柴油-乙醇-MTBE混合燃料的燃燒與排放特性

第23卷第5期山東建筑大學(xué)學(xué)報Vol 23 No 52008年10月JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY文章編號:1673-7644(2008)05-0389-05柴油-乙醇-MTBE混合燃料的燃燒與排放特性閻宏偉,趙志超,許伯彥(山東建筑大學(xué)機電工程學(xué)院,山東濟南250101摘要:對柴油乙醇MTBE混合燃料的物理化學(xué)性質(zhì)經(jīng)濟性排放性和燃燒特性進(jìn)行了研究。通過(guò)對三種配比(90%柴油+10%MTBE,85%柴油+10%MTBE+5%乙醇,80%柴油+10%MTBE+10%乙醇)的混合燃料的冷凝點(diǎn)、餾程溶解曲線(xiàn)負荷特性煙度排放和示功圖的測試和研究,總結出了添加MTBE和乙醇后,混合燃料的物化性質(zhì)、經(jīng)濟性排放性、燃燒特性的變化規律。關(guān)鍵詞:MTEE;乙醇;混合燃料中圖分類(lèi)號:TK432文獻標識碼:AInvestigation on combustion and emissions characteristicsof diesel-ethanolmtbe blend fuelYAN Hong-wei, ZHAO Zhi-chao, XU Bo-( School of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)Abstract: This paper investigates the physical and chemical properties, economics, emission andcombustion characteristics of diesel-ethanol-MTBE blend fuel. The experiments were performed usingthree types of blend fuel(90% Diesel 10%0 MTBE, 85% Diesel 10% MTBe 5% Ethanoland 80% Diesel +10% MTBE +10% Ethanol). By analyzing the results of obtained condensationpoint, distillation curve, load characteristic, emission of smoke, and p-diagram from the experimeconcluded were the influence of ethanol and mTBe contents on the physical and chemical propertieseconomics, emission and combustion characteristics of the blend fuelKey words: MTBE; ethanol; blend fuel0引言著(zhù)重要的影響。而在柴油乙醇混合燃料中加入MrBE后燃料的餾程、溶解性穩定性、熱值、十六烷值甲基叔丁基醚(MBE)作為汽油辛烷值提高劑等都會(huì )隨之改變進(jìn)而影響到混合燃料的噴射霧化、已經(jīng)在全世界范圍內普遍使用。然而MTBE和柴油著(zhù)火和燃燒等過(guò)程并對發(fā)動(dòng)機的冷啟動(dòng)性功率輸摻燒則鮮有報道尤其對MTBE-柴油乙醇混合燃料出、經(jīng)濟性和排放特性產(chǎn)生重要的影響】?；谶@的研究更少。在國內,對柴油-MIBE-乙醇混合燃料些因素本文通過(guò)實(shí)驗研究了混合燃料中乙醇MTBE的系統的研究未見(jiàn)報道。比例和溫度變化對其物化性質(zhì)的影響規律,為柴油燃料的物理化學(xué)特性對其在發(fā)動(dòng)機上的應用有乙醇MTBE混合燃料在柴油機上的應用奠定了基礎。中國煤化工收稿日期:2008-09-01CNMHG基金項目國家閆然科學(xué)基金(50576047);山東省科技攻關(guān)計劃(2007GGl作者簡(jiǎn)介:閻宏偉(98-),男河北石家莊人,山東建筑大學(xué)機電工程學(xué)院在讀碩士,主要從事清潔燃料及可變燃料汽車(chē)的研究山東建筑大學(xué)學(xué)1混合燃料的部分物化性質(zhì)380表1給出了柴油、乙醇和MIBE的部分物化性質(zhì)。1MTBE與柴油的物化性質(zhì)對比燃料MTRE分子式Cn C,H, OH (CH,), COCH分子量180-20088.14密度/(g·m1)0.82-0.885060708090100氧含量%18編出宰%沸點(diǎn)氣℃圖1不同摻合比混合燃料的餾程低熱值/(婦·kg-142500214901.2溶解性汽化潛熱/(·kg1)柴油醇的溶解度除了與乙醇內含有的水分和柴辛烷值20~30油內的芳香烴含量有關(guān)外,還與乙醇的摻合率和溶液的溫度有關(guān),圖2顯示了各種摻合率下的溶解度曲線(xiàn),圖內帽形線(xiàn)上方是單一相,下方為二相共存區凝固點(diǎn)/℃著(zhù)火界限/%(vo)1.58~8.24.3-196.0-36.5理論空燃比/(kg·kg1)14.3-14.611.7從表中可以看出,乙醇和MTBE作為燃料具有以下特點(diǎn):(1)均為含氧燃料,乙醇中含有34.8%的氧,MTBE含有18.2%的氧。它們是燃油燃燒過(guò)程的增0氧劑能夠使燃油增加內氧燃燒充分,達到節能和環(huán)保的目的;(2)乙醇和MIBE的汽化潛熱大,有利于柴油機進(jìn)氣的冷卻,但同時(shí)對冷啟動(dòng)和燃燒產(chǎn)生不利影2040608010響;(3)乙醇和MTBE的熱值較低,要想在內燃機中摻乙醇比例/%燒并且獲得同樣的功率,必須加大燃油噴射量;(4)乙圖2柴油乙醇溶解度曲線(xiàn)醇和MTBE的十六烷值低,自燃性能差。由圖2可以看出,乙醇柴油的溶解度對溫度的以下將對在柴油中添加MTBE和乙醇后的燃料變化比較敏感,因此在溫差比較大時(shí),柴油醇容易發(fā)性質(zhì)做實(shí)驗分析。生相分離。而乙醇可以混溶于醚類(lèi),同時(shí),MTBE由1.1混合燃料的蒸餾特性于其非極性的烴鍵與柴油有很大的親和力。所以為對比MTBE和乙醇的摻混量對燃料蒸餾特性MTBE可以作為柴油醇的表面活性劑能降低柴油的影響實(shí)驗中使用了四種含有不同MTBE和乙醇乙醇的表面張力,促進(jìn)其溶解,增強混合燃料的穩定摻混比的燃料,計為MX0MX1、MX2和Mx3,其性。圖3分別給出了-10℃,-5℃0℃時(shí)的三元相含義分別如下:圖,等溫線(xiàn)上方為三相共溶區,曲線(xiàn)下方為分層區。MIXO:100%柴油000100MIX1:90%柴油+10%MTBEMIX2:85%柴油+10%MTBE+5%乙醇MIX3:80%柴油+10%MTBE+10%乙醇以上各組分比例為體積比根據輕柴油標準(GB252-2000)規定,0號柴油餾出50%溫度不高于300℃,餾出90%溫度不高0.75于355℃,終餾溫度不高于365℃。由于添加劑的沸中國煤化工點(diǎn)均比柴油低,3種混合燃料的餾出溫度較純柴油均有降低,如圖1所示。因此,混合燃料的餾出溫度CNMHG符合國標要求圖3柴油乙醇MTBE三元相圖閥宏偉等:柴油乙醉MTBE混合燃料的燃燒與排放特性由圖3可以看出添加MTBE能改善柴油醇的性和排放性,本文進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機臺架實(shí)驗并測試了低溫互溶性隨液溫升高,MTBE用量逐漸減少。l200r/min和1700r/min轉速下,使用混合燃料后的2MTBE與柴油的物化性質(zhì)對比燃油消耗率、有效熱效率和微粒排放。試驗采用的時(shí)間MIX2MIX3主要測試儀器: DDM GW63型盤(pán)式電渦流測功機、2007-08-01控制柜和油耗儀, AVL dismok4000型煙度計,表3給出了試驗用發(fā)動(dòng)機的技術(shù)參數。3實(shí)驗用發(fā)動(dòng)機技術(shù)參數2008-01-01燃燒方式直噴式缸徑·行程/mm105聊1152008-03-01vvvvvvvvvv√√√√排量幾L08-04-01壓縮比標定功率轉速12.122002008-05-02最大功率轉速13.2/2200冷卻方式蒸發(fā)水冷2008-05-06潤滑方式壓力飛濺2.1負荷特性針對四種具有不同含氧燃料摻混比的實(shí)驗燃注:V表示未發(fā)生相分離,x表示發(fā)生相分離料,分別測取了各自在1200r/min和1700r/min兩種為了研究柴油乙醇MBE混合燃料長(cháng)期存放時(shí)轉速下的負荷特性和有效熱效率結果如圖4和圖的穩定性本文將三種配比方案的樣品置于分離試管5所示。中,從2007年8月1號開(kāi)始到2008年4月30日這9添加劑的燃燒速度和火焰傳播速度較快,因個(gè)月的時(shí)間內使用磨口玻璃塞嚴格密封試管。4月此燃燒持續期短后燃程度小,有利于熱效率的提30日取下玻璃塞,讓樣品油暴露在空氣中以后每隔高。如圖4b所示,隨著(zhù)含氧燃料添加比例的增2天來(lái)觀(guān)察樣品油,表2給出了觀(guān)察結果。加,有效熱效率逐漸升高。MIX1、MX2和MIX3從表2可以看出,混合燃料在不接觸空氣的情的有效熱效率分別比純柴油提高了0.5%、況下可以長(cháng)時(shí)間穩定儲存不會(huì )出現分層、乳化現0.%4%和1.06%。這顯然是因為含氧燃料促進(jìn)了象。但是在接觸空氣后凡是添加乙醇的混合燃料很燃料更加充分燃燒。尤其是在高速高負荷時(shí)、空快就出現分層乳化現象。表明乙醇柴油MTBE的燃比變小時(shí)表現的更加突出。另一方面圖4a圖吸水性很強,這就給混合燃料的配置運輸以及使用5a顯示出混合燃料的燃油消耗率比純柴油要高,過(guò)程提出了很高的防水防潮要求。這是因為乙醇和MTBE的低熱值較柴油低的原因。因此,要獲得相同的功率時(shí),混合燃料的燃油2發(fā)動(dòng)機臺架試驗消耗率相對要升高。綜上所述,混合燃料的比油耗雖然有所增加,但是燃料的利用率也得到提高,為了進(jìn)一步確認燃用混合燃料后發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟所以發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性有所改善。H MIX0.38MIX30.36中國煤化工CNMHG負荷特性圖41200r/min時(shí)實(shí)驗結果山東建筑大學(xué)學(xué)報2008年.- MIXO→MXM≌→M負佝%蠱負荷特性b有效熱效率圖51700v/min時(shí)實(shí)驗結果2.2摻燒MTBE對煙度的影響間的縮短,都加劇了碳煙的生成條件。因此,隨著(zhù)轉分別測定了供試柴油機在各種工況下的煙度,速升高,碳煙在微粒中的構成比例明顯增高圖7分別給出了在1200r/min、1700r/min下,混合從圖6中還可以看出,混合燃料的煙度排放相燃料煙度隨功率的變化情況。比柴油有明顯地降低,尤其是在低負荷時(shí),柴油機的從圖6中兩種轉速下煙度值的比較中可以看煙度排放幾乎達到了零排放。這是因為混合燃料粘出,隨著(zhù)轉速的升髙,碳煙的排放也有增加。這是因度比較小,在低溫時(shí)噴油束霧化好,還有乙醇、MTBE為微粒產(chǎn)生的基本條件是高溫和缺氧,而直噴式柴的高汽化潛熱等使得燃燒過(guò)程前期的火焰溫度降油機在擴散燃燒階段的這種特點(diǎn)也就決定了碳煙和低,油滴難以發(fā)生熱聚合反應,以及添加劑的“自攜微粒排放的產(chǎn)生是很難避免的,特別是柴油機在高氧”性加速了燃燒過(guò)程中后期的進(jìn)一步氧化,所以速大負荷工況下運轉時(shí),燃燒溫度的升高和燃燒時(shí)混合燃料的微粒排放要比柴油低1。6MIXO765432A- MIX20功率/kW1200r/mnb 1700r/ min圖6煙度排放2.3燃燒特性表4混合燃料十六烷值的變化情況燃料的十六烷值直接影響柴油機的起動(dòng)性降低混合燃料十六烷值降低值EHN添加量/%十六烷偵提高值燃燒噪聲延長(cháng)發(fā)動(dòng)機壽命起相當重要的作用乙醇和MTBE的十六烷值很低(大約為8),因此隨著(zhù)5-70.2MIX添加劑比例的增加混合燃料的十六烷值線(xiàn)性下降表4給出了不同摻加比的混合燃料十六烷值的下降圖7給出了噴油提前角相同的前提下,分別加值。為提高混合燃料的十六烷值本文在實(shí)驗燃料中4中國煤化工值提高劑時(shí)的混合燃料油相比,混合燃料添加了硝酸異辛酯(EHN)。表4同時(shí)給出了不同混的滯CNMH(在滯燃期內的燃料合燃料需要添加的EHN的體積比。霧化加熱、蒸發(fā)、擴散與空氣混合等過(guò)程相對變長(cháng),第5期閻宏偉等:柴油乙醇MTBE混合燃料的燃燒與排放特性從而柴油機的著(zhù)火特性變差。在低負荷時(shí)隨摻混燒缸內容積增大造成的。而在大負荷時(shí)隨摻混比比的增加缸內最高燃燒壓力略有降低,這是由于其的增加,缸內最高燃燒壓力卻又明顯增加。添加硝滯燃期過(guò)長(cháng),導致混合燃料在活塞下行時(shí)才開(kāi)始燃酸異辛酯后基本可以恢復到純柴油的水平。MIXOMIXO卡蘭1020304050304050曲軸轉角/℃A曲軸轉角/℃Aa1200r/ min Pe=3kW(未加EHN)b 1200m/min Pe=3kw(in EHN)MIX2曲軸轉角/℃A曲軸轉角/℃Ae1200r/ min Pe=10kW(未加EHN)d 1200r/ min Pe=3kw(im EHN)圖7四種混合燃料的示功圖3結論[2]齊運亮馬宗正許伯意車(chē)用UPG燃料噴霧過(guò)程的研究門(mén)建筑程學(xué)院學(xué)報,2006,21(2):(1)柴油乙醇MTBE混合燃料的低溫流動(dòng)性[3]劉紅艷許伯彥液態(tài)LPG自由噴霧過(guò)程的計算機數值模擬解和蒸餾特性比較好。析[山東建筑工程學(xué)院學(xué)報2005,20(2):57-64(2)MTBE可作為柴油乙醇的助溶劑來(lái)使用。[4]馬宗正,齊運亮許伯彥液態(tài)LG發(fā)動(dòng)機燃料噴射過(guò)程的研(3)燃用柴油乙醇MTBE混合燃料后,柴油機究[J]山東建筑大學(xué)學(xué)報,200722(2):131-135煙度排放明顯降低。[5]許伯彥張為賓齊運亮等.柴油醇的燃料性質(zhì)和排放特性刀.機械工程學(xué)報,2007,43(2):156-162(4)燃用柴油乙醇MTBE混合燃料后著(zhù)火延[6周玉明內燃機廢氣排放及控制技術(shù)(M].北京:人民交通遲期變長(cháng),需要添加十六烷值提高劑來(lái)恢復。版社,200L[7]邊耀章.汽車(chē)新能源技術(shù)M].北京:人民交通出版社,2003參考文獻:[8]周龍保內燃機學(xué)[M]第二版.北京:機械工業(yè)出版杜,200[1張為賓,齊運亮,許伯彥,柴油醇的燃料性質(zhì)和燃燒特性的研9二“個(gè)燃料的燃燒與排放特究[]山東建筑工程學(xué)院學(xué)報,200,21(1):42-45中國煤化工28CNMHG