柴油甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性研究

内 嫩 机 工 程 Vol. 25 (2004) No. 2第25卷(2004)第2期 文宜抽号:1000-0925(2004) 02-001-05 250021 柴油一甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性研究 谢 沽.王翻斌，卢红兵，蒋德明 (西安交通大学，西安 710049) The Study on Preparation and Combustion of Diesel-Methanol Micro-Emulsified Fuel XIE Be, WANG Xi-bin, LU Hong-bing, JIANG De-ming (Xfan Jiaotong University, Xian 710049,China) Abstract: According to emulsification and micro-emulsification theories, oleic acid is chosen as the sur- factant to prepare micro-emulsified fuels. Engine fueled with micro-emulsified fuels gets higher power output and thermal efficiency, higher NOx emission, lower soot emission than diesel. By delaying fuel injection time lower emissions are obtained. NOx emission largely decreases and soot keeps the same. Due to the high latent heat of methanol and the micro-explosion effect of emulsified fuel, the ignition delay of the fuels are longer than that of diesel at small load but almost the same at heavy load. When the proportion of methanol in the fuels increases, the peak heat release rate of premixed combustion increases. 摘要:本丈根据乳化和徽乳化理论选择油政作为表面活性别配+b1了多种配比的架油一甲醉 截乳化燃料.徽乳化A料获拜了与荣油相近的发动机动力性和热效率, NOx排放比AKA荣油 时高，破烟排放比艘用维油时低。随供油提前角的推返，NO,排放快速下降，破烟排放变化不 大，推返供油可使甲醉混合油获得更好的排放水平。由于甲碎汽化潜热大、乳化燃料其有徽澡 效应，故在小负待时液合燃料带燃期比采油时大，而在大负待时两者较接近.随泥合油含璐率 的增加，预液嫩烧峰位也随之粉加。 关.调:内燃机;甲醉。微乳化;嫌烧特性 Key Words: I. C. Engine: Methanol; Micro-Emulsification; Combustion Characteristics 中.分类哥:TK421. 2 文旅标识妈:A 1 撅迷 我国的石油储t有限，随着工业的发展及消费水 平的提高，对石油的需求t不断增长.2002年全国石 油消费f为2.4亿吨，其中进口t达7000万吨，约占 总消费19的1/3。而国内煤炭储f十分丰富，为了实 现合理的能源结构，逐步采用以煤代油的策略将是国 家能源政策的必由之路。通过煤制取的发动机代用 姗料，除了DUE 外，还有甲醉、F-T油等。其中从煤 制取甲醉的生产技术早已成熟，且甲醉还可以从许多 化工和制药工业的副产品中获得[01 柴油接醉燃料一般采用乳化的方法配t。乳化 然料的历史较长:20世纪40年代出现;20世纪60 年代开始对柴油一水乳化燃料进行广泛研究，20世纪 90年代，国内外学者开始研究柴抽一甲醉一水乳化姗 料.这两类乳化柴油嫌料都使发动机热效率有所提 高，同时降低了徽粒排放;但也引发功率下降和缸套 生锈腐蚀等问题Cal。为了克服上述两种柴油乳化嫩 料的缺点.作者对甲醉柴油混合燃料的制取及在柴 抽机上的应用进行了研究。 2 乳化理论Ca-s] 收摘日翻:2加105-19 X*项目:国京.点‘祠研究发屁幼划斑助项目‘2001CB2092081i吸，部博士点A4班助项目(200069800/0) 作告曲介:甘油(197，一》.女二士生.主.研究方向为内臼帆的幽舰和排故,B,mail;)k ck.6atea11.tam. 万方数据 内 嫩 机 工 程 2004年第2期 2.1 表面活性剂的选择 凡是一种物质以低浓度存在于一个体系中，能 吸附在两相界面上，并能显著降低界面自由能(或表 面自由能)和表面张力，这种物质称为表面活性剂。 表面活性剂是包含亲水基和亲油基的两亲分子，头 部为亲水基，尾部为亲油基。当表面活性剂达到一 定浓度后((i6界胶束浓度CMC)形成胶束时，就能显 著降低表面张力。 以表面活性剂的亲油亲水平衡值— HLB值 作为选择表面活性剂的依据。多数表面活性剂不是 亲水性强，就是亲油性强。乳化液界面膜理论表明， 表面活性剂在乳化液两相界面上形成界面膜，其紧 密程度和强度是影响乳化液稳定的重要因素。当界 面膜由复合表面活性剂形成时，膜的强度增大，不易 破裂，分散相不易聚结，乳化液更加德定.因此，在 使甲醉与柴油形成乳化液时，采用亲油及亲水两种 以上的复合表面活性剂要比采用单一表面活性剂时 的稳定性好。 2.2 徽乳化及增溶 油溶性表面活性剂在油相中形成反胶团，加水 时水分子自动进人反胶团内，发生增溶作用.水分 子先与表面活性剂的亲水基结合存在于胶团之中， 使胶团长大，成为肿胀的胶团。随着水t的增加，逐 步形成水相，得到油包水型微乳化液。由此可见，徽 乳化液是自发形成的，具有热力学稼定性的，均匀透 明的，低粘度的油、水和表面活性剂的混合物。体系 水含蚤达到一定程度然后加人更多的水，则难以自 动分散。通过对体系做功，例如施以高速搅拌或超 声处理等，方能使之分散。但所得分散体系的粒子 尺度变大，体系通常呈现乳白色，粘度上升，并显示 出热力学不稳定性，此时已经形成了乳化液。鉴于 微乳化液的热力学稳定性，试验中选择配制柴油、甲 醉的微乳化液。 0.00 图 1 让别 油酸 江75 1oo 油酸、甲醇和柴油互溶三相图 3 甲醉桨油徽乳化娜料配制的试脸研究 体积分数比接近1t1后，两者的体积分数比不再随柴 油的体积分数变化而变化。 试验中发现，当油酸与甲醇以1*1混合后，该混 合液能够与柴油以任意比值互溶。但在与异丁醉助 溶对比时发现，异丁醉的助溶能够在温差变化较大 的情况下能保持很好的溶解特性，其混合液均匀、透 明。而油酸、甲醉和柴油的混合液在同样的条件下 持续2周左右开始分层。上层很薄，颜色较深。在 刚混合好时，异丁醉的助溶液均匀、稳定。而对于油 酸助溶液用肉眼可以看见，有类似微小气泡的东西 由混合液内部升至液体表面的现象，并且观察液体 内部时，发现有透明絮状物在游移。 鉴于异丁醇有助溶作用，在油酸、甲醇和柴油的 混合液中加人异丁醇，并试图减小助溶剂(油酸，异 丁醉)所占的体积分数，结果发现:每减小一个体积 单位的油酸，需要加人很多体积单位的异丁醉，加人 异丁醉后，混合液中的絮状漂浮物减少，并且稳定期 增长。 试验所用1号,2号和3号油分别是在图中1, 2,3点的基础上加人其它助溶剂后得到的。选这三 点靠近临界线是为了尽量减小油酸的用量。其配 方、理论空燃比、低热值见下表(并与柴油对比): 表1 试脸用油的砚方、理论空姗比和低热值 经过理论分析之后，选定多种表面活性剂进行 试脸，根据试脸结果的比较，选定油酸为主要助溶 剂。油酸、甲醇和柴油的互溶三相图如图1所示。 如图显示，曲线左上方是不能共溶区域，右下方 是可以共溶的区域，中间为临界线，属于透明棍合液 的区域还有三条坐标轴。可以看出，沿临界线.在柴 油体积分数从零增大到。.4时，油酸的体积分数基 本保持不变;大于0. 4后，随着柴油体积分数的增 加，油酸的体积分数开始减小，甲醇的体积分数也在 减小，并且其减小速度较油酸快。当油酸和甲醉的 编号 典油 拓M 甲醉 %M 理论空嫩比 kg/kg 低热值 kJ/kg 0号油 !100一}。 一I 14.3 42900 1号油 79.89一}9.46一}13.31 }}40082 2号油 71.32一}14.08 12.92 I 38970 3号油 63.87一}18.62一I 125 137741 4 试验装皿及试验方法 将制备好的甲醇柴油微乳化嫩料在TY1100柴 油机上进行试验。 万方数据 2004年第2期 内 姗 机 工 程 3 . 由于试验中采用了不同配比的混合燃料，燃料 配比不同，则热值、燃空当量比都不相同。为了方便 不同燃料间试验结果的对比，本文采用等过橄空气 系数法试验。 根据各混合油的配比及各成份的低热值，得到 柴油及1井,2井和3井混合燃料在理论空燃比下消 耗每千克空气的嫩料所释放的热量分别为30071sT, 3011kj, 3016kJ, 30191sT，相互之间最大差别仅为 Moo。这说明采用等过量空气系数试验方法是可行 的。 5 发动机试验结果及分析田 5.1 动力性和经济性分析 图2和图3分别为发动机燃用各混合燃料和纯 柴油时的平均有效压力和热效率的对比。结合图2 和图3可以看出，燃料不同，其平均有效压力和热效 率曲线却显示了类似的趋势:平均有效压力高，则热 效率也高，反之亦然。综上分析，等过t空气系数意 味着所喷油的放热t是近似相等的。在转速一定 时，平均有效压力、功率和热效率都呈正比关系，因 而平均有效压力高，则热效率也高。 0.66 0.65 0.64 0.63 a62 众61 和4. 6时，燃用混合燃料的平均有效压力和热效率 均高于燃用纯柴油;而在转速为1500r/min、过量空 气系数为2.。时，1号油的平均有效压力和热效率均 高于柴油，2号和 3号油相比1号油为依次降低。 这种结果是由甲醇的性质所造成的。由于甲醉的气 化潜热大、十六烷值低使得滞燃期变长;同时甲醇是 一种含氧燃料，燃烧开始后能够加快燃烧。在高速 时，由于发动机缸内温度较高，能抵消部分甲醇引起 的滞燃期延长，表现出甲醉对燃烧的促进作用。而 在低速时，由于缸内温度低，随着混合燃料中甲醇含 量超过某一定值时((1号油，10 0/a )，随甲醇含量的增 加，将导致滞燃期的延长，放热率重心相对于上止点 后移。因而在转速为1500r/min时，1号油的燃烧得 到了明显改善,2号、3号油平均有效压力和热效率 依次降低。 5.2 排放特性 柴油机的主要排放物为NOx和微粒排放，本文 针对这两种排放情况加以分析.图4为发动机燃用 各混合嫌料和纯柴油时的NOx和烟度的对比。由 图可以着出，在低负荷时，燃用混合嫩料与嫩用柴油 时的NOx和碳烟排放水平都很低，差别不大。随着 负荷增加，NO:和碳烟排放均逐步增加，差别也逐渐 趋于明显。在中高负荷时，混合嫌料的NO:排放高 于柴油,NO:排放在1号油达到最大，然后随甲醉含 量的增大而逐渐减少。另一方面，在中高负荷时，随 姗料中甲醉含t的增加碳烟排放单调减少。 ?? ? ??? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ?? ? ? ? ? ? ?? ?。?? ?? (a) 2的七加in 0 1 2 3 油的种类 (b) 1500r/sin ( 0=2.0) 图2 ._.集油 不同嫌料的平均有效压力对比 ,_,1号油 ‘一么2号油 ，一，3号油 油的种类 (a) N0, 图4 不同姗料的排放对比 0. , n (r/min) .一 2. 0 ,1500 .一 2. 2 , 2000 ‘-A 3. 2 , 2000 ，一，4.6,2000 ? ? ? ? ? ???? ?? ? ? ? ? ? ? (a) 2000r/aim 34}0 1一一2一 3 油的种类 (b) 1500r/min ( 0;-l 0) 图3 不同姗料的热效率对比 .一荣油 .一1号油 ‘一‘2号油 ，_，3号油 在转速为2000r/min、过it空气系数为2. 2,3.2 NOx的生成主要取决于氧的浓度、反应温度和 高温持续时间。图5为在大负荷(过量空气系数 2.2)时，燃用不同嫩料的缸内平均温度，通过对比图 4中的NOx曲线可见，两者趋势基本一致。在燃用 1号油时，缸内最高温度最高、NO,排放也最高。 而柴油由于最高温度低、温度上升速度慢导致高温 万方数据 内 姗 机 工 程 2004年第2期 2000 1日)D 1日以】 1400 \、~、 人~一//. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ? 持续时间减少，使NO,排放也较低。 0 15 30 尹 .以 朽 60 -25 -21 -17 仇., TA 图5 不同燃料的缸内温度对比 ._.0 ⋯ 1 . 2 - 3 图6供油提前角对排放的影响 (2号油，n=2000r/min, 0,=3. 2) .一 烟度 .一.NO, /丫二二一一 声耳一一一 一 ? ? ? ? ? ? ? 。?? ? ? 碳烟是柴油机缸内燃料燃烧过程中必然产生的 中间产物，其最终排放水平取决于嫩烧后期缸内的 情况。对于棍合燃料，姗料油滴在高温下的徽姆现 象促进了液体赫料的二次雾化和与空气的混合，同 时随甲醉含t的增加，混合燃料中含载f增加，因而 燃烧后期缸内的活性载离子浓度增加，促进了碳烟 的氧化，使破烟排放浓度下降。 5.3 不同喷油提前角下混合始料的姗烧排放特性 图‘为燃用2号混合油在中等负荷情况下(过 量空气系数3.2)、不同供抽提前角时的烟度和NOx 对比。随供油提前角的推迟，NOx排放依次下降，烟 度在供油提前角为21'C A时为最小值，推迟或提前 都会使碳烟排放增加。随着供油提前角的推迟，缸 内最高温度和高温持续时间均相应减少，使得NOx 的生成t和排放量减少.但碳烟排放的趋势则不易 解释，或许是由于在供油提前角过大时，缸内温度相 对较低，甲醉柴油棍合燎料油滴的微解现象趋弱，影 响了燃料的雾化和混合.使得碳烟排放t增加;而推 迟供油时，则由于生成碳烟的氧化时间缩短，也使碳 烟增加。另一方面，通过对比图6和图3b可知，在 三个供油提前角下的烟度值相差都很小，并且远小 于嫩用柴油时的碳烟排放。 5.4 姗烧过租分析 图7为根据各工况下的放热率得出的始姗点对 比。在转速和供油提前角均相同的情况下，始燃点 与滞嫩期具有相同的意义.从图中可以看出，纯柴 油在各工况下的始嫩点基本相同，均在一7℃ A左 右，表明了负荷对嫌用柴油时的滞燃期影晌不大;而 嫌用甲醇荣油混合燃料时，负荷对滞嫩期有显著影 响，随负荷的增加，滞燃期逐渐减小，始嫩点提前。 在中小负荷时滞嫩期比柴油大，在大负荷时滞燃期 与纯柴油比较接近。 滞姗期的如此趋势是由甲醉自身的热物理特性 油的种类 图 7 .一 2.2 不同嫌料的始嫩点对比 (rs=2000r/min) ‘一▲32 ，_，4.6 与甲醉柴油燃料的雾化特性引起的。甲醉气化潜热 大，同时甲醉柴油的雾化存在微娜现象。对于甲醉 柴油棍合油，在小负荷时，由于喷油t小、缸内温度 低，要使油滴内部的甲醉达到相变温度(临界温度) 的时间较长，因而在喷雾的雾化过程中微爆现象较 弱.此时影响滞燃期的主要因素是甲醉的气化潜 热，导致在小负荷时滞燃期长。在大负荷时，喷油量 大、缸内温度高，因而徽爆现象显著，使得滞燃期缩 短。此外，在中小负荷时.随着混合油中甲醉含盆的 增加(从纯柴油到1,2,3号油)，燃料气化的吸热量 也随之增加，使缸内温度更低、自嫩反应速度更慢、 滞燃期更长。 尽管甲醉十六烷值低，由于混合燃料中的甲醉 含f较少，最大也仅为20%;而自姗过程中因柴油十 六烷值高而最先着火。因而甲醉的十六烷值低似乎 对滞嫩期影响很小。 图8为不同负荷(过A空气系数)下a用不同燎 料的放热规律的对比。在小负荷时(图8a),棍合嫩 料滞燃期比纯荣油显著延长，但预混燃烧峰值并没 有明显的增加，1号油和2号油的峰值反而有所下 降.而在大负荷时(图86),1号油和2号油滞燃期 万方数据 2004年第2期 内 徽 机 工 程 虽与纯柴油相当，但预混燃烧峰值比纯柴油大得多; 3号油滞燃期稍长，则预混嫩烧峰值更高。综合图 8a和图8b可见，无论在小负荷或大负荷时，当含醉 量大于10%以后，随棍合油含醇率的增加，预混嫌烧 峰值也随之增加。 众12 0田 ? ?、????? ? 众06 让1月 p二以 图9 不同供油提前角下的放热率对比 氏a2 (2号油，n=20oor/min,户.二3.2) ? ?、??? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???、?? ? ? 0I习 呱%,- .一.一2 50CA .-.-210CA ,_,一170CA15 30 45 60 p .以 (a)巾.闷.6 -30 -15 0 15 30 45 60 p，.1 (b)中,=2. 2 图8 不同嫩料的放热规律对比(2000r/min) .一 0 .一 1 A- 2 ，一，3 根据化学反应动力学理论可知，荣油机的预混 嫩烧放热峰值取决于预混嫌料量的多少和缸内混合 气的状态，主要取决于温度的高、低。综上分析，在 小负荷时，嫩用混合油的徽爆现象较弱，甲醉的气化 潜热的影响占主导地位，导致混合气局部温度低，因 而滞嫩期比纯柴油长，反应速度并未明显增加。而 在大负荷时，缸内温度高，喷油盆大，由于甲醉汽化 温度比柴抽低得多，首先汽化，随混合油含醉率的增 加，预混的甲醉也随之增加;并且混合油的微爆作用 也随混合油含醉率的增加更强烈，这些都使预混合 气总t增加。因而在大负荷时，随混合油含醉率的 增加，预混燃烧峰值增加。 图9为燃用2号混合油，在中等负荷情况下(过 量空气系数3. 2 )，供油提前角分别为一25-C A, -210CA,-17'CA时的放热率对比。从图中可以 看出，随着供油提前角的推迟，始姗点也随之推迟， 分别为一7.3-CA, -4.7-CA, -3. 00CA。对比供油 提前角可知，滞嫩期也随之缩短。另一方面，随着供 油提前角的推迟，预混峰值放热率也随之逐渐降低， 但整个姗烧持续期似乎没有明显延长。这可能是由 于混合油中含有含氧招料甲醉，促进了嫩烧后期燃 料的氧化，使姗烧速度加快。综上所述，由图6可 见，在相同的供油提前角下混合燃料的NOx排放比 柴油高。在实际发动机上应用甲醉柴油混合燃料 时，可以采用推迟供油的方法，使NOx排放下降。 以得出如下结论: (1)按照常规配里方法很难配置成功甲醉柴油 混合然料，但加人油酸后，就可以使甲醉柴油和油酸 互溶形成微乳化液. (2)与常规乳化液相比，徽乳化液所形成的液珠 颗粒更小、更稳定。 (3)在对发动机不作任何参数调整的情况下，甲 醉柴油微乳化液可以获得与柴油相近或略优的发动 机动力性和热效率。NO,排放比燃用柴油时高，而 碳烟排放比燃用柴油时低. (4)在小负荷时，喷油量小、缸内温度低、微姆现 象较弱，影响滞燃期的主要因素是甲醉的汽化潜热， 混合油滞燃期长于柴油.在大负荷时，喷油量大、缸 内温度高、因而徽姆现象显著，使得混合油滞燃期缩 短，与柴油比较接近. (5)无论在小负荷或大负荷，当含醉量大于10% 以后，随混合油含醉率的增加，预混燃烧峰值也随之 增加。 (6)对于混合油，随供油提前角的推迟，NOX排 放快速下降，碳烟排放变化不大。因而可以采用推 迟供油的方法使甲醉混合油获得更好的排放水平。 参考文献: ‘ 结论 [17 蒋位明.高等内姗机耳理【M〕.西安，西安交通大学出版社， 2002. [2] 何学良.等.内姗机从料〔M〕。北京:机械工业出版社，1999. [a1 胡泳翔.粉理化学〔M」厦门。厦门大学出服社，1989. [4」 黄忠水，纪 威，哪卓茂.荣抽机乳化姗料的配制及应用〔J〕. 荣油机，2002(1),28-31. 仁5〕 崔心存.内燃机的代用姗料〔M〕.北京:机械工业出版社， 1999. [6]蒋德明.高等内徽机姗烧与排放学[M].西安:西安交通大学 出版社，加02. 根据甲醉柴油混合油制备试脸和发动机试验可 (编 辑:姜文玲) 万方数据