中國農(nóng)學(xué)通報(bào)2010,26( 10):381-385Chinese Agricultural Science Bulletin甲醇/柴油混合燃料的應(yīng)用單士睿(許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,河南許昌461000)摘要:在柴油機(jī)結(jié)構(gòu)不變的情況下,把甲醇、柴油、OP乳化劑按體積比15:80:2.5混合, 采取新的乳化工藝研制混合燃料,并與柴油作比較。甲醇-柴油混合燃料的密度和粘度較柴油降低,粘度為1.20°E20,霧化質(zhì)量和蒸發(fā)性能得到提高。隨著負(fù)荷的增大,柴油機(jī)燃用混合燃料的耗油率低于燃用柴油的油耗率，經(jīng)濟(jì)性有所提高。甲醇-柴油混合燃料平均節(jié)油率達(dá)9.5%,在中、高負(fù)荷下節(jié)油率平均達(dá)12.4%。在中、高負(fù)荷范圍內(nèi)燃用混合燃料的煙度均低于燃用柴油時(shí)的,下降達(dá)25.6%,NOx的排放值顯著降低。柴油機(jī)燃用甲醇~柴油混合燃料熱效率有所提高,中、高負(fù)荷時(shí)耗油率顯著下降,經(jīng)濟(jì)性好,減少了環(huán)境污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。關(guān)鍵詞:柴油機(jī);甲醇;混合燃料;性能排放中圖分類號(hào):S232.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A論文編號(hào):2009-2286The Applied Research of Methanol and Diesel Fuel BlendsShan Shirui(Xuchang Vocational and Technology College, Xuchang Henan 461000)Abstract: Under the condition of invariable structure of diesel engine, methanol, diesel and OP emulsificationreagent were mixed according to volume ratio of 15:80:2.5. The mixed fuel was prepared by new emulsificationtechnology and compared with diesel. The density and viscidity of methanol-diesel mixed fuel were lower thanthat of diesel, the viscidity was 1.20° E20, and atomization quality and evaporation capability were enhanced.Along with the increment of burthen, the fuel consumption rate of burming mixed fuel was lower than that ofburning diesel in diesel engine， the economy was some enhanced. The average fuel saving rate ofmethanol-diesel mixed fuel reached 9.5%, the fuel saving rate reached 12.4% averagely under medium andhigh burthen. In the range of medium and high burthen, all the smoke intensity of burming mixed fuel was lowerthan that of burning diesel, and the decrement reached 25.6% ，and the letting value of NOx reducedsignificantly. The thermal efficiency of burning methanol- diesel mixed fuel in diesel engine was some :increased; the fuel consumption rate decreased significantly under medium and high burthen with goodeconomy, reduced environmental pollution and had good economic and social benefit.Key words: dieselengine; methanol; mixedfuel; emissions performance0引言環(huán)保局認(rèn)為:采用甲醇燃料是實(shí)現(xiàn)清潔環(huán)境的最有效隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高,以石油的方法。中國具有豐富的煤炭資源,煤制醇成為發(fā)展為原料的液體燃料的消耗量持續(xù)增長，而石油資源卻清潔代用燃料的豐富資源,為內(nèi)燃機(jī)擺脫對(duì)石油燃料在日益減少,研究與開發(fā)替代燃料勢(shì)在必行。國外許的依賴和解決日趨嚴(yán)重的大氣污染問題開辟了一條 新多國家都在研究、開發(fā)和應(yīng)用適合本國國情的清潔燃的途徑。但由于甲醇和柴油的理化性質(zhì)差異較大,在料。醇類燃料是國際公認(rèn)的- -種清潔代用燃料，美國柴油機(jī)上摻燒甲醇或燃用純甲醇比較困難"。筆者在基金項(xiàng)目:河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(9412009Y0802)。作者簡介:單士睿,男,1981年出生,河南商丘人,許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)工程。通信地址:461000許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，E-mail: lij@sohu.om.收稿日期:009-11-03,修回日期:2010-01-14。中國農(nóng)學(xué)通報(bào)htp://www.casb.org.cn柴油機(jī)結(jié)構(gòu)不變的情況下,經(jīng)過試驗(yàn)研究,提出一-種新利于完全燃燒;雖然甲醇的熱值較低,但其理論空燃比的乳化工藝,為柴油機(jī)摻燒甲醇技術(shù)的應(yīng)用提供了廣下形成的混合氣熱值大體上與柴油燃料相同，不會(huì)降闊的前景。低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率;由于甲醇汽化潛熱較大,使燃燒過程1材料與方法變得柔和;著火極限較柴油著火極限寬,這樣選擇運(yùn)轉(zhuǎn)1.1 材料工況有較大的自由度,有利于排氣凈化及降低油耗凹;1.1.1 甲醇及柴油的物理化學(xué)性能試驗(yàn)材料中甲醇、甲醇的十六烷值很低，不適宜直接作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,柴油的物理化學(xué)性能見表1。由表1知，甲醇的沸點(diǎn)低般將甲醇摻燒于柴油中。表1通過對(duì)甲醇理化性質(zhì)于柴油的沸點(diǎn),使得混合氣形成較快,且比較均勻,有的分析,認(rèn)為在柴油機(jī)上摻燒甲醇是十分可行的。表1甲醇與柴油的主要物理化學(xué)性能比較氧的質(zhì)量相對(duì)密度/沸點(diǎn)范理論空 低熱值M 十六烷 汽化潛熱/ 著火極限體 自 然理論空燃比混合分?jǐn)?shù)/%( g/cm2)圍/C燃比(J/kg)直M(Jkg'積比/%點(diǎn)/汽熱值/M(J/kg)柴油00.8580-37014.643.337~552911.5-8.2200- -2202.9350656.4719.93~511806.7-3.64703.071.1.2 試驗(yàn)設(shè)備和儀器此次試驗(yàn)所用設(shè)備為X195型比較,第3種方案效果最佳,能保持較長時(shí)間不分柴油發(fā)動(dòng)機(jī),D110B型水力測(cè)功器,HZB500型油耗測(cè)層"。量儀, FZW發(fā)動(dòng)機(jī)綜合試驗(yàn)臺(tái), FBY-1型廢氣分析儀4)混合燃料與純柴油性質(zhì)對(duì)比等。經(jīng)試驗(yàn)配置出的體積分?jǐn)?shù)為15%的甲醇柴油混合1.2試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)燃料的粘度和密度如表2所示:甲醇-柴油混合燃料的1.2.1 甲醇與柴油混合加入乳化劑篩選密度和粘度均有所降低,--.般要求柴油機(jī)用燃料的恩1)乳化劑的篩選把代號(hào)為JY7801, 701, T-1401,氏粘度為1.15~1.76°E20,甲醇-柴油混合燃料的粘度酰胺,OP-系列乳化劑分 別加入甲醇與柴油的混合液為1.20°E20,符合柴油機(jī)用油的要求”。中。將甲醇與柴油的混合物振蕩15min后取出10mL表2純柴油(0#)與混合燃料性能對(duì)比試樣,加入不同乳化劑后機(jī)械攪拌5min,然后觀察并記錄試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證明,OP乳化劑效果最.項(xiàng)目性能指標(biāo)佳。柴油(0#)混合燃料2)乳化劑定量配比選擇褐色透明液體黃褐色濁液所用乳化劑為OP溶于乙醇后按V(OP): V(乙醇)=穩(wěn)定時(shí)間/min長期穩(wěn)定≥301:1配比的復(fù)合乳化劑量。為使甲醇與柴油的混合液密度/(g/cm)0.8220.818充分混合,在取出前將其振蕩15~20min,以保證取出恩氏粘度/E201.241.20的混合液組分同母液組分一致。 加入乳化劑后攪拌2結(jié)果與分析3~5min。選擇V(甲醇): V(柴油): V(乳化劑)= 10:90:2及2.1不同燃料負(fù)荷特性分析V(甲醇):V(柴油):V(乳化劑)=15:80:2.5,2種配比方預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)使水溫保持在85~90C,油溫保持85~.案?？紤]到節(jié)油效果，在試驗(yàn)中選用了后-一種配比方90C,在其他條件保持基本不變的情況下，分別以0#案。柴油和甲醇.柴油混合燃料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見3)乳化工藝選擇為考證乳化工藝與乳化效果的關(guān)系,選擇了以下表3。由表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪出燃用0#柴油和甲醇-柴油混合燃料的耗油率ge曲線及熱效率ne曲線。3種添加方案:2.1.1ηe曲線分析混合燃料在柴油機(jī)中的燃燒比較①將OP乳化劑加入混合液中振蕩后,再加入乙完全,柴油機(jī)耗油率下降,熱效率有所提高，經(jīng)濟(jì)性有醇(比例.與OP同)。所改善(圖1)。其原因是多方面的。②先將乙醇加入混合液中振蕩,再加入OP乳化1)甲醇與柴油混合乳化后,其粘度較柴油粘度略劑。有降低，霧化性能有所改善。粘度是影響霧化程度和③先將OP乳化劑溶于乙醇中后,加到混合液中。油注射入燃燒室空氣介質(zhì)深度的因素之- _51。粘度與383●單士睿:甲醇/柴油混合燃料的應(yīng)用霧化顆粒直徑成正比，與霧化顆粒的總表面積成反.的混合氣,燃燒更為充分,燃燒效率提高,從而改善柴比。甲醇-柴油混合油粘度較純柴油稍低一些,測(cè)試數(shù)油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)見表2所示，柴油機(jī)用油的恩氏粘度一般要求為3)甲醇的汽化潛熱大,在形成混合氣時(shí),會(huì)產(chǎn)生冷1.15~1.76°E20，而甲醇-柴油混合油的粘度為卻效應(yīng)，使進(jìn)氣溫度降低,從而提高充氣系數(shù),在一定1.20°E20,在這一范圍內(nèi),由于低于柴油的恩氏粘度，程度上可使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況得到改善,使熱效率提因此有利于提高霧化質(zhì)量和蒸發(fā)性能0,使得燃料燃高”。燒充分,熱效率提高,這樣改善了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性,且2.1.2ge曲線分析柴油機(jī)小負(fù)荷時(shí)燃用混合燃料的耗使排放煙度降低。油率稍高于或接近于燃用柴油時(shí)的耗油率(圖2)。其2)“微爆效應(yīng)”對(duì)柴油機(jī)的負(fù)荷特性也有影響,使原因可能是低負(fù)荷時(shí)燃料噴射量較少而霧化特性差，熱效率提高。柴油加進(jìn)甲醇后,在乳化劑的作用下,機(jī)而甲醇是含氧燃料，這使得過量空氣系數(shù)較大。過稀械攪拌形成“油包醇”型的小顆粒。燃料噴入汽缸后，的混合氣影響火焰的傳播，而且局部過稀的混合氣還由于甲醇沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于柴油沸點(diǎn)，當(dāng)乳化微粒內(nèi)部的甲可能不著火,隨著廢氣排放出去,使油耗增加。再加上醇超過沸點(diǎn)溫度后,便急劇汽化膨脹使油粒進(jìn)一步霧低負(fù)荷時(shí),放熱量較少,缸壁溫度及殘余廢氣溫度都較化。同時(shí)由于甲醇的沸點(diǎn)比柴油低,它從噴油嘴噴入低，而且甲醇的汽化潛熱高,導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)平均汽缸后產(chǎn)生強(qiáng)烈的減壓沸騰,促使燃燒顆粒進(jìn)一步細(xì)溫度有所降低,而甲醇-柴油混合油的十六烷值低,使柴化、分散。這使進(jìn)入汽缸的燃料與空氣能形成較均勻油機(jī)的滯燃期延長太多,燃料主要在緩燃期燃燒,使熱表3柴油及混合燃料臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較轉(zhuǎn)速/(/min)負(fù)荷/N扭矩Nm功率NJkW耗油時(shí)間/s耗油量/g耗油率g/(g/kWh)熱效率n。200009.224.9436.50.1952015208.5325.00.2552010308.068.9285.60.3260#柴油11.8365.20.2351440.28..13.5293.00.2924846.0914.3379.50.2845.0458.00.18618.5320.00.241280.20.302混合燃料1038.011.634.050.220448.13.0296.50.28614.2369.20.2790.355004500.34000.25350. 3000.2帶0.152000.115◆柴油.混合燃料0.055711391功率/Kw .功率/Kw圖1純柴油與混合燃料熱效率曲線圖2純柴油與混合燃料耗油率曲線中國農(nóng)學(xué)通報(bào)htp://www.casb.org.cn●384●效率降低,柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性變差。隨著負(fù)荷的增大,柴2.2節(jié)能分析油機(jī)燃用甲醇柴油混合油的耗油率開始低于燃用柴油由于柴油機(jī)一- 般在中、高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行,因此重點(diǎn)分的油耗率,經(jīng)濟(jì)性有所提高。并且曲線變的較為平析小負(fù)荷到中、高負(fù)荷區(qū)的節(jié)能情況。將摻燒甲醇后坦,表明柴油機(jī)擴(kuò)大了保持較低耗油率的工作范圍。的混合燃料中的甲醇消耗量按熱值折合為柴油消耗其主要原因是:隨著負(fù)荷增大,汽缸內(nèi)工質(zhì)的溫度量,即和壓力升高,混合燃料的粘度小及其汽化時(shí)微爆效應(yīng)Q r=19.7xQ e/45.3對(duì)改善霧化情況所起的作用占據(jù)主要位置。燃燒趨于總耗油量Q= Q折+Q※完全,熱效率提高,從而改善了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。雖然節(jié)油率8=(Q x-Q)Q兆有低負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)燃用混合燃料的經(jīng)濟(jì)性稍低于燃用混合燃料節(jié)油效果見表4,由表4可以看出，僅從柴油時(shí)的經(jīng)濟(jì)性,但柴油機(jī)大部分時(shí)間在中、高負(fù)荷下耗能角度來看,柴油中混合甲醇后其節(jié)能效果顯著,平工作,中、高負(fù)荷下耗油率明顯降低。因此,柴油機(jī)燃均節(jié)油率可達(dá)9.5%,在中、高負(fù)荷下節(jié)油率平均達(dá)用混合燃料總體上經(jīng)濟(jì)性得到了較大的改善。12.4%。表4混合燃料節(jié)油效果混合燃料/g功率/Kw耗油時(shí)間/s柴油/g節(jié)油率/%耗油量折算為柴油量220.95.04.72.7.16.58.0.21211.811.610.611.413.513.012.212.614.34.23.212.4表5燃油排放煙度測(cè)定煙度測(cè)量值轉(zhuǎn)速/( r/min)負(fù)荷N功率Ne/Kw平均煙度/Rb .2000408.03.3.1純柴油2010468.7.63.6.520124(.3.1混合燃料2004442.32.02.42.3排放煙度分析排煙不僅對(duì)環(huán)境造成污染,而且還限制了柴油機(jī)1400燃燒甲醇燃料對(duì)NOx排放的影響功率的提高，因而在做臺(tái)架試驗(yàn)的同時(shí)，也做了煙度排1200◆純柴油放試驗(yàn)。主要設(shè)備有X195型柴油機(jī)和FBY-1型煙度1000■混合燃料計(jì)。測(cè)定0#柴油及甲醇柴油混合燃料在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷為40N和44N時(shí)的排放煙度,測(cè)定數(shù)據(jù)見表5。蘭800表5表明,燃用混合燃料在中、高負(fù)荷范圍內(nèi)的煙度均e 600低于燃用柴油時(shí)的煙度值,最大下降25.6%。其原因00為:2001)由于甲醇中含氧量達(dá)50%,且乳化劑與微量乙C醇中均含氧,混合燃料中氧含量較大,與燃燒柴油相0.0.30.5.7比，燃燒更趨于完全。因此排放物中炭粒含量減少,煙PMPa度明顯降低!。圖3燃燒甲醇燃料對(duì)NOx排放值的影響曲線385單士睿:甲醇/柴油混合燃料的應(yīng)用2)如前所述的“微爆效應(yīng)”及混合燃料粘度變小等參考文獻(xiàn)因素的作用，使燃油霧化蒸發(fā)性能改善,改善了燃燒過1] 張百良農(nóng)村能源工程學(xué),北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 99:13-21.2]肖文安燃用甲醇.柴油混合燃料的研究，小型內(nèi)燃機(jī)199S(3):程，使排放下降。27-31.2.4NOx排放量的分析[3] 姚春德,王艷霞.柴油/甲醇組合燃料在增加柴油機(jī)上的應(yīng)用,車用柴油引|燃甲醇燃料對(duì)NOx排放值的影響如圖3所發(fā)動(dòng)機(jī),2005(6):46-48.示。甲醇作為主要燃料，顯著降低了NOx的排放值，[4] 崔心存內(nèi)燃機(jī)代用燃料.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 199:132154.在從小負(fù)荷到大負(fù)荷的整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi),NOx的排放[5]謝潔,盧紅兵柴 油-甲醇微乳化燃料的制備及燃燒特性研究,內(nèi)燃值較原柴油機(jī)降低61%~68%左右,這主要與甲醇的蒸機(jī)工程,2004(5):72-76.發(fā)潛熱有直接關(guān)系，它使最高燃燒溫度有所降低"。[6] Huang Z H, Wang H W. Chen H Y Study on CombustionCharacteristics of a Compression Ignition Engine Fueled with并且推遲燃料的噴射有利于NOx值的進(jìn)一步降低, 且Dimethy1 Ether, 199(8):9-13.負(fù)荷越大其降低NOx的效果越明顯。[7] Kjitani z, Chen L. Konno M Engine Performance and Exhaust3結(jié)論Characteristics of Direc-lijction Diesel Engine Operated with試驗(yàn)表明，在柴油機(jī)結(jié)構(gòu)不變的情況下:DME 1997(4):55-58.1)柴油機(jī)燃用乳化的甲醇-柴油混合燃料熱效率[8] Huang Z, Miao H, Zhou L. Jiang D Combustion Characteristics andHydrocarbon Emissions of a Spark Ignition Engine Fuelled with有明顯的提高，在中、高負(fù)荷時(shí)燃料消耗量明顯下降，Gasoline-Oxygenate Blends 2000:63-81.經(jīng)濟(jì)性好。[9] Huang Z H, Jiang D M, Zeng K, et al. Yang Z L Combustion2)平均節(jié)油率為9.5%。排煙得到顯著的改善，Characteristics and Heat Release Analysis of a DI CompressionNOx化合物明顯減少,大大減少了環(huán)境污染。Ignition Engine Fueled with Diesel-Dimethyl Cartbonate Blends,2003(6):39-44.3)在燃用混合燃料時(shí),滯燃期將延長,同時(shí)為了提[10] Murayama T, Zheng M. Chikahisa T Simultaneous Reduction of高柴油機(jī)的動(dòng)力性，--般又要增加噴油泵循環(huán)供油量,Smoke and NOx from a DI Diesel Engine with EGR and Dimethyl這使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作稍顯“粗暴”。Carbonate, 1995.