柴油-乙醇-MTBE混合燃料的燃烧与排放特性_图文

20 0 8正  

第2 3卷  第 5 期  1 0月 

山 东 建 筑 大 学 学 报 
J OURN  OF HANDONG I Z  UNI RST AL  S  JAN HU VE I Y 

Vo . 3 12   0c . t  

No 5 .  2 0  08

文章编 号 :63—74 20 )5— 39—0  17 64(0 8 0 0 8 5

柴油 一 乙醇 一 B MT E混合 燃 料 的燃 烧 与 排 放 特 性 
阎宏伟 , 志超 , 赵 许伯彦 
( 山东建筑大学 机 电工程学 院 , 山东 济南 20 0 ) 5 11  摘要: 对柴油- 乙醇一 T E混合燃料 的物理化学性质 、 M B 经济性 、 排放 性和燃烧特 性进行 了研究 。通 过对三种 配 比  (0 柴油 +1%MT E,5 9% 0 B 8 %柴油 +1%MT E+ % 乙醇 ,0 0 B 5 8 %柴油 +1 %MT E+1 % 乙醇 ) 0 B 0 的混合燃料 的冷 

凝点 、 馏程 、 溶解 曲线 、 负荷特性 、 烟度排放 和示 功图的测试和研究 , 总结 出 了添加 M B T E和 乙醇后 , 合燃料 的  混
物化性质 、 经济性 、 排放性 、 烧特性的变化规律 。 燃   关键词 : B ;乙醇 ; MT E 混合燃料  中图分类号 :K 3   T 42 文献标识码 :   A

I v si a i n o   o b to a d  m iso   ha a trsis n e tg to   n c m usin  n e si nsc r ce itc   o   is 1e ha 1M TBE  e d f l fd e e .t no . bln  he 

YAN  n - i Ho g we ,ZHAO  ic a Zh — h o,XU  - a   Bo y n
( col f caia adEet ncE gneig S ad n i zuU i ri , i n2 0 0 ,C ia  Sho o Mehncl n  lc oi nier , hn ogJ nh  nv sy J a 5 1 1 hn )      r   n a e t n
Ab t a t r i p p r i v siae   h   h s a  n   h mi a  r p r e ,e o o c , e si n a d sr c : h s a e   n e t ts t e p y i l a d c e c l p o e t s c n mi s mis   n     g c i o c mb s o   h r c eit s o   i s 1eh n 1 o u t n c a a t r i   fd e e  t a o . B   l n  u 1 h   x e i n s w r  e fr d u i g i sc MT E b e d f e .T e e p r me t e e p r me   s     o n

tretpso l dfe 9 % D ee he  e f e   l( 0 y bn u i l+ 1 % MT E, 5 D ee s 0 B 8 % i l+ 1 % MT E + 5 El n l s 0 B % ta o, l  
a d 8 % D e e +1 % MT E + 1 % E h n l n  0 isl 0 B 0 t a o .B   n y i g t e r s l   f b an d c n e s t n y a a zn    e u t o   t i e   o d n a i   l h s o o p i t i i a in c r e o d c a a tr t ,e s in o  mo e,a d P d a r m r m  e e p r n , on ,d s l t   u v ,l a   h r c ei i tl o s c miso   f s k n   - ig a fo t   x e i h me t  
c n l de   r he i fu n e o   t a o  n   o cu d we e t  n e c   feh n la d MTBE c n e t  n t e p sc la d c e c lp o e te . l   o tn s o  h   hy i a  n   h mia  r p ri s 

e o o c ,e s in a d c mb sin c a a trs c   ft e b e d f e . c n mi s miso   n   o u t   h r c e i i so  h   l n  u 1 o t   Ke   r s y wo d :MT E;eh n l l n  u l B t a o ;b e d f e 

0 引 言 
甲基 叔 丁基 醚 ( B 作 为 汽 油辛 烷 值 提 高 剂  MT E) 已经在全 世界 范 围 内普 遍使 用 。然而 M B T E和柴 油  掺烧 则鲜 有报 道 , 尤其 对 MT E柴油 . B. 乙醇混 合 燃 料 

着重要的影响。而在柴油一 乙醇混合燃料 中加入 M - T  B E后 , 燃料 的馏 程 、 溶解 性 、 稳定 性 、 值 、 热 十六 烷 值  等都会随之 改变 进 而影 响到 混 合燃 料 的 喷射 、 化 、 雾   着火 和燃烧等 过 程 , 对发 动 机 的冷 启 动性 、 率输  并 功 出 、 济性和排 放特性产 生重要 的影响 ¨ 。基 于 这  经  J
些 因素 , 文通过 实验研究 了混合燃 料 中 乙醇 、 T E 本 M B  比例 和温度 变化 对 其 物化 性 质 的影 响 规 律 , 柴 油. 为   乙醇. T E混合 燃料在 柴油机上 的应用奠定 了基础 。 MB  

的研究更少。在国内, 对柴油. T E 乙醇混 合燃料  M B一 的系统 的研究 未见 报道 。   燃 料 的物理 化学特 陛对其 在发动机 上 的应用 有 

收 稿 日期 :0 8— 9一 1 20 0 O 

基 金项 目: 国家 自然科学基金 (0 7 07 ; 5 5 64 ) 山东省科 技攻关 计: 2 0 G 107 0 )  ̄( 07 G 00 0 4   作者简介 : 阎宏伟 ( 92一) 男 , 18 , 河北石家庄 人 , 山东建筑 大学机 电工 程学院在读硕 士, 主要从事 清洁燃料及可 变燃料 汽车 的研究 

山 东 建 筑 大 学 学 

1 混合燃料的部分物化性质 
表 1给出 了柴油 、 和 M B 乙醇 T E的部分物化性质 。  
表1 M B   T E与 柴 油 的 物 化 性 质 对 比 
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赠 

馏 出 率 

图 1 不 同掺合 比混合燃料的馏程   

1 2 溶解 性  .

柴油醇 的溶解 度 除 了与 乙醇 内含有 的水 分 和柴  油 内的芳香 烃含量有关外 , 还与 乙醇 的掺合 率和溶 液  的温度有 关 , 2显示 了各 种 掺 合率 下 的溶 解 度 曲  图 线 , 内帽形线 上方是单一 相 , 图 下方为二相 共存 区。  

从表 中可 以看 出 , 乙醇和 M B T E作为燃料 具有 以  下特点 :1均 为含氧燃料 , () 乙醇 中含有 3.% 的氧 , 48   MB T E含 有 1. % 的氧 。它们 是燃 油 燃烧 过 程 的增  82 氧剂 , 能够使燃 油增加 内氧 , 燃烧 充分 , 到节 能和环  达 保 的 目的 ;2 乙醇 和 MT E的汽化潜 热大 , () B 有利 于柴  油机进气 的冷 却 , 同时对 冷启动 和燃烧 产生不 利影  但 响 ;3 乙醇和 M B () T E的热值 较低 , 在 内燃机 中掺  要想 烧并 且获得 同样 的功率 , 须加大燃 油喷射量 ;4 乙  必 () 醇和 M B T E的 十六烷 值低 , 自燃性 能差 。   以下将 对在 柴油 中添加 MT E和 乙醇后 的燃 料  B 性 质做 实验 分析 。   1 1 混合燃 料 的蒸馏 特性  .
为 对 比 MT E和 乙醇 的掺 混 量对燃 料蒸 馏特性  B 的影 响 , 实验 中使 用 了 四种 含 有 不 同 MT E和 乙醇  B 掺 混 比的燃 料 , 为 MI0 MI 、 X 计 X 、 X1MI2和 MI3 其  X , 含 义分 别如 下 :  
MI 0 10 柴 油  X :0 % MI :0 柴油 +1 % M B   X19 % 0 T E

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赠 

乙醇 比例 / % 

图 2 柴 油 - 醇 溶 解 度 曲线  乙

由图 2可 以看 出 , 乙醇一 油 的溶解 度对 温度 的  柴 变化 比较 敏感 , 因此 在 温差 比较 大时 , 油 醇容易 发  柴 生相 分离 。而 乙醇 可 以混溶 于醚 类 , 同时 , B 由 MT E  

于其非极性 的烃键与柴油有很大 的亲和力 。所 以,   MT E可 以作 为柴 油 醇 的表 面活 性 剂 , 降低 柴 油  B 能 乙醇 的表 面张 力 , 进其 溶解 , 强混合 燃料 的稳 定  促 增 性 。图 3分 别 给 出了 一1 ℃ , 5C, ̄ O 一  ̄ 0C时的三 元 相  图, 等温线 上方 为三 相共 溶 区 , 曲线 下方 为分层 区。  

MI 2 8 %柴 油 +1 % M B 5 乙醇  X :5 0 T E+ % M X :0 I 3 8 %柴 油 +l % M B O T E+1 % 乙醇  0

以上各 组分 比例为体 积 比。   根 据轻 柴 油 标 准 ( B 5 -20 规 定 , G 22 00) 0号 柴  油馏 出 5 % 温度 不 高 于 30C, 出 9 % 温度 不 高  0 0 ̄ 馏 0 于 35C, 5 o 终馏 温度 不高 于 3 5 。由于添 加剂 的 沸  6℃ 点 均 比柴 油 低 , 混 合 燃 料 的馏 出温 度 较 纯柴 油  3种 均 有降低 , 图 1所示 。因此 , 如 混合燃 料 的馏 出温度  符 合 国标 要求 。  
0  0

乙 醇 

图 3 柴油一 醇- B 乙 MT E三 元 相 图 

第 5期 

阎宏伟等 : 柴油- 乙醇. B MT E混合燃料 的燃 烧与排放特性 

31 9 

由 图 3可 以看 出 , 添加 MT E能 改 善 柴 油醇 的  B

性 和排 放性 , 文进 行 了发 动机 台架 实验 , 测试 了  本 并 10 rmn和 10 rmn转 速下 , 用 混合 燃 料 后 的  20/ i 70/ i 使 燃 油消 耗率 、 效 热 效 率 和微 粒 排 放 。试 验 采 用 的  有 主要 测试 仪 器 :D M G 3型盘 式 电涡 流 测 功 机 、 D   W6   控制 柜 和 油 耗 仪 , V  i k40 A Lds  00型 烟 度 计 , 3 mo 表   给 出 了试 验用 发 动机 的技 术参 数 。  
表 3 实 验 用 发 动 机 技 术 参 数 
型 号 

低温互溶性 , 随液温升高 , T E用量逐渐减少。 MB  
表2 MB   T E与柴油的物化性质对 比 

燃烧 方式 
缸径   行 程/ m m  排量 /   L
压 缩 比 

直喷式 
1 5 }1 5 0 1 

0. 9   96
1 1 7.  

标定功 率/ 转速 
最 大 功 率/ 转速  

1 12 0  2. / 2 o 1 2 2 o  3. / 2 o

冷却方式 
润 滑 方 式 

蒸发水冷 
压力 飞溅  

2 1 负荷特 性  .

注 :/ 、 表示未发生相分离 , ×表示发生相分离 

针 对 四种 具 有 不 同含 氧燃 料 掺 混 比 的实 验 燃  料 , JN取 了各 自在 10 rmn和 10 rmn两种  分 ̄ J t 20/ i 7 0/ i

结果如图 4和图  为了研究柴油. 乙醇一 T E混合燃料长期存放时  转速下的负荷特性和有效 热效率, MB 5所 示 。   的稳定 性 , 本文将 三种配 比方 案的样 品置 于分离 试管  添 加剂 的 燃 烧 速 度 和 火 焰 传 播 速 度 较 快 , 因  中 , 20 从 07年 8月 1 号开始 到 20 0 8年 4月 3 l 9 0E这   此燃 烧 持 续 期 短 , 燃 程 度 小 , 利 于 热 效 率 的 提  后 有 个月的时间内, 使用磨 口玻璃塞严格密封试管。4   月 b所 示 , 着 含 氧 燃 料 添 加 比 例 的 增  随 3 0日取下玻璃塞 , 样 品油暴 露 在空 气 中 , 让 以后 每隔  高 。如 图 4 加 , 效 热 效 率 逐 渐 升 高 。MI 、 I 2和 MI 3 有 X1 M X X  2天来 观察样 品油 , 2给 出了观察结 果 。 表   的有 效 热 效 率 分 别 比 纯 柴 油 提 高 了 0 5 % 、 .5   从表 2可 以看 出 , 合 燃 料 在 不 接触 空 气 的 情  混 .4 .6 况下可以长时 间稳定储存 , 会 出现分层 、 不 乳化 现  0 9 % 和 10 % 。这 显 然 是 因 为含 氧燃 料 促 进 了  空  象 。但是 在接 触空气 后 凡是 添加 乙醇 的 混合燃 料 很  燃 料 更 加 充 分 燃 烧 。 尤 其 是 在 高 速 高 负 荷 时 、 燃 比变 小 时 , 现 的 更加 突 出 。 另 一方 面 图 4 、 表 a 图  快就 出现 分层 、 乳化 现象 。表 明 乙醇 . 油 一 B 柴 MT E的  a显 示 出混 合 燃 料 的燃 油 消 耗 率 比纯 柴 油 要 高 ,   吸水性很强 , 这就给混合燃料的配置 、 运输 以及使用  5 这 是 因 为 乙 醇 和 MT E 的 低 热 值 较 柴 油 低 的 原  B 过程 提 出了很 高 的防水 防潮要 求 。   因 。 因此 , 获 得 相 同 的 功 率 时 , 合 燃 料 的 燃 油  要 混 消 耗 率 相 对 要 升 高 。综 上 所 述 , 合 燃 料 的 比油  混 2 发 动 机 台架 试 验  耗 虽 然有 所 增 加 , 是 燃 料 的利 用 率 也 得 到 提 高 , 但   为 了进 一步确 认 燃用 混合 燃料 后发 动机 的经 济  所 以发 动机 的 经 济 性有 所 改 善 。  
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图 4 10 rm n时 实 验 结 果    20/ i

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图 5 10 rm n时 实验 结果    70/ i

2 2 掺烧 MT E对 烟 度的影 响  . B

间 的缩短 , 都加 剧 了碳烟 的生 成条件 。因此 , 随着转  速升 高 , 烟在 微粒 中的构成 比例 明显 增高 。 碳   从 图 6中还可 以看 出 , 混合 燃 料 的烟度 排 放 相  比柴 油有 明显 地降低 , 其是 在低 负荷 时 , 油机 的  尤 柴

分别 测 定 了供 试 柴 油 机在 各 种工 况 下 的 烟度 ,   图 7分别 给 出了在 10 / i、70rmi , 20rmn 10  n下 混合  /
燃料 烟度 随功 率 的变 化情 况 。   从 图 6中 两 种 转 速 下 烟 度 值 的 比较 中可 以看 

烟度排放几乎达到了零排放。这是因为混合燃料粘 
度 比较小 , 在低 温时 喷油束 雾 化好 , 还有 乙醇 、 T E M B 

出, 随着转 速 的升高 , 烟 的排 放也 有增 加 。这 是 因  碳 为微 粒产生 的基 本 条 件 是 高温 和 缺 氧 , 直 喷式 柴  而
油机 在扩散 燃烧 阶段 的这 种特 点也 就决 定 了碳 烟 和 

的高汽化潜热等使得燃烧过程前 期 的火焰温度 降 
低, 油滴难 以发 生热 聚 合 反应 , 以及 添 加剂 的 “ 自携  氧 ” 加速 了燃 烧 过程 中后 期 的 进 一 步 氧 化 , 以  性 所 混 合燃 料 的微粒 排放 要 比柴油 低  J  。 .  

微 粒 排放 的产生 是 很难 避 免 的 , 别 是 柴 油 机在 高  特 速 大 负荷工 况下 运 转 时 , 烧 温度 的升 高 和燃 烧 时  燃

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功 率 /w  k
a 10 / n   2 or mi  

功 率 / w  k
b l 0 r mi    7 o/ n

图 6 烟 度 排 放 

2 3 燃烧 特性  .

表 4 混 合 燃 料 十 六 烷 值 的 变 化 情 况 

燃料的 十六烷 值直接影 响柴油机 的起 动性 、 降低  燃 烧噪声 、 长 发 动机 寿命 起 相 当重 要 的作 用  ]  延 。 乙醇和 M B T E的十六烷值很低 ( 大约 为 8 , ) 因此随 着  添 加剂 比例 的增加 , 合燃 料 的十 六烷 值 线性 下 降 。 混  

表 4给出了不同掺加 比的混合燃料十六烷值 的下降 
值 。为提高混合燃 料 的十六烷值 , 本文 在实验燃 料 中  添加 了硝酸异辛 酯 ( H 。表 4同时 给 出了不 同混  E N)

图 7给 出了喷 油 提 前 角相 同 的前 提 下 , 别加  分 入十六 烷值 提高 剂 和不加 十六 烷值 提高 剂时 的混合 

合燃料需要添加的 E N的体积 比。 H  

燃料示功图。如 7图所示 , 与纯柴油相比, 混合燃料  的滞燃期 延 长 , 说 明混合 燃 料 在 滞 燃 期 内的燃 料  这 雾化 、 加热 、 蒸发 、 扩散与空气混合等过程相对变长 ,  

第 5期 

阎宏伟等 : 柴油- 乙醇一 B MT E混合燃料 的燃烧与排放特性 

33 9 

从 而柴 油机 的着 火 特 性 变 差 。在 低 负 荷 时 , 掺混  随

烧, 缸内容积增大造成的。而在大负荷时 , 随掺混 比   的增加 , 缸内最高燃烧压力却又明显增加 。添加硝  酸异 辛酯 后 基本 可 以恢 复到纯 柴 油 的水平 。  

比的增加 , 缸内最高燃烧压力略有降低 , 这是由于其  滞燃期过长 , 导致混合燃料在活塞下行 时才开始燃 

山  
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曲轴转 角 /CA   ̄
a 10 rmi e= k ( 加 E   2 0/ nP 3 W 未 HN)  

曲轴 转角 /   ℃A
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羔 
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曲轴 转 角 /CA  ̄  

曲轴转 角 /CA  ̄   d 10 rrnP =3 W( E     20/ i e k 加 HN) a

c 20/ i  e 0 W(  1 0 rmnP =1 k 未加 E N) H  

图 7 四 种 混 合 燃 料 的示 功 图   

3 结 论 
( ) 油. 醇. T E混 合 燃 料 的 低 温 流 动 性  1柴 乙 MB
和蒸 馏 特性 比较好 。  

齐运 亮 , 马宗正 , 伯彦. 许 车用 L G燃 料喷雾过 程的研究 [ ] P J.  
山东建筑工程学 院学报 ,0 6 2 ( ) 15—19  2 o ,l 2 :6 6.

刘红艳 , 许伯彦 . 液态 L G自由喷雾过程 的计算机数值模 拟解  P 析 [ ] 山东建筑工程学院学报 , 0 , ( )5 6 . J. 2 52 2 : 0 0 7— 4  
马宗正 , 齐运亮 , 许伯彦.液态 L G发动机燃料 喷射过程 的研  P

( ) T E可作 为柴 油 . 2M B 乙醇 的助溶 剂来 使用 。   ( ) 用柴 油 一 3燃 乙醇 一 B MT E混 合 燃 料 后 , 油 机  柴 烟度 排放 明显 降低 。   ( ) 用柴 油 . 4燃 乙醇. B MT E混 合 燃料 后 , 火延  着

究 [ ]. J 山东建筑大学学报 , 0 ,2 2 : 1 15 2 72 () 1 — 3. 0 3   许伯彦 , 张为宾 , 齐运亮 , 等.柴油醇 的燃料性 质和排 放特性 
[] J .机械工程学报 ,20 4 ( ):5 0 7, 3 2 16~1 2 6.   周 玉明.内燃机废气排放及控制技术 [ .北京 : 民交通 出  M] 人
版社 , 01 20 .  

迟期变长 , 需要添加十六烷值提高剂来恢复。  
参考 文献 :  
[ ] 张为宾 , 1  齐运亮 , 许伯彦.柴 油醇的燃料 性质和燃 烧特性 的研  究[ ] 山东建筑工程学 院学报 , 0 6, 1 1 4 J. 2 0 2 ( ):2—4 . 5  

边 耀璋.汽车新 能源技术 [ .北京 : M] 人民交通出版社 , 0 . 2 3 0  
周 龙保. 内燃 机学[ . 二版 .北京 : M] 第 机械工业 出版社 ,0 5  20 .

王建昕 , 闫小光 , 程勇 , 乙醇一 等. 柴油混合燃料 的燃烧 与排放特  性 [ ] 内燃机学报 , 0 2 2 ( ) 2 5 29 J. 20 ,0 3 : — 2. 2  


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