《柴油一甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柴油一甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、柴油一甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性柴油一甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性柴油掺醇燃料一般采用乳化的方法配置。乳化燃料的历史较长：2O 世纪 40 年代出现；2O 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油一甲醇一水乳化燃料。这两类乳化柴油燃料都使发动机热效率有所提高，同时降低了微粒排放；但也引发功率下降和缸套生锈腐蚀等问题。为了克服上述两种柴油乳化燃料的缺点，作者对甲醇柴油混合燃料的制取及在柴油机上的应用进行了研究。 甲醇柴油微乳化燃料配制的试验研究：经过理论分析之后，选定多种表面活性剂进行试验，根据试验结果的比较，选定油酸为主要助溶剂。
2、油酸、甲醇和柴油的互溶三相图如图 1 所示。此主题相关图片如下：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，属于透明混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 04 时，油酸的体积分数基本保持不变；大于 04 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。当油酸和甲醇的体积分数比接近 1：1 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。但在与异丁醇助溶对比时发现，异丁醇的助溶能够在温差变化较大的情
3、况下能保持很好的溶解特性，其混合液均匀、透明。而油酸、甲醇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，异丁醇的助溶液均匀、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入异丁醇，并试图减小助溶剂(油酸，异丁醇)所占的体积分数，结果发现：每减小一个体积单位的油酸，需要加入很多体积单位的异丁醇，加入异丁醇后，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
4、基础上加入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)： 此主题相关图片如下：试验装置及试验方法：将制备好的甲醇柴油微乳化燃料在 TY1100 柴油机上进行试验。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，本文采用等过量空气系数法试验。 根据各混合油的配比及各成份的低热值，得到柴油及 1#、2# 和 3#混合燃料在理论空燃比下消耗每千克空气的燃料所释放的热量分别为 3007k3、301lkJ、30161d、30191d，相互之间最大差别仅为 2 。这说明采用
5、等过量空气系数试验方法是可行的 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，等过量空气系数意味着所喷油的放热量是近似相等的。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。此主题相关图片如下：在转速为 2000rmin、过量空气系数为 22、32 和 46 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 1500rrain、过量空气系数为
6、20 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。由于甲醇的气化潜热大、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，表现出甲醇对燃烧的促进作用。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，1O )，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 1500rmin 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。排放特性：柴油机的
7、主要排放物为 NO 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燃料和纯柴油时的 NO 和烟度的对比。由图可以看出，在低负荷时，燃用混合燃料与燃用柴油时的 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，混合燃料的 NO 排放高于柴油，NOx 排放在 1 号油达到最大，然后随甲醇含量的增大而逐渐减少。另一方面，在中高负荷时，随燃料中甲醇含量的增加碳烟排放单调减少。 此主题相关图片如下：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 22)时，燃用不同燃料的缸
8、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持续时间减少，使 NOx 排放也较低。 此主题相关图片如下：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燃烧后期缸内的情况。对于混合燃料，燃料油滴在高温下的微爆现象促进了液体燃料的二次雾化和与空气的混合；同时随甲醇含量的增加，混合燃料中含氧量增加，因而燃烧后期缸内的活性氧离子浓度增加，促进了碳烟的氧化，使碳烟排放浓度下降。不同喷油提前角下混合燃料的燃烧排放特性：图 6 为燃用 2 号混合油在中等负荷情
9、况下(过量空气系数32)、不同供油提前角时的烟度和 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 21A 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 NO 的生成量和排放量减少。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，甲醇柴油混合燃料油滴的微爆现象趋弱，影响了燃料的雾化和混合，使得碳烟排放量增加；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，并且远小于燃用柴油时的碳烟排放。
10、燃烧过程分析：图 7 为根据各工况下的放热率得出的始燃点对比。在转速和供油提前角均相同的情况下，始燃点与滞燃期具有相同的意义。从图中可以看出，纯柴油在各工况下的始燃点基本相同，均在一 7A 左右，表明了负荷对燃用柴油时的滞燃期影响不大；而燃用甲醇柴油混合燃料时，负荷对滞燃期有显著影响，随负荷的增加，滞燃期逐渐减小，始燃点提前。在中小负荷时滞燃期比柴油大，在大负荷时滞燃期与纯柴油比较接近。 滞燃期的如此趋势是由甲醇自身的热物理特性此主题相关图片如下：此主题相关图片如下：与甲醇柴油燃料的雾化特性引起的。甲醇气化潜热大，同时甲醇柴油的雾化存在微爆现象。对于甲醇柴油混合油，在小负荷时，由于喷油量小、缸
11、内温度低，要使油滴内部的甲醇达到相变温度(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醇的气化潜热，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，因而微爆现象显著，使得滞燃期缩短。此外，在中小负荷时，随着混合油中甲醇含量的增加(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、自燃反应速度更慢、滞燃期更长。尽管甲醇十六烷值低，由于混合燃料中的甲醇含量较少，最大也仅为 2O 9，5；而自燃过程中因柴油十六烷值高而最先着火，因而甲醇的十六烷值低似乎对滞燃期影响很小。图 8 为不同负荷(过量空气系数)下燃用不同燃料的放热
12、规律的对比。在小负荷时(图 8a)，混合燃料滞燃期比纯柴油显著延长，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 8b)，1 号油和 2 号油滞燃期虽与纯柴油相当，但预混燃烧峰值比纯柴油大得多；3 号油滞燃期稍长，则预混燃烧峰值更高。综合图 8a 和图 8b 可见，无论在小负荷或大负荷时，当含醇量大于 l0 以后，随混合油含醇率的增加，预混燃烧峰值也随之增加。此主题相关图片如下：根据化学反应动力学理论可知，柴油机的预混燃烧放热峰值取决于预混燃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，燃用混合油的微爆现象较弱，甲醇的气
13、化潜热的影响占主导地位，导致混合气局部温度低，因而滞燃期比纯柴油长，反应速度并未明显增加。而在大负荷时，缸内温度高，喷油量大，由于甲醇汽化温度比柴油低得多，首先汽化，随混合油含醇率的增加，预混的甲醇也随之增加；并且混合油的微爆作用也随混合油含醇率的增加更强烈，这些都使预混合气总量增加。因而在大负荷时，随混合油含醇率的增加，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 32)，供油提前角分别为一 25 A，- 21A，一 l7A 时的放热率对比。从图中可以看出，随着供油提前角的推迟，始燃点也随之推迟，分别为一 73“CA，一 47A，一 30A。对比供油提前角可
14、知，滞燃期也随之缩短。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，但整个燃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燃料甲醇，促进了燃烧后期燃料的氧化，使燃烧速度加快。综上所述，由图 6 可见，在相同的供油提前角下混合燃料的 N0 排放比柴油高。在实际发动机上应用甲醇柴油混合燃料时，可以采用推迟供油的方法，使 N0 排放下降。结论：根据甲醇柴油混合油制备试验和发动机试验可以得出如下结论： 此主题相关图片如下：(1)按照常规配置方法很难配置成功甲醇柴油混合燃料，但加入油酸后，就可以使甲醇柴油和油酸互溶形成微乳化液。(2)与常规乳化液相比，微乳化液所形成的液珠颗粒更小
15、、更稳定。(3)在对发动机不作任何参数调整的情况下，甲醇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。NOx 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、微爆现象较弱，影响滞燃期的主要因素是甲醇的汽化潜热，混合油滞燃期长于柴油。在大负荷时，喷油量大、缸内温度高、因而微爆现象显著，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，当含醇量大于 l0 9，5 以后，随混合油含醇率的增加，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，N0 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醇混合油获得更好的排放水平。作者：谢洁，王锡斌，卢红兵，蒋德明
