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1、一种新型柴油 - 水微乳化油的研究河北工业大学金萍 天津大学傅茂林宁智刘文胜王海( 天津 300130)摘要 本文介绍一种新颖的柴油 - 水微乳化燃料的研制及其在柴油机上应用的试验研究 。试验结果表明 ,这种新颖微乳化燃料在柴油机上应用是可行的 ,发动机的动力 性 、经济性良好 ,运转平稳 ,特别是在中 、低负荷时 ,发动机的有效热效率比燃用纯柴 油时高 。发动机排气温度和烟度明显降低 ,排放指标也在一定程度上得到了改善 。 关键词 柴油 - 水乳化 多液助溶 性能An Experiment Investigation on Burning Ne w Emulsif iedFuel in a
2、Diesel EngineHebei University of TechnologyJin Ping( Tianjin 300130)Tianjin UniversityFu MaolinNing Zhi L iu WenshengWang Ha iAbstract This paper reports a new diesel - water emulsified fuel . The experimental resultsshow that the new emulsified fuels are practicable in use for diesel engines. The e
3、ngine gives smooth operation and satisfactory performances ,particularly under middle and low loads. The brake thermal efficiency is still higher than that of burning normal diesel oil . The engine ex2 haust temperature and smoke density are considerably reduced. When using emulsified fuels the engi
4、ne emissions are improved to a certain extent .Key words Diesel oil - water emulsification ,Dissolution - promotion of multiple mixed liq2uids ,Performance多 。本文是根据物质分子结构及其极性 ,采用“多液助溶”技术研制成功一种新颖的柴油- 水微乳化型燃料 。2 新型柴油 - 水微乳化燃料的 研制211采用“多液助溶”的方法配制微乳化液根据文献 2 ,溶液的性质和溶解现象在前言多年来 ,国内外学者对柴油 - 水和柴油- 甲醇乳化燃料进行了广泛
5、的研究 ,特别是 近年来我国对新颖柴油 - 甲醇 - 水复合乳化 燃料从理论上和实验上开展了系统的研究 , 并已在节能与降低污染方面取得了满意的结1果1。然而在多液混合微乳化型燃料的研究及其在柴油机上应用研究方 面 的 报 导 却 不 作者现为天津大学内燃机国家重点实验室博士后研究人员小型内燃机No11 (Vol129) 20002本质上决定于两方面特性 : 一是溶液和纯物质的结构 ;二是分子极性及分子间作用力的 大小和性质 。例如从表 1 的溶解度与极性的 关系可以看出 ,若溶剂的分子间的吸引力与溶质分子间的吸引力近似相等 ,则溶质可溶解在溶剂中 ;凡分子的极性及大小相近 ,则分 子间的吸引
6、力就近似相等 。表 1 溶解度与极性2相互作用都变化不大)和 B B 所需要的能量)按 照 乳 化 理 论 之 一 的“界 面 膜 理,在乳化液中的表面活性 剂 , 通 常 在可以看出 ,它的分子中既含有极性强的羟基( - OH) ,又含有同柴油分子相近的烃基 ( - R) 部分 。因此这些物质具有与水形成氢键 的能力 ,又能与柴油分子有一定的亲和力 ,从而在合理的制备工艺下 ,可达到多液助溶的 目的 ,配制成近似柴油色泽且透明的微乳化 燃料 ,它具有不添加昂贵助溶剂 、较大幅度地 替代柴油 、长期储存不易分层或破乳 、适于寒 冷地区使用等特点 。发动机应用试验表明 ,这种乳化燃料具有较高的热
7、效率 ( 特别是在 中 、低负荷时) 、良好的动力性和燃料经济性 , 并减小了对环境的污染 。212 试验使用的油品按上述原理采用机械搅拌法配制了如表2 所列的四种不同配比的柴油 - 水微乳化燃 料 。论”3 ,4两相界面上形成界面膜 ,其强度和紧密程度是乳化液稳 定 性 的 重 要 因 素 。在 本 项 研 究 中 ,作者根据物质的极性及其强弱进行了筛选和匹配实验 ,选用由较大量的油酸 、少量的乙醇和氨水等多种组份构成的高效复合添加 剂 ,用于制备稳定的 、近似柴油色泽且透明的 柴油 - 水微乳化型燃料 。这种复合添加剂中一类亲油 ,另一类亲水 ,而这两类助溶剂又可 相溶 ,如图 1 所示
8、。实线表示相溶 ,虚线表示 不相溶 。|图 1 表面活性剂与乳化液中组分的相溶性3从本项研究所采用的复合添加剂的组分表 2 四种配比的柴油 - 水微乳化燃料序 号柴油含量 ( % ,wt)水含量 ( % ,wt)添加剂总量 ( % ,wt)十六烷值 ( CN)低热值 (MJ / kg)17715101721117827014130151703621517187191634631154552114523155助溶剂 A助溶剂 B柴 油水分子极性分子间相互作用A 在 B 中的溶解度溶质 A溶剂 BA AB BA B非极性非极性弱弱弱可能高 (因为在溶解前后 ,溶质和溶剂分子间的非极性极 性弱强弱可
9、能低 (B B 间相互作用难以打破)极 性非极性强弱弱可能低 (A A 间相互作用难以打破)极 性极 性强强强可能高 (A B 间相互作用可能补偿拆散 A A2000 年 (第 29 卷) 第 1 期一种新型柴油 - 水微乳化油的研究3试验中使用的 柴 油 为 国 家 标 准 0 号 柴油 ,其 十 六 烷 值 大 于 45 , 低 热 值 为 4215MJ /kg 。结果表明 ,燃用乳化燃料时 ,供油提前角和喷油压力与燃用纯柴油时相近 ,因此在本项试 验研究中 ,采用了燃用纯柴油时的供油提前 角与喷油压 力 。这 使 柴 油 机 换 用 乳 化 燃 料 时 ,发动机可不作任何调整 ,应用方便
10、 。512 不同配比乳化燃料的负荷特性为探明乳化燃料配比对节油率与热效率 的影响 ,选用了如表 2 所列的四种配比乳化 燃料进行了负荷特性试验 ,并与纯柴油进行 了对比 。51211 负荷特性从图 2 和图 3 的 1500r/ min 和 2000r/ min 负荷特性可以看出 ,随着乳化燃料中含油率 的下降 ,负荷特性上柴油消耗率 b在整个负 荷范围内均下降 。从图 4 和图 5 可以看出 ,柴油机燃用乳化燃料时排气温度比燃用纯柴 油时有所降低 。而从图 6 和图 7 可以看出 , 柴油机燃用乳化燃料时排气烟度比燃用纯柴 油时有明显下降 ,在 1500r/ min 时 ,标定功率 的烟度
11、BSU 从 218 降至 112 ,下降了 113 倍 ;在 2000r/ min 时 , 则 从 117 降 至 015 , 下 降 了214 倍 。乳化燃料的有关评价参数在本项研究中为评价乳化燃料应用于柴 油的经济性 ,采用了如下两种评价参数 :节油率 Zf3b - b100 %Zf =b式中b 柴油机燃用纯柴油的燃料消耗率 ,g/ kWh ; b从乳化燃料消耗率中扣除水和 所有添加剂后的柴油机消耗率 ( 即乳化燃料消耗率乘以乳化燃料的含柴油 率) ,g/ kWh 。热效率变化率 t he - eth =100 %e式中 e 燃用纯柴油时 , 柴油机有效热效率 ;e 燃用乳化燃料时 ,柴油
12、机有效 热效率 。试验装置本试验研究是在卧式单缸 、四冲程 、涡流 室式 S195 型柴油机上进行 ,其缸径和冲程分 别为 95mm 和 115mm ,标定功率在 2000r/ min时为 818kW 。排放测试用英国 SIGNAL 公司综合废气 分析仪 ,排气烟度用温州仪器仪表厂 FQD -102 型 BOSCH 烟度计测量 。5 试验结果及分析511 油提供前角及喷油压力调整试验S195 型柴油机燃用纯柴油时 ,当转速为2000r/ min , 标定功率是 818kW 时 , 最佳供油 提前角为 18 A (BTDC) 。为 确 定 燃 用 乳 化燃料时的最佳供油提前角和喷油压力 ,对最
13、佳配比的乳化燃料 ( 柴油 6215 % 、水 17187 % 和添 加 剂 19163 %) 进 行 了 调 整 试 验 。试 验4图 2 不同含油率下的负荷特性由于上述几种乳化燃料含有一定量的水 和低于柴油热值的添加剂 ,所以乳化燃料的 热值随含油率的下降而降低 ,因而乳化燃料 的消耗率也随之上升 ,但这并不会影响柴油小型内燃机No11 (Vol129) 20004机的动力性 ,只要对柴油机喷油泵的供油量作相应调整 ,柴油机仍可达到应有的功率和 扭矩 。时 ,最高节油率为 2618 % ,最低为 2411 % 。图 5不同含油率下的排气温度图 3 不同含油率下的负荷特性图 6不同含油率下的
14、排气烟度图 4 不同含油率下的排气温度51212节油率 根据柴油机燃用纯柴油和不同配比乳化油的负荷特性可计算出柴油机燃用不同配比 乳化油的节油率 Zf ,如图 8 和图 9 所示 。从上述两图可以看出 ,随着乳化燃料中含油率的下降 ,节油率在整个负荷范围内均提高 ,而 且同一含油率的乳化油 ,其节油率随负荷的变化并不十分显著 。在乳化油含油率为 55 %时节油率最高 ,当 转 速 为 1500r/ min 时 , 最 高 节 油 率 为2711 % ,最 低 为 2516 % ; 当 转 速 为 2000r/ min图 7不同含油率下的排气烟度2000 年 (第 29 卷) 第 1 期一种新型
15、柴油 - 水微乳化油的研究5护环境来看 ,乳化油的配比以在 55 %77 %范围内选用较为有利 。51213有效热效率的变化 根据发动机燃用不同配比乳化燃料时的负荷特性和如下公式可计算出不同工况时的 有效热效率 : 16e = 3105 %bHu式中 b 燃料消耗率 ,g/ kWh ;Hu 燃料低热值 ,MJ / kg ,柴油的低热值 为 4215MJ / kg , 含 油 率 为 6215 %乳化油的低热值为 3115MJ / kg 。图 8 和图 9 分别在 1500r/ min 和 2000r/min 时燃用纯柴油与燃用含油率为 6215 %乳 化油的有效热效率随负荷变化曲线 。从上述两
16、图中可以看出 ,对含油率为 6215 %的乳化燃料 ,在整个负荷范围内有效热效率均高于 纯柴油 ,特别是在中 、低负荷时与高负荷相比具有相近的热效率提高值 t h 。例如在发动机转速为 2000r/ min 时 , 低负 荷 ( 311kW) 时 , 有效热效率为 26 % ,标定功率 (818kW) 时 ,有 效热效率为 3419 % ,分别比燃用纯柴油时提 高 513 %和 415 % ;在 1500r/ min 时 ,分别提高218 %和 412 % 。这表明乳化油添加剂在燃烧 过程中对提高发动机热效率发挥了作用 。这也是该种乳化燃料优于以往乳化燃料的一个 显著特点 。513 排放特性试
17、验选用节油率最高 、含油率为 55 %的乳化 油和节油率居中的含油率为 70 %的乳化油进行了有害气体排放量的测定 。 测试结果表明 ,这两种乳化油的 NOX 排放量与纯柴油相比是下降的 (图 10 和图 11) 。 当发动机转速为 2000r/ min 时 ,NOX 排放量的最大值分别下降 3712 %和 2619 % ; 当发动机 转速为 1500r/ min 时 ,NOX 排放量的最大值分 别下降 4116 %和 3212 % 。对于 THC 排 放 量 , 当 转 速 为 1500r/ min时 (图 12) ,含油率为 55 %乳化油在整个负荷图 8不同含油率下的有效热效率和节油率图
18、 9不同含油率下的有效热效率和节油率由于乳化油粘度随含油率下降或水剂比例的上升而增大 ,因此含油率低于 55 %不一 定是恰当的 。试验表明 ,从节约石油资源 、保小型内燃机No11 (Vol129) 20006范围 内 THC 排 放 量 的 平 均 值 比 纯 柴 油 高37 % ;含油率为 70 %乳化油的 THC 排放量的 平均值比纯柴油低 314 % 。当转速为 2000r/ min 时 (图 13) ,含油率为 55 %和 70 %乳化油 的 THC 排 放 量 的 平 均 值 分 别 比 纯 柴 油 高48 %和 40 % 。图 12不同含油率下的 THC 排放图 10 不同含油
19、率下的 NOX 排放图 13不同含油率下的 THC 排放图 11 不同含油率下的 NOX 排放对于 CO 排 放 量 , 当 转 速 为 1500r/ min 时 ,其整个负荷范围内的平均值分别比纯柴 油高 56 %和 17 % ( 图 14 ) ; 当 转 速 为 2000r/ min 时 ,比纯柴油高 50 %和 21 % (图 15) 。从上述各图可以看出 ,NOX 排放量随乳 化油含油率的下降而下降 ; THC 和 CO 的排 放量则随乳化油含油率的下降而有所上升 。图 14不同含油率下的 CO 排放2000 年 (第 29 卷) 第 1 期一种新型柴油 - 水微乳化油的研究7图 15
20、 不同含油率下的 CO 排放排放测试结果还表明 ,柴油机燃用乳化 油时 ,CO2 排放量与燃用纯柴油相比稍有下 降 。514固体颗粒物的排放量按德国道依兹公司推荐的方法 ,计算了 发动机燃用乳化油时固体颗粒物排放量 。计 算结果表明 ,燃用乳化油时固体颗粒物排放 量在整个负荷范围内的平均值比燃用纯柴油时低 64 %7418 % (图 16 和图 17) ,而且从图 中曲线可以看出 ,随着乳化燃料含油率的下 降 ,固体颗粒 物 排 放 量 存 在 着 下 降 的 趋 势 。 因此燃用乳化燃料对环境保 护 是 极 为 有 利 的 。图 17 不同含油率下的颗粒排放6结论(1) 试验结果表明 ,这种
21、新颖微乳化燃料 在柴油机上 应 用 是 可 行 的 。从 节 约 石 油 资源 、降低污染 、降低柴油机热负荷角度来看具 有重要意义 。(2) 从节约石油资源和保护环境来看 ,这 种乳化燃料的配比以 含 油 率 为 55 % 77 % 比较合适 。(3) 由于本项试验研究在油 - 水比匹配 上尚属阶段性的结果 ,还未对这种微乳化燃 料配比作更细致的调整与试验研究 ,因此 ,这 种乳化燃料仍具有进一步提高的潜力 。参考文献1 傅茂林 ,李海林等 1 柴油机燃用柴油 - 甲醇 - 水复合乳化燃料的研究 1 内燃机学报 ,1995 ,13 (2) :1011092 杨石先 ,柳大钢主编 1中国大百科全书1 北京 : 中国 大百科全书出版社 ,1989 ,2 :8683 崔心存 1 内燃机的代用燃料 1 北京 : 机械工业出版 社 ,1990 :844 贝歇尔 P1 乳化液的理论与实践 ( 修订本) 1 北京 : 科 学出版社 ,1978(收稿日期 :1999207216)图 16 不同含油率下的颗粒排放
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