乙醇柴油混合燃料研究进展

拖拉机与农用运输车第6期2005年12月Tractor Farm Transporter乙醇柴油混合燃料研究进展郑利郭和军张红云张剑(第二炮兵工程学院五系西安70025)摘要:分析了乙醇柴油混合燃料理化性质,详细介绍了目前乙醇柴油燃料在互溶性和燃烧排放性能等方面的研究进展,指出了今后柴油内燃机燃用乙磚燃料的趋势。关键词:乙醇柴油内燃机Research Progress on Ethanol Diesel Blend FuelsZheng Li, Guo Hejun, Zhang Hongyun, Zhang JianFifth Department, the Second Artillery Engineering College, Xi'an 710025, China)Abstract: This paper describes the importance of developing ethanol fuel in China and discusses the physicsces when applying ethanol-diesel fuel to diesel engine. The development progress on the solvation andignition ways, the combustion and emission performance of ethanol-diesel fuel are introduced in detail. Basedresults, a new proposal to utilize ethanol in diesel engine is put forwardKeywords: Ethanol, Diesel engine我国是一个石油资源贫乏的国家,随着经济的高速发乙醇柴油的主要理化性质展,汽车的保有量迅速增长,对石油的需求与日俱增,但是受理化性质柴油低热值/(M·kg-1)42.5到石油储量和生产能力的影响1993年我国已成为石油净进含氧量/%口国,2000年石油总需求的33%来源于进口,估计到2010密度/(g·m1)年这一比例将达到47%。按照这样的增长方式,我国现已探自燃温度℃明的石油储量只够开采40年左右。乙醇燃料在柴油内燃机当量空燃比中的使用可减少石油产品的使用量缓解石油工业的压力沸点/℃对我国经济持续发展具有十分重要的战略意义。此外乙醇6“013~143.0-8.0燃料是一种可再生能源可以用含淀粉的玉米小麦薯类等蒸发值/(·kg粮食和含糖分的甘蔗甜菜等植物为原料来进行生产,有助于改普农村经济结构,促进农业的良性循环具有良好的经出、排放烟度等信息。燃料密度越大、燃料里的碳原子数目济和社会效益。近年来各国城市污染严重对汽车废气排赵多意味着输出功率越大,同时产生炭烟微粒的可能性也增加。实验表明密度(15℃时)由0.84kg/L降至0.80kg几L放控制严格而乙醇燃料是一种含氧清洁能源据初步实验,时PM平均下降0.058/(kW·h)。乙醇引入柴油中必然导在柴油中加人15%(V)的乙醇柴油内燃机的烟度排放可减少20%以上,可有效改善柴油内燃机的排放性能减轻对大致混合燃料密度下降从排放方面反映了乙醇柴油混合燃料气的污染,具有良好的环保效益的烟度要好于纯柴油的烟度随着乙醇燃料在汽油内燃机上的成功应用在柴油内燃1.2烟点机上如何开发应用乙醇燃料,已成为国内外研究的重点课题烟点是控制燃料中的化学组成,保证燃料正常燃烧的主。本文从乙醇柴油混合燃料主要理化性质、互溶性燃要质量指标,它与内燃机中燃烧时生成的积炭量有密切关烧排放性能等国内外重点研究方面作一简述系,能反应燃料燃烧后炭烟和微粒排放情况。实验表明,乙醇的引入可大大提高混合燃料的烟点,且随着乙醇含量的增主要理化性质加烟点越来越高这一事实反映了乙醇柴油的烟度要大大表1给出了乙醇与柴油的理化性质的对比。由于乙好于纯柴油的烟度醇与柴油理化性质的差异,必然引起乙醇加入柴油后形成的1.3中国煤化工混合燃料理化性质的改变。CNMH③与空气形成混合物,1.1密度遇火源能够闪火的最低温度。闪点用于衡量燃油的挥发性Bes和 Cowley认为密度是燃料最重要的参数之一,燃及易燃程度,是燃料安全性的重要指标之一。闪点越高,燃料的大部分物理化学性质与密度之间都存在某种内在关系,油在运输储存和处理过程中就越安全。实验表明,乙醇的它可以提供一些很有用的关于燃料组成、点火质量、功率输含量到达25%时混合燃料的闪点基本与乙醇的闪点相近,拖拉机与农用运输车第6期2005年12月这就给混合燃料的配置、运输、储存过程提出了比较严格的含有10%-15%(V)的乙醇柴油混合燃料长期不分层,并且防火要求。这种燃料能分别减少柴油内燃机的PM,CO和NO,排放1.4铜片腐蚀41%,27%和5%英国的AAE科技公司在配置10%(V)的铜片腐蚀主要是用来判断燃料中有无活性含硫物质。乙醇柴油混合燃料时加人1.25%(V)的AAE助溶剂,在内实验表明,乙醇的引入对腐蚀性无影响。燃机耐力测试和排放物测试中都有对乙醇柴油燃料使用良1.5十六烷值好的报道。瑞典 Akzo Nebel公司开发的助溶剂“ Braid",适燃料的十六烷值的大小十分重要它直接影响柴油机的用于含10%-1%(V)Z醇的混合柴油燃料加人助溶剂的发火性能。十六烷值愈高,自燃点愈低,着火延迟期短,气缸量不超过5%(V)时,无需任何装置和加热,制品混合均匀内压力上升较平缓易在低温下起动;十六烷值愈低,自燃点长期保存不分层,用于柴油车排污减少,在尾气检测中NO愈高着火延迟期长,气缸内压力上升较快,工作粗暴。十六减少10%,烟尘减少15%。另美国的 Betz pearborrm公司、烷值过高超过65时由于在延迟期中烷烃的热安定性很差, Akzo Nobel公司、日本的洋马公司都有这方面的报道。将过多地分解产生游离炭粒致使内燃机排气冒黑烟。实验国内,天冠公司已开发出一种性能稳定乳化效果明显表明乙醇的引人大大降低了柴油的十六烷值国外SotD.的助溶剂“Tcz”,根据乙醇含量添加1.5%-2.5%(V)的Schwab等提出用2-乙基己基硝酸酯(EHN)和邻-3-丁基过氧这种助溶剂可以使含10%-15%(V)乙醇的混合柴油混合化物(DBP)作为着火改进剂可改善混合燃料的发火性能均匀,稳定存放3个月以上。中国科学院生态环境研究中心1.6运动粘度也开发了一种新型助溶剂,助溶剂的主要成分为A+B+C运动粘度是内燃机燃料的一个重要特性它是衡量流体(A为不饱和酸B为高分子聚合物,C为卵磷脂),在内燃机内部磨擦阻力大小的尺度是流体内部阻碍其相对运动的一实验中烟度NO2都有一定程度的降低。此外还有以正丁醇种特性体现了流体抵抗剪切作用的能力它和燃料的雾化、或汽油为助溶剂并都取得了比较好的排放效果。内燃机供油量及机械磨损有着密切关系。运动粘度过高液2.12配制乳化柴油改善互溶性国滴直径大,雾化困难,燃烧性能变坏,燃料消耗量增加;运动主要是将水、乙醇和柴油按一定比例在外界动力的作用粘度过低,会引起内燃机相应部件的磨损量增大,可靠性降下使其乳化这是一种简单易行的方式可以不变动内燃机的低。实验表明,乙醇的引入降低了混合燃料的粘度且随着结构用较简单的技术措施和较低的经济代价实现柴油与乙乙醇含量和温度的升高粘度逐渐降低,有利于雾化但同时醇的互溶既节约了柴油,又可降低城市污染。如:中科院广增大了内燃机相应部件的磨损量州能源研究所制备出的混合表面剂含量3%、乙醇含量0.2%、1.7凝点水含量8.0%的半透明状微乳化柴油贮存半年不分层;澳大凝点是用来表明燃料的低温流动性的基本参数。实验利亚一位科学家研制出一种由纯柴油、液体乙醇(酒精)和乳表明,乙醇的引人使混合燃料的凝点略有降低,且随乙醇含化剂等混合而成的车用柴油内燃机新燃料其中纯柴油占量的增加变化不大,可改善混合燃料的低温流动性。84.5%,酒精占15%,乳化剂占0.15%,柴油内燃机燃用该燃2乙醇-柴油互溶性研究料后对其排放污染物进行了测定结果是,二氧化碳浓度减少了15%,一氧化碳浓度下降10%,烟度值下降了50%之多2.1互溶性研究现状2.1.1利用助溶剂改善互溶性222乙醇助溶剂的主要种类乙醇与柴油互溶性差,为了在不改变柴油内燃机结构的目前国内外常用的几种助溶剂如表21。基础上使用乙醇柴油混合燃料通常需要添加助溶剂。实验助溶剂类型主要作用t2助溶剂的种类和作用作用机理已研究的助溶剂研究发现:影响乙醇混合燃料互溶性的主要因素是柴油组增大互溶度提有亲油亲水基c-0烷基醇1成、含水量及环境温度。把柴油与含水量在0.2%(V)以下醇类高乙醇柴油的团,利用表面活辛氨基-3辛的无水乙醇混合并剧烈振荡,结果表明不添加任何助溶剂,稳定性性使乙醇柴油形氧基-2丙醇用0·柴油制成的E10柴油在18℃以上至少能够稳定存放甲甚碳酸酯、个月,而用-10或0柴油制成的E5柴油能够长期稳定存制相分离,保大豆甲(乙)酯放。当含水量超过0.2%(V)时,混合燃料发生分层现象不持低温稳定性,与乙醇及柴油都可可油甲酯、油提高十六烷值能互溶酸甲酯、油酸异能在柴油内燃机中直接摻烧需要加入助溶剂。采用助溶剂丙酯、醋酸乙酯、硝酸异辛酯使乙醇与柴油形成均相稳定、可供压燃式内燃机使用的混合燃料需要满足以下要求:①助溶剂最好是可泼溅混合的植物油增强稳定性,弥含有烃基和独惠麻油(含防酸类)补粘度损失,改基,与柴油的碳0H)油酸、耐产善润滑性原子数、密度接无需加热和特殊的混合存储设备;②制造助溶剂的原料供应妥尔油充足、价格低廉;③不需要对内燃机作任何改动可根据情况中国煤化工分解N-(2硝基-3灵活选择这种混合燃料或纯柴油而且内燃机性能和燃料经CNMH(高十一辛基二硝胺,油济性尽可能不下降;④混合燃料在低温下也很稳定,存放六烷值酸二乙基胺定时间不发生分层。与乙醇和柴油都助溶剂的研究,国内外学者都做了大量的工作。其他提高互溶性增能互溶较易分2-叔丁基过氧化强自燃能力解出自由基,降国外,美国清洁燃料公司研制的“ Puranol"添加剂能保证低自燃温度郑利等:乙醇柴油混合燃料研究进展表4国外研究乙醇柴油混合燃料废气排放情况3燃烧排放性能研究参考乙醇废气排放内燃机数据HC/% CO/% NO/% PW%目前欧洲和美国都相应制定出严格的废气排放标准这为乙醇混合燃料的排放提出了新的要求各国研究者近年22105.9L、增直喷6缸(+75)(+40)(1)(-30)来对燃烧排放作了大量的研究工作。[23]10127L底特律基本-20-4-27柴油机不变(-27)(-5)(-41)3.1燃烧性能[24]200L雅马哈3.1.1发火性能直喷3缸(+100)未测乙醇的十六烷值很低,形成的乙醇柴油混合燃料的发火1.9L、增压、性能差影响燃料在柴油机的燃烧。为了实现乙醇柴油混合[25].10直喷4缸燃料具有良好的发火性能其一对内燃机的供油系统进行改(2511045L、直喷4缸+5+19-3-28造通常采用缸内双喷射、电子点火装置、DCSC燃烧系统;其二通过着火改进剂来改善发火性能。表31-6刘给出[26]1011L、增压3直喷6缸了国外常见几种着火改进剂。2.5L、增压3国外几种常见警火改进剂直喷4缸+18+11-7+18发明者着火改进剂2-乙基已基硝酸酯(EHN28】1012.7L底特律+100-13+7-28柴油机cott D. Schwab邻-3-丁基过氧化物(DmBP)注:①表中“+”号为增加值,“一”号为减少值Dan Haupt菜籽油甲基酯合成聚乙二醇(PEG)4结束语P Satgede CaroN-辛基二硝胺乙醇燃料是一种含氧清洁可再生能源混合燃料的理化Killick Robert William油酸二乙基胺特性与柴油比较接近能有效地降低柴油内燃机PM和烟度3.1.2功率的排放。乙醇燃料与柴油的互溶性和发火性能较差对互溶在低负载时乙醇柴油混合燃料的输出功率与纯柴油的性和发火性能的研究已取得丰硕的成果使乙醇与柴油混合输出功率几乎无明显差别;高负载时,乙醇柴油的输出功率燃料作为柴油内燃机的替代燃料成为可能。下一步可通过峄有降低但总的降低輻度不大,含乙醇5%~20%的乙醇柴后处理系统进一步降低NO,CO,TmBC排放。因此乙醇燃料油最大输出功率降低幅度小于5%,但乙醇含量越高最大输是一种较为理想的柴油内燃机清洁燃料,值得进一步深入功率降低越多。研究3.13热效率醇类是含氧燃料,在燃烧过程中有自供氧效应,这就使参考文獻内燃机中的燃烧较均匀局部富氧和局部缺氧的几率减少,1何学良詹永厚李硫松内燃机燃料北京:中国石化出版社,空(气)燃(料)比减小,燃烧热效率提高。2 Alan Rae. USA. E-Diesel: An immediate practical air quality and1.4燃油消耗率energy security solution. The 14th Intemational Symposium on Alcohol乙醇的热值低,仅为柴油的635%。燃用乙醇柴油混合Fuels( IsAF XIV), Phuket, Thailand, Non12-15, 2002燃料的燃油消耗率要高于燃用纯柴油的燃油消耗率。但是3张润铎贺泓张长斌等.乙醇柴油混合燃料的制备工艺和废气引人能量消耗率时何邦全等提出2,在不同工况下的能量的排放特性环境科学2003,24(4):1=6消耗率均有不同程度的改善燃用含20%乙醇的混合燃料时4张克范马伟东杨建萍乙醇柴油混合燃料的试验研究河南化改善效果大,可达10%左右。工,200(11):18-203.1.5着火延迟“和喷油提前角5李铁臻许世海,蒋非翼等柴油乳化的进展.化工纵横,2002随着乙醇含量增加,着火延迟期增长,燃烧持续期却减(11):22-25小,这可能是两方面原因:一方面是因为乙醇的燃烧速度和6李玲玲车用柴油内燃机的新燃料汽车工艺与材料202(10)火焰传播速度比柴油要快;另一方面是因为乙醇的粘度和沸点比柴油低,改善了燃料的雾化效果提高了混合气形成质chi N, Terao H sakata C Performanement by control of量。由于乙醇着火延迟期的延长,所以应适当推迟喷油提前flow rates and diesel injection timing on dual-fuel engine with ethanol角来改善燃烧性能Bioresource Technol. 1996. 56: 35-39roving the cold3.2排放性能中国煤化工rich combustor device柴油内燃机燃用乙醇柴油混合燃料时,由于乙醇是含氧CNMHG燃料混合燃料随着乙醇体积百分数增加烟度和PM排放9 Suppes GJ,chmz, Chan P Y. Review of cetane improver technology明显降低,同时由于乙醇的引入,导致THC,CO,醛类和未燃and altemative fuel applications SAE Paper 962064, 1996: 227-237醇类排放增加,NO也有所增加。表4给出了国外研究乙醇10 Irshad Ahmed, Diesel fuel compositio,00228,002柴油混合燃料废气排放的主要内容(下转第24页)拖拉机与农用运输车第6期2005年12月2500rmin.:机械泵双燃料电控泵双电控泵双燃料5010015020025030035040045005050200250300350400转矩/N·m)转矩/N·m)转矩(N·m)转矩(Nm)田8不同转速下负荷特性HC排放比较考文獻4葛伟亮,贺力勤电磁控制元件北京:北京理工大学出版社,20011孙济美天然气和液化石油气汽车,北京:北京理工大学出版杜,5陶永华,尹怡欣等新型PD控制器及其应用北京:机械工业出19992张亚宁摩托罗拉16位单片机MC9s12DP256在汽车电子中的应6蒋德明内燃机原理北京:机被工业出版社,1988用国外电子元器件,2003(11):17-183刘永长内燃机原理武汉:华中理工大学出版社,1992(收稿日期:2005-06-19)(编辑姜洪君)(上接第7页)11 Irshad Ahmed. Diemel fuel composition. US 6017369, 2000diesel engine fueled with ethanol diesel blends, SAE Paper 2001-12 Killick RW, Pamaby L H, Pamab B R, et al. Fuel blends. U s-2018,20016129773,2000Ahmed L. Oxygenated Diesel: Emissions13 Koichiro Itow, Kunihiko komiyama. Fuel blended with alcohol fornaracteristics of ethanol-diesel blends in CI engines, SAE Paperdiesel engine. 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