甲醇/柴油混合燃料的应用

中国农学通报2010,26( 10):381-385Chinese Agricultural Science Bulletin甲醇/柴油混合燃料的应用单士睿(许昌职业技术学院机电工程系,河南许昌461000)摘要:在柴油机结构不变的情况下,把甲醇、柴油、OP乳化剂按体积比15:80:2.5混合, 采取新的乳化工艺研制混合燃料,并与柴油作比较。甲醇-柴油混合燃料的密度和粘度较柴油降低,粘度为1.20°E20,雾化质量和蒸发性能得到提高。随着负荷的增大,柴油机燃用混合燃料的耗油率低于燃用柴油的油耗率，经济性有所提高。甲醇-柴油混合燃料平均节油率达9.5%,在中、高负荷下节油率平均达12.4%。在中、高负荷范围内燃用混合燃料的烟度均低于燃用柴油时的,下降达25.6%,NOx的排放值显著降低。柴油机燃用甲醇~柴油混合燃料热效率有所提高,中、高负荷时耗油率显著下降,经济性好,减少了环境污染，具有良好的经济和社会效益。关键词:柴油机;甲醇;混合燃料;性能排放中图分类号:S232.6文献标志码:A论文编号:2009-2286The Applied Research of Methanol and Diesel Fuel BlendsShan Shirui(Xuchang Vocational and Technology College, Xuchang Henan 461000)Abstract: Under the condition of invariable structure of diesel engine, methanol, diesel and OP emulsificationreagent were mixed according to volume ratio of 15:80:2.5. The mixed fuel was prepared by new emulsificationtechnology and compared with diesel. The density and viscidity of methanol-diesel mixed fuel were lower thanthat of diesel, the viscidity was 1.20° E20, and atomization quality and evaporation capability were enhanced.Along with the increment of burthen, the fuel consumption rate of burming mixed fuel was lower than that ofburning diesel in diesel engine， the economy was some enhanced. The average fuel saving rate ofmethanol-diesel mixed fuel reached 9.5%, the fuel saving rate reached 12.4% averagely under medium andhigh burthen. In the range of medium and high burthen, all the smoke intensity of burming mixed fuel was lowerthan that of burning diesel, and the decrement reached 25.6% ，and the letting value of NOx reducedsignificantly. The thermal efficiency of burning methanol- diesel mixed fuel in diesel engine was some :increased; the fuel consumption rate decreased significantly under medium and high burthen with goodeconomy, reduced environmental pollution and had good economic and social benefit.Key words: dieselengine; methanol; mixedfuel; emissions performance0引言环保局认为:采用甲醇燃料是实现清洁环境的最有效随着工业的发展和人民生活水平的提高,以石油的方法。中国具有丰富的煤炭资源,煤制醇成为发展为原料的液体燃料的消耗量持续增长，而石油资源却清洁代用燃料的丰富资源,为内燃机摆脱对石油燃料在日益减少,研究与开发替代燃料势在必行。国外许的依赖和解决日趋严重的大气污染问题开辟了一条 新多国家都在研究、开发和应用适合本国国情的清洁燃的途径。但由于甲醇和柴油的理化性质差异较大,在料。醇类燃料是国际公认的- -种清洁代用燃料，美国柴油机上掺烧甲醇或燃用纯甲醇比较困难"。笔者在基金项目:河南省科技攻关计划项目(9412009Y0802)。作者简介:单士睿,男,1981年出生,河南商丘人,许昌职业技术学院机电工程系,硕士研究生,研究方向为农业工程。通信地址:461000许昌职业技术学院机电工程系，E-mail: lij@sohu.om.收稿日期:009-11-03,修回日期:2010-01-14。中国农学通报htp://www.casb.org.cn柴油机结构不变的情况下,经过试验研究,提出一-种新利于完全燃烧;虽然甲醇的热值较低,但其理论空燃比的乳化工艺,为柴油机掺烧甲醇技术的应用提供了广下形成的混合气热值大体上与柴油燃料相同，不会降阔的前景。低发动机的功率;由于甲醇汽化潜热较大,使燃烧过程1材料与方法变得柔和;着火极限较柴油着火极限宽,这样选择运转1.1 材料工况有较大的自由度,有利于排气净化及降低油耗凹;1.1.1 甲醇及柴油的物理化学性能试验材料中甲醇、甲醇的十六烷值很低，不适宜直接作为发动机的燃料,柴油的物理化学性能见表1。由表1知，甲醇的沸点低般将甲醇掺烧于柴油中。表1通过对甲醇理化性质于柴油的沸点,使得混合气形成较快,且比较均匀,有的分析,认为在柴油机上掺烧甲醇是十分可行的。表1甲醇与柴油的主要物理化学性能比较氧的质量相对密度/沸点范理论空 低热值M 十六烷 汽化潜热/ 着火极限体 自 然理论空燃比混合分数/%( g/cm2)围/C燃比(J/kg)直M(Jkg'积比/%点/汽热值/M(J/kg)柴油00.8580-37014.643.337~552911.5-8.2200- -2202.9350656.4719.93~511806.7-3.64703.071.1.2 试验设备和仪器此次试验所用设备为X195型比较,第3种方案效果最佳,能保持较长时间不分柴油发动机,D110B型水力测功器,HZB500型油耗测层"。量仪, FZW发动机综合试验台, FBY-1型废气分析仪4)混合燃料与纯柴油性质对比等。经试验配置出的体积分数为15%的甲醇柴油混合1.2试验方案的设计燃料的粘度和密度如表2所示:甲醇-柴油混合燃料的1.2.1 甲醇与柴油混合加入乳化剂筛选密度和粘度均有所降低,--.般要求柴油机用燃料的恩1)乳化剂的筛选把代号为JY7801, 701, T-1401,氏粘度为1.15~1.76°E20,甲醇-柴油混合燃料的粘度酰胺,OP-系列乳化剂分 别加入甲醇与柴油的混合液为1.20°E20,符合柴油机用油的要求”。中。将甲醇与柴油的混合物振荡15min后取出10mL表2纯柴油(0#)与混合燃料性能对比试样,加入不同乳化剂后机械搅拌5min,然后观察并记录试验结果。经反复试验证明,OP乳化剂效果最.项目性能指标佳。柴油(0#)混合燃料2)乳化剂定量配比选择褐色透明液体黄褐色浊液所用乳化剂为OP溶于乙醇后按V(OP): V(乙醇)=稳定时间/min长期稳定≥301:1配比的复合乳化剂量。为使甲醇与柴油的混合液密度/(g/cm)0.8220.818充分混合,在取出前将其振荡15~20min,以保证取出恩氏粘度/E201.241.20的混合液组分同母液组分一致。 加入乳化剂后搅拌2结果与分析3~5min。选择V(甲醇): V(柴油): V(乳化剂)= 10:90:2及2.1不同燃料负荷特性分析V(甲醇):V(柴油):V(乳化剂)=15:80:2.5,2种配比方预热发动机使水温保持在85~90C,油温保持85~.案。考虑到节油效果，在试验中选用了后-一种配比方90C,在其他条件保持基本不变的情况下，分别以0#案。柴油和甲醇.柴油混合燃料进行对比试验,试验数据见3)乳化工艺选择为考证乳化工艺与乳化效果的关系,选择了以下表3。由表3中试验数据,绘出燃用0#柴油和甲醇-柴油混合燃料的耗油率ge曲线及热效率ne曲线。3种添加方案:2.1.1ηe曲线分析混合燃料在柴油机中的燃烧比较①将OP乳化剂加入混合液中振荡后,再加入乙完全,柴油机耗油率下降,热效率有所提高，经济性有醇(比例.与OP同)。所改善(图1)。其原因是多方面的。②先将乙醇加入混合液中振荡,再加入OP乳化1)甲醇与柴油混合乳化后,其粘度较柴油粘度略剂。有降低，雾化性能有所改善。粘度是影响雾化程度和③先将OP乳化剂溶于乙醇中后,加到混合液中。油注射入燃烧室空气介质深度的因素之- _51。粘度与383●单士睿:甲醇/柴油混合燃料的应用雾化颗粒直径成正比，与雾化颗粒的总表面积成反.的混合气,燃烧更为充分,燃烧效率提高,从而改善柴比。甲醇-柴油混合油粘度较纯柴油稍低一些,测试数油机的经济性。据见表2所示，柴油机用油的恩氏粘度一般要求为3)甲醇的汽化潜热大,在形成混合气时,会产生冷1.15~1.76°E20，而甲醇-柴油混合油的粘度为却效应，使进气温度降低,从而提高充气系数,在一定1.20°E20,在这一范围内,由于低于柴油的恩氏粘度，程度上可使发动机的燃烧情况得到改善,使热效率提因此有利于提高雾化质量和蒸发性能0,使得燃料燃高”。烧充分,热效率提高,这样改善了柴油机的经济性,且2.1.2ge曲线分析柴油机小负荷时燃用混合燃料的耗使排放烟度降低。油率稍高于或接近于燃用柴油时的耗油率(图2)。其2)“微爆效应”对柴油机的负荷特性也有影响,使原因可能是低负荷时燃料喷射量较少而雾化特性差，热效率提高。柴油加进甲醇后,在乳化剂的作用下,机而甲醇是含氧燃料，这使得过量空气系数较大。过稀械搅拌形成“油包醇”型的小颗粒。燃料喷入汽缸后，的混合气影响火焰的传播，而且局部过稀的混合气还由于甲醇沸点远低于柴油沸点，当乳化微粒内部的甲可能不着火,随着废气排放出去,使油耗增加。再加上醇超过沸点温度后,便急剧汽化膨胀使油粒进一步雾低负荷时,放热量较少,缸壁温度及残余废气温度都较化。同时由于甲醇的沸点比柴油低,它从喷油嘴喷入低，而且甲醇的汽化潜热高,导致压缩终点时缸内平均汽缸后产生强烈的减压沸腾,促使燃烧颗粒进一步细温度有所降低,而甲醇-柴油混合油的十六烷值低,使柴化、分散。这使进入汽缸的燃料与空气能形成较均匀油机的滞燃期延长太多,燃料主要在缓燃期燃烧,使热表3柴油及混合燃料台架试验数据比较转速/(/min)负荷/N扭矩Nm功率NJkW耗油时间/s耗油量/g耗油率g/(g/kWh)热效率n。200009.224.9436.50.1952015208.5325.00.2552010308.068.9285.60.3260#柴油11.8365.20.2351440.28..13.5293.00.2924846.0914.3379.50.2845.0458.00.18618.5320.00.241280.20.302混合燃料1038.011.634.050.220448.13.0296.50.28614.2369.20.2790.355004500.34000.25350. 3000.2带0.152000.115◆柴油.混合燃料0.055711391功率/Kw .功率/Kw图1纯柴油与混合燃料热效率曲线图2纯柴油与混合燃料耗油率曲线中国农学通报htp://www.casb.org.cn●384●效率降低,柴油机的经济性变差。随着负荷的增大,柴2.2节能分析油机燃用甲醇柴油混合油的耗油率开始低于燃用柴油由于柴油机一- 般在中、高负荷区运行,因此重点分的油耗率,经济性有所提高。并且曲线变的较为平析小负荷到中、高负荷区的节能情况。将掺烧甲醇后坦,表明柴油机扩大了保持较低耗油率的工作范围。的混合燃料中的甲醇消耗量按热值折合为柴油消耗其主要原因是:随着负荷增大,汽缸内工质的温度量,即和压力升高,混合燃料的粘度小及其汽化时微爆效应Q r=19.7xQ e/45.3对改善雾化情况所起的作用占据主要位置。燃烧趋于总耗油量Q= Q折+Q※完全,热效率提高,从而改善了柴油机的经济性。虽然节油率8=(Q x-Q)Q兆有低负荷时柴油机燃用混合燃料的经济性稍低于燃用混合燃料节油效果见表4,由表4可以看出，仅从柴油时的经济性,但柴油机大部分时间在中、高负荷下耗能角度来看,柴油中混合甲醇后其节能效果显著,平工作,中、高负荷下耗油率明显降低。因此,柴油机燃均节油率可达9.5%,在中、高负荷下节油率平均达用混合燃料总体上经济性得到了较大的改善。12.4%。表4混合燃料节油效果混合燃料/g功率/Kw耗油时间/s柴油/g节油率/%耗油量折算为柴油量220.95.04.72.7.16.58.0.21211.811.610.611.413.513.012.212.614.34.23.212.4表5燃油排放烟度测定烟度测量值转速/( r/min)负荷N功率Ne/Kw平均烟度/Rb .2000408.03.3.1纯柴油2010468.7.63.6.520124(.3.1混合燃料2004442.32.02.42.3排放烟度分析排烟不仅对环境造成污染,而且还限制了柴油机1400燃烧甲醇燃料对NOx排放的影响功率的提高，因而在做台架试验的同时，也做了烟度排1200◆纯柴油放试验。主要设备有X195型柴油机和FBY-1型烟度1000■混合燃料计。测定0#柴油及甲醇柴油混合燃料在标定转速下，负荷为40N和44N时的排放烟度,测定数据见表5。兰800表5表明,燃用混合燃料在中、高负荷范围内的烟度均e 600低于燃用柴油时的烟度值,最大下降25.6%。其原因00为:2001)由于甲醇中含氧量达50%,且乳化剂与微量乙C醇中均含氧,混合燃料中氧含量较大,与燃烧柴油相0.0.30.5.7比，燃烧更趋于完全。因此排放物中炭粒含量减少,烟PMPa度明显降低!。图3燃烧甲醇燃料对NOx排放值的影响曲线385单士睿:甲醇/柴油混合燃料的应用2)如前所述的“微爆效应”及混合燃料粘度变小等参考文献因素的作用，使燃油雾化蒸发性能改善,改善了燃烧过1] 张百良农村能源工程学,北京:中国农业出版社, 99:13-21.2]肖文安燃用甲醇.柴油混合燃料的研究，小型内燃机199S(3):程，使排放下降。27-31.2.4NOx排放量的分析[3] 姚春德,王艳霞.柴油/甲醇组合燃料在增加柴油机上的应用,车用柴油引|燃甲醇燃料对NOx排放值的影响如图3所发动机,2005(6):46-48.示。甲醇作为主要燃料，显著降低了NOx的排放值，[4] 崔心存内燃机代用燃料.北京:机械工业出版社, 199:132154.在从小负荷到大负荷的整个负荷范围内,NOx的排放[5]谢洁,卢红兵柴 油-甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性研究,内燃值较原柴油机降低61%~68%左右,这主要与甲醇的蒸机工程,2004(5):72-76.发潜热有直接关系，它使最高燃烧温度有所降低"。[6] Huang Z H, Wang H W. Chen H Y Study on CombustionCharacteristics of a Compression Ignition Engine Fueled with并且推迟燃料的喷射有利于NOx值的进一步降低, 且Dimethy1 Ether, 199(8):9-13.负荷越大其降低NOx的效果越明显。[7] Kjitani z, Chen L. Konno M Engine Performance and Exhaust3结论Characteristics of Direc-lijction Diesel Engine Operated with试验表明，在柴油机结构不变的情况下:DME 1997(4):55-58.1)柴油机燃用乳化的甲醇-柴油混合燃料热效率[8] Huang Z, Miao H, Zhou L. Jiang D Combustion Characteristics andHydrocarbon Emissions of a Spark Ignition Engine Fuelled with有明显的提高，在中、高负荷时燃料消耗量明显下降，Gasoline-Oxygenate Blends 2000:63-81.经济性好。[9] Huang Z H, Jiang D M, Zeng K, et al. Yang Z L Combustion2)平均节油率为9.5%。排烟得到显著的改善，Characteristics and Heat Release Analysis of a DI CompressionNOx化合物明显减少,大大减少了环境污染。Ignition Engine Fueled with Diesel-Dimethyl Cartbonate Blends,2003(6):39-44.3)在燃用混合燃料时,滞燃期将延长,同时为了提[10] Murayama T, Zheng M. Chikahisa T Simultaneous Reduction of高柴油机的动力性，--般又要增加喷油泵循环供油量,Smoke and NOx from a DI Diesel Engine with EGR and Dimethyl这使得发动机工作稍显“粗暴”。Carbonate, 1995.