微乳甲醇柴油在柴油機上的應用研究

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　上海　200062）

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微乳甲醇柴油在柴油機上的應用研究

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海200062）

摘要：通過在4100QB-Z型柴油機上分別燃用0#柴油和標號為M15、M30微乳甲醇柴油，研究不同燃油燃燒的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、動力性及排放性等特征指標。結(jié)果表明：輸出功率恒定時，標號M15、M30相對于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，但綜合甲醇價格優(yōu)勢，微乳甲醇柴油經(jīng)濟性優(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，微乳甲醇柴油動力性能優(yōu)勢明顯；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穩(wěn)定性經(jīng)濟性動力性排放性

引言

與汽油機相比，柴油機具有熱效率高、爆發(fā)壓力高、輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，在經(jīng)濟發(fā)展中起著重要作用[1-2]。微乳甲醇柴油因制取簡捷、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)點而獲得重視[3-4]；同時，醇類燃料是國際公認的一種清潔代用燃料，美國環(huán)保局認為：采用甲醇燃料是實現(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%，具有廣闊的應用前景。

據(jù)海關(guān)總署公布的數(shù)據(jù)，2014年我國共計進口原油3.08億t，比2013年同期增長了9.5%，對外依存度接近60%，石油安全形勢依舊比較嚴峻。近年來，醇醚燃料已成為甲醇下游第一消費領域，并呈快速增長趨勢，這對減少我國石油進口、平抑石油產(chǎn)品價格發(fā)揮著重要作用。因此開展甲醇柴油在發(fā)動機上的應用研究，對解決目前能源緊缺的問題有著重要意義。本文著重研究標號M15、M30微乳甲醇柴油相對于0#柴油對發(fā)動機穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、動力性、排放性帶來的變化，以進一步證實甲醇柴油的可行性，將有利于推廣和規(guī)范甲醇燃料的實際應用。

1　實驗部分

1.1實驗設備

實驗采用昆明云內(nèi)動力4100QB-Z型柴油機，壓縮比為17：1，標定功率/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。主要測試設備見表1。

表1 主要測試設備

1.2實驗樣品

0#柴油購自上海紅煉潤滑油有限公司，0#柴油的理化性能符合國標GB/T 19147-2013。甲醇（工業(yè)級）購自上海焦化廠，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)量分數(shù)作為標號，分別配制了M15和M30兩種標號的甲醇柴油。

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離心機轉(zhuǎn)軸中心與離心管中心的旋轉(zhuǎn)半徑r為15 cm，計算得到轉(zhuǎn)速n=772 r/min。

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

1.4測試理化特性

不同標號燃油的主要理化指標測試結(jié)果見表2。

表2　不同標號甲醇柴油主要理化特性對比

1.5經(jīng)濟性分析

實驗過程中，原機結(jié)構(gòu)和供油參數(shù)未做任何改動，即發(fā)動機的供油壓力、噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角等參數(shù)均為原機數(shù)值，分別燃用0#柴油和M15、M30微乳甲醇柴油進行1600 r/min負荷特性實驗，轉(zhuǎn)矩（T tq）從200~20N·m逐次減小，每隔20 N·m為一個實驗點，每點重復測定3次。測試完畢后在短時間內(nèi)不同日期再次測試一遍，采用相對標準偏差（RSD）考察短時間內(nèi)不同日期實驗的穩(wěn)定性。通過平均油耗量（B）、平均修正燃油消耗率（B e）等指標考察燃油的經(jīng)濟性能。

1.6動力性分析

與經(jīng)濟性評價實驗相同，不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別燃用0#柴油和M15、M30微乳甲醇柴油進行30%油門速度特性實驗，T tq從30至180N·m逐次調(diào)整，每次增加30 N·m為一個實驗點，實驗方法同上述1.5，也采用RSD考察短時間內(nèi)不同日期實驗的穩(wěn)定性。通過平均修正輸出功率（P e）、輸出轉(zhuǎn)矩（T tq）等指標評價燃油的動力性能。

1.7常規(guī)排放分析

在上述1.5、1.6的負荷、速度特性實驗中，獲取每個實驗點的工況下催化前尾氣中CO、HC、和NOx的排放值，并進行對比分析。

另外，參照GB/T 9487-2008《柴油機自由加速排氣煙度的測量方法》，采用NHT-6不透光煙度計測試了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　實驗結(jié)果與討論

2.1表征結(jié)果分析

通過離心實驗可以發(fā)現(xiàn)，標號M15、M30甲醇柴油離心后都未出現(xiàn)分層，且顏色澄清透明，即可認定所配制的甲醇柴油為微乳液。

2.2經(jīng)濟性對比

同標號燃油在相同T tq下，多次重復實驗下各特征指標的RSD均小于1.8%，說明實驗重復性好，可滿足實驗穩(wěn)定性要求。不同燃油在1600 r/min負荷特性下燃油消耗量B及燃油消耗率B e對比見圖1。

圖1　1600 r/min負荷特性下燃料油耗對比

經(jīng)統(tǒng)計，在相同T tq下，各標號油耗高低為M30>M15>0#。標號M15和M30相對于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，但考慮到甲醇市場價格僅為柴油的1/4~1/3，甲醇柴油經(jīng)濟性會優(yōu)于0#柴油。

2.3動力性對比

經(jīng)統(tǒng)計，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)，滿足實驗穩(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對比見圖2。

由圖2可看出在30%的油門下，標號為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甲醇柴油的動力性強勁，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，從而增強了燃油的動力性能。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)矩最大僅達到150 N·m，動力性明顯減弱，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，從而造成動力性下降。

2.4排放性分析

柴油機的常規(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負荷特性和30%油門速度特性實驗中，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%油門下燃油動力性對比

圖3　1600 r/min負荷工況燃油排放對比

圖4 30%油門下燃油排放對比

由圖3、4可看出，燃用0#柴油及不同標號甲醇柴油尾氣中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，標號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的生成機理及甲醇的物性、含氧特性有關(guān)。由于甲醇的沸點低，混合氣可混合得更加均勻，且燃燒具有自供氧效應，燃燒狀況得到改善，有利于減少CO生成；同時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　各標號燃料的自由加速排放煙度值

從表3可以看出，各標號的自由加速煙度值都低于GB/T 4847-2005《車用壓燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機汽車排氣煙度排放限值及測量方法》所規(guī)定對應發(fā)動機的排放限值（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

通過本實驗研究，可獲得以下結(jié)論：

1）在發(fā)動機未作任何改動或優(yōu)化調(diào)整時，甲醇柴油具有良好的適應性，發(fā)動機運行平穩(wěn)，實驗穩(wěn)定性好。

2）輸出功率恒定時，標號M15、M30相對于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，但綜合甲醇價格優(yōu)勢，微乳甲醇柴油經(jīng)濟性優(yōu)于0#柴油。

3）M15微乳甲醇柴油的動力性能較0#柴油強，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

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

中圖分類號：TK411.7

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0085-05

收稿日期：（2015-07-07）

作者簡介：段敏偉（1987-），男，碩士，工程師，主要研究方向為新能源與清潔能源。

通訊作者：羅勇（1974-），男，教授級高工，博士，主要研究方向為新能源與替代能源。

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