微乳化燃料的峰值燃烧压力随着发动机负荷的增加而升高，负荷增大到一定程度时，微乳化燃料的峰值燃烧压力又相对降低.
（3）生物柴油掺水微乳化燃料燃烧时，由于水汽化吸热降低了燃烧温度，以及水的微爆效应改善燃油雾化，使得发动机NOx排放明显降低，而且掺水量越多降低的幅度越大；炭烟排放在小负荷时较高，中高负荷时较低.
参考文献：
[1]中国网络电视台.全国每年数百万吨废弃油脂回流餐饮业 [EB/OL].[2012-11-23].http：//jingji.cntv.cn/20110630/105204.shtml.
[2]陈昊，李亚鹏，祁东辉，等.ZH1105W 柴油机燃用生物柴油柴油甲醇的性能研究 [J].公路与汽运，2012（5）：22-25.
[3]袁华智，朱铭，李阳阳，等.柴油机生物柴油甲醇混合燃料燃烧与排放特性[J].长安大学学报（自然科学版），2012，32（5）：97-101.
[4]任学成.微乳化生物柴油发动机燃烧和排放特性研究 [D].西安：长安大学，2009.
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[6]QI D H，CHEN H，MATTHEWS R D，et al.Combustion and emission characteristics of ethanolbiodieselwater microemulsions used in a direct injection compression ignition engine[J].Fuel，2010，89（5）：958-964.
[7]陈昊，欧阳雪，任学成，等.生物柴油乙醇水微乳化燃料的燃烧和排放特性[J].长安大学学报（自然科学版），2009，29（4）：101-105.