助溶劑對柴油乙醇混合燃料性能的影響

助溶劑對柴油乙醇混合燃料性能的影響

兩個問題：節(jié)能和環(huán)保。國家通過制定相關(guān)法律法規(guī)，限制汽車尾氣排放，降低能耗，增加新能源和代用燃料的研究投資。乙醇-柴油混合燃料是代用燃料研究的一個方面,其混合穩(wěn)定性及排放問題是其研究的主要方向。從理論上分析,醇類由于能增加乙醇柴油混合燃料之間的共價氫鍵數(shù)量,從而能作為乙醇柴油混合燃料的助溶劑使用。前期研究結(jié)果表明:碳原子數(shù)目小于10時,隨醇類碳原子數(shù)量的增加,其助溶效果可能會增強。結(jié)果是否如此,且使用上述燃料后的排放效果如何,需試驗驗證。本試驗基于此設(shè)計。1相測試1.1試料的放置和試驗方法試驗所用的原料為市售0#柴油(D100),純度為99.7%的燃料乙醇(E),醇類助溶劑(分別為正丁醇BL、正庚醇HL和正癸醇DL)。試驗時,試料的放置順序為柴油、乙醇和助溶劑;配比體積為:75∶20∶5,所形成的燃料分別為:BL5E20D75,HL5E20D75,DL5E20D75。采用機(jī)械攪拌器充分搖勻后靜置,分別在溫度T為0、10、20和30℃的恒溫條件下,觀察并記錄出現(xiàn)分層的時間(t/d)。試驗設(shè)備為:SHZ-88型水浴恒溫振蕩器,SCD-189GB型冰柜。1.2助溶溶劑碳原子數(shù)對助溶效果的影響乙醇和柴油剛剛混合時明顯分層,這是因為乙醇分子中既含有烴基又含有羥基,既有親油特性又有親水性。但由于乙醇分子中烴基碳鏈短,羥基極性較強而使乙醇分子更易和水分子以氫鍵互相結(jié)合,所以分層。加入助溶劑并搖勻后呈均勻溶合狀態(tài),這是因為正構(gòu)醇助溶劑的極性處于乙醇和柴油之間,其親水親油平衡值均在5～10之間,所以使得柴油乙醇穩(wěn)定互溶。過一段時間則永久分層,這是由于受油料氧化安定性差的影響,燃料中的成分被氧化,失去原有的結(jié)合能力,所以分層了。試驗結(jié)果見圖1。由圖1可知,醇類是比較好的助溶劑,碳原子數(shù)小于10時,隨著碳原子數(shù)的增加,助溶效果基本呈增大趨勢,正庚醇和正癸醇的助溶效果都大于正丁醇。10℃和30℃時助溶效果優(yōu)劣順序為:正癸醇>正庚醇>正丁醇,20℃時助溶效果優(yōu)劣順序為:正庚醇>正癸醇>正丁醇。配比油料的穩(wěn)定性也隨溫度的升高而增強,至30℃時,三種試驗油料均可穩(wěn)定存放30d以上。2排放試驗2.1發(fā)動機(jī)試驗方案將三種混合燃料(BL5E20D75,HL5E20D75,DL5E20D75)按順序及比例配好,充分搖勻后與原機(jī)(燃料為D100)做對比試驗。為便于試驗對比,所有試驗均在發(fā)動機(jī)暖機(jī)狀態(tài)(冷卻水溫度均達(dá)到85℃)以上穩(wěn)定之后進(jìn)行,包括排氣分析儀和不透光煙度計的預(yù)熱(提前預(yù)熱,大約30min)。試驗油路中殘留燃料的排除,均采用前一種燃料燃燒完畢,換用下一種燃料15min,等發(fā)動機(jī)狀態(tài)完全穩(wěn)定后,調(diào)節(jié)到需要測量的工況點正式進(jìn)行試驗。為了得到比較準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù),試驗過程中保證發(fā)動機(jī)冷卻水溫度在82～95℃之間,試驗數(shù)據(jù)在發(fā)動機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)下采集。2.2發(fā)動機(jī)燃油排放試驗試驗用發(fā)動機(jī)為一臺YC6J170-21型立式、直列、四沖程、直噴中冷車用柴油機(jī),其標(biāo)定功率為125kW(2600r/min),最大轉(zhuǎn)矩550N·m(1400～1700r/min),全負(fù)荷最低燃油耗≤200g/kW·h。試驗在100%負(fù)荷率下進(jìn)行。試驗所用設(shè)備:FC2000發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng);S6400測功機(jī);FTY-100不透光煙度計[分辨率0.1%(N值),0.001m-1(k值);示值誤差±2%],FC2210Z智能油耗儀;AVLELP-420排氣分析儀(分辨率為:CO0.01%vol;HC1000×10-6vol;NOx1000×10-6vol。)依據(jù)GB17691—2001車用壓燃式發(fā)動機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法和GB/T17692—1999汽車用發(fā)動機(jī)凈功率測試方法測試發(fā)動機(jī)的排放指標(biāo)。試驗裝置安排見圖2。2.3試驗結(jié)果2.3.1乙醇在燃燒過程中co的變化情況從圖3可以看出,各種燃料在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的CO排放都很低,約為0.01%,BL5E20D75油料還在1500r/min時,出現(xiàn)CO幾乎測量不出的程度,這與前人研究的結(jié)論相一致。這主要是由于乙醇沸點低,揮發(fā)性好,能迅速形成良好的混合氣。沒有出現(xiàn)由于乙醇蒸汽的冷卻作用造成的CO偏高的現(xiàn)象,這主要由于乙醇含氧量高,在燃燒過程中產(chǎn)生自供氧效應(yīng),更有利于促進(jìn)燃料的快速充分燃燒,所以生成的CO相對較少。由于本試驗在100%負(fù)荷率下進(jìn)行,這與文獻(xiàn)在大負(fù)荷氧氣不足的情況下,乙醇燃料有利于改善燃燒結(jié)論相符。2.3.2燃料的揮發(fā)性從圖4可以看出,隨助溶劑碳原子數(shù)的增加,HC排放增大。中、高轉(zhuǎn)速下混合燃料的HC排放比純柴油低。這可能由于隨碳原子數(shù)的增加,分子量加大,在一定程度上阻礙了燃料的揮發(fā)性,使燃料燃燒不充分造成HC排放增加,但由于乙醇的揮發(fā)性好,易于與空氣形成混合氣,增加了縫隙效應(yīng),所以總體來說,混合燃料的HC排放比純柴油要好。圖4顯示:以正丁醇為助溶劑的混合燃料表現(xiàn)最為優(yōu)異。2.3.3混合燃料中助溶劑碳化吸熱對流量的影響從圖5可以看出,混合燃料的NOx排放比純柴油低,這是由于柴油中摻混的乙醇汽化潛熱大,噴射過程中汽化吸熱從而降低了缸內(nèi)溫度。且混合燃料中隨助溶劑碳原子數(shù)的增大,燃料組分分子量增大、密度增高,燃料霧化過程吸熱越多,上述兩者共同作用,造成缸內(nèi)溫度降低明顯,抑制了NOx的生成。圖5顯示:以正丁醇為助溶劑的混合燃料表現(xiàn)最為優(yōu)異。2.3.4乙醇對柴油碳煙的阻燃效果從圖6可以看出,隨轉(zhuǎn)速的增大,各樣品碳煙排放增加,混合燃料的碳煙增加平緩;高速下,混合燃料的碳煙排放優(yōu)于純柴油。主要是由于乙醇含氧量高,在燃燒過程中可提供較多的氧,減低了燃料濃混合區(qū)缺氧的程度,在一定程度上抑制了碳煙的生成;又由于乙醇具有良好的揮發(fā)性,促進(jìn)了燃料與新鮮空氣混合的均勻性,加速了混合氣形成,降低了缸內(nèi)空燃比的不均勻性,縮短了擴(kuò)散燃燒期,有利于燃料快速充分燃燒,而碳煙主要是在擴(kuò)散燃燒過程中生成,所以柴油中摻入乙醇后,能大大改善柴油機(jī)的碳煙排放。以正丁醇為助溶劑的混合燃料表現(xiàn)最為優(yōu)異。這與邢元等得出結(jié)論一致。3混合燃料的穩(wěn)定性(1)醇類可以作為乙醇柴油混合燃料的助溶劑,且碳原子數(shù)小于10時,隨碳原子數(shù)的增加,助溶效果越好,混合燃料的穩(wěn)定性增強;隨溫度的升高,乙醇柴油混合燃料的穩(wěn)定性變好。(2)混合燃料的排放總體上優(yōu)于純柴油,在100%