乙醇柴油燃料及其對發(fā)動(dòng)機性能的影響

第37卷第2期小型內燃機與摩托車(chē)2008年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2008·新能源·乙醇柴油燃料及其對發(fā)動(dòng)機性能的影響孫劍萍湯兆平(華東交通大學(xué)機電工程學(xué)院南昌33003)摘要:隨著(zhù)化石燃料的過(guò)度消耗和環(huán)境保護意識的不斷增強,研究乙醇柴油這種能在不改變發(fā)動(dòng)機結構的情況下實(shí)現良好然燒的部分替代燃料,縣有重大的現實(shí)意義。本文主要分析乙醇柴油的研究歷史乙醇與柴油的特性差異、相容性及其彩響因素,探討了乙醇的添加對柴油及柴油機性能的影響。關(guān)鍵詞:乙醇柴油燃料發(fā)動(dòng)機性能相容性中圖分類(lèi)號:TK421.71文獻標識碼:A文章編號:1671-0630(2008)02-0055Ethanol-diesel Oil Fuel and its affect onthe Engine PerformanceSun Jianping, Tang ZhaopingEast China Jiaotong University( Nanchang, 330013)Abstract: With the fossil fuel excessive consumption and environmental protection mental consciousnessstrengthening, it has significant practical significance to study the part replaced fuel-ethanol diesel oil fuel thatcan realize the fine combustion under the situation of not changing engine structure. This paper analyzes thestudy history of ethanol-diesel oil fuel, the difference characteristics, miscibility between ethanol and dieseland influencing factor. The influence of ethanol proportion on fuel and engine performance is also discussedKeywords: Ethanol-diesel oil fuel, Engine performance, Miscibility引言耗油已近3000萬(wàn)t,占到了整個(gè)柴油消耗量的26.7%。隨著(zhù)當今世界石油燃料的緊缺和保護環(huán)境的需添加乙醇來(lái)替代部分柴油用量并改善柴油燃燒帶來(lái)的要,研究與尋找環(huán)境友好的石油替代品成為世界能源污染問(wèn)題已成為一條行之有效的途徑技術(shù)開(kāi)發(fā)的方向之一。燃料乙醇因其可再生性、高燃目前對乙醇柴油的研究主要集中在摻燒方式上。燒效率及低排放等優(yōu)良特性,已經(jīng)成為許多國家車(chē)用柴油機摻燒乙醇概括起來(lái)有熏蒸法、雙燃料系統法及燃料的理想替代產(chǎn)品。乳化液法三種。其中乳化液法是將乙醇燃料、柴油通近年來(lái)中國柴油年消費都在1億t以上,其中柴過(guò)物理或化學(xué)方法形成穩定的乳化混合燃料—乙油車(chē)已經(jīng)成為柴油消費的第一大戶(hù),目前全國柴油車(chē)醇柴油它能在不改變柴油機結構的情況下實(shí)現良好保有量830萬(wàn)輛(不包括農用車(chē)和運輸用拖拉機),年燃燒中國煤化工研究的熱點(diǎn)和發(fā)展CNMHG基金項目:華東交通大學(xué)校立科研基金資助(06zKQI01)。作者介紹孫劍萍(1971-)女,工學(xué)碩士副教授研究方向為內燃機燃燒研究。小型內燃機與摩托車(chē)第37卷趨勢。合物既有親烴油特性又有親水性,且親水性更強能1乙醇柴油的研究歷史無(wú)限溶于水。柴油是非極性的,主要含有脂肪族的烷上個(gè)世紀80年代前后各國學(xué)者對乙醇柴油的乳烴和烯烴憎水性強,與醇很難互溶?；旌咸岢隽嗽S多方法,主要有非穩定乳化準穩定乳理論上純乙醇在常溫下能夠以0-30%或70%化及微乳化幾種。非穩定乳化使用物理方法(如液力-100%的比例與無(wú)水柴油互溶。但由于乙醇的親水剪切器、超聲乳化器等〕制備乙醇柴油,屬乙醇低比例性生產(chǎn)中不易脫水、儲運中易吸水,使乙醇和柴油混混合法其乙醇含量低于10%(文中均指體積比);準合時(shí),表現出較差的相容性,容易分層不易形成穩定穩定乳化及微乳化法采用化學(xué)方法(如助溶劑)制備的乳化液。因此解決乙醇與柴油的相容性問(wèn)題是乙醇乙醇柴油,屬乙醇高比例混合法,其乙醇含量高于柴油的關(guān)鍵技術(shù)。國外對乙醇柴油的研究主要集中在微乳化技術(shù)22影響因素及應用上,其關(guān)鍵技術(shù)在于開(kāi)發(fā)性能高、無(wú)毒且成本低乙醇柴油屬于多液混合燃料,其相容性受到柴油的助溶劑。組成水含量、溫度、助溶劑的添加等因素的影響。998年,瑞典的阿克蘇諾貝爾公司(AKZ0NO2.2.1柴油組成的影響B(tài)EL)開(kāi)發(fā)出助溶添加劑" Braid",可根據柴油和乙醇柴油的組成,尤其所含芳烴和輕組分(30%餾出的比例調整 Braid的配比,以獲得所需要的十六烷物)是決定相分離溫度的主要因素。芳烴與其他烷值。201年9月-2002年4月該公司在兩輛瑞典斯烴、烯烴相比溶解因數和極性與乙醇較接近。實(shí)驗證堪尼亞卡車(chē)上進(jìn)行行車(chē)實(shí)驗,用10%的乙醇、8%的明,柴油中芳烴含量越高,則與乙醇的相分離溫度越丹麥柴油ULSD和2%的 Braid組成的乙醇柴油作燃低;輕組分的密度與乙醇的密度接近,更易互溶。Koi料,運行124200km,效果良好。chris等人實(shí)驗發(fā)現1,含輕組分較多的柴油與乙醇混美國 Pure Energy公司研制的乙醇柴油助溶劑合,分離溫度較低,如US-1D輕組分多于Us-2D,其Purana,用它配置的乙醇柴油燃料包括82%~94%的與乙醇混合的相分離溫度較低。美國2柴油、5%~15%的乙醇及助溶劑 Purano,其K.R. Gerdes和G.J. Suppes研究還發(fā)現2,不成本比美國2號柴油高3美分/加侖。ADM公司開(kāi)發(fā)同組分的柴油與乙醇混合,變化規律和最終的趨勢也的乙醇柴油燃料,其乙醇添加量為15%,助溶劑及其不同。直餾柴油、加氫柴油及市售柴油與乙醇的相分它添加劑為5%,已在柴油車(chē)上進(jìn)行了24萬(wàn)km的行離曲線(xiàn)隨乙醇含量增大呈先上升后下降的變化規律,駛實(shí)驗。乙醇柴油的成本比普通柴油高5美分/加侖。當乙醇含量近50%時(shí),相分離溫度最高。而某些特殊近年來(lái)我國高等院校相關(guān)實(shí)驗室及大型企業(yè)關(guān)組分的柴油如催化裂化柴油 light cycle oil不含芳烴于乙醇柴油的助溶劑及其對發(fā)動(dòng)機排放特性的研究十的氣體合成油FTL-2和FL-3,其相分離溫度與乙分活躍。大連理工大學(xué)以汽油為助溶劑實(shí)現20%乙醇含量基本成線(xiàn)性上升的關(guān)系即隨乙醇含量的增加醇和80%柴油的完全互溶;清華大學(xué)利用自行研發(fā)的相分離溫度逐漸升高相容性變差。助溶劑配制E10-D和E30-D的乙醇柴油臺架實(shí)驗2.2.2水含量的影響效果良好;2006年,河南天冠集團開(kāi)發(fā)了乙醇柴油機水的含量直接影響乙醇柴油的相容性。無(wú)水乙醇械混合法和乙醇柴油助溶劑法在內部車(chē)隊行車(chē)實(shí)驗與柴油在室溫下能相容,但只要有微量水存在就極易300萬(wàn)km以上,性能良好,尾氣排放低。導致相分離溫度升高,相容性變差常溫下即發(fā)生相盡管從技術(shù)層面看乙醇柴油己初步成熟,但受安分離產(chǎn)生分層現象,嚴重影響乙醇柴油的正常燃燒。全經(jīng)濟政策等方面因素的限制,該技術(shù)到全面推廣同時(shí)燃料中水的存在也會(huì )對柴油運輸儲存設備和發(fā)應用還需一定時(shí)日。目前為止,只有巴西政府剛剛批動(dòng)機系蝕。因此應該盡量避免水的侵人,使準生產(chǎn)E3-D,并在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。乙醇柴中國煤化工2乙醇、柴油的相容性及其影響因素CNMHGD添加乙醇20%2.1相容性無(wú)水時(shí)相分離溫度為6℃,含水量?jì)H為0.1%時(shí),相分乙醇分子式為C2H1OH,是烴基與羥基組成的化離溫度上升為25℃。第2期孫劍萍等:乙醇柴油燃料及其對發(fā)動(dòng)機性能的影響2.2.3溫度的影響實(shí)驗表明,乙醇的加人使密度下降,同時(shí)隨添加比例高溫條件下,乙醇和柴油的相容性較好。隨溫度的增加,下降的幅度也增加。因此乙醇與柴油混合,降低,乙醇和柴油易發(fā)生相分離相容性變差。10%會(huì )出現膨脹現象,如1L乙醇與9L柴油混合,其體積15%乙醇含量的柴油在環(huán)境溫度低于10℃時(shí)就會(huì )出為10.02L現分層。3.2著(zhù)火性2.2.4助溶劑燃料的十六烷值直接影響柴油機的發(fā)火性能。乙助溶劑也稱(chēng)表面活性劑,是一種能夠以低濃度存醇的十六烷值只有8,而柴油的十六烷值要求達到40在于一個(gè)體系中吸附在兩相界面上,并顯著(zhù)降低其界5乙醇的添加將大大降低柴油的十六烷值從而延面自由能的物質(zhì)。對于乙醇柴油助溶劑可以看作是遲著(zhù)火時(shí)間惡化柴油機冷起動(dòng)燃燒和排放性能。實(shí)柴油與乙醇兩相界面之間的紐帶。目前,國內外乙醇驗表明加入15%的乙醇,十六烷值降低約9.3個(gè)單柴油的助溶劑主要有中長(cháng)碳鏈的脂肪醇醚或胺等。位,當乙醇達到70%時(shí),會(huì )因十六烷值過(guò)低產(chǎn)生爆燃定乙醇含量下的乙醇柴油加入助溶劑越多,相現象。容性越好,相分離溫度越低。實(shí)驗表明,向不同乙醇比添加著(zhù)火特性良好的著(zhù)火劑,能較大幅度提高乙例的10柴油中加人1%的助溶劑能使混合燃料的分醇柴油的十六烷值。SctD. Schwab等研究表明,用層溫度下降3~13℃。2-乙基已基硝酸酯(EHN)和鄰-3-丁基過(guò)氧化物助溶劑的加入量應隨水含量、溫度、乙醇含量的不(DTBP)作為著(zhù)火劑,可明顯改善混合燃料的發(fā)火性同而不同。能。泰國 Lubrizol公司在乙醇含量為10%的乙醇柴油當乙醇柴油中水含量小于0.1%時(shí)助溶劑含量中,添加1%自行研發(fā)的著(zhù)火劑將十六烷值提高了5為3.0%即可滿(mǎn)足要求,當水含量增加到0.2%時(shí),助個(gè)單位。溶劑含量要提高到75%才能達到助溶效果。3.3閃點(diǎn)定溫度條件下,助溶劑的加入量隨乙醇含量的不同乙醇含量的閃點(diǎn)值相差不大,范圍在12增加而增加,當乙醇含量約為50%時(shí),助溶劑加入量17℃。乙醇的加入對柴油的閃點(diǎn)降低起著(zhù)直接的影為最大值,之后隨乙醇含量的增大助溶劑加入量減小。響,當乙醇的含量達到25%時(shí)混合燃料的閃點(diǎn)就基乙醇含量一定時(shí)溫度越低助溶劑的加人量越本與乙醇的閃點(diǎn)相近。助溶劑著(zhù)火劑等添加劑的加高。美國 Pure Energy公司助溶劑 Puranol的添加是根對閃點(diǎn)的影響不大。這就給混合燃料的配置、運輸、據混合燃料儲存處的最低溫度確定,在氣候暖和時(shí)少儲存過(guò)程提出了比較嚴格的防火要求其安全防火等于1%,而寒冷和潮濕多雨時(shí)需要2%~25%。級與乙醇汽油相同。此外,不同助溶劑的效果也不同。美國專(zhuān)利報3.4粘度道了乙醇含量為20%、10%、5%,助溶劑加入量分別乙醇的粘度僅為柴油的1/3左右,乙醇的引入會(huì )為15%、10%、5%三種情況下,分別加入異辛醇、可可降低混合燃料的粘度并且隨乙醇比例的增加粘度下油甲酯大豆油甲酯牛油乙酯油酸異辛酯幾種添加降程度增加。但當混合燃料的溫度升高到超過(guò)乙醇的劑,結果表明三種情況下加入異辛醇后的溶水效果沸點(diǎn)時(shí),由于乙醇巳從混合燃料中蒸發(fā)出來(lái)其粘度將均最好其他依次是可可油甲酯大豆油甲酯、牛油乙和原柴油的粘溫曲線(xiàn)保持一致酯、油酸異辛酯。實(shí)驗表明,加入0~15%的乙醇,混合燃料粘度下3乙醇的添加對柴油性能的影響降霧化性能變好,內燃機相應部件的磨損增大,但添由于乙醇與柴油理化性質(zhì)的差異,加入后必然引加合適的助溶劑后能保證燃料所需的粘度。起混合燃料理化性質(zhì)的改變。3.5腐蝕3.1密度中國煤化工,僅為1a級含微燃料的大部分物理化學(xué)性質(zhì)與密度都存在某種內量水的CNMHG乙醇的引入對銅片在關(guān)系。密度越大燃料里的碳原子數目越多意味著(zhù)腐蝕性沒(méi)有變化但由于乙醇是有機溶劑,在生產(chǎn)、儲輸出功率越大,同時(shí)產(chǎn)生炭煙微粒的可能性也增加。存、燃燒過(guò)程都會(huì )產(chǎn)生有機酸故對橡膠的腐蝕性增小型內燃機與第3強,而且對丁睛橡膠的腐蝕性強于氟橡膠。值80%。4乙醇摻燒對發(fā)動(dòng)機性能的影響尾氣中NO,的含量較純柴油升高,且隨乙醇含量4.1動(dòng)力性的增大而增多,在全負荷的80%-90%時(shí)出現最大乙醇熱值比柴油低,理論上會(huì )使動(dòng)力性能下降。值。如20%乙醇柴油的NO,排放量可升高30%。但因乙醇中含有34.8%的氧,可使柴油中不能完全燃HC排放較純柴油升高,M.Abu- Qudais等人的燒的部分充分燃燒,從而使功率上升。實(shí)驗研究結果顯示,1%乙醇柴油的HC排放量升高P Satge de Caro研究發(fā)現低負載時(shí),乙醇柴油的了34.2%。輸出功率與純柴油無(wú)明顯差別;高負載時(shí),乙醇柴油的在廢氣排放中,醛類(lèi)和未燃醇也是不容忽視的污輸出功率略有降低,但降低輻度不大。含醇5%~染物之一。乙醇柴油的甲醛排放濃度與純柴油基本相20%的乙醇柴油最大輸出功率降低幅度小于5%,同同,且不隨乙醇加入量而變化。但乙醛的排放濃度卻時(shí),乙醇含量越高,最大輸出功率降低越隨乙醇含量的增加而上升,同時(shí)未燃乙醇的含量也將4.2經(jīng)濟性成倍增長(cháng)隨乙醇摻燒比例的增加,燃油消耗率逐漸增大。添加助溶劑及著(zhù)火改進(jìn)劑能實(shí)現乙醇柴油多項指實(shí)驗表明高、中負荷增加得較少如E10-D和E20標的低排放。美國的科羅拉多礦業(yè)學(xué)院對E0-DD燃油消耗率分別上升3%和7%,發(fā)動(dòng)機的能量(加入1%的助溶劑)與聯(lián)邦2號柴油進(jìn)行對比實(shí)驗,消耗率差別不大。小負荷時(shí),由于之醇高汽化潛熱和結果發(fā)現乙醇柴油發(fā)動(dòng)機的PM降低34-40%,CO低十六烷值的影響,差別較大。降低20-28%,NO,降低2~5%。為排除乙醇柴油熱值差異對經(jīng)濟性的影響有專(zhuān)5結束語(yǔ)家提議,采用能量消耗率來(lái)評價(jià)柴油機燃用乙醇柴油中國作為僅次于美國的世界第二大石油消費國,的經(jīng)濟性似乎更為恰當。2000年石油總需求量的33%從國外進(jìn)口,2006年石4.3可靠性油進(jìn)口依存度已上升到57%。在國際原油價(jià)格高、國乙醇柴油對柴油機主要零部件的腐蝕磨損沒(méi)有太內對石油需求量日益增大的情況下,乙醇柴油技術(shù)的大的影響。河南天冠運輸公司在4輛乙醇柴油載重大研究與推廣對緩解我國石油不足的壓力具有重要意貨車(chē)上,累計實(shí)驗行程約25萬(wàn)km,發(fā)現發(fā)動(dòng)機氣缸、義?；钊?、連桿、曲軸、軸瓦、進(jìn)排氣門(mén)及供油系統等的磨損參考文獻情況與使用柴油的磨損基本相當。4.4排放1 Koichiro Itow, Kunihiko komiyama. Fuel blended with alco-乙醇柴油燃料對柴油機排放的影響與負荷、含醇hol for diesel engine[J]. US4509953, 1985量和助溶劑及著(zhù)火改進(jìn)劑有關(guān)。2 Gerdes K R, Suppes G]. Miscibility of Ethanol in Diesel Fu-乙醇柴油Co的排放量受發(fā)動(dòng)機負載的影響而呈els[J]. Ind Eng Chem Res, 2001, 40: 949-956先增大后減少的趨勢。在低負載時(shí),乙醇柴油較純柴3 Killick Robert William. Fuel blends [ J]. w0090469 Al油CO排放量上升高負載時(shí)下降。廢氣中總CO量降4 P Satge de Caro. Interest of combining an additive with diesel低。E.A.Ajav的實(shí)驗表明,5%、20%的乙醇柴油ethanol blends for use in diesel engines[ J]. Fuel, 2002, 80:CO排放較純柴油最多可降低36.8%和625%。在小負荷時(shí),乙醇柴油對煙度排放影響不大;但在(收稿日期:200-02-27)中高負荷時(shí),乙醇對降低煙度有利,而且隨乙醇加入量增加,煙度降低顯著(zhù),30%的乙醇柴油最大可降低煙度中國煤化工CNMHG