柴油-米糠油生物柴油-甲、乙醇混合燃料特性实验

2007年11月农业机械学报第38卷第11期柴油米糠油生物柴油-甲、乙醇混合燃料特性实验董英林琳徐斌【摘要】利用三元相图研究了柴油-米糠油生物柴油乙醇混合燃料在不同温度和不同乙醇质量分数下的稳定性。选取不同配比的混合燃料对其燃料特性以及在发动机上燃用时燃烧和排放状况进行了研究,并与普通柴油进行了比较。研究表明随着温度降低,三相系统的稳定性降低;乙醇的含水率对系统稳定性有很大影响,含水率越大系统稳定性越差;混合燃料的燃料特性和普通柴油有一定差别,但总体上并不十分明显;随着混合燃料中乙醇含量增加,发动机输出功率降低,有效燃油消耗率增加,但与普通柴油相差并不大CO、HC、NO2的排放量也随着乙醇含量增加而增加。掺入米糠油生物柴油可以明显改善柴油醇的燃料特性以及燃烧和排放状况。关键词:柴油米糠油生物柴油乙醇混合燃料燃料特性中图分类号:TK464TK16文献标识码:AExperimental Study on Fuel Properties of Diesel-riceBran oil biodiesel-ethanol blendDong Ying Lin Lin Xu Bin(iangsu UniversVia the phase diagram of diesel-rice bran oil biodiesel-ethanol blends at different purities ofethanol and different temperatures, the stability of the mix fuel system was studied, Fuelproperties (such as density, heat of combustion, cetane number, flash point) of the selectedblends and their emissions performance in a diesel engine were examined and compared to those ofbase diesel. With decrease of temperature, the solubility of diesel-rice bran oil biodiesel-ethanolblends system was decreased. The moisture content of ethanol had a great influence on mixturesolubility. With increase of moisture content, the solubility of system was decreased. the fuelproperties of blend were similar to those of base diesel. with the ethanol content of blendsincreasing, the power was decreased and BSFC was increased. The CO, HC and NO, emissionswere increased when the ethanol content of blends was increased. The results show that the fuelcombustion properties and emissions of diesohol can be improved by adding rice branoil biodieselKey words Diesel, Rice bran oil biodiesel Ethanol, Blend fuel, Fuel properties引言然而由于柴油和乙醇在化学结构和性质上的不同使两者在一般的温度和含水率条件下不能相互溶柴油醇作为普通柴油的替代品,不需要对现有解,从而导致柴油醇燃料由于分层而变得不稳定这的发动机进行任何改造,不会增加额外的使用成本。一问题成为阻碍柴油醇推广使用的“瓶颈”。目前有收稿日期:2006-12-20镇江市农业攻关项目(项目编号:NY2006018)中国煤化工董英江苏大学食品与生物工程学院教授博士生导师,212013镇江CNMHG林葉江苏大学食品与生物工程学院博士生徐斌江苏大学食品与生物工程学院讲师第11期董英等:柴油米糠油生物柴油-甲、乙醇混合燃料特性实验两种方法可以防止柴油醇的分层:加入乳化剂可以照上面的方法与柴油、RBD混合并进行搅拌将得帮助形成由柴油包妻乙醇的细小的悬浮液滴;加入到的样品在10℃下静置7d,观察样品分层情况,利助溶剂可以与乙醇形成可溶于柴油的分子间化合用三元相图对混合溶液稳定性进行分析。物,从而增加乙醇在柴油中的溶解度,来制备均匀、1.2.4发动机燃烧及排放实验稳定的柴油醇溶液口。通常情况下,乳化液的配制需实验采用常州柴油机厂186型风冷直喷柴油机要加热和搅拌的过程。然而加入助溶剂可以实现柴(转速3600r/min,燃油消耗率300g/(kW·h),功油和乙醇的快速混合,简化了混合的过程2。但是,率6kW),在全负荷工况下,选取不同配比的混合燃由于摻入了乙醇,使柴油醇燃料的十六烷值降低,使料与柴油RBD对不同发动机转速下的燃烧及排放之很难在压燃式发动机上应用,发动机能否直接燃情况进行比较实验前发动机应充分预热,并调整喷用混合燃料将对发动机的动力性燃油经济性以及射压力,保证每次实验时发动机具有相同喷射压力。排放指标起决定性作用。生物柴油的十六烷值高利用 AVL AFA335型测功机测试发动机输出功于普通柴油,在柴油醇中添加生物柴油,有望改善柴率,AVL735型油耗仪检测发动机燃油消耗率。利用公油醇十六烷值低的状况。因此对于柴油一生物柴油乙式:有效燃油消耗率=燃油消耗量(g)/(有效功率醇混合燃料的研究具有现实意义。kW)×柴油机工作时间(h),计算得到有效燃油本文对柴油生物柴油-乙醇三相系统的稳定性消耗率。并用 Horiba meXA-7200D型气体分析系以及相关的燃料特性如:十六烷值、密度、热值、闪统对CO、HC、NO2排放情况进行检测。点、浊点等进行研究。在发动机台架上对混合燃料的燃烧及排放特性进行实验,并与普通柴油做比较,以结果与讨论期找出不同配比对燃烧和排放性能的影响21柴油-RBD-甲醇系统稳定性原料与实验方法如图1所示,在由柴油(D)、米糠油生物柴油(RBD)、甲醇(M所组成的系统中,柴油和RBD之1.1主要试剂及设备间可以完全相互溶解RBD和甲醇只能在很小的范实验试剂:柴油(市场购得的-10号柴油),乙围内互溶,而柴油和甲醇之间则完全不能溶解在柴醇(上海振兴试剂-厂,分析纯),甲醇(上海振兴试油和甲醇混合液中加入RBD可以增加它们之间的剂一厂,分析纯)。米糠油生物柴油(RBD)为实验室溶解度但是这个三相体系能稳定的互溶区域很小自行制备,各项指标均符合美国ASTM生物柴油标准。故而甲醇不适合用于制备混合燃料验设备:上海启双WL500CY型实验室乳化机;Turb550IR型浊度仪;AVL735型油耗仪,Horiba MEXA-7200D型气体分析系统;AVLAFA335型测功机柴油1.2实验方法1.21柴油-RBD-甲醇系统的稳定性实验将柴油、甲醇、RBD这3种成分分别按照质量分数0~100%的不同比例混合,使用乳化机进行搅拌,搅拌均匀后,将样品在10℃下静置7d,观察样图1D-RBD-M系统在10℃条件下的等温稳定性品的分层情况,利用三元相图对混合溶液的稳定性Fig 1 Isotherm of solubility of D-RBD-Msystem at1o℃进行分析。12.2不同温度下柴油RBD-乙醇系统稳定性实验22温度对柴油RBD乙醇系统稳定性的影响将柴油、乙醇、RBD3种成分分别按照质量分如图2所示,在由柴油(D)米糠油生物柴油数0~100%的不同比例混合,同上法,制备均匀溶(RBD)质量分数985%乙醇(E)所组成的系统中,液后,将样品分别在10、0、-10℃下静置7d观察柴油和RBD两相以及RBD和乙醇两相之间可以完样品的分层情况,利用三元相图对混合溶液的稳定全相中国煤化工间几乎不能互溶性进行分析。随着目的溶解度相应增1.2.3不同乙醇含水率条件下柴油-RBD-乙醇系加CNMHG夜区域随着温度增统稳定性实验加而增大,一10℃下的稳定区域还不到10℃下的将质量分数99.9%98%95%的乙醇分别按50%因此混合燃料在寒冷的冬季使用,其稳定性将农业机被学报2007年受到很大影响。1008910"a30图3D-RBD-E系统在10℃下使用不同质量分数图2D-RBD-E系统在不同条件下的等温稳定性乙醇的等温稳定性Fig 2 Isotherm of solubility of D-RBD-E systemFig 3 Isotherm of solubility of D-RBD-E system at2.3乙醇含水率对粜油RBD乙醇系统稳定性的10C using ethanol of different concentrations影响D7RBD30、D70RBD28E2。与柴油和RBD的燃料如图3所示,在10℃条件下,由柴油、RBD、乙特性进行比较醇所组成的系统中,随着乙醇中含水率的增加三相已有的研究表明在现有的柴油机中燃用乙醇体系形成稳定溶液的区域面积逐步减小。加入质量可能会给发动机性能和耐用性方面带来一些负面影分数95%乙醇的三相体系的稳定区域面积不足加响因为乙醇燃料特性和柴油(包括普通柴油和生物入9.9%乙醇的1/3。说明乙醇含水率对于柴油-柴油)差别很大,所以在柴油中掺烧乙醇可能会导致RBD-乙醇三相体系稳定性的影响很大。故而在制混合燃料的一些指标很难达到相关燃料标准的要备混合燃料时,应该尽可能选用无水乙醇但考虑成求。本,实验选用98.5%的乙醇配制混合燃料如表1所示,当混合燃料中RBD和乙醇质量分24柴油-RBD-乙醇混合液的燃料特性数增加时,燃料的热值有所降低。这是RBD和乙醇根据图2,分别在三元相图中10℃下稳定区域自身的热值均较低所造成的。热值低将直接影响到选取点D7ORBD20E10(其中数字分别表示各组分发动机的输出功率。虽然RBD和混合燃料的热值都的质量分数)、D7OBD15E15;0℃下稳定区域选取点低于普通柴油但是总体而言混合燃料的热值和普D70RBD25E5;-10℃下稳定区域选取点通柴油差别并不十分明显,只低约10%丧1粜油RBD和不同组成混合溶液的燃料特性Tab 1 Fuel properties of diesel, RBD and different blends溶液种类指标RBD D70RBD30 D70RBD28E2 D70RBD25E5 D70RBD20E10 D70BD15E15热值/kJ·kg-14304639573409240335十六烷值45.750.844.6闪点/℃蒸汽压力/kPa密度(20℃)/kg·m-3838.13884.49动力学粘度(40℃)/mm2·8-12.6364.1232.320残碳/%浊点/℃酸价/ mg KOH·g-10.240.23IA1ALA十六烷值随着乙醇质量分数的增加而降低,因然魁汽与围空气形成的混合物在接为乙醇十六烷值较低,约为5~8。十六烷值偏低会近火中国煤化工温度。随着乙醇使滞燃期延长,产生不正常燃烧,以致工作粗暴,降质量CNMHG是著降低。所以混低发动机功率。但是RBD的十六烷值高于普通柴合燃料的运输、储藏要求将更加严格,以保证其安全油,所以加入RBD可以提高混合燃料的十六烷值。性同时乙醇质量分数的增加,使混合燃料的蒸汽压第11蕈英等:柴油米糖油生物柴油-甲、乙醇混合燃料特性实验明显升高,这还可能导致燃料挥发性增加并出现汽低,但是RBD和所有混合燃料的浊点均高于普通柴阻油。铜蚀测试也和普通柴油基本一致,符合相关标由于RBD的密度较高从而混合燃料的密度随准着RBD质量分数的增加而增加。一般认为过高的密2.5柴油RBD乙醇混合燃料发动机实验度会使流阻增大,导致溶液的粘度增加。而过高的粘2.5.1发动机燃烧实验度会使燃料的喷射性能变差,影响发动机正常工作。因为RBD和乙醇中含氧量都高于普通柴油,也但是乙醇密度较低,过低的粘度又不利于发动机内势必使热值低于普通柴油。故燃用含有RBD和乙醇部的润滑会增加磨损混合燃料的动力学粘度和普的混合燃料输出功率应该相应减少,而有效燃油消通柴油十分接近,符合柴油和生物柴油的标准故而耗率(BSFC)应该相应增加。如图4、5所示,随着乙在柴油醇混合燃料中掺入RBD既可以保证润滑性醇质量分数的增加输出功率略有减少,BSFC有所能,减少磨损,又可以防止粘度过高,改善混合燃料增加。虽然燃用RBD和混合燃料的输出功率均低于的喷射性能。普通柴油BSFC均高于普通柴油,但是影响都并不混合燃料的浊点随着乙醇加入量增加而逐渐降是十分显著所以燃用柴油-RBD-乙醇混合燃料,D7ORBD30O D7ORBD20E10ORBDISE1512001600200024002800320020016002000240028003200转速/rmin图4不同组成的燃料在各种转速下的输出功率示意Fig.4 Comparison of power for test fuels at various engine speedsD70RBD25ES■D^0RBD28E222020016002000240028003200120016002000240028003200转速rmin1图5不同组成的燃料在各种转速下有效燃油消耗率(BSFC)示意图Fig 5 Comparison of BSFC for test fuels at various engine speeds完全可以保证现有发动机正常工作以发现,在全负荷条件下,较高或者较低的发动机转2.52CO排放量速都会使CO排放量增加,而发动机中速运行时cO由于乙醇可以增加燃料中的含氧量,理论上乙排放量最低醇可以显著降低CO的排放量。但是,在燃料中加入2.5.3HC排放量乙醇增加含氧量的同时,由于乙醇自身的十六烷值从图7可以看出,单独燃用RBD可以显著降低远低于柴油所以使混合燃料的十六烷值也显著降HC排放量,这是由于米糠油生物柴油具有较高的低。而降低十六烷值的负面影响甚至超过含氧量增十六烷值高的十六烷值可以使燃料的滞燃期短、容加所带来的好处。从图6可以知道柴油RBD乙易点燃,工作柔和,从而帮助燃料燃烧更加充分。同醇混合燃料的CO排放量随着乙醇加入量增加而增时RBB凵中国煤化工充分也可以减少加。而单独燃用RBD时,CO排放量显著降低,这是HC的CNMH乙醇质量分数由于RBD中约含有10%的氧,可以帮助CO在汽的增A。心明乙醇直接导致中充分燃烧,从而减少CO排放量。同时从图6可了HC排放量的增加。这可能是由于随着混合燃料农业机被学报2007年12001600200024002800320020016002000240028003200转速/r转速/rm图6不同组成的燃料在各种转速下CO排放量示意图Fig. 6 Comparison of Co emissions for test fuels at various engine speeds15X10D70RBD28E2■D0RBDl5E15L0x100.5×101200160020002400280032001200160020002400280032007.不同组成的燃料在各种转速下HC排放量示意图Fig.7 Comparison of HC emissions for test fuels at various engine speeds中乙醇所占比例增加,乙醇在汽缸内喷射面积较大,乙醇质量分数的增加,NO2的排放量也相应增加致使其未能完全燃烧造成的。这可能是因为:①乙醇燃烧比RBD更加充分,使燃2.54NO2排放量烧温度更高,从而增加了NO2排放。②随着乙醇增如图8所示,RBD和混合燃料燃烧后NO,的加,使混合燃料十六烷值降低。十六烷值对燃料的燃排放量均高于普通柴油这是由于RBD和乙醇的含烧有很大影响。由于混合燃料的十六烷值低,造成滞氧量均高于普通柴油,高的含氧量可以促使燃烧更燃期延长燃料和空气混合物聚集在燃烧初期热量加充分,相应使汽缸内的燃烧温度更高,从而增加了快速释放,造成汽缸内的温度过高,故而促进了NO,的产生。从图8还可以发现随着混合燃料中NO,的形成D■D70RBD28E25104■D7 ORBDI5E15画4×1074星2×104呈2×101X10-41X1012001600200024002800320020016002000240028003200转速/rmin图8不同组成的燃料在各种转速下NO4排放量示意图Fig. 8 Comparison of NO, emissions for test fuels at various engine speeds也有很大的影响随着乙醇质量分数降低溶液稳定3结论性也降低。所以应该尽可能选用无水乙醇配置混合(1)甲醇很难和柴油RBD配制稳定的混合燃燃料料,不适合用作制备混合燃料。柴油-RBD-乙醇三中国煤化工普通柴油有一定差相混合燃料的稳定性随着温度降低而降低。在10℃C别,CNMH(以改善其燃料特性,以上可以很容易配制出稳定的溶液,而在0℃以下使混合燃料和普通柴油的燃料特性总体上相差不溶液稳定性较差。乙醇的质量分数对溶液的稳定性大下转第35页)第11期王昊宇等:压缩点火天然气发动机工作性能试验减缓。(2)合理的副室和主室之间的通道尺寸可以实3结论现仅利用电热塞辅助加热即可在常温进气条件下起动发动机。(1)电热塞温度和进气温度对发动机的起动性(3)通过EGR对压缩天然气发动机燃烧和排有显著的影响,提高电热塞温度和进气温度有助于放性能的试验研究可以发现,合适的EGR率会使提高低温化学反应速率,并且喷涂低散热涂层可以发动机在中高负荷运转更为稳定,排放有所改善,但实现发动机的起动EGR率过高也导致发动机的燃烧状况恶化。参事文献Kubesh 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