乙醇-柴油混合燃料的理化特性的研究

第25卷第6期内燃机工程VoL 25 No 62004年12月Chinese Internal Combustion Engine EngineeringDec. 200文章编号:1000-0925(2004)06-030-04250112乙醇-柴油混合燃料的理化特性的研究于世涛,郭英男2,卓斌,刘金山2,杨林(1.上海交通大学汽车电子技术研究所,上海200030;2.吉林大学内燃机研究所)Study on the Physical and Chemical Characteristics of Ethanol-Diesel Blend FuelsYU Shi-tao, GUO Ying-nan, ZHUO Bin', LIU Jin-shan, Yang Lin(1. The Institute of Automotive Electronic Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2. The Institute of Internal Combustion Engine, Jilin University)Abstract: In order to help the study of using the ethanol-diesel blend fuel on a diesel engine, the mainphysical and chemical characteristics of ethanol-diesel blend fuel lueve investigated in this paper. The lowheating value, cetane number of the blends with different ethanol fractions are calculated by using the experiential formula, Experiments of distillation and viscosity were done to study the distillation characteristics andviscosity characteristics of different ethanol-diesel blend fuels (E0, E10, E20, E30), and several experientialformulas are formulated based on the results of viscosity experiment: The solubility experiment is done tostudy the solubility of different ethanol-diesel blends(EO-E100), besides, the effects of solvent on the solubility curve of different ethanol-diesel blends are also studied. The studies show that the low heat value, cetane number, viscosity of the blends decrease with the increasing content of ethanol in the blends; The distil-lation characteristics of the blends is very high in the low range of temperature; Solvent can better the solu-bility of ethanol-diesel blend fuels.摘要:为了有助于开展乙醇柴油混合燃料在发动机上的应用研究,本文开展了不同乙醇掺混比例柴油乙醇混合燃料的主要理化特性的研究。采用数值计算的方法研究了不同乙醇掺混比例对混合燃料的低热值、十六烷值的影响;开展燃料的蒸馏特性试验、粘温特性试验,研究了不同乙醇掺混比例(E0,E10,E20,E30)对混合燃料的蒸馏特性、粘温特性的影响,并对混合燃料的粘温特性试验结果进行数值回归;釆用相溶特性试验研究了不冋乙醇掺混比例的混合燃料(E0-E100的相溶特性,以及助溶剂对混合燃料相溶特性曲线的影响。研究结果表明:随着乙醇掺混比例的增加,混合燃料的低热值、十六烷值、粘度逐渐降低,混合燃料的低温蒸馏特性较强,助溶剂可有效解决乙醇柴油的相溶问题。关键词:内燃机;柴油乙醇混合燃料;粘度;蒸馏特性;助溶剂Key Words: I C Engine; Ethanol-Diesel Blend Fuel; Viscosity; DistillationCharacteristic; Solvent中图分类号:TK407.9文獻标识码:A1概述普遍关注的问题。乙醇作为一种可再生含氧生物燃料,被认为是一种比较有前景的代用燃料。随着汽车保有量的增加,石油短缺及排放污染问题日益突出,寻求清洁的石油替代燃料成为人们yhA中国煤化工、巴西和欧共体等国一汽油(E7.7,E10CNMHG收稿日期:200402-20作者简介:于世涛(1977-),男,博士生,主要研究方向为内燃机代用燃料与排放,Ema: seawave@ sjtu. edu,cn2004年第6期20)多年,然而乙醇在柴油机上的应用技术还不成3试验装量和方法熟,这主要是由于乙醇与柴油之间存在较大理化性质的差异。本文针对与发动机应用相关的柴油乙醇采用GB265型石油产品运动粘度测定仪,按照混合燃料理化特性进行的研究结果表明:随着乙醇GB/T265试验方法进行混合燃料粘温特性试验;遵掺混比例的增加,混合燃料的十六烷值、热值、粘度循GB/T6536试验方法在蒸馏仪上进行混合燃料蒸逐渐降低;混合燃料的低温蒸馏特性较强;助溶剂可馏特性试验;采用水浴、冰柜化学试验台进行混合燃有效解决乙醇柴油的相溶问题。料的相溶特性试验。2醇类燃料的物化特性4混合燃料的理化性质醇类是烃基(一R)与羟基(-OH组成的化合4.1冷滤点物,从本质上决定了醇类可成为替代石油系燃料的冷滤点是评价燃料油低温性能的指标。对于柴内燃机燃料,而羟基的存在又决定了它有很多不同油乙醇混合燃料,由于乙醇的凝点为-114°C,因而于石油系燃料的特性。燃料在内燃机燃烧做功过程混合燃料的冷滤点不会因乙醇的掺人而下降,反而是一个复杂的物理化学变化过程,燃料的着火燃烧还会保持较好的低温使用性能。特性取决于其挥发性、沸点、汽化热、闪点、着火温4.2混合燃料的粘度度、辛烷值、十六烷值、粘度等一系列物理化学特在柴油机中,燃油在供油系统中起着润滑和防性漏作用,燃油的粘度是发动机燃料一个重要的评价指标,燃料的粘温曲线(粘度随温度变化关系)是燃表1几种燃料的主要理化特性比较料、特别是代用燃料重要的品质特性。考虑到发性质汽油柴油动机燃油系统工作温度范围,本文以一35#柴油为化学式Cle-23C3HsOH基础油,在20~100°C的温度范围内,对E0、E10、分子量95~120180~20046E20、E30(符号E后面的数字表示乙醇在混合燃料含氧量,%0.434.8中的体积百分比)混合燃料进行粘温特性试验,试验比重07~0.780.82~0.880.79结果如图1所示。理论空燃比kg/kg14.2~15.114.49.0沸点,C0~200175~36078.5凝点,C114粘度(20C),mPas0.42低热值,M/kg43.542.526.77汽化潜热,kJ/k冒L辛烷值RON84~94111十六烷值0~1040~55着火极限,vol%1.4~7.61.58~8.24.3~19自燃温度,C220~260200~220420闪点,"C20406080100120t,°C表1列出了乙醇燃料与柴油、汽油的理化特性,可以看出,乙醇的辛烷值较高,闪点较低,着火温度图1混合燃料的粘温特性对比较高,十六烷值较低,因而乙醇和汽油的性质较接◆-◆E0■■E10▲-▲E20●-●E30近,和柴油的性质相差较大,故乙醇在柴油机上的应用较汽油机难度大;由于乙醇燃料“含氧”的特点,燃M凵中国煤化工例的增大,混合燃烧时理论上所需空气只有汽油或柴油的一半左右,料粘CNMH升高(约100°C)对于改善扩散燃烧时由于油气混合不均匀而生成碳几种和仪那木佃的粘温曲线保持烟和微粒具有积极的作用,从而又使乙醇在柴油机致,这是因为乙醇的沸点为78.5°C,远小于柴油的上的应用成为可能。沸点。当混合燃料的温度升高大于乙醇的沸点温度内燃机工程2004年第6期时,乙醇首先从混合燃料中大量地蒸发出来;当混合燃料温度达到100°C时,试验结果表明乙醇已基本从混合燃料中完全蒸发出来,混合燃料中仅剩下柴油燃料,当温度在100°C以后,几种混合燃料的粘温曲线基本重合。所以,在柴油机上燃用柴油乙醇燃料的供油系统中应防止乙醇蒸发而发生气阻和穴蚀150现象。同时,由于柴油乙醇混合燃料的粘度随乙醇掺混比例的增加而下降,相对于柱塞式喷油泵,由于混合燃料的粘度下降,导致燃料的节流效应下降,使在柱塞斜槽与进回油孔相通期间燃油回流相对较多,从而影响喷油泵每循环供油量。结合图1混合燃料的粘温特性试验数据,利用最小二乘法对每种混合燃料的粘温特性进行回归,馏出率,vol%回归公式如式(1)~(4)所示图2混合燃料的蒸馏特性对比对E0E10y=0.0009T-04064T2+58.3593T(mm2/s)(1)程,因而当温度达到200°C左右时,可以认为乙醇已对E10经完全从混合燃料中蒸发出来。所以当混合燃料进v=-0.0014+0.368672-36.11617(mm2/s)(2)入50%蒸馏阶段时,可以认为此阶段为纯柴油燃料的蒸馏过程。综上所述,在储存柴油乙醇混和燃料对E20时,混合燃料的低温蒸发性是值得考虑的一个重要y=0.0090T-0.403972+57.3267(m2/s)(3)因素4混合燃料的十六烷值对E30y=-0.0004T+0.0317T2+8.8908T8(mm2/s)(4)十六烷值是表征柴油着火性能好坏的一种指标,乙醇燃料的十六烷值较低(仅为8),因而混合燃式中,T为绝对温度,T∈[293,373]料的十六烷值将根据乙醇掺混比例来确定。采用下4.3混合燃料的馏程列经验公式(5)对混合燃料的十六烷值进行估算,计燃料的馏程决定其能否用于内燃机的燃烧。燃算结果如图3所示(设柴油十六烷值为50)料油的蒸馏曲线是其馏出率随温度的变化曲线。燃CN=a CNl+bCN2(5)料油蒸馏曲线的形态代表着燃料油中轻、中、重馏分的比例。而这种分配比例对于燃料油在内燃机中的式中CNCN1、CN2分别为混合燃料、柴油、乙醇的十着火燃烧和放热的时刻和强度起着决定性的作用。六烷值;a,b分别为柴油、乙醇所占的体积百分比。本文以-35#柴油为基础油,针对E0、E10、E20由图3可以看出,随着乙醇掺混比例的增加,柴E30混合燃料进行蒸馏特性试验,试验结果如图2油乙醇混合燃料的十六烷值迅速下降,这将影响到所示。混合燃料的着火性能,尤其影响到混合燃料燃烧着由图2可以看出,随着温度的升高,燃料的馏出火延迟期的长短。因而在掺混大比例乙醇的柴油乙率也在不断的增加,并且随着乙醇掺混比例的增加,醇混合燃料时,由于混合燃料的十六烷值过低,因而相同馏出率所对应的馏出温度也在不断降低,尤其适当添加着火促进剂是非常有必要的。在50%馏出率以下,不同掺混比例的柴油乙醇混合4.5混合燃料的热值燃料的蒸馏曲线相差较大;这是由于在柴油中加入燃料的热值直接影响发动机的动力输出,乙醇燃乙醇以后,随着温度的升高,混合燃料中热运动不断料中国煤化工63%见表1),因而加剧,当温度超过乙醇的沸点时,乙醇首先从燃料中混蒸发出来,随着温度的继续升高,乙醇被大量的蒸发采CNMH比例增加而下降。AJ 19G低热值进行估算,计出来,由于蒸馏试验持续时间较短,试验进行的时间算结果如图3所示。可见柴油乙醇混合燃料的较低进度较快,以及乙醇的完全蒸发需要一定的时间进的热值是影响发动机动力性的一个重要因素004年第6期内燃机工程33行的途径;同时在选择混合燃料的乙醇掺混比例时,选择燃用小比例或大比例的乙醇掺烧比例的混合燃料是比较可行和有价值的。10乙醇百分比,vol%图3燃料低热值、十六烷值随乙醇掺混比的变化■一■低热值▲一▲十六烷值H=Hl·x1+Ha·x2(6)乙醇百分比,vlo%式中,H,H,H分别为混合燃料、柴油、乙醇燃料图4混合燃料的相溶特性的低热值,kJ/kg;x1,x2分别为柴油和乙醇的质量●10#柴油▲10#+1%助溶剂百分比35#柴油35#+1%助溶剂6混合燃料的相溶特性乙醇燃料显极性,具有较强的亲水性,能无限溶于水;而柴油属于石油系燃料,具有较强的憎水性5结论且石油系燃料憎水性顺序为:脂肪族烃>烯烃>芳香烃,因为柴油中含有较多的脂肪烃,具有较少的芳(1)随着乙醇掺混比例的增加,混合燃料的低热值、十六烷值、粘度逐渐降低。香烃,当柴油和乙醇混合时,表现出较差的相溶性,很容易分层,不易形成稳定的乳化液;因而解决(2)混合燃料的低温蒸馏特性较强(3)助溶剂解决乙醇柴油的相溶问题是一个比柴油与乙醇的相溶性问题是柴油掺混乙醇的一个关较可行的途径。键技术。图4为不同乙醇掺混比例柴油乙醇混合燃料的参考文献:相溶特性曲线,曲线类似为上凸的拱形曲线,曲线以上是均匀的溶液,曲线所包围的面积为两相区。当[1]崔心存,内燃机的代用燃料[M].北京:机械工业出版杜分别在柴油乙醇混合燃料中加入1%体积比的助溶[2]傅茂林.柴油机燃用柴油甲醇水复合乳化燃料的研究[.内剂后,发现助溶剂的助溶效果明显。使一35#柴油燃机学报,1995,13(2):103~109的不同乙醇掺混比例的柴油乙醇混合燃料的分层温[3] Miyamoto N, Ogawa H. Improvement of Diesel Combustion度下降2~6℃C,使10#柴油的不同乙醇掺混比例的and Emissions with Addition of Various Oxygenated Agents to柴油乙醇混合燃料的分层温度下降3~13°C,因此Diesel Fuels[C]. SAE 962115采用助溶剂解决乙醇柴油的相溶问题是一个比较可(编辑:姜文玲)中国煤化工CNMHG