甲醇汽油热值研究

第5期内燃机201 1年10月Intermal Combustion EnginesOct. 2011甲醇汽油热值研究薛丽丽，刘琼琼，李冬会，谷占勋(长安大学汽车学院，陕西西安710064 )摘要:用氧弹热量计对甲醇、汽油以及甲醇汽油的热值进行了测定，误差控制在国家标准GB/T384 -81要求的范围内。通过实验，得出甲醇汽油的热值随着甲醇比例的增加而降低。采用理论分析公式计算的热值与实验值的误差范围为4.8%~37.8%，采用传统拟合公式的误差范围为0.6%- 28.2%，采用本实验新推论的拟合公式误差范围为0.2%- -2.9%。关键词:甲醇汽油;热值;研究中图分类号: TK411文献标识码: A文章编号: 1000 - 6494(2011)05 - 0033 - 04Research on the Heating Value of Methanol GasolineXUE Li-li, LIU Qiong -qiong, LI Dong- -hui, GU Zhan-xun(College of automobile, Chang' an University, Xi 'an 710064, China)Abstract: In this paper, the heat value of methanol, gasoline and methanol-gasoline were researched with oxygen bomb calorimeter, byGB/T384 -81 national standard, and the results are in the range of national standard. Through experiments, the heat value of methanolgasoline increased with the ratio of methanol. The error range of theoretical analysis and experimental valucs is 4.8%~37.8%, using thetraditional formula, the error range is 0.6%~28.2%, using a new deduction of the experimental, error range of the fiing formula from0.2% to 2.9%. This new corollary to ilustrate the quadratic approximation formula can be used as the general estimate fornula fuelheating value.Key words: methanol-gasoline; heating value; research0前言进行甲醇热值的实验测定与建立醇类燃料理论热值燃料的热值是指单位质量的该燃料完全燃烧的估算关系式，具有重要的指导意义。放出的热量，是燃料燃烧特性的重要参数，也是燃1实验原理和试验方法油品质的重要指标。燃料的热值直接影响它的使用1.1 实验仪器及工作原理性能，比如发动机的动力性能和经济性能。甲醇汽油作为一种新能源，其清洁、环保、经济的特点已本实验所用主要仪器见表1。表1实验仪器经被大家所认可，其作为车用燃料在发动机内燃烧的燃料技术性能也已经成熟。随着甲醇汽油在我国仪器名称参数大多数城市的大力推广，人们对于甲醇汽油的了解氧弹热量计热容量14000~15000 JK也逐渐增多，但是作为清洁替代燃料，关于其动力分析天平精度0.001 g性和使用汽油时一样，不会有所下降这一-问题- - 直电子秤精度0.1g .存有疑问。甲醇汽油的热值，以前更多的是根据燃温度计精度0.01 C料中的碳氢元素的质量百分比进行估算的，而当甲氧气瓶纯度>99%醇作为车用燃料，热值上升为甲醇的主要参数时，其中氧弹热量计5次苯甲酸标定的仪器热容量作者简介:薛丽丽，女，山东菏泽人，在读研究生,主误差不超过5%，苯甲酸是国家GBW(E) 130035中规定的标准物质，热值26466J/g。测定的苯甲酸的要研究方向为汽车新能源。热值与给定的热值数据误差不超过60 J/g。收稿日期: 2011-04- 06.内燃机2011年10月氧弹量热计测定燃料发热量的基本原理是:入相应的样品质量、仪器热容值(提前标定好的)、称取一定质量的试样置于充以纯氧的氧弹中燃烧，附加热(镍铬丝的燃烧热，也是测定过的)确定即该氧弹浸没在一定质量的内桶中，并放在充满-一定可。测量结束。质量保持内桶温度相对稳定的外桶中。根据燃烧完毕后释放出的热量使水温升高的情况计算出试样的2试验中用到的计算公式燃烧热值。燃烧测定值即为弹热值。2.1试样弹热值计算 公式1.2 试验方法仪器所测量出来的样品弹热值记为H,它是包在实验中，由于要测定的甲醇、汽油以及甲醇括胶囊热值在内的总热值，因此应该扣除胶囊燃烧汽油属于挥发性物质，因此采用胶囊密封之后放在所带来的热值，胶囊的热值记为H,也就是18 506燃烧皿上固定的方式进行试验，代替国标CB384-J/g，试样弹热值记为Qo,计算公式如下:81中用聚乙烯制备的安瓿密封，因为如果选用这种o_= M.XH-M.XH(1)塑料，还需要用棉线进行捆绑固定,棉线的热值同M2 -M样需要测定。因此，直接用胶囊进行密封挥发性的式中，Q2为试样的弹热值，J/g ; M,为胶囊的试样，用镍铬丝固定进行试验，而且镍铬丝的热值质量, M2为装试样后的胶囊质量。是已知的，因此这种方法方便而且成本不高。胶囊2.2总热值计算公式属于塑料制品，在燃烧中同样会带来附加热，因此Qz= l-(94.20S +N)(2)对胶囊的热值提前进行了测定。式中，Q2为试样的总热值，J/g; Q。为试样的关于胶囊热值的测定方法概述:把胶囊掰成碎弹热值，J/g; 94.20为硫含 量每1%相当于产生热量片，装人完整的空胶囊内，称好质量,并将胶囊放为94.20J; S为试样的硫含量，%; N为硝酸的生成进燃烧皿进行固定，并绑好点火丝放进氧弹进行充剂溶解于水的热量，对于文中的甲醇或汽油均属于氧燃烧即可。同样的实验重复进行三次，结果取三轻质燃料，经验数值为50.24 Jlg。对于硫含量不大于次的平均值。胶囊热值的数据记录见表2。0.2%的燃料，酸的总修正数可以采用62.80J/g,即:表2胶囊的热值测定数据Qz= Qo- 62.80(3)外桶内桶样品弹平均2.3氢含量Bn (%)估算号水温/C水温/C质量(/g热值(J.g)_值(J.g")0.005gn=0xQ-41.4.(4)20.719.7 1.015 1118 483式中0.005和41.4分别为经验系数, l为试样的19.7 0.975 0218 49418 506弹热值, J/g。20.819.9 1.043 3518 5402.4低热值的计算三次试验误差 最大为57 J/g，因此在国标规定Q=Qz-6x9x4.187g%(5)的误差不超过60 J/g的范围内，实验数据可靠，因式中，Q2为试样的总热值，J/g; 25.12为水蒸气每1%(0.01g)的汽化潜热，J/g; 9为氢含量百分数换算此所用胶囊的热值为18506 J/g。甲醇汽油的热值测定方法如下:选取密封性为水含量百分数的系数; g,为试样中的氢含量，%。能合适的胶囊两个，用分析天平称取其质量，记为3实验结果分析M1，用注射器吸人适量的甲醇汽油分别注人两个胶囊中，称取注射甲醇汽油后的胶囊的质量，记为实验对M0(93号汽油)，M15, M25, M50, M85,M2，用温度计测量量热体系外桶的温度，记录下M100甲醇汽油的热值进行了测定。其中的甲醇均来，并调节内桶水的温度低于外桶1 C左右，记录为分析甲醇，测定的高热值为22768 J/g,低热值其温度;把称好的装有甲醇汽油的胶囊用镍铬丝固为19959Jg。甲醇汽油的基础油均是市场销售的车定好，放置于燃烧皿中，并接好点火丝，放人提前用93号汽油。为了排除添加剂对甲醇汽油热值的影盛好10 mL水的氧弹内，拧紧氧弹盖，将充氧器接响，甲醇汽油中都没有加入添加剂。其中低比例甲在氧气瓶上，对氧弹充氧30s，氧气阀压力在2.4~醇汽油可以互溶，高比例甲醇汽油也没有发现分3.0MPa范围内，将内桶放在外桶的绝缘支架上，层，只是中等比例的M50甲醇汽油出现了不能互溶的插好点火线，盖好外桶桶盖。按照仪器操作界面输现象。因此针对M50甲醇汽油采取了用注射器按量注第5期.薛丽丽等:甲醇汽油热值研究射的方式。每个试样进行三次试验，两两之间误差量，完全燃烧1 kg的氢放出121 004 kJ的热量。用不超过60Jg。结果均保留整数。实验结果见表3。公式表示就是: .Q=32 9933x8. +121 004x%(7)表3甲醇汽油热值测定数据名称水温/C水 温/C外桶内桶MlgM2/9样品弹Q表示燃料的理论热值，J/g; g, 表示燃料中碳热值/J.g)的百分含量，%; B%表示燃料中氢的百分含量, %。93#18.517.50.14266 0.55484 39 121公式(6)是燃料中碳和氢完全燃烧释放出的热M1519.50.146 190.550 8536 477量，不代表实际燃烧状况。我们平时都是用下面的M25 19.618.60.14489 0.553 1635 551公式估计某种燃料的热值。Q=4.187(8 100x B.+24 600 XB)(8)M5019.718.70.148 740.522 215 013式中，Q为某种燃料的热值，MJ/kg; g. 为燃料18.80.14617 0.524 5623154中碳元素的质量比，%; g,为燃料中氢元素的质量M10019.918.90.144 280.825 4522 03比，%;其中8 100和24 600为估算的经验系数。因为没有专门的汽油产品分析仪来测定试样由.上面三个公式我们可以看出，碳、氢元素含中的硫元素和氢元素,加上试样中的硫元素含量较量不同的燃料其热值也会不同。用公式(7)估算的热小，而且对热值的影响不大，因此按照公式(3)来值记为Q，公式(8)估算出来的热值记为Q2，根据重计算试样的高热值。通过计算，我们得出甲醇汽油新拟合的公式(6)估算出来的热值记为Q，把Q、的热值，见表4。Q2，, Q,与实验测定的数值对比见表5、表6、图1,表4不同比例甲醇汽油的热值并计算了估算值与实验值之间的误差，发现甲醇总热高热低热Q>Q>Q。根据重新拟合的公式计算出来的热值与实光油值VJg) gh1%值(J.g') 值/J.g)值/MJ .kg"验值最接近，误差也最小，Q,的误差最大为2.9%。47065 14.8 47 00243 65643.66表5热值估算值与实验值M1543113 14.2 43 05039 90239.90名称Q/J.g) Q/(J.g)Q/u.g')实验值/].g")M2541 628141 56538 46338.4645 75543 93244 077M8525 0981225 03522 20422.2043 01641 18140 37440 101M100 22 78512.5 22 72219 95919.9641 19139 34737 90537 731从表4我们可以看出，甲醇汽油的热值随着添加M5036 62734 76331 73331 806的甲醇比例的增加而降低，氢元素的含量也呈降低的30 23728 34423 09223 511趋势。高热值比低热值高2 760~ 3400J/g。M10027 49825 59319 389根据实验数据，利用EXCEL里面的回归方法,对测定的甲醇汽油的低热值进行回归分析，得到相表6热值估算值与实验值误差百分比关系数R为1,因此线性相关，并得出其回归方程Q,误差/%Q2误差1%Q,误差1%式如下:.80.61.0Q=- 10.54+47.38 XB+97.29XB(6)7.32.70.7Q代表燃料的低热值，MJ/kg; g: 为燃料中的碳4.30.5元素的质量百分含量，%; g为燃料中氢元素的质15.29.3-0.量百分含量，%; 47.38和97.29为回归系数。从燃烧本质上来说，甲醇和汽油的燃烧就是M85 .28.620.6-1.8碳和氢的高温化学反应，这两个化学反应都属于放37.828.2-2.9热反应。△H为负值表示放出热量。化学反应方程.4结论式为:C+O2=CO2△H =-395 672kJ/mola.笔者利用氧弹热量计测定甲醇汽油的热值的H,+号O2=H2O △H =-242 124kJ/mol方法是可行的，符合GBT384 -81的要求，为了保因此，完全燃烧1kg的碳放出32993kJ的热证试样材料的密封，研究采用了胶囊注射法。试验. 36.内燃机201 1年10月b.采用液体燃料理论分析公式估算热值，其4一实验值→Q→←Q2→Q误差范围为4.8%~37.8%;采用传统拟合公式的误3 39差范围为0.6%~28.2%;采用本实验新推论的计算三35L 31公式，误差范围为0.2%~2.9%。 这说明了新推论的计算公式能够作为估算燃料热值的一-般公式使用。1行304560方90105[参考文献]甲醇比例%1] GB/T384. -91,石油产品热值测定法[S].图1甲醇汽油实验热值与估算值对比[2] DL/T 567.8- -95,燃油发热量的测定[S].误差小于60 J/g.在国家标准规定的120 J/g范围之[3]叶庆,邓功沈良军等. 燃料油热值测定方法研究[J].检验内。证明采用胶囊注射对液体燃料进行热值测定的检疫科学 208.4):3- -5.方法是可行的。④④④④④④④④④④④④④④④④④④◆④④⑨④⑨④◆⑦④④④④④④◆②⑨◆◆◆◆④◆④④◆④④④④④④④④④⑨④④④◎(.上接第16页)表2进气均匀性对比示意pro- STAF 3.219 -Jan-10瞬态相对平均进气量误差/%VELOCTY MAGNIT歧管出口123TIME=0.130866LOCAL MX=51.85增压53.3 .-10.2-8.2LOCAL MN=0.367448.18-18.76自然进气10.60.8-6.7-4.744.50 -15.0840.82一11.40造成1，2两缸进气量比3，4两缸进气量偏大。图37.14 -7.72333.47 4.0455.显示3缸开启时1缸内的气体流动，图6显示了1缸29.79 0.36745.11开启时3缸内气体的流动。从图中可以看出当3缸图6 1缸开启3缸管道流场分布开启时，1缸有相当明显的气流流进，而1缸开启3结论时3缸几乎没有明显的气流流入，4缸内气体的流动状态与3缸相似。正是因为匹配增压机型时歧管通过对进气歧管的CFD数值模拟分析表明:的贯通性强，导致1缸进气量大，而3，4两缸进气a.该进气歧管进出口压力损失较小可以满足.量少。自然进气发动机因为人口气体压力小，气工程上的需求，说明歧管内部管路设计合理，歧管体的穿透性较差，所以各缸的进气均匀性较增压有 较好的流通性能。发动机好。b.瞬态计算由于发动机工作条件不同而导致pDSTAF歧管内气体均匀性出现差别，说明该进气歧管匹配20- Jan-10自然进气发动机更为合适。VELOCITYMc.CFD分析可以为设计人员提供清晰的内部TIME=0.136LOCAL MX=流场信息，是设计人员对歧管的设计效果有直观的LOCAL MN=一34.02 一14.81了解。在提高设计能力，节约试验成本方面,_ 2922 _ 10.01CFD分析可以起到重要的作用。26.81 --7.60824.41 - 5.20722.012 80619.61 0.405 47.211JohnD.Anderson.Computational Fluid Dynamics[M]北京: .机械工业出版社，2006.图53缸开启1缸管道流场分布2周龙保.内燃机学[M], 北京:机械工业出版社，1999.