（动力机械及工程专业论文）生物柴油乙醇混合燃料发动机性能和排放.pdf

生物柴油一乙醇混合燃料发动机性能与排放 摘要 环境污染和能源紧缺两大因素制约着柴油机的发展，发展“清洁代用 燃料”成为缓解这一局势的趋势。生物柴油和乙醇因其优良的环保性能和 可再生性，成为当今国际新能源开发的热点。 本文主要研究生物柴油和乙醇的混合情况及其对柴油机性能、排放特 性和燃烧特性的影响。研究结果表明，柴油机燃用混合燃料后，乙醇的掺 烧率为3 0 以下时，其动力陛能良好，折合油耗率均有不同程度的改善；与 柴油相比，c 0 排放量在大负荷下有大幅度的降低，h c 排放量有所增加，且 随着乙醇比例的增加而增大，n o x 排放量有所改善，并随着乙醇比例的增大 而逐级降低，碳烟在整个运转工况范围内均有大幅度的降低。乙醇的掺烧 率为3 0 时，在标定点处c o 、n o x 和碳烟最大降幅分别为8 0 、2 0 和8 6 ， h c 最大增幅达6 7 6 。在柴油机上使用混合燃料存在一个最佳供油提前角， 和一个在最佳喷油压力使得柴油机的综合性能处于最佳状态。 柴油机燃用同一种混合燃料，随负荷的减小，缸内压力、平均压升率、 放热率和缸内温度减小，滞燃期延长，燃烧持续期缩短；同一负荷下，随 着乙醇比例的增加，滞燃期延长，放热率峰值增加且峰值点滞后，燃烧持 续期缩短，缸内最高燃烧压力和最大压力升高率上升。 乙醇一生物柴油混合燃料在柴油机上发挥了其优越性，可以考虑在柴油 机上推广使用。 关键词：柴油机乙醇生物柴油性能排放特性燃烧特性 i i p e r f o r m a n c ea n de m i s s i o nc h a ra c t e r i s t i c s o fd i e s e le n g i n ef u e l e dw i t hb i o d i e s e l e t h a n o lb l e n d s a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de n e r g ys o u r c es h o r t a g ea l et w om a i nf a c t o r s t h a tr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fd i e s e le n g i n ei n d u s t r y d e v e l o p i n g c l e a n a l t e r n a t i v ef u e l s h a sb e c o m eat r e n dt or e l e 鹤et h i sp r o b l e m e t h a n o la n d b i o d i e s e lh a v eb e e nt h eh o ts p o tb e c a u s eo ft h e i re n v i r o n m e n tf r i e n d l ya n d r e n e w a b i l i t y t h i sp a p e ri sm a i n l yc o n c e r n e da b o u tt h es o l u b i l i t yo f d i f f e r e n tb i o d i e s e l - e t h a n o lb l e n d s ，t h e i rp e r f o r m i n go nt h ed i e s e le n g i n ea n dt h ei n f l u e n c e so nt h e e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ed i e s e le n g i n e f u e l e dw i mb i o d i e s e la n db i o d i e s e l e t h a n o lb l e n d s ( b e f ) t h er e s u l ts h o w st h a t a f t e ru s i n gt h eb e fo nt h ed i e s e le n g i n e ，i tc a nw e l lr e a c ht h eo r i g i n a le n g i n e p o w e r , a n dt h ee q u i v a l e n tb r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n r a t eh a v e b e e n i m p r o v e d t os o m ee x t e n tw h e nt h ep r o p o r t i o no fe t h a n o li nb e fi sb e l o w3 0 c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a ld i e s e lf u e l ，b e fs h o ws h a r p l yr e d u c t i o ni nc a r b o n m o n o x i d e ( c o ) a th i g hl o a dc o n d i t i o na n d w i t ht h ei n c r e a s i n gp r o p o r t i o no f e t h a n o li ts h o w ss l i g h t l yh i g h e rh ce m i s s i o n sb u ts l i g h t l yi m p r o v e m e n ti nn o x e m i s s i o n s a n di ts h o w sa p p a r e n t l yl o w e rs m o k ee m i s s i o n sa ta 1 1c o n d i t i o n s 1 1 1 姗1 衄t h ed i e s e le n g i n ei sf u e l e dw i t he 3 0 ( t h ep r o p o r t i o no f e t h a n o li s3 0 ) ， c o 、n o xa n d 吼n ( ) k ee m i s s i o n sg e tt h em a x i m u m r e d u c t i o nb y8 0 、2 0 a n d 8 6 r e s p e c t i v e l y , w h i l eh c e m i s s i o n sg e tt h em a x i m u mi n c r e a s eb y6 7 6 a t r a t e dc o n d i t i o n i ta l s os h o w s t h a tt h e r ei sa l lo p t i m a lf u e ls u p p l ya d v a n c ea n g l e a n da no p t i m a lv a l u eo ff u e li n j e c t i o np r e s s u r et oi m p r o v e t h et o t a lp e r f o r m a n c e o f t h ed i e s e lf u e l e dw i t he t h a n o l - b i o d i e s e lb l e n d s a sf o rm ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w i t ht h ed e c r e a s eo f t h ee n g i n e l o a d ，i tg e t sar e d u c t i o ni nt h ei n - c y l i n d e rp r e s s u r e ，t h ea v e r a g e r i s i n gr a t eo f p r e s s u r e ，h e a tr e l e a s ea n di n c y l i n d e rt e m p e r a t u r e a n dr e s u l t si nl o n g e ri g n i t i o n d e l a yp e r i o da n d s h o r t e rc o m b u s t i o nd u r a t i o nw h e nf u e l e dw i t ht h es a m eb l e n d s w i t ht h ei n c r e a s eo fe t h a n o lp r o p o r t i o n , t h ep e r i o do fi g n i t i o nd e l a y b e c o m e s l o n g e r ，t h e m a x i m u mo f h e a tr e l e a s er a t ei si n c r e a s e da n d i t sa p p e a r a n c ei s d e l a y e d ，t h ec o m b u s t i o nd u r a t i o nb e c o m e ss h o r t e r , b o t h t h em a x i m u mo f i n c y l i n d e rp r e s s u r ea n d t h em a x i m u mo f p r e s s u r er i s ea r ei n c r e a s e d ， i ns u t n n l a r y , b i o d i e s e l - e t h a n o lb l e n d ss h o w e dg r e a ta d v a n t a g e so nt h e d i e s e le n g i n e t h u sp r o m o t i n ge t h a n o l - b i o d i e s e lb l e n d so nt h ed i e s e le n g i n ei s p r a c t i c a l k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ：e t h a n o l ；b i o d i e s e l ；p e r f o r m a n c e ；e m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：孝献着 2 0 0 76 月2 2 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 鄹即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名狲孥师签名兹铎i * 。7 年6 月2 2 日 v 广西大掣阿士掌位论文 生物豢抽一乙l 琨合瓣料童动机佳期p p 棒放 第一章绪论 1 1 引言 近年来，内燃机技术己取得引入注目的成就。一方面，对内燃机工作过程的深入研 究、新技术的开发及各学科的相互渗透使得内燃机性能不断完善：动力性不断地提高， 经济性不断的得到改善。由于柴油机的热效率高、适应性好、功率范围宽，广泛应用于 社会生活的各个领域。随着柴油机技术的进步，柴油机的应用范围仍在不断扩展之中。 因此柴油机工业的发展，对国民经济和国防建设都具有十分重要的意义。 在美国、日本以及欧洲1 0 0 的重型汽车使用柴油机为动力。在欧洲，9 0 的商用 车及3 3 的轿车为柴油车。在美国，9 0 的商用车为柴油车。在日本，3 8 的商用车为 柴油车，9 2 的轿车为柴油车。据专家预侧，在今后2 0 年，甚至更长的时间内柴油机 将成为世界车用动力的主流。世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重 视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展“。 我国柴油机产业自2 0 世纪8 0 年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型和技术 的引进，我国柴油机总体技术水平提高到一个新的水平。目前柴油机需要解决的技术难 题之一就是排放污染物控制，石油资源的日趋紧缺也使降低油耗节省资源成为柴油机重 要的追求目标。 1 1 1 柴油机与环境污染。” 随着世界各国经济的发展，世界范围内车辆越来越多，石油燃料燃烧所产生的有害 物质对大气的污染越来越严重。柴油机的有害排放物主要有n o x 、h c 、c o 和p m 排放。 与汽油机相比，柴油机的h c 排放和c o 排放相对较低，n 0 x 排放与汽油机同一个数量级， 而p m 排放要高几十倍以上。这些污染物对大气环境和人类健康影响很大：c o 易与血红 蛋白结合，损害血红蛋白对人体组织的供氧能力；h c 中含有多种成分，其中烯烃有很 强的光化活性，与n o x 在日光紫外线的作用下易形成有很强毒性的“光化学烟雾”，芳 香烃、多环芳烃及其衍生物还有醛类等对人体都有不同程度的危害；n o x 是光化学烟雾 的主要因素之一，吸入其中的n 0 2 成分易引起咳嗽、气喘等症状，严重的导致肺气肿和 心肌损伤；微粒p m 悬浮在大气中，被吸入人体会深入肺部造成机械性超负荷，破坏肺 部功能等。 由此可见，内燃机排气污染控制的优劣，影响着人类的健康、生态平衡及生存环境。 为控制汽车排放对人类生存环境带来的日益严重的危害，各国相继颁布了愈来愈严格的 生匏，鬃妯一乙鼻目已奢旗j 阵冀动机佳期0 和搏放 排放法规。表i - i 、表卜2 给出了欧洲不同柴油车的排放标准。 表l - i 用于轿车或轻型车的欧洲排放标准( 柴油车) t a b l e1 - 1e u r o p e a ne x h a u s ts t a n d a r d sf o rs a l o o no rl i g h t 4 u t yc a r 执行日期 标准 h c + n o x ( g j l a n )c o ( g r i m m ) p m ( g k m ) 1 9 9 3 笠欧i1 1 33 1 6 o 1 8 1 9 9 6 焦欧o 71 0 o 0 8 2 0 0 0 焦欧mo 5 60 6 4 o 0 5 2 0 0 5 拒欧 o 3 0o 5 00 0 2 5 表1 - 2 用于重型柴油机的欧洲排放标准 t a b l e l - 2 e u r o p e a n e x h a u s t s t a n d a r d s f o r h e a v y - d u t y d i e s e l g m e 执行日期标准 h c g ( k - w h ) 】c o g ( k w h ) 】p m g ( k w h ) 】n o x g ( k w h ) 】 2 0 0 0 焦欧 o 6 62 1o 15 o 2 0 0 5 缶欧0 4 6 1 5o 0 23 5 2 0 0 8 焦欧v0 4 61 5 o 0 22 0 欧美的排放限值基本上代表了世界上排放控制的总发展趋势。我国对汽车排放控制 方面起步较晚，在国家标准的制定上沿用了欧洲标准的相关技术内容。国家环境保护总 局于2 0 0 5 年5 月颁布了g b l 7 6 9 1 - 2 0 0 5 压燃式发董机和装有压燃式发动机的车辆排气 污染物限值及测试方法的国家标准，对柴油机排放的主要污染物控制提出了严格的要 求，其中对气态和微粒污染物排放限值规定如表l - 3 所示。 表卜3 车用压燃式发动机排气污染物排放限值( g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 ) t a b l e1 - 3l i m i to f e x h a u s tp o l l u t a n t sf r o mc o m p r e s s i o ni g n i t i o ne n g i n e so f v e h i c l e s 阶段 c o g ( k w h ) 1h c g ( k w h ) 】n o x g ( k w h ) 】p m g ( k w ”】 k ( m 1 ) m 2 1o 6 65 oo 1 0o 1 3 1 o 8 1 50 4 63 5 o 0 2o 5 v1 50 4 62 0o 0 2 o 5 e e v1 5 0 2 52 oo 0 2o 1 5 ( 1 ) 对每缸排量低于0 7 5 d i n 3 。及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 。 汽车排放限制标准的出台，迫使汽车制造业和相关的研究机构甚至政府部门倾注大 量的人力和财力来研究降低汽车排气中各种有害排放物的对策和控制技术，柴油机排放 2 广西大掌硕士掌位供乞生物鼻皓由一乙醇稿已分奠料生动机佳期津舅l 放 污染物控制也成为2 1 世纪的核心问题。 1 1 2 柴油机与能源紧缺帆” 发达国家都把发展能源科技、开发能源新技术放在非常重要的地位。1 9 9 4 年，日本 政府制定了“新能源计划”，将研究的重点放在低成本大规模生产技术的开发方面，立 足为国内提供长期稳定的基本可替代能源。1 9 9 5 年，英国政府发表了能源白皮书，提出 了以分散式发电及其应用为核心技术的可再生能源发电能力全面提升战略。2 0 0 0 年，美 国政府提出了“国家能源政策”报告，要求重视国家能源安全，在继续开发可再生能源 的同时，重视传统能源和核能的高效、清洁、安全利用。 从能源科技发展情况看，世界发展趋势之一是可再生能源技术的迅速发展。我国改 革开放以来的二十多年经济持续增长，相应地我国能源发展取得了巨大成就。但是，由 于需求量巨大，供应不足，以及全国环境的不断恶化，能源作为国民经济发展的支撑， 瓶颈问题十分突出。目前我国能源结构是柴油的需求大于汽油的需求，虽然国内石化企 业一直努力提高柴油产品，但我国依然是成品柴油的净进口国，成为全球石油增长的主 要驱动力。国内对原油需求的持续增长与世界石油储量的日益减少的矛盾也是制约我国 柴油车发展的重要因素。能源领域存在“供需矛盾突出，利用效率低下，环境污染严重” 的三大挑战。我国能源科技的发展应为我国实施“保障供应、节能优先、结构优化、环 境友好”的能源可持续发展战略提供经济、高效、清洁的先进能源技术，以此相配合开 展高效、大规模汽化燃料合成及用于车辆的发动机替代燃料的研究。 近年来，随着环保意识的增强，石油能源的日益枯竭和价格的大幅度上涨，生物燃 料作为一种环保和可以再生的绿色能源越来越受到各国的重视，生产量不断增加。生产 生物柴油的主要原料是可再生的生物资源，生物柴油含氧而基本不含硫和芳香烃，具有 良好的燃料品质和环境友好性，从能源战略角度分析，生物柴油是最为重要的代用燃料 之一柴油机不需改动即可使用生物柴油，柴油机使用生物柴油不仅利于改善燃料结构， 而且可以降低有害排放。 鉴于环境污染和石油资源逐渐枯竭的状况，加大对可再生能源的研究力度，发展与 环境友好的非化石能源，开发生物柴油、燃料乙醇等石油替代品，采取措施节约石油资 源，降低汽车尾气对城市环境的污染，是解决我国后续能源的重要选择，也是我们面临 的紧迫问题之一。 3 生物簟，袖一乙醇涅分藤料冀动机佳期0 和翔：放 1 2 生物柴油国内外研究现状及其在柴油机上的应用 生物柴油及其生产技术的研究，始于2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初，发展于2 0 世纪 7 0 年代，2 0 世纪8 0 年代以后迅速发展。虽然生物柴油的发展历史还不长，但是由于其 优越的性能，突出的环保性和可再生性，引起了世界发达国家，尤其是资源贫乏国家的 高度重视。 1 2 1 国外研究现状雠“” 2 0 世纪9 0 年代，随着环境保护和石油资源枯竭两大难题越来越被关注，西方国家 加大生物柴油商业化投资力度，使生物柴油的投资规模增大，开工项目增多。尤其在美 国、德国，生物柴油已成为新能源研制和开发的热点。 美国是世界上最大的石油消耗国家，也是最早研究生物柴油的国家之一。为了促进 本国可再生能源应用，于1 9 9 8 年制订了相应的生物柴油标准，严格规范生物柴油的使 用和生产。2 0 0 2 年美国材料试验学会( a s l m ) 通过了生物柴油标准，同时制定了更加 严格的石油柴油标准，并于2 0 0 6 年开始执行，似促进生物柴油的生产能力持续增长。 生物柴油使用最多的是欧洲，份额已占成品油市场的5 以上。德国是生物柴油利 用最广泛的国家，目前生产和消费生物柴油1 1 0 万吨，约占世界总生产量3 5 0 万吨的1 3 。 德国政府鼓励使用生物柴油，对生物柴油的生产企业全额免除税收，使其价格低于普通 柴油。早在2 0 0 3 年颁布法规，准许自2 0 0 4 年起，无需标明即可在石化柴油中最多加入 5 的生物柴油。2 0 0 4 年德国已有1 8 0 0 个加油站供应生物柴油，并已颁布了德国工业 标准( e d i n 5 1 6 0 6 ) 。法国生物柴油生产曾处于世界领先地位，但2 0 0 1 年以后被德国 取代。法国的生物柴油立法是欧盟最优惠的，政府采取实际行动进一步推动该行业的发 展。意大利是目前欧洲生物柴油使用最广的国家之一，并对生物柴油生产的税率为零。 西班牙政府2 0 0 2 年颁布法令，对生物燃料全部免征特别税，该税是浮动的，根据石油 产品和生物燃料的生产成本的变化进行调整。此举刺激了生物柴油行业的快速发展。奥 地利生物柴油的税率为石化柴油的4 6 ，比利时目前有2 个生物柴油生产厂，总生产 能力约2 4 万吨年。此外，在欧盟新加盟的国家中，如捷克、波兰、匈牙利等国目前也 在积极发展生物柴油的项目。 其他一些国家也在兴起生物柴油产业日本生物柴油目前年生产能力达到4 0 万吨； 巴西第一个生物柴油厂在米纳斯州卡西欧市诞生，年生产生物柴油1 2 0 0 万l 。泰国发 展生物柴油计划己于2 0 0 1 年7 月发布，泰国石油公司承诺每年收购7 万吨棕榈油和2 4 生物簟泊一乙醇葺已古囊i 抖量动机a j 和鞠l 鼓 万吨椰子油，实施税收减免，泰国第一套生物柴油装置已经投运；马来西亚采用棕榈油 和废油也生产出了生物柴油，但整个国家的用量不大，保加利亚、韩国等也在最近向全 国推广使用生物柴油。 1 2 2 生物柴油国内研究现状” 我国生物柴油发展是在政府的直接领导下进行的。许多国家领导人如前总理朱镕 基、温家宝总理和人大委员长吴邦国都已经明确表示了要大力发展生物柴油工业，并且 给国家经贸委、国家发改委和中国工程院作了指示。 早在2 0 世纪8 0 年代，生物柴油的基础研究就已经得到了机械工业部、中石化和中 国农业工程院的大力支持。辽宁能源研究所在中欧研究项目中对生物柴油也作了大量的 研究工作。北京中国科技大学也对生物柴油作了相关的初步研究。 生物柴油的系统研究始于中国科学院的“八五”重点科研项目一“燃料油植物的研 究与应用技术”，完成了金沙江流域燃料油植物资源的调查及栽培技术研究，建立了3 0 公顷的小桐子栽培示范片。自2 0 世纪9 0 年代初开始，长沙市新技术研究所与湖南省林 业科学院对能源植物和生物柴油进行了长达1 0 年的合作研究，“八五”期间完成了光皮 树油制取甲脂燃料油的工艺及其燃烧特性的研究；“九五”期间完成了国家重点科研攻关 项目“植物油能源利用技术”。2 0 0 5 年6 月，中国科技部启动了生物质能项目，其目的 是开发和应用标准工业化生物柴油生产装置，其设计年生产能力为5 0 0 0 0 吨，将在2 0 1 0 年前安装完成。 目前，我国生物柴油产业已经初步形成，海南正和生物能源有限公司、四川古杉油 脂化工公司和福建卓越新能源发展公司等都已经开发出拥有自主知识产权的技术，相继 建成了万吨级生产装置。另外，最近有关生物柴油研究项目正于一些高校进行。许多国 外公司对中国生物柴油的生产投资很感兴趣，这势必将产生更多新的国际合作公司。 我国生物柴油的研究与开发虽起步较晚，但发展速度很快，一部分科研成果已达到 国际先进水平。研究内容涉及到油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及其加工工艺 和设备。目前各方面的研究都取得了阶段性成果，这无疑将有助于我国生物柴油的进一 步研究与开发。 1 2 3 生物柴油在柴油机上的应用“o “1 目前生物柴油在柴油机上的应用，主要采取直接烧、或者与柴油混合，或者作为柴 油和乙醇的助溶剂的形式。大量试验证明，生物柴油应用于车用柴油机，在供油系统未 作任何调整的情况下，对柴油机动力性无明显影响，柴油机起动性能满足国家标准要求； s 广置r 大掣呵士掌位恻 文 生物纂抽一乙喇【漶合囊i 卒峨动机性期和棚l 放 生物柴油可以大幅度降低颗粒排放，但不同型号的柴油机颗粒排放降低的程度不一样； 烧纯生物柴油的h c 排放明显比烧柴油时降低，但n o x 排放略有上升；生物柴油和柴 油的混合燃料的排放也比纯柴油的有所降低且不会产生它们各自单独在柴油机上燃烧 所生成的有害排放以外的有害物；以生物柴油为助溶剂乙醇柴油混合燃料，在排放方面 也显示了优越性。可见，生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以有效改善柴油 机的排放，但由于黏度高等特性使它作为柴油机燃料还存在一些需要克服的问题。 1 3 乙醇国内外研究现状及其在柴油机上的应用 1 3 1 乙醇国外研究现状“? “? 美国早在2 0 世纪3 0 年代就开展了燃料乙醇的研究及应用工作。1 9 7 9 年，美国国会为 减少对进口原油的依赖，从寻找替代能源的角度出发，提出了联邦政府“乙醇发展计划”， 开始大力推广使用含1 0 乙醇的混合汽油。美国的燃料乙醇产业也因此得到迅速发展， 燃料乙醇年产量从1 9 7 9 年的3 万多吨迅速增加到1 9 9 0 年的2 6 0 多万吨。1 9 9 8 年，美国开始 逐步减少和禁止使用汽油中的m t b e ，由燃料乙醇取而代之，以防治地下水污染。当前 美国正采取增加财政补贴等办法，鼓励乙醇生产商大量生产燃料乙醇，并支持他们同普 通燃料生产企业进行竞争，至1 j 2 0 1 2 年把燃料乙醇产量扩大到1 4 4 0 万吨年或1 5 0 0 万吨 年。 巴西是世界上最大的燃料乙醇生产国和消费国。巴西燃料乙醇产业的发展始于2 0 世 纪2 0 年代。1 9 3 1 年巴西首次制定了推动燃料乙醇发展的法规。1 9 7 5 年巴西启动乙醇计划， 制定了一系列的经济资助和免税政策，推进燃料乙醇生产过程的研究、开发及工业化， 目前己达到年产4 0 亿加仑乙醇的生产规模。1 9 7 7 年制定了掺混比例。目前，巴西的主要 汽车燃料有4 种：纯乙醇( 含水乙醇) 、乙醇汽油( 2 2 乙醇+ 7 8 汽油) 、m e g 燃料 ( 6 0 乙醇+ 3 3 甲醇+ 7 汽油) 和柴油。巴西共有3 2 0 多家燃料乙醇生产企业，其中， 2 0 5 家实行燃料乙醇和糖联产，1 1 5 家单纯生产燃料乙醇。巴西为加大燃料乙醇的推广力 度，特别注重在车辆调整方面采取措施。至今已生产5 0 0 多万辆专用乙醇汽车，大量的 汽油车也改为乙醇汽车。巴西所有汽油发动机的车辆( 约1 5 5 0 万辆) 均使用乙醇汽油或 纯乙醇燃料，并有3 7 0 多万辆专用乙醇车投入使用。按照2 0 0 2 2 0 0 3 年度的统计，巴西 国内消费燃料乙醇占其总产量的9 4 6 ，其中6 0 用于调配乙醇汽油，剩余的4 0 用 于纯乙醇汽车的燃料。 1 9 9 3 年，欧洲共同体建议提高欧洲的燃料级乙醇生产量，要求汽油掺混燃料中含5 6 生物豢铀一乙 漶音奠卅- 鬟动机性柏和捧放 的乙醇，并将用生物物质生产的乙醇的货物税降低到相当于矿物燃料货物税1 0 的水 平。 日本从1 9 8 3 年开始实施燃料乙醇的开发计划，重点开发用农、林产废物等未利用 资源直接发酵生产乙醇的技术。 1 3 2 乙醇国内研究现状 近年来，我国政府为减少石油进口、保护环境和解决消化多余粮食三大问题，高 度注视发展生物乙醇燃料。国家“8 6 3 ”计划一“生物能源技术开发与产业化”项目已 经启动。该项目将针对生产燃料乙醇、生物柴油、生物乙醇制取乙烯等面临的共性关键 技术，开发出具有自主知识产权与市场竞争能力的重大新产品与新技术，并建成一批生 物质能源基地，为我国发展生物能源提供技术支撑与产业示范。 燃料乙醇关键技术研究与产业化主要包括以淀粉质原料为基础的燃料乙醇、以木质 纤维素类原料为基础的燃料乙醇和以甘蔗、甜高梁等糖质原料为基础的燃料乙醇生产关 键技术及共性支撑技术等。 2 0 0 0 年以来，根据国务院领导的指示精神，国家计委会同国务院有关部门、单位和 试点地区就推广使用车用乙醇汽油开展了大量细致的工作，各有关方面积极配合和努力， 使我国推广使用车用乙醇汽油工作取得了很大进展。目前，我国推广使用车用乙醇汽油 工作已取得阶段性成果。国家已颁布可再生能源法，燃料乙醇作为可再生能源成为 了政府重点推广的新型能源。 1 3 3 乙醇在广西的生产及发展胁捌 广西拥有可大量利用的生产酒精原料一甘蔗和木薯，是我国最适宜种植木薯和甘 蔗的地区之一，因此，在广西发展燃料乙醇具有得天独厚的优势。目前广西木薯种植面 积超过4 0 0 万亩，生产总量超过4 0 0 万吨，种植面积和产量都占全国的6 0 以上，且种 植规模仍将继续扩大。可见，在广西发展乙醇燃料的潜力巨大。 木薯乙醇生产在广西已有一定规模：平果凯特生物化工有限公司技术指标先进，年 产量达5 万吨，是中国南方和西南地区最大的酒精生产企业之一；明阳、桂平、柳州、 扶绥等地都有木薯酒精厂利用木薯、糖蜜和其他原料生物酒精，广西酒精总产量可超过 1 0 0 0 万吨。据南宁市发改委的调查显示，南宁的酒精生产能力已经初具规模，有1 0 家 年产1 万吨以上酒精企业，目前生产能力合计就已达到2 7 万吨，而这些企业的最终预 计生产能力将达到1 3 5 万吨。目前，广西乙醇燃料的筹备工作正在紧锣密鼓的筹备中， 待到项目全部投产建设后，乙醇燃料不仅可以满足广西全区的需求。还能供给云南、贵 7 广西大掌司n b 掌位论，：生物羹泊一乙醇胡l 合崧抖裳动机性i 和棚。放 州、广东，港澳等地区。 我国燃料乙醇的试点都是采用陈化粮或玉米来生产乙醇汽油，而大规模用粮食生产 乙醇汽油，将出现“车与人争粮吃”的局面。广西作为全国的木薯主要生产基地，生产的 木薯除了部分作为饲料，大部分作为生产淀粉、酒精的原料。如果大规模的采取木薯生 产燃料乙醇，将解决人车争粮的局面。在以燃料乙醇为主导产品的同时，还可以利用副 产物生产二氧化碳产品、沼气、禽畜全价饲料、木薯专用肥。因此，广西发展燃料乙醇 以及乙醇发动机对落实国家能源战略部署，满足南方地区对燃料乙醇的需求，开发利用 当地木薯资源，促进区域农业结构调整，协助政府解决”三农”问题等具有现实意义。 1 3 4 乙醇在柴油机上的应用汹2 岫 目前在柴油机上使用乙醇，主要采取掺烧的形式，也有全醇燃烧的形式。掺烧形式 包括熏蒸法、双燃料系统法和乳化液法。熏蒸法和双燃料系统法往往都需要对柴油机结 构进行改进，因而都有一定的局限性。采用乳化液法可以不用对柴油机进行结构变动， 是目前国际上研究的热点和发展趋势，其关键技术是开发出助溶性能高，无毒且成本低 的助溶剂。在柴油机上应用全醇燃料的研究主要集中在着火方式上。目前应用和研究的 方案有火花塞多火花点火、炽热塞热面点火、超高压缩比压燃、掺用着火促进剂。 研究表明，柴油机燃用乙醇柴油混合燃料后，对经济性影响不大，其排放性能有较 大改善，碳烟排放和n o x 排放下降明显。 1 4 课题研究的意义和主要内容 1 4 l 课题研究的意义 生物柴油和燃料乙醇作为石油的替代品和可再生能源，是涉及国家战略部署的新型 能源，不仅可以在能源供应的可持续发展中发挥积极的作用，减少汽车的有害气体排放， 并可以创造许多新的就业机会。可以说，发展生物柴油和乙醇燃料对我国农业结构调整、 能源安全和生态环境综合治理有十分重大的战略意义。 生物柴油与乙醇相比，在i - - i c 排放和c o 排放方面，生物柴油比较好，在l k l c ) x 排放 和碳烟排放方面，乙醇的优势比较明显，但均可以缓解碳烟排放和n c ) x 排放的矛盾关 系。为同时吸取生物柴油和乙醇在排放方面的优势，解决生物柴油与柴油混合燃料粘度 高和乙醇与柴油混合分层等问题。本课题展开了对生物柴油和乙醇混合燃料的研究，为 进一步推广乙醇和生物柴油的使用，缓解石化能源危机，降低发动机排气污染寻求一条 可行之路。 s 广百大学司| ：b 掌位论文生物 油一乙 铺已合囊料生动机性舅p p 摊放 1 4 2 课题研究的主要内容 本文通过大量试验，在前期研究的基础上，比较系统地、深入地研究了生物柴油 乙醇混合燃料在柴油机上的应用，对在柴油机上应用乙醇、生物柴油的前景和可行性进 行了探索和验证。主要内容如下： 1 、乙醇、生物柴油的相溶性试验； 2 、地沟油乙醇混合燃料对柴油机性能和排放特性的影响； 3 、棕榈油乙醇混合燃料对柴油机性能和排放特性的影响； 4 、地沟油乙醇混合燃料对柴油机燃烧特性的影响。 9 广西大掌硕士掌位落哆t 生物 曲一乙醇日e 合艇料冀；动机佳沣捌- 放 第二章试验装置和试验方法 本章主要是介绍实验装置和实验方法。实验装置包括实验台架的结构、实验装置的 布置、实验用发动机的基本参数和主要测试设备安装和使用，列出主要技术参数。实验 方法中介绍了实验前的准备及注意事项，并简要介绍了实验方案。 2 1 试验装置 本试验装置布置如图2 1 所示。 图2 - 1 试验装置简图 f i g2 - 1s k e t c ho f e x p e r i m e n t a ld e v i c e 2 2 试验用柴油机 试验用柴油机为广西南宁南机动力有限公司生产的z s l 9 5 柴油机。该发动机为新出 厂发动机，在做实验之前对其进行了磨合。该发动机主要技术参数如表2 - l 所示。 表2 - 1 发动机主要技术参数 t a b l e2 - 1m a j o rs p e c i f i c a t i o n so f z s l 9 5 型号 z s l 9 5 型式 卧式单缸四冲程 气缸直径 9 5 r a m 活塞行程 1 1 5 m m 标定功率 8 8 2 k w 1 0 广西大掌硕士攀位玲文生物豢油一乙醇涅分囊料童动机佳期l 和捧放 标定转速 2 0 0 0 r m i n 活塞排量 0 8 1 5 l 压缩比 2 0 平均有效压力 6 5 0 k p a 燃油消耗率 一 1 0 04 6 氧含量( 、】n ) o3 4 8 碳含量( 州) 1 0 1 3 1 0 1 3 8 65 2 2 氢含量( 们) 1 41 3 相对密度( g m 1 ) 0 8 6 90 8 6 10 8 40 7 8 9 运动粘度( 2 0 c ) 1 0 击v m 4 3 ( 4 0 c )4 2 ( 4 0 c 1 2 51 5 l 冷凝点 21o- 1 1 7 5 闪点 c 1 3 21 3 37 81 2 自燃温度 2 5 04 2 6 十六烷值 5 15 24 0 5 08 当量空燃比 1 4 49 o 蒸发热( 1 d k g ) 2 8 08 6 2 低热值( m j k g ) 3 7 84 2 52 7 6 含硫量( m r l )0 0 0 3 ( w 竹e )0 0 0 3 ( w t ) 5 0 分析其理化性质可知，与常规柴油相比，生物柴油具有下述无法比拟的性能： 1 、具有优良的环保特性。主要表现在由于生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和 硫化物的排放低。另外，据相关资料介组翳 掣，生物柴油中不含对环境会造成污染的芳 香族烷烃，因而废气对人体损害低于柴油；生物柴油的生物降解性高。 2 、具有较好的低温发动机启动性能。 3 、黏度较高，具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低， 使用寿命长。 1 6 g - 曩r 大攀硕士掌位论文生物豢油一乙醇管分囊料童动机佳即爿泼 4 、具有较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、 储存、使用方面的安全性又是显而易见的。 5 、具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸 性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。 3 2 乙醇 生产乙醇燃料的原料主要有甘蔗、甜菜、玉米、薯类、大麦、木屑、树枝、桔杆等 农作物。另外，在我国的野生植物资源中如菊芋、土茯苓、及橡子等也可以作为生产乙 醇的原料，这些均属可再生能源，这种用生物技术路线取代化学技术路线进行生物燃料 的生产，已成为全球各国能源规划的核心内容。 与汽油、柴油相比，乙醇作为燃料具有以下特点： l 、乙醇中含有3 4 8 的氧，理论空燃比较低，这降低了对柴油机进气系统的要求； 在燃烧过程中能够产生自供氧效应，从而使柴油机的燃烧更为及时，使燃烧过程中局 部富氧和局部缺氧的状况得到改善，燃烧更加完善，排放污染小： 2 、乙醇的c h 比柴油小得多，这样有利于燃烧完全； 3 、乙醇的挥发性好，能促进缸内混合气的均匀分布，使燃烧及时而迅速： 4 、乙醇的粘度较柴油低得多，这对喷射雾化是十分有利的； 5 、乙醇的汽化潜热大，有利于柴油机进气和缸内高温零件的冷却；由于乙醇高的 汽化潜热所产生的冷却效应，也妨碍在运转温度下完全汽化； 6 、较高的十六烷值对改善发动机的冷起动性、降低燃烧噪声和延长发动机寿命方 面起着相当重要的作用。乙醇燃料的着火性差，十六烷值仅为8 ，比柴油的十六烷值低 得多，这就使得在压燃式发动机中直接燃用乙醇燃料比较困难； 7 、乙醇的沸点低，有助于燃油一空气混合气的形成。 3 3 混合燃料的配制试验 3 3 1 试验前准备及试验方法 实验条件：室温2 0 ，空气相对湿度5 0 ， 实验仪器：1 0 0 m l 量筒、2 0 0 0 m l 量杯、玻璃棒、透明塑料瓶若干。 实验目的：通过混配实验，观察乙醇与生物柴油的混合情况和分层时间，以便从中 挑选出适合在柴油机上燃用的燃料。 实验用油：柴油、以地沟油为原料的生物柴油( 以下简称地沟油) 、以棕榈油为 1 7 广西大掌硕士掌位论文生物鬃油一乙醇混合燃料袭动机性能和捧放 原料的生物柴油( 以下简称棕榈油) 、无水乙醇( 主9 9 7 ) 以及工业酒精( 含9 5 乙 醇) ( 具体指标见表3 1 ) 。 试验中混合燃料的配制均采用体积方法，各燃料比例及简称见表3 2 。 表3 - 2 混合燃料简称 t a b i e3 - 2a b b r o f m i x t u r ef u e l 燃料比例( v )简称 柴油 1 0 0d 1 0 0 柴油：无水乙醇9 0 ：1 0d 9 0 e 1 0 柴油；无水乙醇 8 0 ：2 0d 8 0 e 2 0 柴油：无水乙醇 7 0 ：3 0d 7 0 e 3 0 地沟油l o ow 1 0 0 地沟油：无水乙醇9 0 ：1 0w 9 0 e 1 0 地沟油：无水乙醇 8 0 ：2 0w8 0 e 2 0 地沟油：无水乙醇 7 0 ：3 0w 7 0 e 3 0 地沟油：工业酒精 9 0 ：1 0w 9 0 a 1 0 地沟油：工业酒精 8 0 ：2 0w8 m 2 0 地沟油：工业酒精 7 0 ：3 0w 7 m 3 0 棕榈油1 0 0p 1 0 0 棕榈油：无水乙醇9 0 ：1 0p 9 0 e 1 0 棕榈油：无水乙醇 8 0 ：2 0p8 0 e 2 0 棕榈油：无水乙醇 7 0 ：3 0p 7 0 e 3 0 实验方法：实验中，先在量筒中倒入生物柴油( 或柴油) ，然后再加入乙醇，用玻 璃棒稍微搅拌一下，搅拌后将混合好的燃料倒入密封的透明的塑料容器中，振荡。振荡 完毕，待混合燃料静止稳定后，观察其出现分层的时间。 3 3 2 试验观察及结果 l 、柴油+ 无水乙醇混合溶液配制试验 按柴油一乙醇的顺序配制柴油乙醇混合溶液，观察结果见表3 3 f - - 西大掌硕士掌位嵌譬生物豢泊一乙醇混奢奠 丰+ 毫动机佳期l 和捆放 表3 - 3 柴油+ 无水乙醇混合情况 t a b l e3 - 3d i e 辩la n de t h a n o lm i x t u r e 、燃料 d 9 0 e 1 0 d 8 0 e 2 0 d 7 0 e 3 0 淞 初始静置，溶液呈良好的混合状态 五分钟后透明溶液透明溶液分层 一天后透明溶液分层 三天后分层 2 、地沟油+ 无水乙醇混合溶液配制试验 乙醇体积分数分别为1 0 、2 0 、3 0 、9 0 。先往量筒里倒入地沟油( 如图3 1 a ) ， 再加入乙醇。初加乙醇时，由于乙醇密度比地沟油的小，搅拌之前分两层，乙醇在上面 一层( 图3 - l b 司) ：振荡搅拌，待静止稳定后，溶液呈透明状，且混合溶液长期放置均稳 定，不出现分层