（动力机械及工程专业论文）乙醇柴油乳化燃料的实验性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 当前，全世界正面临着又一次的能源危机，石油作为不可再生资源，其储 存量正在日益减少。我国也早己由石油出口国变成石油进口国了，而且进口量 每年都呈大幅度递增趋势。如何解决日益严峻的能源问题，已经成为摆在国人 面前的一个刻不容缓的问题了。另一方面，人们的环保意识越来越强，制定了 更加严格的排放法规，我国也在2 0 0 5 年推出了新的排放标准。面对着能源的日 益短缺和排放法规的曰益严格，开发新型的无污染的清洁代用燃料对于汽车未 来的发展就显得格外重要和必要了。新型的无污染的清洁汽车代用燃料很多， 本文重点研究了乙醇一柴油乳化燃料对发动机动力性、经济性和排放特性的影 响。 文章首先从开发代用燃料的必要性出发，通过对汽车代用燃料的发展状况 和未来车用发动机的发展趋势的阐述，指出了本课题的研究意义、研究内容以 及研究中的重点难点等问题。 文章的主体部分重点阐述了乙醇一柴油乳化燃料的乳化理论基础，乙醇和 柴油的乳化，以及乙醇一柴油乳化燃料的发动机台架试验。在乳化理论部分， 阐述了乳状液的形态和特性、常用乳化剂的选择、乳状液不稳定的方式以及影 响乳状液稳定性的因素。在乙醇一柴油乳化燃料的配制部分，介绍了乙醇和柴 油的理化性质以及本课题试验所用乳化剂和乳化方案，并且通过试验和数据指 出了配制的乳化燃料在理化性质上的改变。在发动机台架试验部分，通过实验 获得数据及曲线图，分析了乙醇一柴油乳化燃料对发动机动力性、经济性以及 排放特性的影响。 文章最后总结了乙醇一柴油乳化燃料在车辆上应用存在的问题以及初步的 解决方案。最后，文章对本次实验性研究进行了总结，指出了柴油掺烧乙醇的 前景。 关键词：柴油，乙醇，乳化，动力性，经济性，排放特性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e s e n t l y , t h e w o r l di s f a c i n g a n e n e r g yc r i s i s ，t h ep e t r o l e u m i s t a k i n g t h e n o n r e n e w a b l er e s o u r c e s ，i t ss t o r a g ec a p a c i t yi sr e d u c i n gd a yb yd a y o u rc o u n t r y a l s o a l r e a d yc h a n g e df r o mt h ep e t r o l e u me x p o r tc o u n t r y t ot h ep e t r o l e u mi m p o r t c o u n t r y , m o r e o v e r t h ei m p o r tv o l u m ea s s u m e de v e r yy e a ri sa l a r g es c a l ei n c r e a s e i n g t e n d e n c y h o wt os o l v e t h ei n c r e a s i n g l ys t e me n e r g yp r o b l e m ，a l r e a d yb e c a m ea n u r g e n tq u e s t i o ns u s p e n d i n g i nf r o n to fap e o p l e o nt h eo t h e r h a n d ，p e o p l e s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s si sm o r ea n dm o l es t r o n g ，a n dh a sc o n s t i t u t e d m o l es t r i c tl a w sa n dr e g u l a t i o n s ，o u rc o u n t r yh a sa l s o d i s c h a r g e d t h e i m p r o v e d s t a n d a r di n 2 0 0 5 f a c i n gd a yb yd a ye x h a u s t i n ge n e r g ya n dt h e s t r i c t e rl a w sa n d r e g u l a t i o n s ，i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n ta n de s s e n t i a lt od e v e l o pn e wn o n p o l l u t i o na n d c l e a na l t e m a t ef u e lf o rt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei nt h ef u t u r e t h es o r to fn e w n o n p o l l u t i o n a n dc l e a na u t o m o b i l ea l t e r n a t ef u e li s v e r ym a n y , t h i sa r t i c l e h a s s t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fe t h a n o l - d i e s e lo i le m u l s i f i c a t i o nf u e lt ot h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，f u e le c o n o m y a n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fad i e s e l e n g i n e e m p h a t i c a l l y t h ea r t i c l ef i r s te m b a r k sf r o mt h en e c e s s i t yo f d e v e l o p i n ga l t e r n a t ef u e l ，t h r o u g h e l a b o r a t i n gt h ea h t o m o b i l ea l t e r n a t e f u e ld e v e l o p m e n tc o n d i t i o na n dt h ei n c o m i n g v e h i c l e e n g i n ed e v e l o p m e n tt e n d e n c y , h a sp o i n t e d o u tt h i s t o p i c r e s e a r c hi n s i g n i f i c a n c e ，r e s e a r c hc o n t e n ta sw e l la sr e s e a r c hq u e s t i o na n d s oo n k e yd i f f i c u l t y t h ea r t i c l em a i nb o d yp a r t i a le l a b o r a t e st h ee t h a n o l d i e s e lo i le m u l s i f i c a t i o n f u e le m u l s i f i c a t i o nr a t i o n a l ew i t he m p h a s i s ，t h ee m u l s i f i c a t i o no ft h ee t h a n o la n dt h e d i e s e lo i l ，a sw e l la st h ed y n ee x p e r i m e n to fad i e s e le n g i n eu s i n ge t h a n o l d i e s e lo i l e m u l s i f i c a t i o nf u e l w e r ep a r t i a li nt h ee m u l s i f i e dt h e o r y ，e l a b o r a t e st h ee m u l s i o n s h a p ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ec o m m o n l yu s e de m u l s i f i e rc h o o s i n g ，t h ee m u l s i o n u n s t a b l ew a ya sw e l la st h ef a c t o ri n f l u e n c e st h ee m u l s i o ns t a b i l i t y i nt h ee t h a n o l - d i e s e lo i le m u l s i f i c a t i o nf u e lc o n f i g u r a t i o np a r t ，i n t r o d u c e st h ee t h a n o la n dt h ed i e s e l o i lp h y s i c sa n dc h e m i s t r yn a t u r ea sw e l la st h i st o p i cl a b o r a t o r yw i t ht h ee m u l s i f i e r a n dt h ee m u l s i f i e dp l a n ，a n dh a sp o i n t e do u tt h ec o n f i g u r a t i o ne m u l s i f i e df u e li n p h y s i c sa n dc h e m i s t r yn a t u r ec h a n g et h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n dt h ed a t a i n t h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 e n g i n ed y n ot e s tp o r t i o n ，o b t a i n s t h ed a t aa n dt h ed i a g r a mo fc u r v e st 1 1 f o t i g ht h e e x p e r i m e n t ，h a sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h ee t h a n o l d i e s e lo i le m u l s i f i c a t i o nf u e l t oe n g i n ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，f u e le c o n o m ya sw e l la se m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c t h ea r t i c l ef i n a l l ys u m m a r i z e dt h eq u e s t i o n so fa p p l y i n gt h ee t h a n o l - d i e s e lo i l e m u l s i f i c a t i o nf u e lt ot h ev e h i c l e sa sw e l la st h ep r e l i m i n a r ys o l u t i o n s f i n a l l y , t h e a r t i c l eh a sc a r r i e do nt h es u m m a r yt ot h i se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，h a sp o i n t e do u tt h e p r o s p e c t o f u s i n g e t h a n o ld i e s e lb l e n d s k e yw o r d s ：d i e s e lo i l ，e t h a n o l ，e m u l s i f i c a t i o n ，d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，f u e l e c o n o m y e m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 汽车，是2 0 世纪最为重大的发明之一，其在社会经济发展中扮演了重要的 角色。从它诞生的那时起，作为交通工具，它使人们真正实现了日行千里的梦 想；作为身份和地位的象征，它也尽显尊贵奢华；作为一个产业，它更是一个 国家的支柱产业。可以说，汽车是人类最伟大的发明之一，它加速了人类社会 的发展。 然而，任何事物都有其两面性，有利必然有弊。随着生产力和人类社会的 飞速发展，汽车这柄双刃剑也逐渐让人们领教到它锋利的另一面了。 汽车在其诞生的近1 1 0 年里，一直都是以汽油和柴油为燃料。众所周知，汽 油和柴油都是从石油中提炼出来的，而石油是不可再生资源，且储量有限，总 有枯竭的一天。1 9 7 3 年、1 9 7 8 年和1 9 9 1 年的三次石油危机对世界经济造成了 巨大的冲击，也使人们意识到面临着无油可采的危机。现在全世界汽车年产量 己超5 0 0 0 万辆，保有量已超过6 亿辆。在美国每1 3 人就有一辆轿车，在欧洲 每1 5 人有一辆，在日本则为每2 人一辆。这些数字意味着全世界汽车每年耗用 大量的石油资源，同时对大气造成极大的污染。据统计每年汽车尾气约排放2 亿吨有害气体，占大气污染总量的6 0 以上，是公认的污染大气的“头号杀手”。 因此，汽车工业的飞速发展在给人类生活带来极大便利的同时也给地球环境带 来了极大的破坏。 1 1 开发代用燃料的必要性 1 1 1 石油资源的现状 人类在用能源的9 0 是不可再生能源，石油占主要份额。世界石油资源相 对比较丰富。目前，世界石油剩余探明可采储量为1 4 1 3 g t ，按照2 0 0 1 年的产 量水平还可以延续开采4 0 多年。在过去的2 0 多年中，尽管主要石油生产国和 国际大石油公司的储量替代率都超过了1 0 0 ，但同期产出仍达6 0 g t 原油。近 年来，随着勘探技术进步、浅海和大陆架等新区的发现，世界剩余的探明可开 采储量不仅没有减少，反而从1 9 7 9 年末的8 8 3g t 增加到1 9 9 9 年末的1 4 0 4 g t 。 由此可见，未来2 0 年里，世界石油产量保持1 4 的增长速度是可能的。据有关 武汉理工大学硕士学位论文 机构预测，2 0 2 0 年前后，世界石油产量将达到4 5g t 的高峰。按目前1 6 的消 费增长速度计算，2 0 年内世界石油供需可大体保持平衡。但是，全球资源分布 和消费格局的不一致，资源供需矛盾突出，使资源竞争日趋激烈。 近年来，我国对进口石油的依赖程度迅速增加，2 0 0 0 年进口石油近7 0m t ， 2 0 0 5 年将进口约1 0 0m t ，占全年国内石油消费量的1 3 左右。根据国际机构预 测，中国石油消费量将从2 0 0 0 年的每天4 7 8 万桶上升到2 0 2 0 年的每天1 0 5 0 万桶， 届时，中国将超过日本成为亚太地区第一大石油消费国、全世界第二大石油消 费国。我国整体上属于资源短缺的国家，随着我国石油缺口越来越大，我国对 国外石油的依存度也将进一步加大，今后世界石油市场的供求变化、暂时和局 部的短缺、油价的异常波动以及政治动荡等，势必会对我国石油供给产生巨大 冲击，进而危及国家经济安全。 近五年，我国汽车工业发展速度很快，保有量以每年1 0 以上的速度在增 长，轿车生产的速度达到1 5 2 0 。而且，在国外发达国家轿车保有量一般占 汽车车总数的7 0 以上，我国仅为3 0 左右，轿车发展空间很大。由于车辆的 快速增长，汽柴油需要量也呈现较大的增长速度，从1 9 9 5 年到2 0 0 2 年，汽柴 油需要量从7 7 0 0 万吨，增长到1 2 4 0 0 万吨，增长率达到7 0 4 。一般汽柴油要 占到原油加工量的5 0 以上。原油加工量从1 9 9 5 年的1 4 9 亿吨，增长到2 0 0 0 年的约2 2 亿吨。增长率达到8 1 1 。高速增长的石油需求给石油开采和炼制工 业带来压力，国内原油资源缺乏，9 0 年代以来，原油产量年均增长仅为2 5 0 多 万吨左右，2 0 0 2 年总产量达到1 6 7 亿吨。仅满足需求量的7 6 左右，缺口都是 由进口原油解决。 截至2 0 0 0 年底，我国原油剩余探明储量为3 3 g t ，占世界总量的2 3 。1 9 7 3 年石油危机后，石油资源的生命周期受到重视。我国石油资源究竟能维持多久， 各界专家有不同见解，来自美国能源部悲观的估计是1 9 年，计算的基础是假定 石油探明储量的增长率与石油消费量的增长率相等：乐观的估计是最少6 3 年， 计算的基础是原油年产量2 0 0m t ，未顾及消费量的增长。一种清醒的估计是， 2 0 5 0 年后，石油作为运输能源的应用逐渐减少，代用燃料用量增加。 我国汽车工业已经步入发展阶段，2 0 0 3 年汽车保有量已达到至少1 亿辆， 每年需要5 0 0m t 石油。为了节省石油资源，减少对进口石油的依赖，代用燃料 的研究与开发是十分必要的。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 汽车排放对环境的影响 1 9 9 9 年9 月，世界自然基金公布了当年环境指数，报告显示从1 9 7 0 1 9 9 5 年，全球环境指数下降了3 0 左右：在大气污染中，汽车尾气排放所造成的污 染占大气污染的6 0 7 0 。美国温室气体排放c o z 、c h 4 和n 0 2 占全球温室气 体排放的2 3 ，其运输部门排放占全美温室气体排放的2 9 ，随着车辆数量的 增加，这个比例还在直线上升。在我国，近年来上海城区内机动车排放的c o 、 h c 和n o x 已分别占总排污负荷的8 6 、9 0 和5 6 ：北京在非采暖期，城区 内机动车排放的c o 、h c 和n o x 已分别占总排污负荷的6 0 、8 6 8 和5 4 7 。 可见城市机动车排放污染日趋严重。而且我国汽车拥有量正以年平均增长率1 3 的速度增长。因此，汽车是导致城市污染和全球变暖的主要污染源之一。 日本科学技术厅地球尖端研究所通过一系列数据分析和电脑模拟实验得出 结论：以目前地球上的c 0 2 增长速度来计算，2 1 世纪后半段c 0 2 的浓度将是目 前的3 倍，地球的平均气温将上升1 2 。 伴随着全球人口膨胀和经济发展而来的是一系列的负面影响：地球变暖、 能源消耗和地球自然资源被破坏这些都日益成为人们关注的问题发展 必须是可持续性的。美国加州就有法案规定：到2 0 0 3 年，所有在用车辆的1 0 必须是无污染的零排放车辆，类似的立法在全球范围内也必将越来越多、越来 越严。 目前，欧洲、美国正在实施真正意义上的低污染排放标准，即欧i u 排放标 准或美国t i e r 标准。他们在前一阶段的基础上，削减了一半的污染排放量。2 0 0 4 年，又己经将排放限值减低了一半，达到超低污染排放要求。欧洲排放标准详 见表1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 欧洲排放标准 法规名称车型c o h c n o xh c + n o xp m实施日期 ( g a c m )( g k m )( g k m )( g k a n )( g k m ) 欧洲i 号汽油车2 7 20 9 7o 1 4形式认证1 9 9 2 7 1 柴油车3 1 61 1 30 1 8 一致性认证1 9 9 2 1 2 3 1 欧洲i i 号汽油车2 20 5形式认证1 9 9 6 1 1 非直喷1o 7o 0 8一致性认证1 9 9 7 1 1 柴油车 直喷柴1o 90 1 油车 欧洲i i i 号汽油车2 3o 20 1 5形式认证2 0 0 0 1 1 柴油车0 6 4 0 5o 5 6o 0 5一致性认证2 0 0 1 1 1 欧洲号汽油车1o 1o 0 80 0 2 5形式认证2 0 0 5 1 1 柴油车o 5 o 2 50 3一致性认证2 0 0 6 1 1 2 0 0 5 年4 月5 日，我国又出台了轻型汽车污染排放物限值及测量方法 ( 中国i i i ，) 国家标准g b l 8 3 5 2 3 - - 2 0 0 5 。本标准与g b l 8 3 5 2 2 - - 2 0 0 1 相比， 主要变化如下： 一加严了排放限值；、 一改变了i 型试验和试验的试验规程； 一增加了型试验的要求、双怠速的试验内容、车载诊断( o b d ) 系统及 其功能要求、在用车符合性检查及其判定规程、燃用l p g 或n g 轻型车的特殊 要求和作为独立技术总成替代用催化转化器的型式核准要求： 一修订了实验用燃料的技术要求。 这个最新的标准自2 0 0 7 年7 月1 日起实行施，自实施之日起替代g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 。表1 2 是i 型试验排放限值。 4 武汉理工大学硕士学位论文 表1 2i 型试验排放限值 基准质量m 值帕m ) ( r m )一氧化碳硅氢化台糟氰氧化台物礁氢化古物和顿粒物 ( k g )( n o x )氰氧化台协 【i i c + n o x ) 阶段类别级别汽油柴油汽油柴油汽油柴油汽油紫油柴油 i 鹅一全部 粪车 第二i 类车 i i1 3 0 5 r m 1 7 曲 吡 5 ，2 2 j v第一全部 类车 第二l 擞车 i i 吡2 ” 因此汽车对环境的影响成为当今所有汽车厂家以及环保人士最关心的问 题，对现有内燃机的改良以及对燃油品质的改善固然是两个可行的举措，但是 开发新型环保的代用燃料则是解决汽车对环境影响以及能源短缺的一个一举两 得的良策。 1 2 汽车代用燃料的发展状况 1 2 1 综述 关于代替石油的代用燃料在内燃机上的应用在世界范围内已经进行了大量 的研究，部分已经实用化。且有些非石油燃料的应用，还有降低排放的可能， 但在这方面不能盲目乐观，而要进行客观的评价。目前研究较多的是天然气、 武汉理工大学硕士学位论文 液化石油气、生物柴油、甲醇、乙醇、二甲醚等代用燃料。 天然气的成分以甲烷为主，其化学活性很差，使用催化剂促进其氧化的过 程比汽油困难，而天然气发动机需要满足越来越严格的排放法规，催化转换器 仍是必不可少的。而且，天然气由于十六烷值低，因此，不能直接用于压燃式 发动机。对移动式动力装置如汽车来说，需要2 0m p 。3 0m p 。的高压气瓶来储 存天然气，而建设高压加气站网络需要巨额的投资，如没有足够复盖的网络就 会限制天然气汽车的机动性。由此可见，在目前阶段，以天然气作为燃料的发 动机缺乏机动性，总体上不可能与汽油机和柴油机竞争，只能适用于局部地区 和局部行业。 将植物油与低分子醇( 通常是甲醇) 在氢氧化钠的催化下进行酯基转移反 应，便能得到一种新型燃料生物柴油。生成的生物柴油主要成分是甲酯， 相对分子质量降为3 0 0 左右，与柴油的相对分子质量较接近。生物柴油有优良 的环保特性。含硫量低，不含芳香烃。与普通柴油相比，燃用生物柴油车辆的 s 0 2 排放减少约3 0 ，尾气中有毒有机物排放量仅为1 1 0 、颗粒物为2 0 、c 0 2 和c o 排放量仅为1 0 ；废气排放指标可满足欧洲i i 号和号排放标准。生物柴 油有较好的发动机低温启动性能，冷凝点可达2 0 ；有较好的润滑性能，可降 低喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率，延长其使用寿命；有较好的安全性能， 闪点高，不属于危险品。生物柴油还有良好的燃料性能，十六烷值高，燃烧性 能优于普通柴油。生物柴油作为一种可再生能源，资源不会枯竭。 二甲醚燃料可以从甲醇或天然气中制取，生产工艺成熟。其十六烷值很高， 特别适用于在压燃式发动机中使用。其分子中含氧，易于蒸发，并在压燃式发 动机中燃烧时不冒黑烟，微粒排放接近于零。二甲醚的物理特性接近液化石油 气，用于压燃机时燃料供给系统需从新设计，但预计不会有克服不了的困难。 但因为其生产、储存、销售及分配是一个极其复杂的系统，综合影响尚待仔细 研究。所以，虽然二甲醚很有前途，但短期内不可能推广。 甲醇和乙醇是很好的内燃机燃料，他们含氧，燃烧易于完全，作为燃料的 理化性能与汽油比较接近f 见表1 - - 3 ) ，并且从汽油发动机改造成醇类燃料发动机 并没有很大困难。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 3甲醇、乙醇与汽油的理化性质比较 性质甲醇乙醇汽油 含氧量( ) ( 质) 5 0 03 4 8o 沸点( ) 6 57 83 5 - 2 1 0 雷诺饱合蒸气玉, ( k p a ) 3 21 65 5 - 1 0 3 低热值( m j 俺) 1 9 92 6 8约4 2 7 蒸发潜热( m j k g ) 1 1 70 9 3约0 1 8 理论空燃比6 4 5 ：1 9 0 ：1 1 4 9 ：1 理论混合气热值( m j k g ) 3 0 83 o o约2 9 0 r o n1 0 91 0 99 0 1 0 0 m o n8 99 08 0 9 0 着火浓度极限( ) ( 质) 1 4 - 7 66 7 3 64 3 1 9 甲醇辛烷值高，适用于点燃式发动机。但发动机使用甲醇燃料，会产生有 毒的醛类排放。此外甲醇对人体毒性较大，它对金属有腐蚀作用，对橡胶皮革 有溶涨作用，会使塑料提早老化，这些缺点使甲醇在实际应用中受到了较大限 制。甲醇可从煤或天然气中制取，原料丰富，工艺成熟，但设备投资巨大。 乙醇本身无毒，是汽油机很好的代用燃料。如果从农作物中提炼乙醇，可 以实现燃料生产和使用循环中碳的平衡，有利于缓解棘手的c 0 2 温室效应问题。 生产乙醇最好的原料是粮食，但一定要在粮食完全过关的基础上才能大量利用 粮食生产乙醇。乙醇的生产工艺也是一个问题，因为传统的乙醇生产工艺本身 要消耗大量的能源，必须加以改进，并对副产品加以综合利用，才能具有经济 上的可行性。 1 2 2 燃料乙醇的研究和应用 乙醇燃料应用于车用发动机在技术上是完全可行的。乙醇的辛烷值比汽油 高，并且着火燃烧浓度极限比汽油的范围宽得多，乙醇中含氧，汽油中添加一 定比例的乙醇后，不仅能部分替代汽油，还可以改善燃烧，降低有害排放。乙 醇的主要特性示于表1 - - 4 。 武汉理工大学硕士学位论文 表l 一4 乙醇的基本物化性质 分子量4 6 0 6 9体积热值，k j l 12 1 2 6 含氢量，0 1 3 1 3摩尔热值，k j m o l 12 6 7 含氧量，0 3 4 7 3着火温度，4 3 4 含碳量，0 5 2 1 4与空气混合着火界限6 0 3 6 5 密度( 2 0 。c l f j - ) ，k g - l 1 0 7 8 9 3辛烷值( m o n )9 0 9 4 液态粘度( 2 0 * 0 时) ，m p a - e 1 2 0 0辛烷值( r o n )1 0 0 1 1 2 气态粘度o o o 。o 时) ，m p a e 0 1 6 6十六烷值8 液态比热容，k j ( k g k ) 。 2 - 3 4 2 理论空然比a v , k g - k 9 1 8 4 5 汽化热，k j k 乎1 8 5 4沸点，7 8 4 凝点，1 1 7 3理论分子变更系数1 0 6 3 3 低热值，m j k g 1 2 6 7 3 3最小点火能量，m j0 6 9 乙醇的密度略大于汽油，而低于柴油；其汽化潜热明显高于汽油和柴油的 汽化热。乙醇的粘度大于汽油而低于柴油，这对于喷射的雾化是十分有利的， 用乙醇作为柴油机的燃料可以获得良好的雾化效果，使燃烧更充分，热效率更 高，并可降低缸内最高温度。乙醇的低热值相当于汽油的6 0 9 ，相当于柴油的 6 2 8 ，但从相对能耗的角度看，其热效率并不比汽油和柴油低。 由于乙醇的物化性质更适合点燃式的内燃机，所以乙醇在汽油机上的应用 技术已经相当成熟了，而在柴油机上的应用则还处于试验研究阶段。 汽车使用汽油乙醇混合燃料在国外已经得到了比较系统的研究，实际应用 也比较成熟。巴西和美国已经大量使用汽油醇( e 1 0 ) ，在燃料乙醇和乙醇汽油 的生产和应用方面已经形成了完备的技术规范和管理章程。迄今为止，美国已 累计销售了6 0 0 0 亿加仑以上的乙醇汽油。巴西根据自己的国情采用e 2 0 。目前 巴西年产乙醇约1 3 0 亿l ，约3 0 0 万辆汽车使用纯乙醇燃料，1 2 0 0 万辆汽车使 用2 2 乙醇混合燃料，乙醇汽油使用量已占汽车燃料的4 3 ，成为世界上惟一 不供应纯汽油的国家。销售的全部小汽车中，乙醇汽车约占3 0 4 0 ，在南美 最大的城市圣保罗，2 3 0 万辆运行的小汽车中有1 1 0 万辆用乙醇燃料。对于这两 种燃料，市场上的汽车可以不作任何改动加以应用，且不影响汽车的性能。关 于燃料的运输和补给，可以利用现有的运输加油系统，无需再进行大的基础设 施投资。美国也销售e 8 5 汽油，使用这种燃料的汽车是专用的，只能在有这种 燃料销售的地区使用。e 8 5 的加油站不同于普通的加油站，若要推广则需要投 武汉理工大学硕士学位论文 资建设大量的基础设施。 对于使用化油器的汽车，可以用化醇器供醇法，只需加大化油器主量孔、 减薄气缸盖垫片增加压缩比，即可达到保持原机功率的目的。现代汽油机常用 直接喷油法，乙醇可以通过与汽油混合形成乙醇汽油，由现有的喷油器直接喷 入进气支管或气缸，这样可以更好地使汽油和乙醇混合，而且更好地控制燃烧、 调节喷醇量和喷醇时间。目前，在汽油机上使用乙醇的技术已经比较成熟，关 键是需要国家产业政策的支持，使消费者和制造厂商都能从中获益，以创造适 合其市场化的条件。 乙醇在柴油机上的应用要远逊于在汽油机上的应用，其主要原因是柴油与 乙醇不能互溶，掺烧困难，此外乙醇燃料十六烷值低，在柴油机上需用柴油引 燃或点火塞点燃，要对燃烧系统做较大改动。国外曾经有研究者在柴油机进气 管上或缸盖上加装乙醇喷射器，按设定的比例进行乙醇和柴油的缸内混合，混 合的比例可以在相当宽广的范围内调整，在进气管内喷射可以降低进气温度( 乙 醇的汽化潜热比较大) 以利于提高进气量，并且对乙醇喷射系统要求不高；但 混合的比例不能太高，否则起动困难。缸内乙醇喷射按理论能实现以任意比例 与柴油混合，但是这种方案要求另外加装一套控制精度与柴油喷射相当的喷射 系统，控制上难度较大。另一方面，这两种方案都使乙醇在柴油机上应用的成 本明显提高，因此实际应用比较困难。目前国内外有关机构正在研制能使乙醇 与柴油互溶的助溶剂，生成柴油醇( d i e s o h 0 1 ) ，这样可以在发动机不作改动或是 很少改动的情况下使用柴油醇燃料，满足发动机经济性、动力性和环保的要求。 国外从上世纪8 0 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a d m 公司已开展了乙醇柴油的研究工作，含( 体积分数) 乙醇1 5 、 其它添加剂5 、柴油8 0 的乙醇柴油已在柴油车上进行了3 8 6 k m 的行车试验。 泰国科学技术和环境部、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2 0 世纪9 0 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。可以说对柴油乙醇的利用，国内仍然处于探索阶 段。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 车用发动机柴油机化 近年来，在世界范围内车用发动机出现柴油机化的趋势，这主要是由于柴 油机比功率大、寿命长且经济性好，安装调试也比较方便；并且由于电子控制 等新技术的应用，使得柴油机的排放已经能够符合现行的排放法规。而汽油机 虽然也大量应用电子控制技术，使得排放得到了很大程度的降低，但是汽油机 效率低、温室效应气体排放高等缺点使得柴油机的应用变得越来越广泛。 柴油机与汽油机相比，具有热效率高、排放性能好、低速扭矩大和良好的耐 久性和可靠性等特点。尤其是柴油机的高燃油经济性和低排放性的特点，使车 用动力柴油机化成为不可逆转的国际潮流。图1 1 是欧、美、日及我国的车用 柴油机占车辆总数的份额图。 固 图1 1 各国车用柴油机占车辆总数的份额图 另外，据统计，2 0 0 0 年欧洲柴油轿车的产销量已占到当年轿车总产销量的 2 7 ，有专家预测，随着欧洲“3 l 轿车研发计划”和美国“p n g v 计划”的实施，到 2 0 2 0 年，全世界9 0 以上的轿车和小客车将以柴油机作为配套动力。可见发展 新的柴油车有广阔的前景。 1 4 本论文的主要任务 1 4 1 本课题的研究意义 目前，在我国生产燃料乙醇的项目已列入国家“十五”示范工程重大项目，乙 醇将有望作为汽油添加剂逐步取代m t b e ，柴油醇燃料研究已实质性启动。2 0 0 1 年4 月国家推广应用车用乙醇汽油试点项目之一的3 0 万吨变性燃料乙醇项目， 武汉理工大学硕士学位论文 在南阳天冠集团公司正式投产，河南省政府在部分地区开始车用汽油醇应用的 示范。在长春一个用玉米为原料、年产6 0 万吨燃料乙醇工程已开工，这是我国 目前最大的燃料乙醇生产项目，生产规模在世界范围也位居前列。在我国广西 壮族自治区出产一种易于种植的作物木薯，非常适合于生产酒精，目前自治区 政府用木薯作为原料生产乙醇燃料的项目正计划上马。 可见，国家对燃料乙醇是十分重视的。另一方面，车用动力又面临着柴油 机一统天下的局面，因此本论文选择以柴油机为依托，进行柴油机掺烧乙醇的 试验研究。该项试验研究有着十分广阔的发展前景，它可以缓解今后石油短缺 的危机，因此对国家能源安全和国民经济也是有很重大的实际意义的，而且柴 油乙醇能够大幅度的降低柴油机碳烟、颗粒物、h c 等有害物的排放。 1 4 2 本课题研究的内容 本课题，旨在希望通过对国内外的同类研究进行调研分析，利用现有的实 验条件，进行大量的试验，以解决目前这个领域中存在的一些重大问题，并在 实验过程中寻求新的突破点。在整个实验过程中，拟定做三大试验： 1 、柴油乙醇的物化试验，即研究柴油与乙醇的互溶性，以及乙醇的掺入对 十六烷值的影响。 2 、在相同工况下，以1 0 、2 0 、3 0 三种掺烧比对柴油机的动力性、经 济性和排放性指标进行试验。 3 、分析上述三种掺烧比的实验结果，选出一种性能较好的柴油乙醇，进行 柴油机在各种工况下的排放性试验。 通过以上试验，我们拟解决柴油与乙醇的互溶性( 混合充分，保持时间长) 、 确定最佳混合比等关键问题。 1 4 3 本课题研究的重点、难点 总的来况，柴油乙醇在汽车上的应用，除了涉及到摩擦、磨损、燃料的溶解 性、材料的相容性等问题外，还将导致发动机燃烧性能的改变，这部分内容有待 进一步的研究。目前，本课题急需解决的重点、难点是： 1 、如何使柴油乙醇的混合物溶得充分，保质时间长： 2 、如何确定最佳的配比，已达到动力性、经济性和排放特性三者的协调。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章乳化作用理论 乳化作用( e m u l s i f i c a t i o n ) 是在一定条件下使互不混溶的两种液体形成有一定 稳定性的液液分散体系的作用。在此分散体系中被分散的液体( 分散相) 以小液珠 形式分散于连续的另一种液体( 分散介质) 中，此体系称为乳状液( e m u l s i o n ) 。形 成乳状液的两种液体，一种通常为水，另一种通称为“油”。乳化作用除可形成乳 状液外，也涉及洗涤作用中将油污以乳化形式除去的过程。分散相为油，分散 介质为水的乳状液称为水包油型乳状液，常以o w 表示：反之，则称为油包水 型乳状液，以w o 表示。 为了进行乳化作用和得到有一定稳定性的乳状液必须加入第三种f 或自然形 成) 物质，此物质称为乳化齐u ( e m u l s i f y i n ga g e n t ，e m u l s i f i e r ) 。乳化剂大多为各种 类型的表面活性剂，高分散的固体粉末状物质也有作乳化剂的。 乳状液在食品、农药、医药、化妆品、化工、机械加工、能源、环保等各 领域有广泛的应用，如冰激凌、乳型剂农药和药品、雪花膏、涂料、金属切削 油、乳化钻井液、乳化沥青等都是乳状液或以乳化形式应用的。作为乳化剂的 表面活性剂在乳化作用中具有多功能的性质。根据实际体系选择适宜的乳化剂 是使乳化作用顺利进行和得到稳定乳状液的关键。当然，有时在工业生产和日 常生活中需使某些乳状液破坏。为了这些目的，需要了解乳状液稳定性的原因 及影响因素，乳化剂选择的原则。 2 1 乳状液的形态及特性 乳状液的基本类型为水包油型( o w 型) 和油包水型( w o 型) 两大类。决定和 影响乳状液类型的因素很多，如油、水相的性质和相体积比，温度，形成乳状 液时器壁性质，乳化剂的结构与性质，添加剂的性质等。其中尤以乳化剂的性 质和结构特点最为重要。乳化剂分子在乳状液液滴的油一水界面上总是形成某 种定向和堆积方式的单层膜，这种膜还须有一定的机械强度。图2 1 是乳化剂 分子在两种类型乳状液液滴界面上定向和排列的示意图。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图2 1 在乳状液液滴界面上乳化剂分子的定向与排列示意图 ( a 1 亲水基向外形成o w 型：c o ) 疏水基链节向外形成w o 型 影响乳状液类型的因素很多。最初人们认为相体积是决定乳状液类型的主 要因素，即量多的液体均为外相，而量少的则为内相。但事实证明，这种看法 是片面的，现在已经可制成内相体积为9 0 以上的乳状液。 乳状液的类型主要与乳化剂的性质有关。通常情况下，用亲水性较强( h l b 值较大) 或极性基团截面积较大的乳化剂可制得o w 型乳状液；相反，用亲油 性较强( h l b 值较小) 或非极性基团截面积较大的乳化剂可制得w o 乳状液。 关于影响和决定乳状液类型的各种理论和实验结果可归纳为四种：能量因 素的作用，几何因素的作用，液滴聚结动力学分析，物理因素的影响。 2 1 1 能量因素与b a n c r o f t 规则 1 9 1 3 年b a n c r o f t 提出乳化剂溶解度对乳状液类型影响的经验规则：在构成 乳状液体系的油、水两相中，乳化剂溶解度大的一相为乳状液的连续相( 外相) ， 形成相应类型的乳状液。对此经验规则可用界面张力或界面能的变化规律做定 性解释。表面活性剂分子( 或离子) 在液液界面上吸附和定向排列形成界面区，在 此区两侧界面张力f 或界面压) 可能不同，即在表面活性剂分子的亲水端与水相间 的界面张力( 或界面压) 和表面活性剂分子的疏水端与油相间的界面张力( 或界面 压) 不同。形成乳状液时油一水间界面区发生弯曲，界面张力较大的一边缩小面 积，体系界面自由能降低。若表面活性剂疏水端与油相间界面张力大于表面活 眭剂亲水端与水相间的界面张力，疏水端与油相一侧将收缩，形成凹面向油相 的界面，油相成为液滴，水相为连续相，即为o f w 型乳状液。另一种情况是表 面活性剂疏水端与油相间界面张力，小于表面活性亲水端与水相间的界面张力 将形成、o 型乳状液。显然，水溶性好的乳化剂，在水界面上有较低的界面张 力，易形成o w 型乳状液；油溶性乳化剂易形成v 吖0 型乳状液。 武汉理工大学硕士学位论文 b a n c r o f t 规则是能量因素影响乳状液类型的实验基础，此规则有相当广泛的 实用价值。但是此规则应用于带支链的乳化剂时常出现例外，因为这类乳化剂 大多只能形成w o 型乳状液。 2 1 2 几何因素与定向楔理论 吸附在油一水界面的表面活性剂分子若其亲水和疏水端基几何形状相差较大 将对乳状液类型产生影响。早期的工作就已报道脂肪酸的碱金属皂能形成o w 型乳状液，而二价和三价金属脂肪酸皂能形成w o 型乳状液，显然这时表面活 性剂分子几何构型在起重要作用。图2 2 是一价金属皂和二价金属皂对形成不 同类型乳状液作用的示意图。在油一水界面表面活性剂分子如一定向楔”，表面 活性剂分子中相对截面积较大的一端总是朝向乳状液的连续相。 ( b ) 图2 2 乳化剂几何因素对乳状液类型影响示意图 ( a ) 一元皂形成的o w 型乳状液；( b ) 二元皂形成的w o 型乳状液 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 几何因素对乳状液类型的影响具有明显的物理意义、直观性和一定的实验 基础。如向由一价脂肪酸皂形成的w o 型乳状液中加入高价金属离子即可使乳 状液变型为o w 型的。 在考虑几何因素对乳状液类型影响时必须顾及表面活性剂的浓度，只有在 较高浓度时在油一水界面上的表面活性剂才能紧密排列，此时几何因素才有明 显的作用。例如用1 ：1 的辛烷和水混合制备乳状液，以不同浓度的两种季铵盐 为乳化剂所得乳状液类型如表2 一i 所示。由表中结果可知，对于同一表面活性 剂在浓度低时都得到o w 型乳状液，浓度大时则得到w o 型的。这些表面活性 剂在油相中浓度小，且变化不大。在水相中浓度越高，界面上的表面活性剂吸 附单层排列越紧密，几何因素表现出更明显影响。 表2 1 两种季铵盐表面活性剂浓度对形成的乳状液类型的影响 表面活性剂水相中浓