乙醇柴油燃料及其对发动机性能的影响

第37卷第2期小型内燃机与摩托车2008年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2008·新能源·乙醇柴油燃料及其对发动机性能的影响孙剑萍汤兆平(华东交通大学机电工程学院南昌33003)摘要:随着化石燃料的过度消耗和环境保护意识的不断增强,研究乙醇柴油这种能在不改变发动机结构的情况下实现良好然烧的部分替代燃料,县有重大的现实意义。本文主要分析乙醇柴油的研究历史乙醇与柴油的特性差异、相容性及其彩响因素,探讨了乙醇的添加对柴油及柴油机性能的影响。关键词:乙醇柴油燃料发动机性能相容性中图分类号:TK421.71文献标识码:A文章编号: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3000万t,占到了整个柴油消耗量的26.7%。随着当今世界石油燃料的紧缺和保护环境的需添加乙醇来替代部分柴油用量并改善柴油燃烧带来的要,研究与寻找环境友好的石油替代品成为世界能源污染问题已成为一条行之有效的途径技术开发的方向之一。燃料乙醇因其可再生性、高燃目前对乙醇柴油的研究主要集中在掺烧方式上。烧效率及低排放等优良特性,已经成为许多国家车用柴油机掺烧乙醇概括起来有熏蒸法、双燃料系统法及燃料的理想替代产品。乳化液法三种。其中乳化液法是将乙醇燃料、柴油通近年来中国柴油年消费都在1亿t以上,其中柴过物理或化学方法形成稳定的乳化混合燃料—乙油车已经成为柴油消费的第一大户,目前全国柴油车醇柴油它能在不改变柴油机结构的情况下实现良好保有量830万辆(不包括农用车和运输用拖拉机),年燃烧中国煤化工研究的热点和发展CNMHG基金项目:华东交通大学校立科研基金资助(06zKQI01)。作者介绍孙剑萍(1971-)女,工学硕士副教授研究方向为内燃机燃烧研究。小型内燃机与摩托车第37卷趋势。合物既有亲烃油特性又有亲水性,且亲水性更强能1乙醇柴油的研究历史无限溶于水。柴油是非极性的,主要含有脂肪族的烷上个世纪80年代前后各国学者对乙醇柴油的乳烃和烯烃憎水性强,与醇很难互溶。化混合提出了许多方法,主要有非稳定乳化准稳定乳理论上纯乙醇在常温下能够以0-30%或70%化及微乳化几种。非稳定乳化使用物理方法(如液力-100%的比例与无水柴油互溶。但由于乙醇的亲水剪切器、超声乳化器等〕制备乙醇柴油,属乙醇低比例性生产中不易脱水、储运中易吸水,使乙醇和柴油混混合法其乙醇含量低于10%(文中均指体积比);准合时,表现出较差的相容性,容易分层不易形成稳定稳定乳化及微乳化法采用化学方法(如助溶剂)制备的乳化液。因此解决乙醇与柴油的相容性问题是乙醇乙醇柴油,属乙醇高比例混合法,其乙醇含量高于柴油的关键技术。国外对乙醇柴油的研究主要集中在微乳化技术22影响因素及应用上,其关键技术在于开发性能高、无毒且成本低乙醇柴油属于多液混合燃料,其相容性受到柴油的助溶剂。组成水含量、温度、助溶剂的添加等因素的影响。998年,瑞典的阿克苏诺贝尔公司(AKZ0NO2.2.1柴油组成的影响BEL)开发出助溶添加剂" Braid",可根据柴油和乙醇柴油的组成,尤其所含芳烃和轻组分(30%馏出的比例调整 Braid的配比,以获得所需要的十六烷物)是决定相分离温度的主要因素。芳烃与其他烷值。201年9月-2002年4月该公司在两辆瑞典斯烃、烯烃相比溶解因数和极性与乙醇较接近。实验证堪尼亚卡车上进行行车实验,用10%的乙醇、8%的明,柴油中芳烃含量越高,则与乙醇的相分离温度越丹麦柴油ULSD和2%的 Braid组成的乙醇柴油作燃低;轻组分的密度与乙醇的密度接近,更易互溶。Koi料,运行124200km,效果良好。chris等人实验发现1,含轻组分较多的柴油与乙醇混美国 Pure Energy公司研制的乙醇柴油助溶剂合,分离温度较低,如US-1D轻组分多于Us-2D,其Purana,用它配置的乙醇柴油燃料包括82%~94%的与乙醇混合的相分离温度较低。美国2柴油、5%~15%的乙醇及助溶剂 Purano,其K.R. Gerdes和G.J. Suppes研究还发现2,不成本比美国2号柴油高3美分/加仑。ADM公司开发同组分的柴油与乙醇混合,变化规律和最终的趋势也的乙醇柴油燃料,其乙醇添加量为15%,助溶剂及其不同。直馏柴油、加氢柴油及市售柴油与乙醇的相分它添加剂为5%,已在柴油车上进行了24万km的行离曲线随乙醇含量增大呈先上升后下降的变化规律,驶实验。乙醇柴油的成本比普通柴油高5美分/加仑。当乙醇含量近50%时,相分离温度最高。而某些特殊近年来我国高等院校相关实验室及大型企业关组分的柴油如催化裂化柴油 light cycle oil不含芳烃于乙醇柴油的助溶剂及其对发动机排放特性的研究十的气体合成油FTL-2和FL-3,其相分离温度与乙分活跃。大连理工大学以汽油为助溶剂实现20%乙醇含量基本成线性上升的关系即随乙醇含量的增加醇和80%柴油的完全互溶;清华大学利用自行研发的相分离温度逐渐升高相容性变差。助溶剂配制E10-D和E30-D的乙醇柴油台架实验2.2.2水含量的影响效果良好;2006年,河南天冠集团开发了乙醇柴油机水的含量直接影响乙醇柴油的相容性。无水乙醇械混合法和乙醇柴油助溶剂法在内部车队行车实验与柴油在室温下能相容,但只要有微量水存在就极易300万km以上,性能良好,尾气排放低。导致相分离温度升高,相容性变差常温下即发生相尽管从技术层面看乙醇柴油己初步成熟,但受安分离产生分层现象,严重影响乙醇柴油的正常燃烧。全经济政策等方面因素的限制,该技术到全面推广同时燃料中水的存在也会对柴油运输储存设备和发应用还需一定时日。目前为止,只有巴西政府刚刚批动机系蚀。因此应该尽量避免水的侵人,使准生产E3-D,并在市场上销售。乙醇柴中国煤化工2乙醇、柴油的相容性及其影响因素CNMHGD添加乙醇20%2.1相容性无水时相分离温度为6℃,含水量仅为0.1%时,相分乙醇分子式为C2H1OH,是烃基与羟基组成的化离温度上升为25℃。第2期孙剑萍等:乙醇柴油燃料及其对发动机性能的影响2.2.3温度的影响实验表明,乙醇的加人使密度下降,同时随添加比例高温条件下,乙醇和柴油的相容性较好。随温度的增加,下降的幅度也增加。因此乙醇与柴油混合,降低,乙醇和柴油易发生相分离相容性变差。10%会出现膨胀现象,如1L乙醇与9L柴油混合,其体积15%乙醇含量的柴油在环境温度低于10℃时就会出为10.02L现分层。3.2着火性2.2.4助溶剂燃料的十六烷值直接影响柴油机的发火性能。乙助溶剂也称表面活性剂,是一种能够以低浓度存醇的十六烷值只有8,而柴油的十六烷值要求达到40在于一个体系中吸附在两相界面上,并显著降低其界5乙醇的添加将大大降低柴油的十六烷值从而延面自由能的物质。对于乙醇柴油助溶剂可以看作是迟着火时间恶化柴油机冷起动燃烧和排放性能。实柴油与乙醇两相界面之间的纽带。目前,国内外乙醇验表明加入15%的乙醇,十六烷值降低约9.3个单柴油的助溶剂主要有中长碳链的脂肪醇醚或胺等。位,当乙醇达到70%时,会因十六烷值过低产生爆燃定乙醇含量下的乙醇柴油加入助溶剂越多,相现象。容性越好,相分离温度越低。实验表明,向不同乙醇比添加着火特性良好的着火剂,能较大幅度提高乙例的10柴油中加人1%的助溶剂能使混合燃料的分醇柴油的十六烷值。SctD. Schwab等研究表明,用层温度下降3~13℃。2-乙基已基硝酸酯(EHN)和邻-3-丁基过氧化物助溶剂的加入量应随水含量、温度、乙醇含量的不(DTBP)作为着火剂,可明显改善混合燃料的发火性同而不同。能。泰国 Lubrizol公司在乙醇含量为10%的乙醇柴油当乙醇柴油中水含量小于0.1%时助溶剂含量中,添加1%自行研发的着火剂将十六烷值提高了5为3.0%即可满足要求,当水含量增加到0.2%时,助个单位。溶剂含量要提高到75%才能达到助溶效果。3.3闪点定温度条件下,助溶剂的加入量随乙醇含量的不同乙醇含量的闪点值相差不大,范围在12增加而增加,当乙醇含量约为50%时,助溶剂加入量17℃。乙醇的加入对柴油的闪点降低起着直接的影为最大值,之后随乙醇含量的增大助溶剂加入量减小。响,当乙醇的含量达到25%时混合燃料的闪点就基乙醇含量一定时温度越低助溶剂的加人量越本与乙醇的闪点相近。助溶剂着火剂等添加剂的加高。美国 Pure Energy公司助溶剂 Puranol的添加是根对闪点的影响不大。这就给混合燃料的配置、运输、据混合燃料储存处的最低温度确定,在气候暖和时少储存过程提出了比较严格的防火要求其安全防火等于1%,而寒冷和潮湿多雨时需要2%~25%。级与乙醇汽油相同。此外,不同助溶剂的效果也不同。美国专利报3.4粘度道了乙醇含量为20%、10%、5%,助溶剂加入量分别乙醇的粘度仅为柴油的1/3左右,乙醇的引入会为15%、10%、5%三种情况下,分别加入异辛醇、可可降低混合燃料的粘度并且随乙醇比例的增加粘度下油甲酯大豆油甲酯牛油乙酯油酸异辛酯几种添加降程度增加。但当混合燃料的温度升高到超过乙醇的剂,结果表明三种情况下加入异辛醇后的溶水效果沸点时,由于乙醇巳从混合燃料中蒸发出来其粘度将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温曲线保持一致酯、油酸异辛酯。实验表明,加入0~15%的乙醇,混合燃料粘度下3乙醇的添加对柴油性能的影响降雾化性能变好,内燃机相应部件的磨损增大,但添由于乙醇与柴油理化性质的差异,加入后必然引加合适的助溶剂后能保证燃料所需的粘度。起混合燃料理化性质的改变。3.5腐蚀3.1密度中国煤化工,仅为1a级含微燃料的大部分物理化学性质与密度都存在某种内量水的CNMHG乙醇的引入对铜片在关系。密度越大燃料里的碳原子数目越多意味着腐蚀性没有变化但由于乙醇是有机溶剂,在生产、储输出功率越大,同时产生炭烟微粒的可能性也增加。存、燃烧过程都会产生有机酸故对橡胶的腐蚀性增小型内燃机与第3强,而且对丁睛橡胶的腐蚀性强于氟橡胶。值80%。4乙醇掺烧对发动机性能的影响尾气中NO,的含量较纯柴油升高,且随乙醇含量4.1动力性的增大而增多,在全负荷的80%-90%时出现最大乙醇热值比柴油低,理论上会使动力性能下降。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排放较纯柴油升高,M.Abu- Qudais等人的烧的部分充分燃烧,从而使功率上升。实验研究结果显示,1%乙醇柴油的HC排放量升高P Satge de Caro研究发现低负载时,乙醇柴油的了34.2%。输出功率与纯柴油无明显差别;高负载时,乙醇柴油的在废气排放中,醛类和未燃醇也是不容忽视的污输出功率略有降低,但降低輻度不大。含醇5%~染物之一。乙醇柴油的甲醛排放浓度与纯柴油基本相20%的乙醇柴油最大输出功率降低幅度小于5%,同同,且不随乙醇加入量而变化。但乙醛的排放浓度却时,乙醇含量越高,最大输出功率降低越随乙醇含量的增加而上升,同时未燃乙醇的含量也将4.2经济性成倍增长随乙醇摻烧比例的增加,燃油消耗率逐渐增大。添加助溶剂及着火改进剂能实现乙醇柴油多项指实验表明高、中负荷增加得较少如E10-D和E20标的低排放。美国的科罗拉多矿业学院对E0-DD燃油消耗率分别上升3%和7%,发动机的能量(加入1%的助溶剂)与联邦2号柴油进行对比实验,消耗率差别不大。小负荷时,由于之醇高汽化潜热和结果发现乙醇柴油发动机的PM降低34-40%,CO低十六烷值的影响,差别较大。降低20-28%,NO,降低2~5%。为排除乙醇柴油热值差异对经济性的影响有专5结束语家提议,采用能量消耗率来评价柴油机燃用乙醇柴油中国作为仅次于美国的世界第二大石油消费国,的经济性似乎更为恰当。2000年石油总需求量的33%从国外进口,2006年石4.3可靠性油进口依存度已上升到57%。在国际原油价格高、国乙醇柴油对柴油机主要零部件的腐蚀磨损没有太内对石油需求量日益增大的情况下,乙醇柴油技术的大的影响。河南天冠运输公司在4辆乙醇柴油载重大研究与推广对缓解我国石油不足的压力具有重要意货车上,累计实验行程约25万km,发现发动机气缸、义。活塞、连杆、曲轴、轴瓦、进排气门及供油系统等的磨损参考文献情况与使用柴油的磨损基本相当。4.4排放1 Koichiro Itow, Kunihiko komiyama. Fuel blended with alco-乙醇柴油燃料对柴油机排放的影响与负荷、含醇hol for diesel engine[J]. US4509953, 1985量和助溶剂及着火改进剂有关。2 Gerdes K R, Suppes G]. Miscibility of Ethanol in Diesel Fu-乙醇柴油Co的排放量受发动机负载的影响而呈els[J]. Ind Eng Chem Res, 2001, 40: 949-956先增大后减少的趋势。在低负载时,乙醇柴油较纯柴3 Killick Robert William. Fuel blends [ J]. w0090469 Al油CO排放量上升高负载时下降。废气中总CO量降4 P Satge de Caro. Interest of combining an additive with diesel低。E.A.Ajav的实验表明,5%、20%的乙醇柴油ethanol blends for use in diesel engines[ J]. Fuel, 2002, 80:CO排放较纯柴油最多可降低36.8%和625%。在小负荷时,乙醇柴油对烟度排放影响不大;但在(收稿日期:200-02-27)中高负荷时,乙醇对降低烟度有利,而且随乙醇加入量增加,烟度降低显著,30%的乙醇柴油最大可降低烟度中国煤化工CNMHG