摘 要

随着人类物质，经济的高速发展，人类意识到绿水青山就是金山银山，对环境保护方面有了越来越严苛的要求与法规，在大环境的促使下，船舶行业对船舶污染物排放控制法规也有着一定程度的限制，本文本着探讨船舶行业节能减排方法，将对内燃机掺水乳化燃油是否对内燃机排放性能以及燃烧性能有着一定程度的改善进行探讨与了解，介绍了缸内掺水的几种不同形式，着重的介绍了内燃机掺水乳化燃油技术并且设计了不同掺水率下掺水乳化油与0#柴油进行对比试验，本实验将5%,7.81%,16.03%掺水率的乳化燃油与0#柴油于2135G柴油机台架上进行对比燃烧，分析其燃烧性能，NOx,CO以及HC的排放性能，最终得出与0#柴油相比，掺水乳化燃油对滞燃期有着一定程度的延长，缸内最高爆发压力有些许上升，能够一定程度的改善柴油机燃烧性能，NOx的排放有一定趋势的下降，对CO以及HC的排放没有较为明显的改善，总体来说，内燃机乳化燃油技术对内燃机的排放与燃烧有益。

关键词：乳化燃油，柴油机，缸内掺水，排放

ABSTRACT

As human material, the high speed development of economy, the human is aware of the hills and green jinshan yinshan, the environmental protection has more and more stringent requirements and regulations, under the push of the environment, the ship industry to the ship pollutants emission control regulations also has a certain degree of limitation, this paper deals in ship industry energy conservation and emissions reduction method, will be whether mixing water emulsification fuel for internal combustion engine emission performance of internal combustion engine, and discusses the combustion performance has a certain degree of improvement and understanding, introduces several different forms of water in cylinder, Emphatically introduces the internal combustion engine mixing water emulsification fuel technology and design the water blending under different water blending ratio of emulsified oil and 0 # diesel oil contrast experiment, the experiment will be 5%, 7.81%, 16.03% water blending rate of emulsified fuel and 0 # diesel oil on the 2135 g diesel engine test bench comparing the combustion, to analyze its combustion performance, NOx, CO and HC emissions performance, finally it is concluded that compared with 0 # diesel oil, water blending emulsion fuel has a certain degree of extended on ignition delay period, the maximum explosion pressure in cylinder a little rise, to a certain degree of improve the combustion performance of diesel engine, NOx emissions have a trend of decline, The emission of CO and HC has not been significantly improved. In general, the emulsified fuel technology of internal combustion engine is beneficial to the emission and combustion of internal combustion engine.

KEYWORDS: Emulsified fuel Diesel engine Water mixing in cylinder discharge

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1背景介绍及排放法规 1

1.2内燃机燃油掺水技术发展历史 2

1.3国内研究现状 3

1.4国外研究现状 4

1.5本文研究目的 5

1.6本章小结 6

第二章 理论基础 7

2.1缸内直接喷水技术 7

2.2进气道加湿技术 7

2.3掺水乳化油技术 8

2.3.1乳化油发展历程 8

2.3.2掺水乳化油技术原理与制备 9

2.3.3乳化剂 10

2.4节能降污原理 11

2.4.1微爆理论 11

2.4.2加速燃烧反应 11

2.4.3减少NOx的生成 12

2.5本章小结 12

第三章 实验设计 13

3.1实验台架及其参数介绍 13

3.2实验方法 14

3.3实验测试原理 14

3.3.1测量技术简介 14

3.3.2压电传感器 14

3.3.3超声波乳化 14

3.4本章小结 15

第四章 实验数据分析 16

4.1燃烧性能分析 16

4.2NOx排放性能分析 17

4.3HC排放分析 18

4.4CO排放分析 18

4.5实验结论 19

4.6本章小结 19

第五章 未来展望 20

5.1乳化油的应用前景分析 20

5.1.1乳化油应用的缺点 20

5.1.2乳化油未来前景 20

5.2未来展望 21

参考文献 22

致谢 23

第一章 绪论

1.1背景介绍及排放法规

随着人类科学技术的不断发展与进步，全世界也同时面临着能源短缺和环境破坏的威胁。柴油机由于其突出的经济性，热效率，可靠性被广泛的应用于船舶，汽车，发电等领域。其中作为占世界贸易总量高达2/3的船舶行业，对环境的影响不容小觑，追求柴油机的经济性也是该领域一直以来所追求探索的。国际海事组织（IMO)于2008年修订了 MARPOL公约附VI《防止船舶造成大气污染规则》和《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》（见下表1-1）对船舶柴油机的污染进行了严苛的限制，如何降低船舶柴油机污染物的排放的同时也有益于其经济性是人们一直以来所追求需要的。

表1-1柴油机氮氧化物排放限值

柴油机NOx排放限制值（等级Ⅰ）

柴油机NOx排放限制值（等级Ⅱ）

柴油机NOx排放限制值（等级Ⅲ）

在我国，对船舶发动机排放污染物也有限制，下表1-2是我国船用排气污染物限值表。在此大环境下，十八世纪末出现燃油掺水燃烧这一设想。

表1-2排气污染物限值表

在燃油中掺入适量的水，制成乳化油，是节油的可行方法之一，也是改善环境污染的一项有效措施。早在1791年就有人提出了燃油掺水有助于燃烧的观点。自从世界发生了石油危机后，燃油掺水技术在国外获得迅速发展。在我国，因国家重视，也取得了可喜成果。从国家下达的燃油掺水的大型课题，到热机所属单位的燃油掺水的小改革、小试验，使这项技术的研制工作日益广泛、深人。现在国内外的大量研究、试验已充分表明：乳化油作为一种新型燃料，它的燃烧更充分、污染更小。

1.2内燃机燃油掺水技术发展历史

在十九世纪中期，蒸汽喷雾式燃烧器首次尝试用掺水燃烧这一技术；1906年HerbertJ.B等人把碳和水掺入到有机燃料中，在充分的混合之后，做成名为乳化燃料的物质[1]，1913年，HopKhxson教授第一次尝试实验关于内燃机掺水燃油；乳化重油被格里格兰首次尝试使用，该油是用水与重油充分混合后制作得到的，在第二次世界大战，也有国家使用掺水乳化燃油技术应用于飞机上，并且实现提高飞行速度的效果。这些都是在早期进行的研究尝试，但是当时技术水平受到限制，导致结果不如人意，所以导致重油领域一直不被重视。但是到了后期的时候，出现许多的环保问题，与此同时有着石油危机的因素，掺水燃油技术被再一次被提到日程。[2]但是在多方面的研究表明, 柴油掺水技术有能力在不同程度上对柴油机的排放污染物进行降低。

微爆理论是原苏联学者B.H.依万若夫在1962年提出来的。当在气缸中喷入雾化燃油的时候，水滴被油滴高速撞击，使油滴与水滴变得更细。油和水在水流的涡动作用下增加了碰撞的机会，从而在这种情况下形成了油吸附于并且包围着水滴的油包水的油水乳化液，在燃烧室较为均匀的分布。当油的表变张力被过热的水超过时，油包水的膜壳将会被水蒸气突破。微爆效应让较大的油滴分散变成直径较小的油滴，油滴的燃烧速度得到了提高,从而能量的转换速率也得到了提升,使原有燃油燃烧得更加充分，从而节油降低排放的效果被达到[3]。

在20世纪80年代的时候，美国西北大学机械工程和宇航学系的罗忠敬教授等人，将乳化油在柴油机上进行了一系列的研究。在相同的时刻，美国西南研究所为了军用的目的，也进行了关于乳化柴油以及柴油掺水燃烧的研究。在排除节能和降污的效果外，还对燃油的闪电进行了优化提升，在战争时期燃料的储存安全性上得到了提升效果。在同一时刻，前苏联的E.BIIIaTpB和B.A.Hyxwa等对汽油的掺水乳化油和进气道掺水燃烧技术进行了研究，并且对他们的效果进行了比较与对比，得出非常多的有益的结果。在1981年国际燃烧协会第一届年会上面，燃料的掺水燃烧被决定为节能减排的三大措施之一。这使得各工业国家进一步重视燃料的掺水燃烧的深入研究与实验[4]。

1.3国内研究现状

从20世纪50年代末我国就已经开始了对乳化燃料的试验研究工作并且召开过几次全国性的关于掺水燃烧的学术性的会议，对掺水燃烧研究进行总结交流并且推动展开。1958年前，许多的柴油掺水乳化燃油实验在我国展开，迫于在那个时代NI9试验条件比较不足，对掺水燃烧的机理也还不完全的熟悉了解，以及有效的乳化剂的缺乏，加上掺水燃烧的方式是比较简单的等一系列的原因，使得没有取得成果在乳化油的研究上。在水变油被我们大力追捧的时候，日本一家名为萨米特的公司专门研究乳化油的推出了H-106，H-107乳化剂的产品，并且已经销售到了东南亚各个国家。奥列乳化油也在委内瑞拉和国外公司合作下出产。中国与委内瑞拉也已签订了合资企业协议关于联合建立生产乳化油。国人又重新对乳化油的前景进行了新的认识。

在掺水燃烧技术上我国也获得过一定的成果，2004年大连理工大学对掺水乳化油和进气道加湿技术在1135的柴油机台架上进行，并且在不同负荷下不同掺水比进行实现以保证柴油机能够稳定的工作在低负荷下，高负荷时NOx排放量下降[5]。

清华大学航天航空学院燃烧研究室对 “水包油型乳化油 ”进行研究, 大量的实验结果得到认证, 掺水 10 %～15 %的柴油, 节油效果有能力达到 10 %。非离子表面活性剂NP4/NP7(质量比为 3.2 1)柴油形成的 W/O微乳液在中国科学院广州能源所范绮莲等研究下取得一定进展。

武汉理工大学在2007年实现进气加湿技术在利用了电控喷水技术的情况下，制作MAP图在柴油机转速和负荷的信号反馈下，来确定了最佳的喷水量，并设计了一套完整的进气道加湿控制系统在这基础上[5]。

在燃用乳化油的研究方面，宁波大学海运学院设计的重油智能在线乳化装 置被宁波大学海运学院所设计，智能控制器用单片机，在未添加乳化剂的情况下运用PID，达到了重油与水的在线混合乳化[6]。

哈尔滨工程大学在2015年应用 AVL-FIRE 软件对船舶柴油机使用不同掺水量乳化油燃料完成了多维数值模拟的实验，对缸内压力、放热率、缸内平均温度、NOX 和碳烟排放浓度完成了分析对比，并且获得了缸内温度场、NOX 和碳烟浓度场。结果表明，计算燃烧缸内压力曲线与试验缸内压力曲线的一致性较好，模型的准确性得到了验证。在比较下可以得到，滞燃期会在掺水乳化燃油的作用下得到延长，在燃烧过程中在水蒸发吸热，降低了燃烧温度，并且发生水煤气反应的影响下，污染物排放得到了有效的减少。最终得到仿真结果，使用 5%~10%掺水乳化油作为燃料使NOX 排放量减小43.9%~67.7%[7]。

1.4国外研究现状

1913年，英国剑桥大学的霍普金森教授开始研究燃料混合，目的是冷却内燃机，消除汽油发动机的爆燃。1927年，英国首次提出并成功使用超声波生产乳化油。1928年，前苏联的T.M. grean首次提出并实现了锅炉燃料中20%的水，是锅炉、窑炉和各种工业炉燃烧的先驱。后来，为了提高奥托发动机的功率，人们经常使用在第二次世界大战中使用的燃料水技术，用于涡轮增压发动机。

《Performance, emissions and lubricant oil analysis of diesel engine running on emulsion fuel》结果表明，使用乳化液的燃料消耗量高达33.33%（包括水）和9.57%（不含水）。乳化燃料可使NOx和PM分别降低51%和14%。与D2相比，乳化燃料的运动粘度、TAN、灰分、含水量、闪点和烟灰都观察到更好或没有变化。燃料没有引起过量的金属或降解添加剂。Fe（Fe）铝（Al）、铜（Cu）和铅（Pb）的磨损率分别为8.2%、9.1%、16.3%和21%。

《Study of performance and emission characteristics of IC engines by using diesel–water emulsion》采用单缸四冲程发动机，采用掺水柴油乳化液，对柴油机排放试验、乳化液排放试验和各种气体进行了分析，并对各种负荷进行了烟度计试验。与掺有常规柴油的发动机相比，由掺水柴油驱动的发动机的试验结果显示排放量减少。使用掺水柴油的CI发动机中更好的排放是由于掺入水，通过降低峰值燃烧温度而减少NOx排放[9]。

《An overview of utilizing water-in-diesel emulsion fuel in diesel engine and its potential research study》表明通过使用W/D乳化燃料，发现未燃碳氢化合物（UHC）和一氧化碳（CO）废气排放量增加。实验结果的不一致性可能与微爆炸过程的起爆和强度的影响有关。影响这些测量的因素包括分散的水颗粒的尺寸、乳液的液滴尺寸、乳液中的水含量、环境温度、环境压力、表面活性剂的类型和百分比、柴油机的类型和发动机的运行条件[10]。

在国外，2001年 CIMAC会议发表了一篇文章《PERFORMANCE ANALYSIS OF A STEAM INJECTED DIESEL (STID) ENGINE》，该文章的试验原理是通过柴油机的废气能量加热水使其变成过热水蒸气，水蒸气的喷射压力要求大于柴油机最高爆发压力以保证水蒸气可以顺利地喷入进气缸内。水蒸气沿气缸的圆周喷进燃烧室，同时在燃烧室内产生涡流层，通过缸内燃烧过程时的剧烈变化，燃烧气体与水蒸气良好混合，降低NOx排放。

2003年，通用研究中心对6缸柴油机进行了实验。水射流位置设置在压缩机的后进气管上。分析了不同水雾对柴油机燃烧排放的影响。试验结果表明:随着水的掺入，进气温度降低，NOx排放降低，油耗增加。

2010 CIMAC会议Chrest-ChelsaKIS发表计算研究大型缸内柴油机缸内NOx减少采用注水策略，文章通过KIVA - 3 V方法对二冲程柴油机缸内放电过程进行了数值模拟。通过数值模拟，比较了进气加湿和缸内直接喷水两种技术对NOx排放的影响。模拟结果表明，当水油比为50%时，缸内直接喷水可将NOx排放降低近85%，入口加湿可降低NOx排放量60%。

在发达国家，柴油的乳化已被广泛应用，已成为节能环保技术的一个重要方面。乳化柴油是一种具有很大潜力的燃料，可以部分替代石油。此外，在微乳化柴油中加入一定数量的起爆剂，通过外场等效静爆试验，发现阻燃剂和起爆柴油具有良好的阻燃效果。阻燃和爆燃柴油能有效地防止消防车在灭火过程中被点燃，也可以避免在军事活动中使用坦克和其他车辆。坦克在被炮弹击中后被击中两次。

1.5本文研究目的

熟悉柴油机性能试验要求，了解乳化燃油的特性，了解船舶柴油机排放控制技术规则，分析在乳化油燃烧模式下发动机排放的特性，分析产生的原因，了解不同排放污染物的产生机理和影响因素。柴油机掺水燃烧技术是目前降低船用柴油机 NOx排放的主要措施之一，主要实现方式有3种： 柴油掺水乳化法、气缸内直接喷水、进气空气増湿[11]。本文介绍了缸内直接喷水与进气空气增湿技术，着重讲解了柴油掺水乳化技术，并且对乳化油的发展历史到制备以及其作用原理进行了讲述，通过控制变量实验探索了解到了不同掺水率的情况下的乳化燃油对节能减排的具体影响程度的大小。以及对乳化燃油的应用前景作出了展望。

1.6本章小结

本章主要对国际以及国内排放法规作出了一定的介绍与列举，说明了法规对排放具有严苛性并且引出了燃油掺水这一技术，讲述了燃油掺水的历史发展进程，并且列举了相关技术如进气道喷水，燃油乳化等国内外对此方面的研究现状，提出了本文的研究目的及其意义。也方便引出下文对三种缸内掺水燃烧技术的介绍以及重点对柴油机燃油乳化油的制备，发展，节能降污原理的讲述。

第二章 理论基础

2.1缸内直接喷水技术

缸内直接喷水技术是将一个喷水装置或设计一个水喷射系统加入到燃油喷射系统上，把良好，雾化的水喷入缸内，这样可以将掺水率灵活掌控，使N0x的排放得到有效降低，并且通过控制其喷水系统，能够改变其喷水量根据柴油机的工况，保证柴油机工作平稳可靠。但是使用缸内直接喷水要对柴油机进行大范围的结构改动，喷嘴耐久度比较低，这些都会影响到缸内直接喷水技术的应用。下图2-1为缸内喷水结构图。

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