助溶剂对柴油乙醇混合燃料性能的影响

助溶剂对柴油乙醇混合燃料性能的影响

两个问题：节能和环保。国家通过制定相关法律法规，限制汽车尾气排放，降低能耗，增加新能源和代用燃料的研究投资。乙醇-柴油混合燃料是代用燃料研究的一个方面,其混合稳定性及排放问题是其研究的主要方向。从理论上分析,醇类由于能增加乙醇柴油混合燃料之间的共价氢键数量,从而能作为乙醇柴油混合燃料的助溶剂使用。前期研究结果表明:碳原子数目小于10时,随醇类碳原子数量的增加,其助溶效果可能会增强。结果是否如此,且使用上述燃料后的排放效果如何,需试验验证。本试验基于此设计。1相测试1.1试料的放置和试验方法试验所用的原料为市售0#柴油(D100),纯度为99.7%的燃料乙醇(E),醇类助溶剂(分别为正丁醇BL、正庚醇HL和正癸醇DL)。试验时,试料的放置顺序为柴油、乙醇和助溶剂;配比体积为:75∶20∶5,所形成的燃料分别为:BL5E20D75,HL5E20D75,DL5E20D75。采用机械搅拌器充分摇匀后静置,分别在温度T为0、10、20和30℃的恒温条件下,观察并记录出现分层的时间(t/d)。试验设备为:SHZ-88型水浴恒温振荡器,SCD-189GB型冰柜。1.2助溶溶剂碳原子数对助溶效果的影响乙醇和柴油刚刚混合时明显分层,这是因为乙醇分子中既含有烃基又含有羟基,既有亲油特性又有亲水性。但由于乙醇分子中烃基碳链短,羟基极性较强而使乙醇分子更易和水分子以氢键互相结合,所以分层。加入助溶剂并摇匀后呈均匀溶合状态,这是因为正构醇助溶剂的极性处于乙醇和柴油之间,其亲水亲油平衡值均在5～10之间,所以使得柴油乙醇稳定互溶。过一段时间则永久分层,这是由于受油料氧化安定性差的影响,燃料中的成分被氧化,失去原有的结合能力,所以分层了。试验结果见图1。由图1可知,醇类是比较好的助溶剂,碳原子数小于10时,随着碳原子数的增加,助溶效果基本呈增大趋势,正庚醇和正癸醇的助溶效果都大于正丁醇。10℃和30℃时助溶效果优劣顺序为:正癸醇>正庚醇>正丁醇,20℃时助溶效果优劣顺序为:正庚醇>正癸醇>正丁醇。配比油料的稳定性也随温度的升高而增强,至30℃时,三种试验油料均可稳定存放30d以上。2排放试验2.1发动机试验方案将三种混合燃料(BL5E20D75,HL5E20D75,DL5E20D75)按顺序及比例配好,充分摇匀后与原机(燃料为D100)做对比试验。为便于试验对比,所有试验均在发动机暖机状态(冷却水温度均达到85℃)以上稳定之后进行,包括排气分析仪和不透光烟度计的预热(提前预热,大约30min)。试验油路中残留燃料的排除,均采用前一种燃料燃烧完毕,换用下一种燃料15min,等发动机状态完全稳定后,调节到需要测量的工况点正式进行试验。为了得到比较准确的试验数据,试验过程中保证发动机冷却水温度在82～95℃之间,试验数据在发动机状态稳定的状态下采集。2.2发动机燃油排放试验试验用发动机为一台YC6J170-21型立式、直列、四冲程、直喷中冷车用柴油机,其标定功率为125kW(2600r/min),最大转矩550N·m(1400～1700r/min),全负荷最低燃油耗≤200g/kW·h。试验在100%负荷率下进行。试验所用设备:FC2000发动机测控系统;S6400测功机;FTY-100不透光烟度计[分辨率0.1%(N值),0.001m-1(k值);示值误差±2%],FC2210Z智能油耗仪;AVLELP-420排气分析仪(分辨率为:CO0.01%vol;HC1000×10-6vol;NOx1000×10-6vol。)依据GB17691—2001车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法和GB/T17692—1999汽车用发动机净功率测试方法测试发动机的排放指标。试验装置安排见图2。2.3试验结果2.3.1乙醇在燃烧过程中co的变化情况从图3可以看出,各种燃料在发动机不同转速下的CO排放都很低,约为0.01%,BL5E20D75油料还在1500r/min时,出现CO几乎测量不出的程度,这与前人研究的结论相一致。这主要是由于乙醇沸点低,挥发性好,能迅速形成良好的混合气。没有出现由于乙醇蒸汽的冷却作用造成的CO偏高的现象,这主要由于乙醇含氧量高,在燃烧过程中产生自供氧效应,更有利于促进燃料的快速充分燃烧,所以生成的CO相对较少。由于本试验在100%负荷率下进行,这与文献在大负荷氧气不足的情况下,乙醇燃料有利于改善燃烧结论相符。2.3.2燃料的挥发性从图4可以看出,随助溶剂碳原子数的增加,HC排放增大。中、高转速下混合燃料的HC排放比纯柴油低。这可能由于随碳原子数的增加,分子量加大,在一定程度上阻碍了燃料的挥发性,使燃料燃烧不充分造成HC排放增加,但由于乙醇的挥发性好,易于与空气形成混合气,增加了缝隙效应,所以总体来说,混合燃料的HC排放比纯柴油要好。图4显示:以正丁醇为助溶剂的混合燃料表现最为优异。2.3.3混合燃料中助溶剂碳化吸热对流量的影响从图5可以看出,混合燃料的NOx排放比纯柴油低,这是由于柴油中掺混的乙醇汽化潜热大,喷射过程中汽化吸热从而降低了缸内温度。且混合燃料中随助溶剂碳原子数的增大,燃料组分分子量增大、密度增高,燃料雾化过程吸热越多,上述两者共同作用,造成缸内温度降低明显,抑制了NOx的生成。图5显示:以正丁醇为助溶剂的混合燃料表现最为优异。2.3.4乙醇对柴油碳烟的阻燃效果从图6可以看出,随转速的增大,各样品碳烟排放增加,混合燃料的碳烟增加平缓;高速下,混合燃料的碳烟排放优于纯柴油。主要是由于乙醇含氧量高,在燃烧过程中可提供较多的氧,减低了燃料浓混合区缺氧的程度,在一定程度上抑制了碳烟的生成;又由于乙醇具有良好的挥发性,促进了燃料与新鲜空气混合的均匀性,加速了混合气形成,降低了缸内空燃比的不均匀性,缩短了扩散燃烧期,有利于燃料快速充分燃烧,而碳烟主要是在扩散燃烧过程中生成,所以柴油中掺入乙醇后,能大大改善柴油机的碳烟排放。以正丁醇为助溶剂的混合燃料表现最为优异。这与邢元等得出结论一致。3混合燃料的稳定性(1)醇类可以作为乙醇柴油混合燃料的助溶剂,且碳原子数小于10时,随碳原子数的增加,助溶效果越好,混合燃料的稳定性增强;随温度的升高,乙醇柴油混合燃料的稳定性变好。(2)混合燃料的排放总体上优于纯柴油,在100%