2007年11月農(nóng)業(yè)機械學(xué)報第38卷第11期柴油米糠油生物柴油-甲、乙醇混合燃料特性實驗董英林琳徐斌【摘要】利用三元相圖研究了柴油-米糠油生物柴油乙醇混合燃料在不同溫度和不同乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的穩(wěn)定性。選取不同配比的混合燃料對其燃料特性以及在發(fā)動機上燃用時燃燒和排放狀況進(jìn)行了研究,并與普通柴油進(jìn)行了比較。研究表明隨著溫度降低,三相系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低;乙醇的含水率對系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響,含水率越大系統(tǒng)穩(wěn)定性越差;混合燃料的燃料特性和普通柴油有一定差別,但總體上并不十分明顯;隨著混合燃料中乙醇含量增加,發(fā)動機輸出功率降低,有效燃油消耗率增加,但與普通柴油相差并不大CO、HC、NO2的排放量也隨著乙醇含量增加而增加。摻入米糠油生物柴油可以明顯改善柴油醇的燃料特性以及燃燒和排放狀況。關(guān)鍵詞:柴油米糠油生物柴油乙醇混合燃料燃料特性中圖分類號:TK464TK16文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AExperimental Study on Fuel Properties of Diesel-riceBran oil biodiesel-ethanol blendDong Ying Lin Lin Xu Bin(iangsu UniversVia the phase diagram of diesel-rice bran oil biodiesel-ethanol blends at different purities ofethanol and different temperatures, the stability of the mix fuel system was studied, Fuelproperties (such as density, heat of combustion, cetane number, flash point) of the selectedblends and their emissions performance in a diesel engine were examined and compared to those ofbase diesel. With decrease of temperature, the solubility of diesel-rice bran oil biodiesel-ethanolblends system was decreased. The moisture content of ethanol had a great influence on mixturesolubility. With increase of moisture content, the solubility of system was decreased. the fuelproperties of blend were similar to those of base diesel. with the ethanol content of blendsincreasing, the power was decreased and BSFC was increased. The CO, HC and NO, emissionswere increased when the ethanol content of blends was increased. The results show that the fuelcombustion properties and emissions of diesohol can be improved by adding rice branoil biodieselKey words Diesel, Rice bran oil biodiesel Ethanol, Blend fuel, Fuel properties引言然而由于柴油和乙醇在化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的不同使兩者在一般的溫度和含水率條件下不能相互溶柴油醇作為普通柴油的替代品,不需要對現(xiàn)有解,從而導(dǎo)致柴油醇燃料由于分層而變得不穩(wěn)定這的發(fā)動機進(jìn)行任何改造,不會增加額外的使用成本。一問題成為阻礙柴油醇推廣使用的“瓶頸”。目前有收稿日期:2006-12-20鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)攻關(guān)項目(項目編號:NY2006018)中國煤化工董英江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院教授博士生導(dǎo)師,212013鎮(zhèn)江CNMHG林葉江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院博士生徐斌江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院講師第11期董英等:柴油米糠油生物柴油-甲、乙醇混合燃料特性實驗兩種方法可以防止柴油醇的分層:加入乳化劑可以照上面的方法與柴油、RBD混合并進(jìn)行攪拌將得幫助形成由柴油包妻乙醇的細(xì)小的懸浮液滴;加入到的樣品在10℃下靜置7d,觀察樣品分層情況,利助溶劑可以與乙醇形成可溶于柴油的分子間化合用三元相圖對混合溶液穩(wěn)定性進(jìn)行分析。物,從而增加乙醇在柴油中的溶解度,來制備均勻、1.2.4發(fā)動機燃燒及排放實驗穩(wěn)定的柴油醇溶液口。通常情況下,乳化液的配制需實驗采用常州柴油機廠186型風(fēng)冷直噴柴油機要加熱和攪拌的過程。然而加入助溶劑可以實現(xiàn)柴(轉(zhuǎn)速3600r/min,燃油消耗率300g/(kW·h),功油和乙醇的快速混合,簡化了混合的過程2。但是,率6kW),在全負(fù)荷工況下,選取不同配比的混合燃由于摻入了乙醇,使柴油醇燃料的十六烷值降低,使料與柴油RBD對不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的燃燒及排放之很難在壓燃式發(fā)動機上應(yīng)用,發(fā)動機能否直接燃情況進(jìn)行比較實驗前發(fā)動機應(yīng)充分預(yù)熱,并調(diào)整噴用混合燃料將對發(fā)動機的動力性燃油經(jīng)濟性以及射壓力,保證每次實驗時發(fā)動機具有相同噴射壓力。排放指標(biāo)起決定性作用。生物柴油的十六烷值高利用 AVL AFA335型測功機測試發(fā)動機輸出功于普通柴油,在柴油醇中添加生物柴油,有望改善柴率,AVL735型油耗儀檢測發(fā)動機燃油消耗率。利用公油醇十六烷值低的狀況。因此對于柴油一生物柴油乙式:有效燃油消耗率=燃油消耗量(g)/(有效功率醇混合燃料的研究具有現(xiàn)實意義。kW)×柴油機工作時間(h),計算得到有效燃油本文對柴油生物柴油-乙醇三相系統(tǒng)的穩(wěn)定性消耗率。并用 Horiba meXA-7200D型氣體分析系以及相關(guān)的燃料特性如:十六烷值、密度、熱值、閃統(tǒng)對CO、HC、NO2排放情況進(jìn)行檢測。點、濁點等進(jìn)行研究。在發(fā)動機臺架上對混合燃料的燃燒及排放特性進(jìn)行實驗,并與普通柴油做比較,以結(jié)果與討論期找出不同配比對燃燒和排放性能的影響21柴油-RBD-甲醇系統(tǒng)穩(wěn)定性原料與實驗方法如圖1所示,在由柴油(D)、米糠油生物柴油(RBD)、甲醇(M所組成的系統(tǒng)中,柴油和RBD之1.1主要試劑及設(shè)備間可以完全相互溶解RBD和甲醇只能在很小的范實驗試劑:柴油(市場購得的-10號柴油),乙圍內(nèi)互溶,而柴油和甲醇之間則完全不能溶解在柴醇(上海振興試劑-廠,分析純),甲醇(上海振興試油和甲醇混合液中加入RBD可以增加它們之間的劑一廠,分析純)。米糠油生物柴油(RBD)為實驗室溶解度但是這個三相體系能穩(wěn)定的互溶區(qū)域很小自行制備,各項指標(biāo)均符合美國ASTM生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。故而甲醇不適合用于制備混合燃料驗設(shè)備:上海啟雙WL500CY型實驗室乳化機;Turb550IR型濁度儀;AVL735型油耗儀,Horiba MEXA-7200D型氣體分析系統(tǒng);AVLAFA335型測功機柴油1.2實驗方法1.21柴油-RBD-甲醇系統(tǒng)的穩(wěn)定性實驗將柴油、甲醇、RBD這3種成分分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0~100%的不同比例混合,使用乳化機進(jìn)行攪拌,攪拌均勻后,將樣品在10℃下靜置7d,觀察樣圖1D-RBD-M系統(tǒng)在10℃條件下的等溫穩(wěn)定性品的分層情況,利用三元相圖對混合溶液的穩(wěn)定性Fig 1 Isotherm of solubility of D-RBD-Msystem at1o℃進(jìn)行分析。12.2不同溫度下柴油RBD-乙醇系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗22溫度對柴油RBD乙醇系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響將柴油、乙醇、RBD3種成分分別按照質(zhì)量分如圖2所示,在由柴油(D)米糠油生物柴油數(shù)0~100%的不同比例混合,同上法,制備均勻溶(RBD)質(zhì)量分?jǐn)?shù)985%乙醇(E)所組成的系統(tǒng)中,液后,將樣品分別在10、0、-10℃下靜置7d觀察柴油和RBD兩相以及RBD和乙醇兩相之間可以完樣品的分層情況,利用三元相圖對混合溶液的穩(wěn)定全相中國煤化工間幾乎不能互溶性進(jìn)行分析。隨著目的溶解度相應(yīng)增1.2.3不同乙醇含水率條件下柴油-RBD-乙醇系加CNMHG夜區(qū)域隨著溫度增統(tǒng)穩(wěn)定性實驗加而增大,一10℃下的穩(wěn)定區(qū)域還不到10℃下的將質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%98%95%的乙醇分別按50%因此混合燃料在寒冷的冬季使用,其穩(wěn)定性將農(nóng)業(yè)機被學(xué)報2007年受到很大影響。1008910"a30圖3D-RBD-E系統(tǒng)在10℃下使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖2D-RBD-E系統(tǒng)在不同條件下的等溫穩(wěn)定性乙醇的等溫穩(wěn)定性Fig 2 Isotherm of solubility of D-RBD-E systemFig 3 Isotherm of solubility of D-RBD-E system at2.3乙醇含水率對糶油RBD乙醇系統(tǒng)穩(wěn)定性的10C using ethanol of different concentrations影響D7RBD30、D70RBD28E2。與柴油和RBD的燃料如圖3所示,在10℃條件下,由柴油、RBD、乙特性進(jìn)行比較醇所組成的系統(tǒng)中,隨著乙醇中含水率的增加三相已有的研究表明在現(xiàn)有的柴油機中燃用乙醇體系形成穩(wěn)定溶液的區(qū)域面積逐步減小。加入質(zhì)量可能會給發(fā)動機性能和耐用性方面帶來一些負(fù)面影分?jǐn)?shù)95%乙醇的三相體系的穩(wěn)定區(qū)域面積不足加響因為乙醇燃料特性和柴油(包括普通柴油和生物入9.9%乙醇的1/3。說明乙醇含水率對于柴油-柴油)差別很大,所以在柴油中摻燒乙醇可能會導(dǎo)致RBD-乙醇三相體系穩(wěn)定性的影響很大。故而在制混合燃料的一些指標(biāo)很難達(dá)到相關(guān)燃料標(biāo)準(zhǔn)的要備混合燃料時,應(yīng)該盡可能選用無水乙醇但考慮成求。本,實驗選用98.5%的乙醇配制混合燃料如表1所示,當(dāng)混合燃料中RBD和乙醇質(zhì)量分24柴油-RBD-乙醇混合液的燃料特性數(shù)增加時,燃料的熱值有所降低。這是RBD和乙醇根據(jù)圖2,分別在三元相圖中10℃下穩(wěn)定區(qū)域自身的熱值均較低所造成的。熱值低將直接影響到選取點D7ORBD20E10(其中數(shù)字分別表示各組分發(fā)動機的輸出功率。雖然RBD和混合燃料的熱值都的質(zhì)量分?jǐn)?shù))、D7OBD15E15;0℃下穩(wěn)定區(qū)域選取點低于普通柴油但是總體而言混合燃料的熱值和普D70RBD25E5;-10℃下穩(wěn)定區(qū)域選取點通柴油差別并不十分明顯,只低約10%喪1糶油RBD和不同組成混合溶液的燃料特性Tab 1 Fuel properties of diesel, RBD and different blends溶液種類指標(biāo)RBD D70RBD30 D70RBD28E2 D70RBD25E5 D70RBD20E10 D70BD15E15熱值/kJ·kg-14304639573409240335十六烷值45.750.844.6閃點/℃蒸汽壓力/kPa密度(20℃)/kg·m-3838.13884.49動力學(xué)粘度(40℃)/mm2·8-12.6364.1232.320殘?zhí)?%濁點/℃酸價/ mg KOH·g-10.240.23IA1ALA十六烷值隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低,因然魁汽與圍空氣形成的混合物在接為乙醇十六烷值較低,約為5~8。十六烷值偏低會近火中國煤化工溫度。隨著乙醇使滯燃期延長,產(chǎn)生不正常燃燒,以致工作粗暴,降質(zhì)量CNMHG是著降低。所以混低發(fā)動機功率。但是RBD的十六烷值高于普通柴合燃料的運輸、儲藏要求將更加嚴(yán)格,以保證其安全油,所以加入RBD可以提高混合燃料的十六烷值。性同時乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,使混合燃料的蒸汽壓第11蕈英等:柴油米糖油生物柴油-甲、乙醇混合燃料特性實驗明顯升高,這還可能導(dǎo)致燃料揮發(fā)性增加并出現(xiàn)汽低,但是RBD和所有混合燃料的濁點均高于普通柴阻油。銅蝕測試也和普通柴油基本一致,符合相關(guān)標(biāo)由于RBD的密度較高從而混合燃料的密度隨準(zhǔn)著RBD質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。一般認(rèn)為過高的密2.5柴油RBD乙醇混合燃料發(fā)動機實驗度會使流阻增大,導(dǎo)致溶液的粘度增加。而過高的粘2.5.1發(fā)動機燃燒實驗度會使燃料的噴射性能變差,影響發(fā)動機正常工作。因為RBD和乙醇中含氧量都高于普通柴油,也但是乙醇密度較低,過低的粘度又不利于發(fā)動機內(nèi)勢必使熱值低于普通柴油。故燃用含有RBD和乙醇部的潤滑會增加磨損混合燃料的動力學(xué)粘度和普的混合燃料輸出功率應(yīng)該相應(yīng)減少,而有效燃油消通柴油十分接近,符合柴油和生物柴油的標(biāo)準(zhǔn)故而耗率(BSFC)應(yīng)該相應(yīng)增加。如圖4、5所示,隨著乙在柴油醇混合燃料中摻入RBD既可以保證潤滑性醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加輸出功率略有減少,BSFC有所能,減少磨損,又可以防止粘度過高,改善混合燃料增加。雖然燃用RBD和混合燃料的輸出功率均低于的噴射性能。普通柴油BSFC均高于普通柴油,但是影響都并不混合燃料的濁點隨著乙醇加入量增加而逐漸降是十分顯著所以燃用柴油-RBD-乙醇混合燃料,D7ORBD30O D7ORBD20E10ORBDISE1512001600200024002800320020016002000240028003200轉(zhuǎn)速/rmin圖4不同組成的燃料在各種轉(zhuǎn)速下的輸出功率示意Fig.4 Comparison of power for test fuels at various engine speedsD70RBD25ES■D^0RBD28E222020016002000240028003200120016002000240028003200轉(zhuǎn)速rmin1圖5不同組成的燃料在各種轉(zhuǎn)速下有效燃油消耗率(BSFC)示意圖Fig 5 Comparison of BSFC for test fuels at various engine speeds完全可以保證現(xiàn)有發(fā)動機正常工作以發(fā)現(xiàn),在全負(fù)荷條件下,較高或者較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)2.52CO排放量速都會使CO排放量增加,而發(fā)動機中速運行時cO由于乙醇可以增加燃料中的含氧量,理論上乙排放量最低醇可以顯著降低CO的排放量。但是,在燃料中加入2.5.3HC排放量乙醇增加含氧量的同時,由于乙醇自身的十六烷值從圖7可以看出,單獨燃用RBD可以顯著降低遠(yuǎn)低于柴油所以使混合燃料的十六烷值也顯著降HC排放量,這是由于米糠油生物柴油具有較高的低。而降低十六烷值的負(fù)面影響甚至超過含氧量增十六烷值高的十六烷值可以使燃料的滯燃期短、容加所帶來的好處。從圖6可以知道柴油RBD乙易點燃,工作柔和,從而幫助燃料燃燒更加充分。同醇混合燃料的CO排放量隨著乙醇加入量增加而增時RBB凵中國煤化工充分也可以減少加。而單獨燃用RBD時,CO排放量顯著降低,這是HC的CNMH乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)由于RBD中約含有10%的氧,可以幫助CO在汽的增A。心明乙醇直接導(dǎo)致中充分燃燒,從而減少CO排放量。同時從圖6可了HC排放量的增加。這可能是由于隨著混合燃料農(nóng)業(yè)機被學(xué)報2007年12001600200024002800320020016002000240028003200轉(zhuǎn)速/r轉(zhuǎn)速/rm圖6不同組成的燃料在各種轉(zhuǎn)速下CO排放量示意圖Fig. 6 Comparison of Co emissions for test fuels at various engine speeds15X10D70RBD28E2■D0RBDl5E15L0x100.5×101200160020002400280032001200160020002400280032007.不同組成的燃料在各種轉(zhuǎn)速下HC排放量示意圖Fig.7 Comparison of HC emissions for test fuels at various engine speeds中乙醇所占比例增加,乙醇在汽缸內(nèi)噴射面積較大,乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,NO2的排放量也相應(yīng)增加致使其未能完全燃燒造成的。這可能是因為:①乙醇燃燒比RBD更加充分,使燃2.54NO2排放量燒溫度更高,從而增加了NO2排放。②隨著乙醇增如圖8所示,RBD和混合燃料燃燒后NO,的加,使混合燃料十六烷值降低。十六烷值對燃料的燃排放量均高于普通柴油這是由于RBD和乙醇的含燒有很大影響。由于混合燃料的十六烷值低,造成滯氧量均高于普通柴油,高的含氧量可以促使燃燒更燃期延長燃料和空氣混合物聚集在燃燒初期熱量加充分,相應(yīng)使汽缸內(nèi)的燃燒溫度更高,從而增加了快速釋放,造成汽缸內(nèi)的溫度過高,故而促進(jìn)了NO,的產(chǎn)生。從圖8還可以發(fā)現(xiàn)隨著混合燃料中NO,的形成D■D70RBD28E25104■D7 ORBDI5E15畫4×1074星2×104呈2×101X10-41X1012001600200024002800320020016002000240028003200轉(zhuǎn)速/rmin圖8不同組成的燃料在各種轉(zhuǎn)速下NO4排放量示意圖Fig. 8 Comparison of NO, emissions for test fuels at various engine speeds也有很大的影響隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低溶液穩(wěn)定3結(jié)論性也降低。所以應(yīng)該盡可能選用無水乙醇配置混合(1)甲醇很難和柴油RBD配制穩(wěn)定的混合燃燃料料,不適合用作制備混合燃料。柴油-RBD-乙醇三中國煤化工普通柴油有一定差相混合燃料的穩(wěn)定性隨著溫度降低而降低。在10℃C別,CNMH(以改善其燃料特性,以上可以很容易配制出穩(wěn)定的溶液,而在0℃以下使混合燃料和普通柴油的燃料特性總體上相差不溶液穩(wěn)定性較差。乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對溶液的穩(wěn)定性大下轉(zhuǎn)第35頁)第11期王昊宇等:壓縮點火天然氣發(fā)動機工作性能試驗減緩。(2)合理的副室和主室之間的通道尺寸可以實3結(jié)論現(xiàn)僅利用電熱塞輔助加熱即可在常溫進(jìn)氣條件下起動發(fā)動機。(1)電熱塞溫度和進(jìn)氣溫度對發(fā)動機的起動性(3)通過EGR對壓縮天然氣發(fā)動機燃燒和排有顯著的影響,提高電熱塞溫度和進(jìn)氣溫度有助于放性能的試驗研究可以發(fā)現(xiàn),合適的EGR率會使提高低溫化學(xué)反應(yīng)速率,并且噴涂低散熱涂層可以發(fā)動機在中高負(fù)荷運轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定,排放有所改善,但實現(xiàn)發(fā)動機的起動EGR率過高也導(dǎo)致發(fā)動機的燃燒狀況惡化。參事文獻(xiàn)Kubesh J T. 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