柴油-乙醇混合燃料配制试验研究

2003年9月河南农业大学学报Sep. 200第37卷第3期Journal of Henan Agricultural UniversityVol. 37 No. 3文章编号:1000-2340(2003)03-0297-03柴油一乙醇混合燃料配制试验研究李冠峰,段二虎2,胡知1,张焕武',陈亮1,王导南(1.河南农业大学机电工程学院,河南郑州4500;2.漯河宏运汽车运榆集因有限公司,河南漯河4620)0擴要:阐迷了进行柴油一乙醇泯合作柴油杌然料研究的必要性,对柴油、乙醇的主要理化性能进行了对比分析,利用添加剂解决了柴油与匚醇混合时由于存在分层觋象而不能在柴油杋上直搡使用的关键问題,并棖搢筛逸岀的添加剂进行了柴油乙醇的混合试验,得到了可直接用于柴油杌的柴油—一乙酵混合燃料(IEF),为在燊油机上直接燃用DEF提供了理论依挹关键词:乙醇;柴油;混合燃料中图分类号:TK428.9文獻标识码:ATest and study on confecting diesel-ethanol fuelLI Guan-feng, DUAN Er-hu. HU Zhi, ZHANG Huan-wu, CHEN Liang, WANC Dao-nan'(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricullural University, Zhengzhou 450002, China;2. Luohe Hongyun Auto Transportation Group Corporation, Luohe 462000, China)Abstract: This paper expatiates on the significance of mixing diesel oil with ethanol as substitute fuel of diesel, analyzes and compares the basic physical and chemical characterislics of diesel oil with ethanolpoinovercome the crux with additive-the mixture carnot be directly used bysel engine because there exist layerswhen diesel oil and ethanol are mixed. Tests have been done lo find one kind of fit additive for mixing diesel oil withethanol, and with the additive the compound, diesel-ethanol fuel( DEF), was made for direct use by diesel engine. Itfinds a thooretrcal basis for direct use of DEF by diesel engineKey words: diesel; ethanol; diesel-ethanol fuel能源节约与资源综合利用是中国经济和社会发展的一项长远战略方针国家制定的节约和替代燃料油“十五”规划中将“节约和替代燃料油作为解决国家石油资源短缺缓解石油供需矛盾保障国家经济安全的重大战略措施.节约和替代燃料油将会加快中国能源结构的调整,促进能源结构优化,同时也是解决中国资源战略”中的突出问题保障国家经济安全,促进经济社会可持续发展的有效途径之一,乙醇作为可再生能源之…,其燃烧过程所排放的CO和含硫气体均低于汽油、柴油,燃烧所产生的CO2和作为原料的生物源生长所消耗的CO2的数量上基木持平,因而使用乙醇燃料与使用汽油柴油等化石能源相比,可减少向大气中排放CO2的绝对数量,进而实现零排放的目标,对减少大气污染及抑制“温室效应”意义重大,燃料乙醇也因此被称为“清洁燃料”在国际上,美国、巴西等国推行燃料乙醇给国家带来的巨大综合收益,如刺激农业维护粮价完善能源安全体系、改善燃油品质及大气环境质量等,均为世界所共认.月前,许多农业资源国如英国、荷兰、德国、奥地利、泰国、南非等国政府均已制定规划,积极发展燃料乙醇工业中国对推广使用乙醇燃料也非常重视,日前已把推广使用车用乙醇汽油作为一项系统工程正积极加以策划和推丿¨,并在搞好试点的基础上,逐步向全国推广12在柴油中加入乙醉具有与汽油中加入乙醇同样的中国煤化工的烟度排放可减少20%以上,因而可有效地改善柴油机的排放性能,减轻对HCNMHG用乙醇柴油混合燃收稿日期作者筒介1958-),男,河南临额人,河南农业大学教授,从事汽车拖拉机运用管理及动力机械节能方面的研究工作河南农业大学学报第37卷料对节约能源、开发利用可再生能源、促进经济的可持续发展同样都具有积极的推动作用1研究柴油一乙醇混合燃料的必要性乙醇和一定比例的汽油混合(月前国家推广应用乙醇汽油,燃料乙醇的加入量,初步确定从10%起步)作汽油机的燃料在技术上已经成熟,再加上政府在政策上给予积极的扶持,因此乙醇汽油将会被逐步推广使用而将柴油( Diesel fuel)与乙醇( Ethanol)混合组成柴油一乙醇混合燃料)ese- -ethanol fuel,DEF)作为柴油机的燃料在国内研究尚不多,其主要原因首先是柴油与乙醇的混合不易解决在常温下乙醇与柴油掺和时,由于二者的密度相差较大所以容易引起分层,即乙醇漂浮在柴油之上.二是乙醇与柴油的物理性能直观上不像乙醇与汽油那样接近,乙醇的辛烷值高,其研究法辛烷值(RON)可达11,马达法辛烷值(MON)达91,但十六烷值低,因而从直观的物理性能上看作为汽油机的燃料具有明显的优势,而直接在柴油机上使用比较困难国外从上世纪80年代起就开始重视乙醇作为柴油机代用燃料的试验研究工作,目前处于小范围的试验、试用阶段.日本的洋马公司经多次试验已基本解决了乙醇与柴油混合的分层问题,正着力进行柴油一乙醇混合燃料的发动机使用试验,美国ADM公司已开展了乙醇柴油的研究工作,含(体积分数)乙醇15%、其它添加剂5%、柴油80%的乙醇柴油已在柴油车上进行了386km的行车试验.泰闵科学技术和环境部、泰国国家石油公司与美国福特汽车公司合作研究开发生物乙醇燃料用于柴油车.国内在柴油机燃用乙醇、柴油燃料的试验研究方面虽然从20世纪90年代早期已经起步,但其基本途径是对柴油机改进后采用柴油与乙醇分别供给的方式进行双燃料试验,并取得了可行的结论.而直接混合后使用的研究目前还未见报导中国是柴油消费大国,柴油机动力在各种动力机械中占有相当大的比例,2001年中国汽车产量233万辆,其中柴油车734万辆,占31.5%;农业机械总动力55亿kW,大部分是以柴油为燃料的柴油机,这些机械年消耗柴油6250万t,占中国年石油净进量(2000年为7000万1)的约90%,预计到2005年将达8700万3,而炼油行业的生产柴汽比低于消费的柴汽比推乙醇汽油后,汽油的产量相应增加,柴油资源不足的矛盾更加突出.若每年消费的柴油中,有20%的柴油是含乙醇(体积分数)15%的乙醇柴油,将消化燃料乙醇187.5万1,可转化粮食近60万t,同时可以减少等数量的柴油消耗,有效地缓解石油紧缺的矛盾,减轻石油进冂所需外汇的压力因而进行乙醇柴油的试验研究,对扩大燃料乙醇的市场容量,推动农业产业结构调鹁具有积极的意义2DEF用作柴油机燃料的可行性分析柴油用作压燃式发动机(柴油机)燃料,是一种轻质石油产品,即在160-350℃的温度范围内由石油中提炼出的碳氢化合物,含(质量分数)碳87%、氢126%、氧04%它是复杂的烃类(碳原子数约10~22)混合物,主要由原油蒸馏、催化裂化热裂化、加氢裂化、石油焦化等过程生产的柴油馏分调配而成,也可以由页岩油加工和煤液化制取柴油分为轻柴油(沸点范围约180~370℃)和重柴油(沸点范围约350-410℃)两大类,轻柴油一般用于转速在1000r·mn-以上的高速柴油机,重柴油用于转速在100rmin-以下的低中速柴油机.车用柴油属于轻柴油41乙醇是发现最早、用途最广的一种脂肪醇,可由碳水化合物发酵或乙烯水合制得.为无色易挥发、易燃的液体,沸点7832℃,极易溶于水柴油及乙醇的主要理化指标51见表I为了保证柴油机工作的平稳性和经济性,柴油必须具有良好的蒸发性和燃烧性柴油的燃烧平稳性主要取决于燃料的自燃点,一般使用“十六烷值”作为评价指标十六烷值高代表着火性能好,但十六烷值过高(>65),燃料容易裂解,会使发动机排气含烟,且燃料的重馏分增多,低温流动性变差,一般柴油机使用的柴油十六烷值在40~60之间最近研究表明,对于车用高速十六烷值在45~55之间比较优异热值是一定量的燃料燃烧时发出的热量,通常是用中国煤化工标,出表1可见,作为柴油机的代用燃料,乙醇相对柴油的主要特点是:热CNMHG气的热值却略微高于柴油,同时其汽化潜热大,约为柴油的34倍;十六烷值低;辛烷值高;自燃点高,闪点低;碳含量低,含氧量大,理论空燃比小,燃烧时所需的理论空气量少;混合气着火极限体积范围宽第3期李冠峰等:柴油一乙醇混合燃料配制试验研究虽然乙醇的十六烷值低,不适宜直接作为发动机的燃料,但将乙醇按一定的比例掺入柴油中表1乙醇与柴油的主要物理学化学性质比较部分取代柴油,将会改善柴油机的燃烧.乙醇的沸 able I Comparison of the essential character of ethanol点低于柴油的沸点,这样有助于混合燃料喷入柴with that of diesel fuel油机燃烧室后混合气的形成,且混合气的形成加然料品种快,有利于燃料的完全燃烧;虽乙醇的热值较低,性质而掺入一定比例乙醇的混合燃料,热值的降低也Ethaol Diesel fuel是有限的,同时其理论空燃比下形成的混合气热低热值(时k)值大体上与柴油燃料相同因此,从理论上讲不会混合气热值(Nm2)明显降低发动机的功率;再由于乙醇的汽化潜热 Hent yalue of maxture大,使燃烧过程变得柔和;着火极限较柴油的着火汽化潜热/(kg")极限宽,这样选择运转工况有较大的自由度,有利Latent heat boiled away℃时液体将度/(kgm3)于从整体上降低油耗.乙醇的碳含量低,氧含量 Density at2o0℃高,燃烧所需空气量少,有利于燃料的完全燃烧,沸点/℃Boiling point8.5180-330燃料转化的热效率不会降低,排气屮未燃的有害凝固点/℃源所以综合考虑用乙醇与柴油混合用作柴油机+p气体也会随之降低,有利于排气净化,属清洁能Syg的代用燃料是可行的辛烷值3DEF的配制试验RON自燃点/℃200-220在常温下无水乙醇(以下简称乙醇)与柴油直接掺合时,由于二者的密度差,而使乙醇上浮于混 Flash point合液的上层,形成分层现象,不能互溶,这将影响理论空燃比在发动机上的使用而如何解决这一问题,也是解uM9.014.4决柴油一乙醇混合燃料在柴油机上使用的关键所m1mMmm时43-191.582在,为了使两者有机地混合在一起,需要寻求有效分子的办法据国外资料介绍,加入添加剂可以改善乙Molecular weigh醇和柴油掺合后的分层现象为此,作者进行了广含碳量/%Carbon content870泛的寻求与探讨,筛选出了一种较为实用的添加含氢/9剂借助添加剂,乙醇可与柴油在一定的温度范围Hydrogen content内以在一定的比例条件下互溶利用这种添加剂,含氧量/%将柴油和乙醇以不同比例进行混合,进行了分组试验试验所用乙醇为化学纯级,柴油为0号轻柴油,按柴油:乙醇:添加剂=80:20:5的体积比例均匀混合得到混合燃料,并将其定名为“DEF-20混合燃料”然后对配制的DEF20混合燃料、对比试验采用的0号轻柴油试样分别按石油产品性能测试方法进行了密度黏度、开口表2DEF-20混合燃料与柴油的主要物理性能对比闪点、燃点等主要物理指标的测10e2 omparison of the main character of DEF2 with that of diesel fuel试,其结果见表2.由表2可见燃料密度/(kgm3)恩氏黏度F)闪点/℃试验配制出的DE20混合燃料°号轻柴油Density Engler viscosity Flash pointFire pin的黏度和密度比0号轻柴油均有deel所增大,这会对其在气缸内的混中国煤化工合均匀性产生影响但根据柴油机上作的特点,一般要求柴CNMH站度(T2)为11.76,而所得到的DFF-20混合燃料符合柴油机用油的黏度要求.而DEF20混合燃料的开口闪点与燃点下转第310页)31河南农业大学学报第37卷程,为L订正后=0.985L实测-265.5(kx)(6)阴天实测照度与订正后照度相关系数r=0.9938其线性回归方程,为L订正后=1.317L实酶-8017(lx(7)应用式(6),(7)可得照度计晴天和阴天下的标定曲线,如图1.应用订正曲线,可实现对照度计的标183小结与讨论晴天cear1)照度计与热电型辐射仪对太阳光的感应有三12阴天 Cloudy着极为密切的关系,其间的数量转换有严谨的数自10学关系,所以完全可以使用热电型辐射仪方便而呈6准确地标定照度计2)在各种典型天气类型(晴天、阴天、多云等)820下,可使用照度计100档,200档,1000档,加遮光5678910111213罩等不同档的对照数据,分别制作订正曲线图用实测照度/kxMeasured illumination各种天气类型下的订正曲线图,则标定后的照度图1照度计的订正曲线计可适用于各种天气类型Fig. 1 The calibrated Line of the photometer参考文献[ 1] THIMIJAN R W. 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