柴油-乙醇-MTBE混合燃料的燃烧与排放特性

第23卷第5期山东建筑大学学报Vol 23 No 52008年10月JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY文章编号:1673-7644(2008)05-0389-05柴油-乙醇-MTBE混合燃料的燃烧与排放特性阎宏伟,赵志超,许伯彦(山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101摘要:对柴油乙醇MTBE混合燃料的物理化学性质经济性排放性和燃烧特性进行了研究。通过对三种配比(90%柴油+10%MTBE,85%柴油+10%MTBE+5%乙醇,80%柴油+10%MTBE+10%乙醇)的混合燃料的冷凝点、馏程溶解曲线负荷特性烟度排放和示功图的测试和研究,总结出了添加MTBE和乙醇后,混合燃料的物化性质、经济性排放性、燃烧特性的变化规律。关键词:MTEE;乙醇;混合燃料中图分类号:TK432文献标识码: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引言着重要的影响。而在柴油乙醇混合燃料中加入MrBE后燃料的馏程、溶解性稳定性、热值、十六烷值甲基叔丁基醚(MBE)作为汽油辛烷值提高剂等都会随之改变进而影响到混合燃料的喷射雾化、已经在全世界范围内普遍使用。然而MTBE和柴油着火和燃烧等过程并对发动机的冷启动性功率输掺烧则鲜有报道尤其对MTBE-柴油乙醇混合燃料出、经济性和排放特性产生重要的影响】。基于这的研究更少。在国内,对柴油-MIBE-乙醇混合燃料些因素本文通过实验研究了混合燃料中乙醇MTBE的系统的研究未见报道。比例和温度变化对其物化性质的影响规律,为柴油燃料的物理化学特性对其在发动机上的应用有乙醇MTBE混合燃料在柴油机上的应用奠定了基础。中国煤化工收稿日期:2008-09-01CNMHG基金项目国家闫然科学基金(50576047);山东省科技攻关计划(2007GGl作者简介:阎宏伟(98-),男河北石家庄人,山东建筑大学机电工程学院在读硕士,主要从事清洁燃料及可变燃料汽车的研究山东建筑大学学1混合燃料的部分物化性质380表1给出了柴油、乙醇和MIBE的部分物化性质。1MTBE与柴油的物化性质对比燃料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编出宰%沸点气℃图1不同摻合比混合燃料的馏程低热值/(妇·kg-142500214901.2溶解性汽化潜热/(·kg1)柴油醇的溶解度除了与乙醇内含有的水分和柴辛烷值20~30油内的芳香烃含量有关外,还与乙醇的掺合率和溶液的温度有关,图2显示了各种掺合率下的溶解度曲线,图内帽形线上方是单一相,下方为二相共存区凝固点/℃着火界限/%(vo)1.58~8.24.3-196.0-36.5理论空燃比/(kg·kg1)14.3-14.611.7从表中可以看出,乙醇和MTBE作为燃料具有以下特点:(1)均为含氧燃料,乙醇中含有34.8%的氧,MTBE含有18.2%的氧。它们是燃油燃烧过程的增0氧剂能够使燃油增加内氧燃烧充分,达到节能和环保的目的;(2)乙醇和MIBE的汽化潜热大,有利于柴油机进气的冷却,但同时对冷启动和燃烧产生不利影2040608010响;(3)乙醇和MTBE的热值较低,要想在内燃机中掺乙醇比例/%烧并且获得同样的功率,必须加大燃油喷射量;(4)乙图2柴油乙醇溶解度曲线醇和MTBE的十六烷值低,自燃性能差。由图2可以看出,乙醇柴油的溶解度对温度的以下将对在柴油中添加MTBE和乙醇后的燃料变化比较敏感,因此在温差比较大时,柴油醇容易发性质做实验分析。生相分离。而乙醇可以混溶于醚类,同时,MTBE由1.1混合燃料的蒸馏特性于其非极性的烃键与柴油有很大的亲和力。所以为对比MTBE和乙醇的掺混量对燃料蒸馏特性MTBE可以作为柴油醇的表面活性剂能降低柴油的影响实验中使用了四种含有不同MTBE和乙醇乙醇的表面张力,促进其溶解,增强混合燃料的稳定掺混比的燃料,计为MX0MX1、MX2和Mx3,其性。图3分别给出了-10℃,-5℃0℃时的三元相含义分别如下:图,等温线上方为三相共溶区,曲线下方为分层区。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%乙醇以上各组分比例为体积比根据轻柴油标准(GB252-2000)规定,0号柴油馏出50%温度不高于300℃,馏出90%温度不高0.75于355℃,终馏温度不高于365℃。由于添加剂的沸中国煤化工点均比柴油低,3种混合燃料的馏出温度较纯柴油均有降低,如图1所示。因此,混合燃料的馏出温度CNMHG符合国标要求图3柴油乙醇MTBE三元相图阀宏伟等:柴油乙醉MTBE混合燃料的燃烧与排放特性由图3可以看出添加MTBE能改善柴油醇的性和排放性,本文进行了发动机台架实验并测试了低温互溶性随液温升高,MTBE用量逐渐减少。l200r/min和1700r/min转速下,使用混合燃料后的2MTBE与柴油的物化性质对比燃油消耗率、有效热效率和微粒排放。试验采用的时间MIX2MIX3主要测试仪器: DDM GW63型盘式电涡流测功机、2007-08-01控制柜和油耗仪, AVL dismok4000型烟度计,表3给出了试验用发动机的技术参数。3实验用发动机技术参数2008-01-01燃烧方式直喷式缸径·行程/mm105聊1152008-03-01vvvvvvvvvv√√√√排量几L08-04-01压缩比标定功率转速12.122002008-05-02最大功率转速13.2/2200冷却方式蒸发水冷2008-05-06润滑方式压力飞溅2.1负荷特性针对四种具有不同含氧燃料掺混比的实验燃注:V表示未发生相分离,x表示发生相分离料,分别测取了各自在1200r/min和1700r/min两种为了研究柴油乙醇MBE混合燃料长期存放时转速下的负荷特性和有效热效率结果如图4和图的稳定性本文将三种配比方案的样品置于分离试管5所示。中,从2007年8月1号开始到2008年4月30日这9添加剂的燃烧速度和火焰传播速度较快,因个月的时间内使用磨口玻璃塞严格密封试管。4月此燃烧持续期短后燃程度小,有利于热效率的提30日取下玻璃塞,让样品油暴露在空气中以后每隔高。如图4b所示,随着含氧燃料添加比例的增2天来观察样品油,表2给出了观察结果。加,有效热效率逐渐升高。MIX1、MX2和MIX3从表2可以看出,混合燃料在不接触空气的情的有效热效率分别比纯柴油提高了0.5%、况下可以长时间稳定储存不会出现分层、乳化现0.%4%和1.06%。这显然是因为含氧燃料促进了象。但是在接触空气后凡是添加乙醇的混合燃料很燃料更加充分燃烧。尤其是在高速高负荷时、空快就出现分层乳化现象。表明乙醇柴油MTBE的燃比变小时表现的更加突出。另一方面图4a图吸水性很强,这就给混合燃料的配置运输以及使用5a显示出混合燃料的燃油消耗率比纯柴油要高,过程提出了很高的防水防潮要求。这是因为乙醇和MTBE的低热值较柴油低的原因。因此,要获得相同的功率时,混合燃料的燃油2发动机台架试验消耗率相对要升高。综上所述,混合燃料的比油耗虽然有所增加,但是燃料的利用率也得到提高,为了进一步确认燃用混合燃料后发动机的经济所以发动机的经济性有所改善。H MIX0.38MIX30.36中国煤化工CNMHG负荷特性图41200r/min时实验结果山东建筑大学学报2008年.- MIXO→MXM≌→M负佝%蠱负荷特性b有效热效率图51700v/min时实验结果2.2掺烧MTBE对烟度的影响间的缩短,都加剧了碳烟的生成条件。因此,随着转分别测定了供试柴油机在各种工况下的烟度,速升高,碳烟在微粒中的构成比例明显增高图7分别给出了在1200r/min、1700r/min下,混合从图6中还可以看出,混合燃料的烟度排放相燃料烟度随功率的变化情况。比柴油有明显地降低,尤其是在低负荷时,柴油机的从图6中两种转速下烟度值的比较中可以看烟度排放几乎达到了零排放。这是因为混合燃料粘出,随着转速的升髙,碳烟的排放也有增加。这是因度比较小,在低温时喷油束雾化好,还有乙醇、MTBE为微粒产生的基本条件是高温和缺氧,而直喷式柴的高汽化潜热等使得燃烧过程前期的火焰温度降油机在扩散燃烧阶段的这种特点也就决定了碳烟和低,油滴难以发生热聚合反应,以及添加剂的“自携微粒排放的产生是很难避免的,特别是柴油机在高氧”性加速了燃烧过程中后期的进一步氧化,所以速大负荷工况下运转时,燃烧温度的升高和燃烧时混合燃料的微粒排放要比柴油低1。6MIXO765432A- MIX20功率/kW1200r/mnb 1700r/ min图6烟度排放2.3燃烧特性表4混合燃料十六烷值的变化情况燃料的十六烷值直接影响柴油机的起动性降低混合燃料十六烷值降低值EHN添加量/%十六烷偵提高值燃烧噪声延长发动机寿命起相当重要的作用乙醇和MTBE的十六烷值很低(大约为8),因此随着5-70.2MIX添加剂比例的增加混合燃料的十六烷值线性下降表4给出了不同掺加比的混合燃料十六烷值的下降图7给出了喷油提前角相同的前提下,分别加值。为提高混合燃料的十六烷值本文在实验燃料中4中国煤化工值提高剂时的混合燃料油相比,混合燃料添加了硝酸异辛酯(EHN)。表4同时给出了不同混的滞CNMH(在滞燃期内的燃料合燃料需要添加的EHN的体积比。雾化加热、蒸发、扩散与空气混合等过程相对变长,第5期阎宏伟等:柴油乙醇MTBE混合燃料的燃烧与排放特性从而柴油机的着火特性变差。在低负荷时随掺混烧缸内容积增大造成的。而在大负荷时随摻混比比的增加缸内最高燃烧压力略有降低,这是由于其的增加,缸内最高燃烧压力却又明显增加。添加硝滞燃期过长,导致混合燃料在活塞下行时才开始燃酸异辛酯后基本可以恢复到纯柴油的水平。MIXOMIXO卡兰1020304050304050曲轴转角/℃A曲轴转角/℃Aa1200r/ min Pe=3kW(未加EHN)b 1200m/min Pe=3kw(in EHN)MIX2曲轴转角/℃A曲轴转角/℃Ae1200r/ min Pe=10kW(未加EHN)d 1200r/ min Pe=3kw(im EHN)图7四种混合燃料的示功图3结论[2]齐运亮马宗正许伯意车用UPG燃料喷雾过程的研究门建筑程学院学报,2006,21(2):(1)柴油乙醇MTBE混合燃料的低温流动性[3]刘红艳许伯彦液态LPG自由喷雾过程的计算机数值模拟解和蒸馏特性比较好。析[山东建筑工程学院学报2005,20(2):57-64(2)MTBE可作为柴油乙醇的助溶剂来使用。[4]马宗正,齐运亮许伯彦液态LG发动机燃料喷射过程的研(3)燃用柴油乙醇MTBE混合燃料后,柴油机究[J]山东建筑大学学报,200722(2):131-135烟度排放明显降低。[5]许伯彦张为宾齐运亮等.柴油醇的燃料性质和排放特性刀.机械工程学报,2007,43(2):156-162(4)燃用柴油乙醇MTBE混合燃料后着火延[6周玉明内燃机废气排放及控制技术(M].北京:人民交通迟期变长,需要添加十六烷值提高剂来恢复。版社,200L[7]边耀章.汽车新能源技术M].北京:人民交通出版社,2003参考文献:[8]周龙保内燃机学[M]第二版.北京:机械工业出版杜,200[1张为宾,齐运亮,许伯彦,柴油醇的燃料性质和燃烧特性的研9二“个燃料的燃烧与排放特究[]山东建筑工程学院学报,200,21(1):42-45中国煤化工28CNMHG