微乳甲醇柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究

段敏偉　楊維成　譚樹波　馬　坤　喬擬春　羅　勇（上海化工研究院醇醚燃料研究室　上?！?00062）

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微乳甲醇柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究

段敏偉楊維成譚樹波馬坤喬擬春羅勇（上?；ぱ芯吭捍济讶剂涎芯渴疑虾?00062）

摘要：通過在4100QB-Z型柴油機(jī)上分別燃用0#柴油和標(biāo)號(hào)為M15、M30微乳甲醇柴油，研究不同燃油燃燒的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放性等特征指標(biāo)。結(jié)果表明：輸出功率恒定時(shí)，標(biāo)號(hào)M15、M30相對(duì)于0#柴油的油耗增率介于-1.32%~4.66%、1.21%~13.29%，說明甲醇促使燃油油耗一定幅度的升高，但綜合甲醇價(jià)格優(yōu)勢(shì)，微乳甲醇柴油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于0#柴油；且燃用M15的輸出功率及轉(zhuǎn)速均大于燃用0#柴油，微乳甲醇柴油動(dòng)力性能優(yōu)勢(shì)明顯；排放性方面，微乳甲醇柴油的常規(guī)排放（CO、HC、NOx和煙度）明顯低于0#柴油。

關(guān)鍵詞：微乳甲醇柴油柴油機(jī)穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性動(dòng)力性排放性

引言

與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)具有熱效率高、爆發(fā)壓力高、輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用[1-2]。微乳甲醇柴油因制取簡(jiǎn)捷、燃燒性能好、燃燒廢氣（HC、 CO、NOx）及顆粒物（PM）排放含量低等諸多優(yōu)點(diǎn)而獲得重視[3-4]；同時(shí)，醇類燃料是國(guó)際公認(rèn)的一種清潔代用燃料，美國(guó)環(huán)保局認(rèn)為：采用甲醇燃料是實(shí)現(xiàn)清潔環(huán)境的最有效的方法[5-6]。而且，M15和M30甲醇柴油比柴油的成本下降約10%和20%，具有廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)海關(guān)總署公布的數(shù)據(jù)，2014年我國(guó)共計(jì)進(jìn)口原油3.08億t，比2013年同期增長(zhǎng)了9.5%，對(duì)外依存度接近60%，石油安全形勢(shì)依舊比較嚴(yán)峻。近年來，醇醚燃料已成為甲醇下游第一消費(fèi)領(lǐng)域，并呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，這對(duì)減少我國(guó)石油進(jìn)口、平抑石油產(chǎn)品價(jià)格發(fā)揮著重要作用。因此開展甲醇柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究，對(duì)解決目前能源緊缺的問題有著重要意義。本文著重研究標(biāo)號(hào)M15、M30微乳甲醇柴油相對(duì)于0#柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性帶來的變化，以進(jìn)一步證實(shí)甲醇柴油的可行性，將有利于推廣和規(guī)范甲醇燃料的實(shí)際應(yīng)用。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用昆明云內(nèi)動(dòng)力4100QB-Z型柴油機(jī)，壓縮比為17：1，標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速為58.8 kW@3200 r/min，最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速為201N·m@2000~2200 r/min。主要測(cè)試設(shè)備見表1。

表1 主要測(cè)試設(shè)備

1.2實(shí)驗(yàn)樣品

0#柴油購(gòu)自上海紅煉潤(rùn)滑油有限公司，0#柴油的理化性能符合國(guó)標(biāo)GB/T 19147-2013。甲醇（工業(yè)級(jí)）購(gòu)自上海焦化廠，甲醇柴油添加劑由本研究室研發(fā)配制，含腐蝕抑制劑和抗溶脹劑。本文采用甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為標(biāo)號(hào)，分別配制了M15和M30兩種標(biāo)號(hào)的甲醇柴油。

1.3微乳液的表征

根據(jù)微乳液的定義，判定體系是否為微乳液最常用方法是在100 g的重力加速度下離心5min后，觀察分層情況，若不分層，則可判定為微乳液。

根據(jù)相對(duì)離心力（RCF）與轉(zhuǎn)數(shù)的換算公式RCF =1.118×10-5×n2×r[7]及查閱TDL-40B離心機(jī)轉(zhuǎn)軸中心與離心管中心的旋轉(zhuǎn)半徑r為15 cm，計(jì)算得到轉(zhuǎn)速n=772 r/min。

設(shè)定理論轉(zhuǎn)速，對(duì)配制的甲醇柴油體進(jìn)行離心分離5min，觀察是否出現(xiàn)分層情況。若離心后體系不分層，即可確認(rèn)該體系為微乳液。

1.4測(cè)試?yán)砘匦?/p>

不同標(biāo)號(hào)燃油的主要理化指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表2。

表2　不同標(biāo)號(hào)甲醇柴油主要理化特性對(duì)比

1.5經(jīng)濟(jì)性分析

實(shí)驗(yàn)過程中，原機(jī)結(jié)構(gòu)和供油參數(shù)未做任何改動(dòng)，即發(fā)動(dòng)機(jī)的供油壓力、噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角等參數(shù)均為原機(jī)數(shù)值，分別燃用0#柴油和M15、M30微乳甲醇柴油進(jìn)行1600 r/min負(fù)荷特性實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)矩（T tq）從200~20N·m逐次減小，每隔20 N·m為一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，每點(diǎn)重復(fù)測(cè)定3次。測(cè)試完畢后在短時(shí)間內(nèi)不同日期再次測(cè)試一遍，采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）考察短時(shí)間內(nèi)不同日期實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。通過平均油耗量（B）、平均修正燃油消耗率（B e）等指標(biāo)考察燃油的經(jīng)濟(jì)性能。

1.6動(dòng)力性分析

與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)相同，不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別燃用0#柴油和M15、M30微乳甲醇柴油進(jìn)行30%油門速度特性實(shí)驗(yàn)，T tq從30至180N·m逐次調(diào)整，每次增加30 N·m為一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)方法同上述1.5，也采用RSD考察短時(shí)間內(nèi)不同日期實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。通過平均修正輸出功率（P e）、輸出轉(zhuǎn)矩（T tq）等指標(biāo)評(píng)價(jià)燃油的動(dòng)力性能。

1.7常規(guī)排放分析

在上述1.5、1.6的負(fù)荷、速度特性實(shí)驗(yàn)中，獲取每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的工況下催化前尾氣中CO、HC、和NOx的排放值，并進(jìn)行對(duì)比分析。

另外，參照GB/T 9487-2008《柴油機(jī)自由加速排氣煙度的測(cè)量方法》，采用NHT-6不透光煙度計(jì)測(cè)試了0#柴油、M15、M30微乳甲醇柴油的自由加速排氣煙度值（不透光度N，%）。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1表征結(jié)果分析

通過離心實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)號(hào)M15、M30甲醇柴油離心后都未出現(xiàn)分層，且顏色澄清透明，即可認(rèn)定所配制的甲醇柴油為微乳液。

2.2經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

同標(biāo)號(hào)燃油在相同T tq下，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)下各特征指標(biāo)的RSD均小于1.8%，說明實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好，可滿足實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性要求。不同燃油在1600 r/min負(fù)荷特性下燃油消耗量B及燃油消耗率B e對(duì)比見圖1。

圖1　1600 r/min負(fù)荷特性下燃料油耗對(duì)比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在相同T tq下，各標(biāo)號(hào)油耗高低為M30>M15>0#。標(biāo)號(hào)M15和M30相對(duì)于0#的油耗增率介于-1.32%~4.66%和1.21%~13.29%之間。說明甲醇促使燃油消耗量一定幅度升高，但考慮到甲醇市場(chǎng)價(jià)格僅為柴油的1/4~1/3，甲醇柴油經(jīng)濟(jì)性會(huì)優(yōu)于0#柴油。

2.3動(dòng)力性對(duì)比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，同種燃油在相同工況下各特征數(shù)據(jù)的RSD均分布在2.5%內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性要求。0#柴油及M15、M30甲醇柴油在30%油門工況下的輸出功率P e及輸出轉(zhuǎn)矩T tq對(duì)比見圖2。

由圖2可看出在30%的油門下，標(biāo)號(hào)為M15的輸出轉(zhuǎn)速與輸出功率均高于0#柴油，輸出轉(zhuǎn)速的增幅介于1.45~3.97%，說明M15甲醇柴油的動(dòng)力性強(qiáng)勁，其主要原因是甲醇富氧，可使燃料燃燒更加充分，提高燃燒效率，從而增強(qiáng)了燃油的動(dòng)力性能。然而隨著甲醇含量的增加，M30的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)速略低于0#柴油，而且輸出轉(zhuǎn)矩最大僅達(dá)到150 N·m，動(dòng)力性明顯減弱，主要原因是雖然甲醇有利于燃料充分燃料，但甲醇含量的增大使得燃料的熱值大幅降低，從而造成動(dòng)力性下降。

2.4排放性分析

柴油機(jī)的常規(guī)排放物主要是指CO、HC、NOx和煙度，且尾氣中80~90%的排放物都是NOx，其中NOx包括NO，N2O和NO2，主要是NO和NO2。在1600 r/min負(fù)荷特性和30%油門速度特性實(shí)驗(yàn)中，穩(wěn)定工況下的不同燃油HC、CO、NOx排放分別見圖3和圖4。

圖2　30%油門下燃油動(dòng)力性對(duì)比

圖3　1600 r/min負(fù)荷工況燃油排放對(duì)比

圖4 30%油門下燃油排放對(duì)比

由圖3、4可看出，燃用0#柴油及不同標(biāo)號(hào)甲醇柴油尾氣中HC、CO、NOx的排放量與T tq、n的變化規(guī)律基本一致。其中HC排放較低，CO接近零排放，且隨著甲醇含量的增大，燃油尾氣中HC、CO和NOx排放量降低，其中HC的降低幅度在40~60%，NOx的降低幅度約在10~30%。在30%油門速度特性下，標(biāo)號(hào)M15、M30的HC、CO、NOx排放含量較0#柴油都降低。綜合兩種特性，都說明甲醇降低HC、CO、NOx的效果顯著，其主要原因與HC、CO的生成機(jī)理及甲醇的物性、含氧特性有關(guān)。由于甲醇的沸點(diǎn)低，混合氣可混合得更加均勻，且燃燒具有自供氧效應(yīng)，燃燒狀況得到改善，有利于減少CO生成；同時(shí)因甲醇又是低碳燃料，含碳量低，有利于減少HC生成。

另外，不同燃料的自由加速排放煙度值（N）見表3。

表3　各標(biāo)號(hào)燃料的自由加速排放煙度值

從表3可以看出，各標(biāo)號(hào)的自由加速煙度值都低于GB/T 4847-2005《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣煙度排放限值及測(cè)量方法》所規(guī)定對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放限值（4100QBZL的為1.40），且燃燒微乳甲醇柴油的排放煙度值較0#柴油大幅降低，可以說明甲醇有利于降低柴油中的煙度排放。

3　結(jié)論

通過本實(shí)驗(yàn)研究，可獲得以下結(jié)論：

1）在發(fā)動(dòng)機(jī)未作任何改動(dòng)或優(yōu)化調(diào)整時(shí)，甲醇柴油具有良好的適應(yīng)性，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性好。

2）輸出功率恒定時(shí)，標(biāo)號(hào)M15、M30相對(duì)于0#柴油的油耗增率介于-1.32%~4.66%、1.21%~ 13.29%，說明甲醇促使燃油消耗量一定幅度的升高，但綜合甲醇價(jià)格優(yōu)勢(shì)，微乳甲醇柴油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于0#柴油。

3）M15微乳甲醇柴油的動(dòng)力性能較0#柴油強(qiáng)，然而隨著甲醇含量的增加，M30的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)速略低于0#柴油，動(dòng)力性能下降。甲醇比例控制在15%為宜。

4）燃燒M15、M30微乳甲醇柴油的尾氣中常規(guī)排放量（HC、CO、NOx和煙度）都較0#柴油低。

參考文獻(xiàn)

1曹建喜，董松祥，商紅巖，等.甲醇柴油的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2010，30（6）：41-45

2焦緯洲，許承騁，劉有智，等.醇類柴油燃料研究進(jìn)展[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），2014，30（5）：945-956

3魏遠(yuǎn)文，田維，黃海波，等.ZS1100柴油機(jī)燃用甲醇-柴油混合燃料的試驗(yàn)研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36 （3）：15-18

4王德巖，任連嶺，楊菊芬.甲醇柴油的制備及潤(rùn)滑性研究[J].合成潤(rùn)滑材料，2009，36（3）：1-3

5龔旌.車用環(huán)保甲醇柴油制備工藝的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3（10）：1917-1920

6單士睿，李紅偉，劉琦.甲醇/柴油混合燃料的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（10）：381-385

7冷懷明，范華泉，張大春.正確表示相對(duì)離心力的量和單位符號(hào)的探討[J].編輯學(xué)報(bào)，2003，15（4）：1

中圖分類號(hào)：TK411.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）05-0085-05

收稿日期：（2015-07-07）

作者簡(jiǎn)介：段敏偉（1987-），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c清潔能源。

通訊作者：羅勇（1974-），男，教授級(jí)高工，博士，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c替代能源。

Research on the Application of theMethanol-Diesels M icroemulsion on DieselEngine

Duan M inwei,YangW eicheng,Tan Shubo,Ma Kun,Qiao Nichun,Luo Yong*
Laboratory of Alcoholand Ether Fuelsof ShanghaiResearch Institute of Chemical Industry
(Shanghai,200062,China)

Abstract：A 4100QB-Z diesel engine was applied to investigate the combustion stability,fuel economy, power performance and conventional emissions by using of 0#diesel,M15 and M30 methanol-diesel microemulsion fuels,respectively.Theexperiment resultsshow that theoilconsumption growth rateofM15, M30 methanol-dieselmicroemulsion compared with 0#diesel is respectively between-1.32%~4.66%, 1.21%~13.29%when outputpower is constant,buteconomy ofmethanol-diesel ismore prominent than 0 #diesel because of the price ofmethanol.And out power and speed of burning M15 methanol-diesel microemulsion is larger than 0#diesel.Methanol-diesel ismore powerful.On emissions,conventional emissions(CO,HC,NOxand Smoke intensity)ofmethanol-dieselmicroemulsion are obviously reduced compared with 0#diesel.The article can be provided a reference for the practical application of the low proportion ofmethanol-diesel.

Keywords：Methanol-dieselmicroemulsion,Diesel engine,Stability,Fuel efficiency,Power performance, Con-ventionalemission