第37卷第2期小型內(nèi)燃機與摩托車2008年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2008·新能源·乙醇柴油燃料及其對發(fā)動機性能的影響孫劍萍湯兆平(華東交通大學(xué)機電工程學(xué)院南昌33003)摘要:隨著化石燃料的過度消耗和環(huán)境保護意識的不斷增強,研究乙醇柴油這種能在不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)的情況下實現(xiàn)良好然燒的部分替代燃料,縣有重大的現(xiàn)實意義。本文主要分析乙醇柴油的研究歷史乙醇與柴油的特性差異、相容性及其彩響因素,探討了乙醇的添加對柴油及柴油機性能的影響。關(guān)鍵詞:乙醇柴油燃料發(fā)動機性能相容性中圖分類號:TK421.71文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-0630(2008)02-0055Ethanol-diesel Oil Fuel and its affect onthe Engine PerformanceSun Jianping, Tang ZhaopingEast China Jiaotong University( Nanchang, 330013)Abstract: With the fossil fuel excessive consumption and environmental protection mental consciousnessstrengthening, it has significant practical significance to study the part replaced fuel-ethanol diesel oil fuel thatcan realize the fine combustion under the situation of not changing engine structure. This paper analyzes thestudy history of ethanol-diesel oil fuel, the difference characteristics, miscibility between ethanol and dieseland influencing factor. The influence of ethanol proportion on fuel and engine performance is also discussedKeywords: Ethanol-diesel oil fuel, Engine performance, Miscibility引言耗油已近3000萬t,占到了整個柴油消耗量的26.7%。隨著當(dāng)今世界石油燃料的緊缺和保護環(huán)境的需添加乙醇來替代部分柴油用量并改善柴油燃燒帶來的要,研究與尋找環(huán)境友好的石油替代品成為世界能源污染問題已成為一條行之有效的途徑技術(shù)開發(fā)的方向之一。燃料乙醇因其可再生性、高燃目前對乙醇柴油的研究主要集中在摻燒方式上。燒效率及低排放等優(yōu)良特性,已經(jīng)成為許多國家車用柴油機摻燒乙醇概括起來有熏蒸法、雙燃料系統(tǒng)法及燃料的理想替代產(chǎn)品。乳化液法三種。其中乳化液法是將乙醇燃料、柴油通近年來中國柴油年消費都在1億t以上,其中柴過物理或化學(xué)方法形成穩(wěn)定的乳化混合燃料—乙油車已經(jīng)成為柴油消費的第一大戶,目前全國柴油車醇柴油它能在不改變柴油機結(jié)構(gòu)的情況下實現(xiàn)良好保有量830萬輛(不包括農(nóng)用車和運輸用拖拉機),年燃燒中國煤化工研究的熱點和發(fā)展CNMHG基金項目:華東交通大學(xué)校立科研基金資助(06zKQI01)。作者介紹孫劍萍(1971-)女,工學(xué)碩士副教授研究方向為內(nèi)燃機燃燒研究。小型內(nèi)燃機與摩托車第37卷趨勢。合物既有親烴油特性又有親水性,且親水性更強能1乙醇柴油的研究歷史無限溶于水。柴油是非極性的,主要含有脂肪族的烷上個世紀(jì)80年代前后各國學(xué)者對乙醇柴油的乳烴和烯烴憎水性強,與醇很難互溶?；旌咸岢隽嗽S多方法,主要有非穩(wěn)定乳化準(zhǔn)穩(wěn)定乳理論上純乙醇在常溫下能夠以0-30%或70%化及微乳化幾種。非穩(wěn)定乳化使用物理方法(如液力-100%的比例與無水柴油互溶。但由于乙醇的親水剪切器、超聲乳化器等〕制備乙醇柴油,屬乙醇低比例性生產(chǎn)中不易脫水、儲運中易吸水,使乙醇和柴油混混合法其乙醇含量低于10%(文中均指體積比);準(zhǔn)合時,表現(xiàn)出較差的相容性,容易分層不易形成穩(wěn)定穩(wěn)定乳化及微乳化法采用化學(xué)方法(如助溶劑)制備的乳化液。因此解決乙醇與柴油的相容性問題是乙醇乙醇柴油,屬乙醇高比例混合法,其乙醇含量高于柴油的關(guān)鍵技術(shù)。國外對乙醇柴油的研究主要集中在微乳化技術(shù)22影響因素及應(yīng)用上,其關(guān)鍵技術(shù)在于開發(fā)性能高、無毒且成本低乙醇柴油屬于多液混合燃料,其相容性受到柴油的助溶劑。組成水含量、溫度、助溶劑的添加等因素的影響。998年,瑞典的阿克蘇諾貝爾公司(AKZ0NO2.2.1柴油組成的影響B(tài)EL)開發(fā)出助溶添加劑" Braid",可根據(jù)柴油和乙醇柴油的組成,尤其所含芳烴和輕組分(30%餾出的比例調(diào)整 Braid的配比,以獲得所需要的十六烷物)是決定相分離溫度的主要因素。芳烴與其他烷值。201年9月-2002年4月該公司在兩輛瑞典斯烴、烯烴相比溶解因數(shù)和極性與乙醇較接近。實驗證堪尼亞卡車上進行行車實驗,用10%的乙醇、8%的明,柴油中芳烴含量越高,則與乙醇的相分離溫度越丹麥柴油ULSD和2%的 Braid組成的乙醇柴油作燃低;輕組分的密度與乙醇的密度接近,更易互溶。Koi料,運行124200km,效果良好。chris等人實驗發(fā)現(xiàn)1,含輕組分較多的柴油與乙醇混美國 Pure Energy公司研制的乙醇柴油助溶劑合,分離溫度較低,如US-1D輕組分多于Us-2D,其Purana,用它配置的乙醇柴油燃料包括82%~94%的與乙醇混合的相分離溫度較低。美國2柴油、5%~15%的乙醇及助溶劑 Purano,其K.R. Gerdes和G.J. Suppes研究還發(fā)現(xiàn)2,不成本比美國2號柴油高3美分/加侖。ADM公司開發(fā)同組分的柴油與乙醇混合,變化規(guī)律和最終的趨勢也的乙醇柴油燃料,其乙醇添加量為15%,助溶劑及其不同。直餾柴油、加氫柴油及市售柴油與乙醇的相分它添加劑為5%,已在柴油車上進行了24萬km的行離曲線隨乙醇含量增大呈先上升后下降的變化規(guī)律,駛實驗。乙醇柴油的成本比普通柴油高5美分/加侖。當(dāng)乙醇含量近50%時,相分離溫度最高。而某些特殊近年來我國高等院校相關(guān)實驗室及大型企業(yè)關(guān)組分的柴油如催化裂化柴油 light cycle oil不含芳烴于乙醇柴油的助溶劑及其對發(fā)動機排放特性的研究十的氣體合成油FTL-2和FL-3,其相分離溫度與乙分活躍。大連理工大學(xué)以汽油為助溶劑實現(xiàn)20%乙醇含量基本成線性上升的關(guān)系即隨乙醇含量的增加醇和80%柴油的完全互溶;清華大學(xué)利用自行研發(fā)的相分離溫度逐漸升高相容性變差。助溶劑配制E10-D和E30-D的乙醇柴油臺架實驗2.2.2水含量的影響效果良好;2006年,河南天冠集團開發(fā)了乙醇柴油機水的含量直接影響乙醇柴油的相容性。無水乙醇械混合法和乙醇柴油助溶劑法在內(nèi)部車隊行車實驗與柴油在室溫下能相容,但只要有微量水存在就極易300萬km以上,性能良好,尾氣排放低。導(dǎo)致相分離溫度升高,相容性變差常溫下即發(fā)生相盡管從技術(shù)層面看乙醇柴油己初步成熟,但受安分離產(chǎn)生分層現(xiàn)象,嚴(yán)重影響乙醇柴油的正常燃燒。全經(jīng)濟政策等方面因素的限制,該技術(shù)到全面推廣同時燃料中水的存在也會對柴油運輸儲存設(shè)備和發(fā)應(yīng)用還需一定時日。目前為止,只有巴西政府剛剛批動機系蝕。因此應(yīng)該盡量避免水的侵人,使準(zhǔn)生產(chǎn)E3-D,并在市場上銷售。乙醇柴中國煤化工2乙醇、柴油的相容性及其影響因素CNMHGD添加乙醇20%2.1相容性無水時相分離溫度為6℃,含水量僅為0.1%時,相分乙醇分子式為C2H1OH,是烴基與羥基組成的化離溫度上升為25℃。第2期孫劍萍等:乙醇柴油燃料及其對發(fā)動機性能的影響2.2.3溫度的影響實驗表明,乙醇的加人使密度下降,同時隨添加比例高溫條件下,乙醇和柴油的相容性較好。隨溫度的增加,下降的幅度也增加。因此乙醇與柴油混合,降低,乙醇和柴油易發(fā)生相分離相容性變差。10%會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象,如1L乙醇與9L柴油混合,其體積15%乙醇含量的柴油在環(huán)境溫度低于10℃時就會出為10.02L現(xiàn)分層。3.2著火性2.2.4助溶劑燃料的十六烷值直接影響柴油機的發(fā)火性能。乙助溶劑也稱表面活性劑,是一種能夠以低濃度存醇的十六烷值只有8,而柴油的十六烷值要求達到40在于一個體系中吸附在兩相界面上,并顯著降低其界5乙醇的添加將大大降低柴油的十六烷值從而延面自由能的物質(zhì)。對于乙醇柴油助溶劑可以看作是遲著火時間惡化柴油機冷起動燃燒和排放性能。實柴油與乙醇兩相界面之間的紐帶。目前,國內(nèi)外乙醇驗表明加入15%的乙醇,十六烷值降低約9.3個單柴油的助溶劑主要有中長碳鏈的脂肪醇醚或胺等。位,當(dāng)乙醇達到70%時,會因十六烷值過低產(chǎn)生爆燃定乙醇含量下的乙醇柴油加入助溶劑越多,相現(xiàn)象。容性越好,相分離溫度越低。實驗表明,向不同乙醇比添加著火特性良好的著火劑,能較大幅度提高乙例的10柴油中加人1%的助溶劑能使混合燃料的分醇柴油的十六烷值。SctD. Schwab等研究表明,用層溫度下降3~13℃。2-乙基已基硝酸酯(EHN)和鄰-3-丁基過氧化物助溶劑的加入量應(yīng)隨水含量、溫度、乙醇含量的不(DTBP)作為著火劑,可明顯改善混合燃料的發(fā)火性同而不同。能。泰國 Lubrizol公司在乙醇含量為10%的乙醇柴油當(dāng)乙醇柴油中水含量小于0.1%時助溶劑含量中,添加1%自行研發(fā)的著火劑將十六烷值提高了5為3.0%即可滿足要求,當(dāng)水含量增加到0.2%時,助個單位。溶劑含量要提高到75%才能達到助溶效果。3.3閃點定溫度條件下,助溶劑的加入量隨乙醇含量的不同乙醇含量的閃點值相差不大,范圍在12增加而增加,當(dāng)乙醇含量約為50%時,助溶劑加入量17℃。乙醇的加入對柴油的閃點降低起著直接的影為最大值,之后隨乙醇含量的增大助溶劑加入量減小。響,當(dāng)乙醇的含量達到25%時混合燃料的閃點就基乙醇含量一定時溫度越低助溶劑的加人量越本與乙醇的閃點相近。助溶劑著火劑等添加劑的加高。美國 Pure Energy公司助溶劑 Puranol的添加是根對閃點的影響不大。這就給混合燃料的配置、運輸、據(jù)混合燃料儲存處的最低溫度確定,在氣候暖和時少儲存過程提出了比較嚴(yán)格的防火要求其安全防火等于1%,而寒冷和潮濕多雨時需要2%~25%。級與乙醇汽油相同。此外,不同助溶劑的效果也不同。美國專利報3.4粘度道了乙醇含量為20%、10%、5%,助溶劑加入量分別乙醇的粘度僅為柴油的1/3左右,乙醇的引入會為15%、10%、5%三種情況下,分別加入異辛醇、可可降低混合燃料的粘度并且隨乙醇比例的增加粘度下油甲酯大豆油甲酯牛油乙酯油酸異辛酯幾種添加降程度增加。但當(dāng)混合燃料的溫度升高到超過乙醇的劑,結(jié)果表明三種情況下加入異辛醇后的溶水效果沸點時,由于乙醇巳從混合燃料中蒸發(fā)出來其粘度將均最好其他依次是可可油甲酯大豆油甲酯、牛油乙和原柴油的粘溫曲線保持一致酯、油酸異辛酯。實驗表明,加入0~15%的乙醇,混合燃料粘度下3乙醇的添加對柴油性能的影響降霧化性能變好,內(nèi)燃機相應(yīng)部件的磨損增大,但添由于乙醇與柴油理化性質(zhì)的差異,加入后必然引加合適的助溶劑后能保證燃料所需的粘度。起混合燃料理化性質(zhì)的改變。3.5腐蝕3.1密度中國煤化工,僅為1a級含微燃料的大部分物理化學(xué)性質(zhì)與密度都存在某種內(nèi)量水的CNMHG乙醇的引入對銅片在關(guān)系。密度越大燃料里的碳原子數(shù)目越多意味著腐蝕性沒有變化但由于乙醇是有機溶劑,在生產(chǎn)、儲輸出功率越大,同時產(chǎn)生炭煙微粒的可能性也增加。存、燃燒過程都會產(chǎn)生有機酸故對橡膠的腐蝕性增小型內(nèi)燃機與第3強,而且對丁睛橡膠的腐蝕性強于氟橡膠。值80%。4乙醇摻燒對發(fā)動機性能的影響尾氣中NO,的含量較純柴油升高,且隨乙醇含量4.1動力性的增大而增多,在全負(fù)荷的80%-90%時出現(xiàn)最大乙醇熱值比柴油低,理論上會使動力性能下降。值。如20%乙醇柴油的NO,排放量可升高30%。但因乙醇中含有34.8%的氧,可使柴油中不能完全燃HC排放較純柴油升高,M.Abu- Qudais等人的燒的部分充分燃燒,從而使功率上升。實驗研究結(jié)果顯示,1%乙醇柴油的HC排放量升高P Satge de Caro研究發(fā)現(xiàn)低負(fù)載時,乙醇柴油的了34.2%。輸出功率與純柴油無明顯差別;高負(fù)載時,乙醇柴油的在廢氣排放中,醛類和未燃醇也是不容忽視的污輸出功率略有降低,但降低輻度不大。含醇5%~染物之一。乙醇柴油的甲醛排放濃度與純柴油基本相20%的乙醇柴油最大輸出功率降低幅度小于5%,同同,且不隨乙醇加入量而變化。但乙醛的排放濃度卻時,乙醇含量越高,最大輸出功率降低越隨乙醇含量的增加而上升,同時未燃乙醇的含量也將4.2經(jīng)濟性成倍增長隨乙醇摻燒比例的增加,燃油消耗率逐漸增大。添加助溶劑及著火改進劑能實現(xiàn)乙醇柴油多項指實驗表明高、中負(fù)荷增加得較少如E10-D和E20標(biāo)的低排放。美國的科羅拉多礦業(yè)學(xué)院對E0-DD燃油消耗率分別上升3%和7%,發(fā)動機的能量(加入1%的助溶劑)與聯(lián)邦2號柴油進行對比實驗,消耗率差別不大。小負(fù)荷時,由于之醇高汽化潛熱和結(jié)果發(fā)現(xiàn)乙醇柴油發(fā)動機的PM降低34-40%,CO低十六烷值的影響,差別較大。降低20-28%,NO,降低2~5%。為排除乙醇柴油熱值差異對經(jīng)濟性的影響有專5結(jié)束語家提議,采用能量消耗率來評價柴油機燃用乙醇柴油中國作為僅次于美國的世界第二大石油消費國,的經(jīng)濟性似乎更為恰當(dāng)。2000年石油總需求量的33%從國外進口,2006年石4.3可靠性油進口依存度已上升到57%。在國際原油價格高、國乙醇柴油對柴油機主要零部件的腐蝕磨損沒有太內(nèi)對石油需求量日益增大的情況下,乙醇柴油技術(shù)的大的影響。河南天冠運輸公司在4輛乙醇柴油載重大研究與推廣對緩解我國石油不足的壓力具有重要意貨車上,累計實驗行程約25萬km,發(fā)現(xiàn)發(fā)動機氣缸、義。活塞、連桿、曲軸、軸瓦、進排氣門及供油系統(tǒng)等的磨損參考文獻情況與使用柴油的磨損基本相當(dāng)。4.4排放1 Koichiro Itow, Kunihiko komiyama. Fuel blended with alco-乙醇柴油燃料對柴油機排放的影響與負(fù)荷、含醇hol for diesel engine[J]. US4509953, 1985量和助溶劑及著火改進劑有關(guān)。2 Gerdes K R, Suppes G]. Miscibility of Ethanol in Diesel Fu-乙醇柴油Co的排放量受發(fā)動機負(fù)載的影響而呈els[J]. Ind Eng Chem Res, 2001, 40: 949-956先增大后減少的趨勢。在低負(fù)載時,乙醇柴油較純柴3 Killick Robert William. Fuel blends [ J]. w0090469 Al油CO排放量上升高負(fù)載時下降。廢氣中總CO量降4 P Satge de Caro. Interest of combining an additive with diesel低。E.A.Ajav的實驗表明,5%、20%的乙醇柴油ethanol blends for use in diesel engines[ J]. Fuel, 2002, 80:CO排放較純柴油最多可降低36.8%和625%。在小負(fù)荷時,乙醇柴油對煙度排放影響不大;但在(收稿日期:200-02-27)中高負(fù)荷時,乙醇對降低煙度有利,而且隨乙醇加入量增加,煙度降低顯著,30%的乙醇柴油最大可降低煙度中國煤化工CNMHG