柴油机燃用乙酰丙酸乙酯柴油混合燃料的试验研究

1、第30卷第2期2012年2月柴油机燃用乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料的试验研究2，3333王志伟1，雷廷宙1，宋天一2，许久峰4，何晓峰2，（1河南农业大学机电工程学院，郑州450002；2河南省科学院能源研究所有限公司，郑州450008；3河南省生物质能源重点实验室，郑州450008；4.河南省煤炭科学研究院有限公司，郑州450001）摘要：采用柴油机台架试验，测量了乙酰丙酸乙酯（EthylLevulinate，EL）-柴油混合燃料的燃烧排放性.结果表油耗率均逐渐减低，达到最明：在不作任何调整的情况下，几种混合燃料均可直接用于柴油机.随着输出功率升高，低值后逐渐升高，NOX、CO、CO2和烟度排

2、放整体上都是增加的，HC的排放变化趋势不明显.随着EL混合比例的增大，油耗率有所增大，HC、NOX和CO2的排放整体上均逐渐增大，CO和烟度排放的变化在低功率运行时并不明显，在输出功率较大时，随EL含量的增加明显地降低.研究EL与柴油混合燃料的燃烧排放特性，为EL作为柴油替代燃料的应用推广提供参考，有利于生物质资源的合理化、规模化利用.关键词：乙酰丙酸乙酯；混合燃料；油耗率；排放性中图分类号：TK6文献标识码：AExperimentalStudyonDieselEngineBurningEthylLevulinatedieselBlendedFuels2，3333WangZhiwei1，Lei

3、Tingzhou1，SongTianyi2，XuJiufeng4，HeXiaofeng2，（1CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，HenanAgriculturalUniversity，Zhengzhou450002，China；2EnergyResearchInstituteCo，Ltd.，HenanAcademyofSciences，Zhengzhou450008，China；3KeyBiomassEnergyLaboratoryofHenanProvince，Zhengzhou450008，China；4HenanCoalScience

4、ResearchInstituteCo，Ltd.，Zhengzhou450001，China）Abstract：Accordingtoenginebenchtest，consumptionandemissioncharacteristicsofEthylLevulinate（EL）dieselblendedfuelswereinvestigatedTheresultsshowedthattheblendedfuelscouldbeusedasalternativefuelinthedieselenginewithoutanymodificationAstheoutputpowergetslar

5、ger，brakespecialfuelconsumptiondecreasesgraduallyandthenincreaseswhenitreachesthesmallest，NOX，CO，CO2andsmokeintensityemissionconcentra-tionsincreasegradually，andHCemissionconcentrationschangeindistinctlyAsthemixedproportionofELgetslarger，brakespecialfuelconsumptionincreasesandNOX，COandCO2emissioncon

6、centrationsincreasegradually，HCandsmokeintensityemissionconcentrationschangeindistinctlyatloweroutputpowerbutdecreaseobviouslyathigheroutputpowerSomereferencesareprovidedforapplicationandutilizationofELasalternativefuelonstudyofconsumptionandemissioncharacteristicsofELdieselblendedfuels，itisbenefici

7、alforusingbiomasswithrationalizationandlagerscaleKeywords：EthylLevulinate（EL）；blendedfuels；brakespecialfuelconsumption；emissionscharacteristics随着我国经济的高速发展，对石油的需求越来越大，2010年我国原油进口2.39亿t，对外依存度达到153.7%，超过50%的“国际警戒线”.车用燃油消耗占石油消耗的近1/2，2020年车用燃油消费量预计将达到全国石油消费量的65%.目前柴油机替代燃料的研究越来越受到人们的普遍关注，研究主要有天然气、收稿日期：201

8、1-10-13基金项目：国家863项目“生物质水解制备乙酰丙酸燃料关键技术”（2012AA051802）；河南省基础与前沿技术研究项目“生作者简介：王志伟（1980-），男，河南鲁山人，博士研究生，主要从事生物质液体燃料研究与利用），男，湖南汉寿人，研究员，博士，博士生导师，主要研究方向为生物质能源技术.通信作者：雷廷宙（1963-2012年2月王志伟等：柴油机燃用乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料的试验研究-205-液化石油气、生物质燃气、醇类燃料、二甲醚、氢气、植物油、生物柴油等2-7，其中生物质基液体燃料用于柴油机替代燃料的研究是重要的发展方向.乙酰丙酸是一种具有成为新型绿色平台化合物潜力的产品

9、，其分子中包含有一个羰基和一个羧基，能够进行酯化、氧化还原、取代、聚合等多种反应8，将乙酰丙酸与乙醇反应可生成乙酰丙酸乙酯（EthylLevulinate，EL），乙酰丙酸和乙醇目前均有技术可从生物质资源获得9-12，EL的生产可实现可再生和可持续发展13-14.随着生物质基乙酰丙酸和乙醇技术的进步和其生产成本的下降，EL作为柴油替代燃料应用将逐步推广.目前，国外的研究表明，在柴油中添加适量的EL不仅能改善动力和环保国内对其在柴油机上燃烧及排放性能的研究还为数不多.以EL为中心，综性能，而且能提高其润滑性15-16，合考虑其与柴油的混合燃料的燃烧排放特性，找出适合柴油机使用的优化配比改性混合燃

10、料，将有利于EL的推广利用和生物质资源的合理化、规模化利用.1试验仪器及原料表1ZS1110型柴油机主要技术参数Tab.1ParameteroftheZS1110dieselengine参数水平、单缸、四冲程直喷式1101151.09317114.72200水冷压力飞溅混合式项目类型燃烧室系统缸径/mm行程/mm活塞排量/L压缩比最大功率/kW最大转速（/r/min）冷却方式润滑方式1.1混合燃料燃烧性能试验装置测定，各参数测量范围和精度（体积分数）为：HC01%，±5%；NOX00.4%，±4%；CO010%，±5%；CO2020%，±5%；k：016

11、m-1，±2%.试验原料本试验首先测定了0#标准柴油的性能和排放数油箱油耗仪ZS1110柴油机温度传感器不透光度计测功机尾气分析仪测控系统计算机图1Fig.1混合燃料燃烧排放特性试验系统简图Sketchmapforcombustionandemissionscharacteristicsofblendedfuelstestsystem据，标记为EL-0.然后分别测定了EL体积分数分别为5%，10%，15%和20%的柴油混合燃料的性能和排放数据，分别记为EL-5，EL-10，EL-15和EL-20.由于当EL达到15%时，在室温（25）下就会发现有相分离的现象，因此在EL-15和EL-

12、20中分别加入2%和5%的正丁醇以提高混合燃料的稳定性.2结果与分析EL、正丁醇掺入的比例按体积计算，混合燃料低位热值为（100-E1-E2）0HL0+E11HL1+E22HL2HL=，（100-E1-E2）0+E11+E22（1）式中：HL、HL0、HL1和HL2分别为混合燃料、柴油、EL和正丁醇的低位热值，MJ/kg，后三者分别取值为42.5，24.3，35.1；0、1和2分别为柴油、EL和正丁醇密度，g/cm3，分别取值为0.84，1.01，0.81；E1，E2为混合燃料中EL和正丁醇所占体积分数，%.混合燃料中氧的质量分数计算为-206-河南科学第30卷第2期HO=m·Omi

13、ii×100%，（2）式中：HO为混合燃料中氧的质量分数；mi为混合燃料中燃料i的质量；Oi为混合燃料中燃料i的含氧质量分%；柴油、EL和正丁醇含氧质量分数分别取值为0，33.3%，21.6%.数，柴油替代燃料在柴油机应用的燃烧性能指标主扭矩、功率等）、经济性（耗油率）、要有动力性（转速、排放性（HC、NOX、CO、CO2、烟度等），本试验发动机转速固定在1200r/min，功率由低到高逐渐增大，则EL混合比例与耗油率、排放性（HC、NOX、CO、CO2、烟度）的关系分析如下.2.1油耗率图2所示为油耗率、EL混合比例及输出功率的关系.随着输出功率的逐渐升高，5种比例的混合燃料油耗率

14、均逐渐减低，功率升高到5.3kW左右时油耗率达到或接近最低值，而后逐渐有所升高；随着图2油耗率、EL混合比例及输出功率的关系（1200r/min）EL混合比例的增大，油耗率有所升高，但EL-20的Fig.2TherelationshipamongBSFC，ELproportionsandenginepower（1200r/min）油耗率略低于EL-15，因为EL-20和EL-15中分别含有5%和2%的正丁醇作为助溶剂，其热值比较接近（EL-20和EL-15的低位热值分别为38.3MJ/kg和39.5MJ/kg），但EL-20的质量分数为8.71%，EL-15的质量分数为6.23%，EL-20燃

15、烧更为充分.2.2HC排放EL混合比例及输出功率图3所示为HC排放、EL-5和EL-10的关系.随着输出功率的逐渐升高，的混合燃料HC排放变化比较平缓，其他3种混合燃料HC排放起伏不定，混合燃料中添加正丁醇可能是而导致尾气中HC排放浓度不稳地的原因；随着EL混合比例的增大，整体上HC排放有所升高.例混合燃料的CO排放浓度开始变化不大，后来迅速升高；随着EL混合比例的增大，CO的排放浓度变化CO排放浓度随EL含并不明显，在输出功率较大时，量的变化才较为明显地降低.混合燃料中氧含量的增加可以使燃料燃烧更充分，从而使CO排放降低.2.4NOX排放图5所示为NOX排放、EL混合比例及输出功率5种比的关

16、系.可以看出随着输出功率的逐渐升高，例混合燃料的NOX排放浓度先逐渐升高，然后又逐渐降低，但降低幅度不大；从混合燃料的EL含量变化来看，除EL-0外，其他混合燃料随着EL混合比例的图4CO排放、EL混合比例及输出功率的关系（1200r/min）增大NOX排放逐渐升高，EL-0燃料的NOX排放在输Fig.4TherelationshipamongCOemission，ELproportionsandenginepower（1200r/min）出功率较低时，低于所有混合燃料，而在较大输出功2012年2月王志伟等：柴油机燃用乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料的试验研究-207-率时，EL-5和EL-10的N

17、OX排放浓度变得低于EL-0的NOX排放浓度.在较低功率时，喷射入气缸中的燃料量比较少，由于混合燃料中的含氧量较高，燃料中的碳氢化合物燃烧更充分，而随着功率的增大，燃料喷射量和空气吸入量都逐渐增加，燃料中较低的氧含量的作用逐渐被弱化，而EL-15和EL-20中氧含量更高，对燃料燃烧依然有一定的促进作用，导致更多NOX的生成.2.5CO2排放图6为CO2排放、EL混合比例及输出功率的关系.可以看出随着输出功率的逐渐升高，5种比然后又逐例混合燃料的CO2排放浓度先逐渐升高，渐降低，但降低幅度不大；从混合燃料的EL含量变化来看，除EL-0外，其他混合燃料随着EL混合比例的增大CO2排放逐渐升高，EL

18、-0燃料的CO2排放在输出功率较低时，低于所有混合燃料，而在较大输出功率时，EL-5和EL-10的CO2排放浓度变得低于EL-0的CO2排放浓度.其变化规律整体上类似于NOX排放，但变化幅度比较平缓.2.6尾气烟度排放EL混合比例及输出功率的图7为尾气烟度、5种比例的混合燃料的随着输出功率的逐渐升高，尾气烟度开始变化不大，后来迅速升高；随着EL混合比例的增大，尾气烟度浓度变化并不明显，在输出功率较大时，尾气烟度随EL含量的变化才较为明合燃料中氧含量的增加可以使燃料燃烧更充分，从而使尾气烟度降低.图5NOX排放、EL混合比例及输出功率的关系（1200r/min）enginepower（1200r

19、/min）Fig5TherelationshipamongNOXemission，ELproportionsand图6CO2排放、EL混合比例及输出功率的关系（1200r/min）TherelationshipamongCO2emission，ELproportionsandenginepower（1200r/min）Fig.63结论以EL和柴油混合燃料为原料，采用一台水平、单缸、四冲程柴油发动机，借助测功机、尾气分析仪、不透光度计、油耗仪等装置，进行了混合燃料燃烧和排放试验.在固定转速1200r/min情况下，调整输出功率，得到了EL混合比例与耗油率，HC、NOX、CO、CO2、烟度等排放的

20、关系.结论如下：1）随着输出功率的逐渐升高，5种比例的混合燃料油耗率均逐渐减低，功率升高到5.3kW左右时图7尾气烟度、EL混合比例及输出功率的关系（1200r/min）油耗率达到或接近最低值，而后逐渐有所升高；随着enginepower（1200r/min）EL混合比例的增大，油耗率有所升高，但EL-20的油耗率略低于EL-15，说明耗油率与混合燃料的热值和含氧量都有关.2）随着输出功率的逐渐升高，混合燃料的NOX、CO、CO2、烟度等排放整体上都是增加的，HC的排放变化趋势不明显；随着EL混合比例的增大，HC、NOX、CO2等排放整体上均逐渐升高，CO和烟度排放的变化在低功率运行时并不明显

21、，在输出功率较大时，随EL含量的变化才较为明显地降低.Fig7Therelationshipamongsmokeemission，ELproportionsand-208-参考文献：河南科学第30卷第2期1人民网关注我国能源对外依存度EB/OLhttp：/paperpeoplecomcn/zgnyb/html/201101/24/content731613htm.2胡志远，赵3罗马吉，黄88904纪5白6黄威，符太军，姚亚光，等柴油机燃用乙醇柴油生物柴油混合燃料的试验研究J农业工程学报，2007，23（3）：180185炜，王志伟，朱金陵，等.小型生物质热解气化发电系统研究J河南科学，2009

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