拖拉機與農用運輸車第6期2005年12月Tractor Farm Transporter乙醇柴油混合燃料研究進展鄭利郭和軍張紅云張劍(第二炮兵工程學院五系西安70025)摘要:分析了乙醇柴油混合燃料理化性質,詳細介紹了目前乙醇柴油燃料在互溶性和燃燒排放性能等方面的研究進展,指出了今后柴油內燃機燃用乙磚燃料的趨勢。關鍵詞:乙醇柴油內燃機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我國是一個石油資源貧乏的國家,隨著經濟的高速發(fā)乙醇柴油的主要理化性質展,汽車的保有量迅速增長,對石油的需求與日俱增,但是受理化性質柴油低熱值/(M·kg-1)42.5到石油儲量和生產能力的影響1993年我國已成為石油凈進含氧量/%口國,2000年石油總需求的33%來源于進口,估計到2010密度/(g·m1)年這一比例將達到47%。按照這樣的增長方式,我國現(xiàn)已探自燃溫度℃明的石油儲量只夠開采40年左右。乙醇燃料在柴油內燃機當量空燃比中的使用可減少石油產品的使用量緩解石油工業(yè)的壓力沸點/℃對我國經濟持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。此外乙醇6“013~143.0-8.0燃料是一種可再生能源可以用含淀粉的玉米小麥薯類等蒸發(fā)值/(·kg糧食和含糖分的甘蔗甜菜等植物為原料來進行生產,有助于改普農村經濟結構,促進農業(yè)的良性循環(huán)具有良好的經出、排放煙度等信息。燃料密度越大、燃料里的碳原子數(shù)目濟和社會效益。近年來各國城市污染嚴重對汽車廢氣排趙多意味著輸出功率越大,同時產生炭煙微粒的可能性也增加。實驗表明密度(15℃時)由0.84kg/L降至0.80kg幾L放控制嚴格而乙醇燃料是一種含氧清潔能源據初步實驗,時PM平均下降0.058/(kW·h)。乙醇引入柴油中必然導在柴油中加人15%(V)的乙醇柴油內燃機的煙度排放可減少20%以上,可有效改善柴油內燃機的排放性能減輕對大致混合燃料密度下降從排放方面反映了乙醇柴油混合燃料氣的污染,具有良好的環(huán)保效益的煙度要好于純柴油的煙度隨著乙醇燃料在汽油內燃機上的成功應用在柴油內燃1.2煙點機上如何開發(fā)應用乙醇燃料,已成為國內外研究的重點課題煙點是控制燃料中的化學組成,保證燃料正常燃燒的主。本文從乙醇柴油混合燃料主要理化性質、互溶性燃要質量指標,它與內燃機中燃燒時生成的積炭量有密切關燒排放性能等國內外重點研究方面作一簡述系,能反應燃料燃燒后炭煙和微粒排放情況。實驗表明,乙醇的引入可大大提高混合燃料的煙點,且隨著乙醇含量的增主要理化性質加煙點越來越高這一事實反映了乙醇柴油的煙度要大大表1給出了乙醇與柴油的理化性質的對比。由于乙好于純柴油的煙度醇與柴油理化性質的差異,必然引起乙醇加入柴油后形成的1.3中國煤化工混合燃料理化性質的改變。CNMH③與空氣形成混合物,1.1密度遇火源能夠閃火的最低溫度。閃點用于衡量燃油的揮發(fā)性Bes和 Cowley認為密度是燃料最重要的參數(shù)之一,燃及易燃程度,是燃料安全性的重要指標之一。閃點越高,燃料的大部分物理化學性質與密度之間都存在某種內在關系,油在運輸儲存和處理過程中就越安全。實驗表明,乙醇的它可以提供一些很有用的關于燃料組成、點火質量、功率輸含量到達25%時混合燃料的閃點基本與乙醇的閃點相近,拖拉機與農用運輸車第6期2005年12月這就給混合燃料的配置、運輸、儲存過程提出了比較嚴格的含有10%-15%(V)的乙醇柴油混合燃料長期不分層,并且防火要求。這種燃料能分別減少柴油內燃機的PM,CO和NO,排放1.4銅片腐蝕41%,27%和5%英國的AAE科技公司在配置10%(V)的銅片腐蝕主要是用來判斷燃料中有無活性含硫物質。乙醇柴油混合燃料時加人1.25%(V)的AAE助溶劑,在內實驗表明,乙醇的引入對腐蝕性無影響。燃機耐力測試和排放物測試中都有對乙醇柴油燃料使用良1.5十六烷值好的報道。瑞典 Akzo Nebel公司開發(fā)的助溶劑“ Braid",適燃料的十六烷值的大小十分重要它直接影響柴油機的用于含10%-1%(V)Z醇的混合柴油燃料加人助溶劑的發(fā)火性能。十六烷值愈高,自燃點愈低,著火延遲期短,氣缸量不超過5%(V)時,無需任何裝置和加熱,制品混合均勻內壓力上升較平緩易在低溫下起動;十六烷值愈低,自燃點長期保存不分層,用于柴油車排污減少,在尾氣檢測中NO愈高著火延遲期長,氣缸內壓力上升較快,工作粗暴。十六減少10%,煙塵減少15%。另美國的 Betz pearborrm公司、烷值過高超過65時由于在延遲期中烷烴的熱安定性很差, Akzo Nobel公司、日本的洋馬公司都有這方面的報道。將過多地分解產生游離炭粒致使內燃機排氣冒黑煙。實驗國內,天冠公司已開發(fā)出一種性能穩(wěn)定乳化效果明顯表明乙醇的引人大大降低了柴油的十六烷值國外SotD.的助溶劑“Tcz”,根據乙醇含量添加1.5%-2.5%(V)的Schwab等提出用2-乙基己基硝酸酯(EHN)和鄰-3-丁基過氧這種助溶劑可以使含10%-15%(V)乙醇的混合柴油混合化物(DBP)作為著火改進劑可改善混合燃料的發(fā)火性能均勻,穩(wěn)定存放3個月以上。中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心1.6運動粘度也開發(fā)了一種新型助溶劑,助溶劑的主要成分為A+B+C運動粘度是內燃機燃料的一個重要特性它是衡量流體(A為不飽和酸B為高分子聚合物,C為卵磷脂),在內燃機內部磨擦阻力大小的尺度是流體內部阻礙其相對運動的一實驗中煙度NO2都有一定程度的降低。此外還有以正丁醇種特性體現(xiàn)了流體抵抗剪切作用的能力它和燃料的霧化、或汽油為助溶劑并都取得了比較好的排放效果。內燃機供油量及機械磨損有著密切關系。運動粘度過高液2.12配制乳化柴油改善互溶性國滴直徑大,霧化困難,燃燒性能變壞,燃料消耗量增加;運動主要是將水、乙醇和柴油按一定比例在外界動力的作用粘度過低,會引起內燃機相應部件的磨損量增大,可靠性降下使其乳化這是一種簡單易行的方式可以不變動內燃機的低。實驗表明,乙醇的引入降低了混合燃料的粘度且隨著結構用較簡單的技術措施和較低的經濟代價實現(xiàn)柴油與乙乙醇含量和溫度的升高粘度逐漸降低,有利于霧化但同時醇的互溶既節(jié)約了柴油,又可降低城市污染。如:中科院廣增大了內燃機相應部件的磨損量州能源研究所制備出的混合表面劑含量3%、乙醇含量0.2%、1.7凝點水含量8.0%的半透明狀微乳化柴油貯存半年不分層;澳大凝點是用來表明燃料的低溫流動性的基本參數(shù)。實驗利亞一位科學家研制出一種由純柴油、液體乙醇(酒精)和乳表明,乙醇的引人使混合燃料的凝點略有降低,且隨乙醇含化劑等混合而成的車用柴油內燃機新燃料其中純柴油占量的增加變化不大,可改善混合燃料的低溫流動性。84.5%,酒精占15%,乳化劑占0.15%,柴油內燃機燃用該燃2乙醇-柴油互溶性研究料后對其排放污染物進行了測定結果是,二氧化碳濃度減少了15%,一氧化碳濃度下降10%,煙度值下降了50%之多2.1互溶性研究現(xiàn)狀2.1.1利用助溶劑改善互溶性222乙醇助溶劑的主要種類乙醇與柴油互溶性差,為了在不改變柴油內燃機結構的目前國內外常用的幾種助溶劑如表21?；A上使用乙醇柴油混合燃料通常需要添加助溶劑。實驗助溶劑類型主要作用t2助溶劑的種類和作用作用機理已研究的助溶劑研究發(fā)現(xiàn):影響乙醇混合燃料互溶性的主要因素是柴油組增大互溶度提有親油親水基c-0烷基醇1成、含水量及環(huán)境溫度。把柴油與含水量在0.2%(V)以下醇類高乙醇柴油的團,利用表面活辛氨基-3辛的無水乙醇混合并劇烈振蕩,結果表明不添加任何助溶劑,穩(wěn)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℃以上至少能夠穩(wěn)定存放甲甚碳酸酯、個月,而用-10或0柴油制成的E5柴油能夠長期穩(wěn)定存制相分離,保大豆甲(乙)酯放。當含水量超過0.2%(V)時,混合燃料發(fā)生分層現(xiàn)象不持低溫穩(wěn)定性,與乙醇及柴油都可可油甲酯、油提高十六烷值能互溶酸甲酯、油酸異能在柴油內燃機中直接摻燒需要加入助溶劑。采用助溶劑丙酯、醋酸乙酯、硝酸異辛酯使乙醇與柴油形成均相穩(wěn)定、可供壓燃式內燃機使用的混合燃料需要滿足以下要求:①助溶劑最好是可潑濺混合的植物油增強穩(wěn)定性,彌含有烴基和獨惠麻油(含防酸類)補粘度損失,改基,與柴油的碳0H)油酸、耐產善潤滑性原子數(shù)、密度接無需加熱和特殊的混合存儲設備;②制造助溶劑的原料供應妥爾油充足、價格低廉;③不需要對內燃機作任何改動可根據情況中國煤化工分解N-(2硝基-3靈活選擇這種混合燃料或純柴油而且內燃機性能和燃料經CNMH(高十一辛基二硝胺,油濟性盡可能不下降;④混合燃料在低溫下也很穩(wěn)定,存放六烷值酸二乙基胺定時間不發(fā)生分層。與乙醇和柴油都助溶劑的研究,國內外學者都做了大量的工作。其他提高互溶性增能互溶較易分2-叔丁基過氧化強自燃能力解出自由基,降國外,美國清潔燃料公司研制的“ Puranol"添加劑能保證低自燃溫度鄭利等:乙醇柴油混合燃料研究進展表4國外研究乙醇柴油混合燃料廢氣排放情況3燃燒排放性能研究參考乙醇廢氣排放內燃機數(shù)據HC/% CO/% NO/% PW%目前歐洲和美國都相應制定出嚴格的廢氣排放標準這為乙醇混合燃料的排放提出了新的要求各國研究者近年22105.9L、增直噴6缸(+75)(+40)(1)(-30)來對燃燒排放作了大量的研究工作。[23]10127L底特律基本-20-4-27柴油機不變(-27)(-5)(-41)3.1燃燒性能[24]200L雅馬哈3.1.1發(fā)火性能直噴3缸(+100)未測乙醇的十六烷值很低,形成的乙醇柴油混合燃料的發(fā)火1.9L、增壓、性能差影響燃料在柴油機的燃燒。為了實現(xiàn)乙醇柴油混合[25].10直噴4缸燃料具有良好的發(fā)火性能其一對內燃機的供油系統(tǒng)進行改(2511045L、直噴4缸+5+19-3-28造通常采用缸內雙噴射、電子點火裝置、DCSC燃燒系統(tǒng);其二通過著火改進劑來改善發(fā)火性能。表31-6劉給出[26]1011L、增壓3直噴6缸了國外常見幾種著火改進劑。2.5L、增壓3國外幾種常見警火改進劑直噴4缸+18+11-7+18發(fā)明者著火改進劑2-乙基已基硝酸酯(EHN28】1012.7L底特律+100-13+7-28柴油機cott D. Schwab鄰-3-丁基過氧化物(DmBP)注:①表中“+”號為增加值,“一”號為減少值Dan Haupt菜籽油甲基酯合成聚乙二醇(PEG)4結束語P Satgede CaroN-辛基二硝胺乙醇燃料是一種含氧清潔可再生能源混合燃料的理化Killick Robert William油酸二乙基胺特性與柴油比較接近能有效地降低柴油內燃機PM和煙度3.1.2功率的排放。乙醇燃料與柴油的互溶性和發(fā)火性能較差對互溶在低負載時乙醇柴油混合燃料的輸出功率與純柴油的性和發(fā)火性能的研究已取得豐碩的成果使乙醇與柴油混合輸出功率幾乎無明顯差別;高負載時,乙醇柴油的輸出功率燃料作為柴油內燃機的替代燃料成為可能。下一步可通過嶧有降低但總的降低輻度不大,含乙醇5%~20%的乙醇柴后處理系統(tǒng)進一步降低NO,CO,TmBC排放。因此乙醇燃料油最大輸出功率降低幅度小于5%,但乙醇含量越高最大輸是一種較為理想的柴油內燃機清潔燃料,值得進一步深入功率降低越多。研究3.13熱效率醇類是含氧燃料,在燃燒過程中有自供氧效應,這就使參考文獻內燃機中的燃燒較均勻局部富氧和局部缺氧的幾率減少,1何學良詹永厚李硫松內燃機燃料北京:中國石化出版社,空(氣)燃(料)比減小,燃燒熱效率提高。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乙醇的熱值低,僅為柴油的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純柴油的燃油消耗率。但是3張潤鐸賀泓張長斌等.乙醇柴油混合燃料的制備工藝和廢氣引人能量消耗率時何邦全等提出2,在不同工況下的能量的排放特性環(huán)境科學2003,24(4):1=6消耗率均有不同程度的改善燃用含20%乙醇的混合燃料時4張克范馬偉東楊建萍乙醇柴油混合燃料的試驗研究河南化改善效果大,可達10%左右。工,200(11):18-203.1.5著火延遲“和噴油提前角5李鐵臻許世海,蔣非翼等柴油乳化的進展.化工縱橫,2002隨著乙醇含量增加,著火延遲期增長,燃燒持續(xù)期卻減(11):22-25小,這可能是兩方面原因:一方面是因為乙醇的燃燒速度和6李玲玲車用柴油內燃機的新燃料汽車工藝與材料202(10)火焰?zhèn)鞑ニ俣缺炔裼鸵?另一方面是因為乙醇的粘度和沸點比柴油低,改善了燃料的霧化效果提高了混合氣形成質chi N, Terao H sakata C Performanement by control of量。由于乙醇著火延遲期的延長,所以應適當推遲噴油提前flow rates and diesel injection timing on dual-fuel engine with ethanol角來改善燃燒性能Bioresource Technol. 1996. 56: 35-39roving the cold3.2排放性能中國煤化工rich combustor device柴油內燃機燃用乙醇柴油混合燃料時,由于乙醇是含氧CNMHG燃料混合燃料隨著乙醇體積百分數(shù)增加煙度和PM排放9 Suppes GJ,chmz, Chan P Y. Review of cetane improver technology明顯降低,同時由于乙醇的引入,導致THC,CO,醛類和未燃and altemative fuel applications SAE Paper 962064, 1996: 227-237醇類排放增加,NO也有所增加。表4給出了國外研究乙醇10 Irshad Ahmed, Diesel fuel compositio,00228,002柴油混合燃料廢氣排放的主要內容(下轉第24頁)拖拉機與農用運輸車第6期2005年12月2500rmin.:機械泵雙燃料電控泵雙電控泵雙燃料5010015020025030035040045005050200250300350400轉矩/N·m)轉矩/N·m)轉矩(N·m)轉矩(Nm)田8不同轉速下負荷特性HC排放比較考文獻4葛偉亮,賀力勤電磁控制元件北京:北京理工大學出版社,20011孫濟美天然氣和液化石油氣汽車,北京:北京理工大學出版杜,5陶永華,尹怡欣等新型PD控制器及其應用北京:機械工業(yè)出19992張亞寧摩托羅拉16位單片機MC9s12DP256在汽車電子中的應6蔣德明內燃機原理北京:機被工業(yè)出版社,1988用國外電子元器件,2003(11):17-183劉永長內燃機原理武漢:華中理工大學出版社,1992(收稿日期:2005-06-19)(編輯姜洪君)(上接第7頁)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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