第25卷第6期內(nèi)燃機工程VoL 25 No 62004年12月Chinese Internal Combustion Engine EngineeringDec. 200文章編號:1000-0925(2004)06-030-04250112乙醇-柴油混合燃料的理化特性的研究于世濤,郭英男2,卓斌,劉金山2,楊林(1.上海交通大學汽車電子技術研究所,上海200030;2.吉林大學內(nèi)燃機研究所)Study on the Physical and Chemical Characteristics of Ethanol-Diesel Blend FuelsYU Shi-tao, GUO Ying-nan, ZHUO Bin', LIU Jin-shan, Yang Lin(1. The Institute of Automotive Electronic Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2. The Institute of Internal Combustion Engine, Jilin University)Abstract: In order to help the study of using the ethanol-diesel blend fuel on a diesel engine, the mainphysical and chemical characteristics of ethanol-diesel blend fuel lueve investigated in this paper. The lowheating value, cetane number of the blends with different ethanol fractions are calculated by using the experiential formula, Experiments of distillation and viscosity were done to study the distillation characteristics andviscosity characteristics of different ethanol-diesel blend fuels (E0, E10, E20, E30), and several experientialformulas are formulated based on the results of viscosity experiment: The solubility experiment is done tostudy the solubility of different ethanol-diesel blends(EO-E100), besides, the effects of solvent on the solubility curve of different ethanol-diesel blends are also studied. The studies show that the low heat value, cetane number, viscosity of the blends decrease with the increasing content of ethanol in the blends; The distil-lation characteristics of the blends is very high in the low range of temperature; Solvent can better the solu-bility of ethanol-diesel blend fuels.摘要:為了有助于開展乙醇柴油混合燃料在發(fā)動機上的應用研究,本文開展了不同乙醇摻混比例柴油乙醇混合燃料的主要理化特性的研究。采用數(shù)值計算的方法研究了不同乙醇摻混比例對混合燃料的低熱值、十六烷值的影響;開展燃料的蒸餾特性試驗、粘溫特性試驗,研究了不同乙醇摻混比例(E0,E10,E20,E30)對混合燃料的蒸餾特性、粘溫特性的影響,并對混合燃料的粘溫特性試驗結果進行數(shù)值回歸;釆用相溶特性試驗研究了不冋乙醇摻混比例的混合燃料(E0-E100的相溶特性,以及助溶劑對混合燃料相溶特性曲線的影響。研究結果表明:隨著乙醇摻混比例的增加,混合燃料的低熱值、十六烷值、粘度逐漸降低,混合燃料的低溫蒸餾特性較強,助溶劑可有效解決乙醇柴油的相溶問題。關鍵詞:內(nèi)燃機;柴油乙醇混合燃料;粘度;蒸餾特性;助溶劑Key Words: I C Engine; Ethanol-Diesel Blend Fuel; Viscosity; DistillationCharacteristic; Solvent中圖分類號:TK407.9文獻標識碼:A1概述普遍關注的問題。乙醇作為一種可再生含氧生物燃料,被認為是一種比較有前景的代用燃料。隨著汽車保有量的增加,石油短缺及排放污染問題日益突出,尋求清潔的石油替代燃料成為人們yhA中國煤化工、巴西和歐共體等國一汽油(E7.7,E10CNMHG收稿日期:200402-20作者簡介:于世濤(1977-),男,博士生,主要研究方向為內(nèi)燃機代用燃料與排放,Ema: seawave@ sjtu. edu,cn2004年第6期20)多年,然而乙醇在柴油機上的應用技術還不成3試驗裝量和方法熟,這主要是由于乙醇與柴油之間存在較大理化性質(zhì)的差異。本文針對與發(fā)動機應用相關的柴油乙醇采用GB265型石油產(chǎn)品運動粘度測定儀,按照混合燃料理化特性進行的研究結果表明:隨著乙醇GB/T265試驗方法進行混合燃料粘溫特性試驗;遵摻混比例的增加,混合燃料的十六烷值、熱值、粘度循GB/T6536試驗方法在蒸餾儀上進行混合燃料蒸逐漸降低;混合燃料的低溫蒸餾特性較強;助溶劑可餾特性試驗;采用水浴、冰柜化學試驗臺進行混合燃有效解決乙醇柴油的相溶問題。料的相溶特性試驗。2醇類燃料的物化特性4混合燃料的理化性質(zhì)醇類是烴基(一R)與羥基(-OH組成的化合4.1冷濾點物,從本質(zhì)上決定了醇類可成為替代石油系燃料的冷濾點是評價燃料油低溫性能的指標。對于柴內(nèi)燃機燃料,而羥基的存在又決定了它有很多不同油乙醇混合燃料,由于乙醇的凝點為-114°C,因而于石油系燃料的特性。燃料在內(nèi)燃機燃燒做功過程混合燃料的冷濾點不會因乙醇的摻人而下降,反而是一個復雜的物理化學變化過程,燃料的著火燃燒還會保持較好的低溫使用性能。特性取決于其揮發(fā)性、沸點、汽化熱、閃點、著火溫4.2混合燃料的粘度度、辛烷值、十六烷值、粘度等一系列物理化學特在柴油機中,燃油在供油系統(tǒng)中起著潤滑和防性漏作用,燃油的粘度是發(fā)動機燃料一個重要的評價指標,燃料的粘溫曲線(粘度隨溫度變化關系)是燃表1幾種燃料的主要理化特性比較料、特別是代用燃料重要的品質(zhì)特性?？紤]到發(fā)性質(zhì)汽油柴油動機燃油系統(tǒng)工作溫度范圍,本文以一35#柴油為化學式Cle-23C3HsOH基礎油,在20~100°C的溫度范圍內(nèi),對E0、E10、分子量95~120180~20046E20、E30(符號E后面的數(shù)字表示乙醇在混合燃料含氧量,%0.434.8中的體積百分比)混合燃料進行粘溫特性試驗,試驗比重07~0.780.82~0.880.79結果如圖1所示。理論空燃比kg/kg14.2~15.114.49.0沸點,C0~200175~36078.5凝點,C114粘度(20C),mPas0.42低熱值,M/kg43.542.526.77汽化潛熱,kJ/k冒L辛烷值RON84~94111十六烷值0~1040~55著火極限,vol%1.4~7.61.58~8.24.3~19自燃溫度,C220~260200~220420閃點,"C20406080100120t,°C表1列出了乙醇燃料與柴油、汽油的理化特性,可以看出,乙醇的辛烷值較高,閃點較低,著火溫度圖1混合燃料的粘溫特性對比較高,十六烷值較低,因而乙醇和汽油的性質(zhì)較接◆-◆E0■■E10▲-▲E20●-●E30近,和柴油的性質(zhì)相差較大,故乙醇在柴油機上的應用較汽油機難度大;由于乙醇燃料“含氧”的特點,燃M凵中國煤化工例的增大,混合燃燒時理論上所需空氣只有汽油或柴油的一半左右,料粘CNMH升高(約100°C)對于改善擴散燃燒時由于油氣混合不均勻而生成碳幾種和儀那木佃的粘溫曲線保持煙和微粒具有積極的作用,從而又使乙醇在柴油機致,這是因為乙醇的沸點為78.5°C,遠小于柴油的上的應用成為可能。沸點。當混合燃料的溫度升高大于乙醇的沸點溫度內(nèi)燃機工程2004年第6期時,乙醇首先從混合燃料中大量地蒸發(fā)出來;當混合燃料溫度達到100°C時,試驗結果表明乙醇已基本從混合燃料中完全蒸發(fā)出來,混合燃料中僅剩下柴油燃料,當溫度在100°C以后,幾種混合燃料的粘溫曲線基本重合。所以,在柴油機上燃用柴油乙醇燃料的供油系統(tǒng)中應防止乙醇蒸發(fā)而發(fā)生氣阻和穴蝕150現(xiàn)象。同時,由于柴油乙醇混合燃料的粘度隨乙醇摻混比例的增加而下降,相對于柱塞式噴油泵,由于混合燃料的粘度下降,導致燃料的節(jié)流效應下降,使在柱塞斜槽與進回油孔相通期間燃油回流相對較多,從而影響噴油泵每循環(huán)供油量。結合圖1混合燃料的粘溫特性試驗數(shù)據(jù),利用最小二乘法對每種混合燃料的粘溫特性進行回歸,餾出率,vol%回歸公式如式(1)~(4)所示圖2混合燃料的蒸餾特性對比對E0E10y=0.0009T-04064T2+58.3593T(mm2/s)(1)程,因而當溫度達到200°C左右時,可以認為乙醇已對E10經(jīng)完全從混合燃料中蒸發(fā)出來。所以當混合燃料進v=-0.0014+0.368672-36.11617(mm2/s)(2)入50%蒸餾階段時,可以認為此階段為純柴油燃料的蒸餾過程。綜上所述,在儲存柴油乙醇混和燃料對E20時,混合燃料的低溫蒸發(fā)性是值得考慮的一個重要y=0.0090T-0.403972+57.3267(m2/s)(3)因素4混合燃料的十六烷值對E30y=-0.0004T+0.0317T2+8.8908T8(mm2/s)(4)十六烷值是表征柴油著火性能好壞的一種指標,乙醇燃料的十六烷值較低(僅為8),因而混合燃式中,T為絕對溫度,T∈[293,373]料的十六烷值將根據(jù)乙醇摻混比例來確定。采用下4.3混合燃料的餾程列經(jīng)驗公式(5)對混合燃料的十六烷值進行估算,計燃料的餾程決定其能否用于內(nèi)燃機的燃燒。燃算結果如圖3所示(設柴油十六烷值為50)料油的蒸餾曲線是其餾出率隨溫度的變化曲線。燃CN=a CNl+bCN2(5)料油蒸餾曲線的形態(tài)代表著燃料油中輕、中、重餾分的比例。而這種分配比例對于燃料油在內(nèi)燃機中的式中CNCN1、CN2分別為混合燃料、柴油、乙醇的十著火燃燒和放熱的時刻和強度起著決定性的作用。六烷值;a,b分別為柴油、乙醇所占的體積百分比。本文以-35#柴油為基礎油,針對E0、E10、E20由圖3可以看出,隨著乙醇摻混比例的增加,柴E30混合燃料進行蒸餾特性試驗,試驗結果如圖2油乙醇混合燃料的十六烷值迅速下降,這將影響到所示?；旌先剂系闹鹦阅?尤其影響到混合燃料燃燒著由圖2可以看出,隨著溫度的升高,燃料的餾出火延遲期的長短。因而在摻混大比例乙醇的柴油乙率也在不斷的增加,并且隨著乙醇摻混比例的增加,醇混合燃料時,由于混合燃料的十六烷值過低,因而相同餾出率所對應的餾出溫度也在不斷降低,尤其適當添加著火促進劑是非常有必要的。在50%餾出率以下,不同摻混比例的柴油乙醇混合4.5混合燃料的熱值燃料的蒸餾曲線相差較大;這是由于在柴油中加入燃料的熱值直接影響發(fā)動機的動力輸出,乙醇燃乙醇以后,隨著溫度的升高,混合燃料中熱運動不斷料中國煤化工63%見表1),因而加劇,當溫度超過乙醇的沸點時,乙醇首先從燃料中混蒸發(fā)出來,隨著溫度的繼續(xù)升高,乙醇被大量的蒸發(fā)采CNMH比例增加而下降。AJ 19G低熱值進行估算,計出來,由于蒸餾試驗持續(xù)時間較短,試驗進行的時間算結果如圖3所示?？梢姴裼鸵掖蓟旌先剂系妮^低進度較快,以及乙醇的完全蒸發(fā)需要一定的時間進的熱值是影響發(fā)動機動力性的一個重要因素004年第6期內(nèi)燃機工程33行的途徑;同時在選擇混合燃料的乙醇摻混比例時,選擇燃用小比例或大比例的乙醇摻燒比例的混合燃料是比較可行和有價值的。10乙醇百分比,vol%圖3燃料低熱值、十六烷值隨乙醇摻混比的變化■一■低熱值▲一▲十六烷值H=Hl·x1+Ha·x2(6)乙醇百分比,vlo%式中,H,H,H分別為混合燃料、柴油、乙醇燃料圖4混合燃料的相溶特性的低熱值,kJ/kg;x1,x2分別為柴油和乙醇的質(zhì)量●10#柴油▲10#+1%助溶劑百分比35#柴油35#+1%助溶劑6混合燃料的相溶特性乙醇燃料顯極性,具有較強的親水性,能無限溶于水;而柴油屬于石油系燃料,具有較強的憎水性5結論且石油系燃料憎水性順序為:脂肪族烴>烯烴>芳香烴,因為柴油中含有較多的脂肪烴,具有較少的芳(1)隨著乙醇摻混比例的增加,混合燃料的低熱值、十六烷值、粘度逐漸降低。香烴,當柴油和乙醇混合時,表現(xiàn)出較差的相溶性,很容易分層,不易形成穩(wěn)定的乳化液;因而解決(2)混合燃料的低溫蒸餾特性較強(3)助溶劑解決乙醇柴油的相溶問題是一個比柴油與乙醇的相溶性問題是柴油摻混乙醇的一個關較可行的途徑。鍵技術。圖4為不同乙醇摻混比例柴油乙醇混合燃料的參考文獻:相溶特性曲線,曲線類似為上凸的拱形曲線,曲線以上是均勻的溶液,曲線所包圍的面積為兩相區(qū)。當[1]崔心存,內(nèi)燃機的代用燃料[M].北京:機械工業(yè)出版杜分別在柴油乙醇混合燃料中加入1%體積比的助溶[2]傅茂林.柴油機燃用柴油甲醇水復合乳化燃料的研究[.內(nèi)劑后,發(fā)現(xiàn)助溶劑的助溶效果明顯。使一35#柴油燃機學報,1995,13(2):103~109的不同乙醇摻混比例的柴油乙醇混合燃料的分層溫[3] Miyamoto N, Ogawa H. Improvement of Diesel Combustion度下降2~6℃C,使10#柴油的不同乙醇摻混比例的and Emissions with Addition of Various Oxygenated Agents to柴油乙醇混合燃料的分層溫度下降3~13°C,因此Diesel Fuels[C]. SAE 962115采用助溶劑解決乙醇柴油的相溶問題是一個比較可(編輯:姜文玲)中國煤化工CNMHG