正丁醇改性柴油研究

1、正丁醇改性柴油研究近几十年来，世界上的石油资源日趋于枯竭。石油资源的紧张也给社会的发 展也带来了极大的能源压力。面对汽车的保有量急剧的增长和石油资源对地球生 态环境的严重影响的双重压力，世界汽车界一直在寻找可以有效实现汽车工业可 持续发展的解决方法。我国是一个典型的“富煤少油”的能源大国，针对当前世界石油资源日趋于 枯竭的现状，国内外许多科学家已经开始研究和寻找可持续性燃料。在探索过程 中，柴油汽车的发展也得到了充分的关注。 但因柴油汽车的发动机在废气排放方 面仍然存在部分的问题，对此国内外许多的科学家都有在柴油中掺混添加剂的想 法以求改善柴油机的排放性能，本文选择的添加剂是正丁醇，主要研究的

2、是在柴 油机中掺混不同比例的正丁醇对柴油机的排放性能产生的影响，并探究正丁醇在柴油机中的应用研究。当今世界面临着化石燃料的缺乏和严重的环境污染两大严重的问题。由于可使用的化石燃料总量为定值，所以当今全球化石燃料的储备逐日减少； 同时化石 燃料的需求量却不断增加且化石燃料的价格提高； 外加目前国家对二氧化碳排放 的严格限制，导致人们对于可替代化石能源和可再生能源研究的重视和关注日益 增加。燃用过多的大型化石燃料也会对全球环境的发展造成一系列的影响： 大气污 染、局部地区的酸雨增多和海水污染加剧了全球温室气体效应 1。随着全球劳动 人口数量的持续快速增长和能源生产工业化的发展趋势，预计从 2023

3、到2040 年全球对可再生能源的需求量规模预计将逐年增加 30% o因当前时代的能源使用技术水平限制，人们对传统化石燃料的燃烧仍然具有 较强的依赖性。传统化石燃料燃烧会导致一系列污染物排放，包括一氧化碳、氮 氧化物和颗粒物等，其中这些颗粒物的主要有机污染成分之一就是碳烟。这些有机污染物的排放过多对于人类健康和生态环境都会有非常大的影响和危害，国家为了控制相关的排放量，并制定了严格的燃烧排放的标准。与一般汽油机的燃烧 相比，柴油机的燃烧具有少量二氧化碳燃烧排放低、动力调节性能好、热效率高 等的优点，能有效的控制和改善全球温室效应，所以汽车的柴油化已经逐渐的成 为一种发展趋势。柴油的燃烧会排放大量

4、的氮氧化物、一氧化碳等碳烟有机污染物到空气中， 同时会对人体的健康会造成一定的影响和危害，因此，寻找一种清洁可靠的柴油替代燃料已经成为了近年来柴油替代燃料研究应用领域的一个热点。目前，选用醇类替代燃料、生物柴油和煤制油等作为清洁可靠柴油机的替代燃料的应用和研究比较热门，正丁醇也正作为新兴的清洁能源添加燃料加入到柴油中。周庭波研究了柴油中掺烧高比例丁醇（丁醇体积分数为40%）对柴油机燃烧和 排放性能的影响。谷静波对正丁醇/生物柴油双燃料高预混压燃（HPCC）作了试验 研究。黎长乐17主要研究了柴油中正丁醇及其主要同分异构体对于柴油机低温 燃烧柴油机性能的主要影响。这些理论研究的结果表明：在柴油中

5、通过掺混一定 浓度大比例的正丁醇，在柴油机能保证较高的燃油经济性和较好的动力性下，可以有效地降低柴油机污染物的排放，在生物柴油机上也具有较好的燃烧技术应用 和前景。为了扩展柴油-生物柴油在柴油机上的应用，添加醇类（例如乙醇、丁醇） 已经被广泛研究。相对于生物柴油，醇类具有更低的运动黏度和较低的油品波动， 其作为助溶剂来改善柴油-生物柴油特性具有良好的效果，并随着助溶剂掺混比 例的增加，混合燃料燃烧更加充分。鉴于以上技术优点，使用柴油、生物柴油和 醇类三元混合燃料吸引了众多学者的注意， 在燃料中掺混助燃剂能改善燃油特性、 发动机性能、燃烧特性和排放特性等优势。在醇类燃料中，丁醇被认为是适用于 内

6、燃机的一种可再生生物油，相对于其他的醇类如乙醇和甲醇等， 其具有较高的 化学导热值和较低的十六烷值，与柴油相比具有较好的混合化学导热特性和更低 的亲水性。近期大量研究显示，相比于乙醇，丁醇能更好地替代生物油应用在压 燃式发动机上。然而，正丁醇掺混在柴油 -生物柴油中对发动机燃烧性能和颗粒 物排放的影响仍然缺乏相应的详细研究。.正丁醇的特点正丁醇是丁醇的4种同分异构体中最具有代表性的一种，4种同分异构体的分 子之间存在着明显的物理差异。常温常压下，正丁醇呈液态，有酒气味而无色， 其毒性和乙醇的相当。本文选择了正丁醇作为柴油的添加剂， 主要考虑的是正丁 醇与新型柴油的互溶性。因为正丁醇在空气中燃烧

7、后不会直接产生任何氮化物和硫化物，且还能有效降低对温室气体的排放。所以正丁醇实际上是一种应用比较理想的可再生能源替 用化学燃料，也可以说正丁醇被认为是继乙醇后极富发展潜力的另一种新型可再 生的生物化学燃料，因此研究正丁醇在柴油机上的应用具有重要的实用价值和战 略意义。表格1柴油与正丁醇的特性特性柴油正丁醇化学结构C10-C12 CH3CH2CH2CH2OH密度（液态）/ （kg.L-1） 0.82-0.860.81相对分子质量1707414.311.12低热值(MJ.kg-1)42.535.1汽化潜热（KJ.kg-1）250-300430辛烷值（研究法）-95-100含氧量W/%021.6十六

8、烷值40-6512沸点/oC180-370117.7着火温度/oC250385由表1可根据其物化特性及现有相关研究分析可知正丁醇的一些优势：首先，正丁醇中的含氧量达21.6%,这可有效促进燃料在缸内燃烧，井有利于尾气的排 放；其次，正丁醇燃料的汽化潜热高达 430,这可有效提高发动机的充气系数； 最后，正丁醇是易于汽化的高十六烷值、高热值，且其空燃比范围大、闪点高、 安全性好，这些都是它作为替用燃料的突出优势 18。正丁醇的理化特性与柴油 的物化特性非常接近，故燃用正丁醇无需对柴油机的结构和燃油供给系统做太多 的改动就可使用，这也吸引了国内外众多研究人员对正丁醇柴油燃料的研究。研究表明：在常温

9、常压下，正丁醇和柴油可在 （40%的）高混合比例可以在无 助溶剂条件下快速溶合，且其混合物能在长达1星期之久的时间也不会分层，可 见正丁醇和柴油混合燃料稳定性、互溶性非常好。正因正丁醇和柴油直接混合相溶性良好，故正丁醇是一种与柴油掺烧混合的 良好潜用燃料，因而目前对于正丁醇柴油混合燃料的研究比起它与汽油的混合燃 料的研究要相对较广泛而深入一些。西华大学的赵家辉等利用正丁醇柴油双燃料 发动机，针对不同的潜代率对柴油机燃料状态参数及排放影响进行了研究，得出结论：随着正丁醇替代率的增加，缸压上升速度和压力最大值均增加， 峰值相位 后移；HC则随着正丁醇柴油替代率的增加而增加，而CO在正丁醇柴油替代率

10、28.6% 后不再增加，NOx的排放最低，约降低1g/kWh Soot的排放最低，能降低0.0108g/Kw*h。美国西北大学的田维等对不同的质量和浓度的汽油正丁醇预柴油 混合气对汽油正丁醇/柴油的复合燃烧及废气排放的质量浓度影响规律问题进行 了深入研究，得出结论：在平均有效燃烧压力PbX 0.50mp时，NOx和碳烟的排放 均小幅度增加和降低，HC和CO的排放浓度随正丁醇预柴油混合气的排放质量浓 度的增大和降低而呈线性增加；在Pb0.78mpa寸，HC、CO和NOx的燃烧废气排 放与纯正丁醇柴油复合燃烧排放的质量浓度相当，但NOx和碳烟的排放大幅度降 低20。河南牧业经济学院的刘博对正丁醇添

11、加于柴油-生物柴油后对柴油机性能 及颗粒物排放的影响进行研究，得出结论：生物柴油（PME）以20%Vol添加于柴油 中，然后分别按5%, 10%, 15%Vol的比例添加正丁醇。随着正丁醇比例的增加， 相对于B20而言，发动机在中高负荷下排放的颗粒物质量和数量浓度明显减少， 颗粒物平均几何直径呈减小趋势， 颗粒相的多环芳香烧(PAHs)总数减少，而有效 热效率则显著提高。Damodhrra育在一台涡轮增压直喷三元混合柴油机上通过对比试验研究了 柴油中正丁醇/废弃塑料掺入制油/报废柴油三元混合燃料的有效燃烧和废气排放 的特性。试验结果表明：随着三元混合燃料柴油中正丁醇掺入比例的显著增加， 发动机

12、的碳烟和NOx的排放比例显著降低，HC的排放比例显著增加，有效三元 混合燃油的废气消耗率和有效燃烧热效率均有显著升高；结果表明当柴油中正丁醇掺入添加柴油的比例为10%时，NOx的排放降幅最大。广西大学黄豪中等在我国第一台采用带有柴油废气排放再循环(EGR)技术的四缸涡轮增压直喷柴油机上对柴油中正丁醇掺入共混燃料中正丁醇的比例和 特性进行了试验和对比研究。结果表明：当发动机的EGR率相同时，缸内掺入柴 油燃烧的压力随着柴油中正丁醇掺入比例的增加而显著增加。当发动机EGR率增加时，含有大量正丁醇的柴油混合燃料对降低缸内碳烟排放的作用有效程度更明 显。例如当一个发动机的EGR率为25%时，体积分数为

13、30%正丁醇的柴油混合燃 料对于改善发动机NOx、CO、HC和碳烟的排放性能可以达到最优。中国江苏大学魏胜利等在一台新型的单缸风冷柴油机上深入研究了柴油机 正丁醇与发动机柴油的掺混比对单缸风冷柴油机放热率和性能的直接影响。魏胜利等人的研究结果表明：随着正丁醇柴油掺混比的增加，缸内的燃烧压力和柴油 放热率峰值会进一步升高,放热率的峰值升高会出现时刻和空间的推迟,NOx的排放随着柴油机正丁醇缸内添加柴油比例的增加而进一步增加。.掺混了正丁醇的柴油与纯柴油对比柴油是常见的燃料，为了能够清晰分析出不同含量正丁醇添加对柴油的影响， 所以通过对不同燃料的密度/(g cm3)、低热值/(MJ kg-1 )、

14、能量密度/(MU -L-1)、 氧含量/ %和汽化潜热/(kJ kg-1)进行了总结分类。在0跺油中分别添加体积比例为 0%、10%、15%和30%的正丁醇，记为 B00 ,B10, B15, B30。经测量和计算，得到的4种不同燃料混合物的密度/(g cm3)、 低热值/(MJ kg-1)、能量密度/(MU L-1)、氧含量/ %和汽化潜热/(kJ kg-1)对比 如表2和图1所小。表2试验燃料主要物理性质对比燃料名称B00B10B15B30密度/(g - cm0.8320.8460.8170.814低热值/(MJ kg)42.5141.6041.1038.79能量密度/(MU广)36.67

15、35.6235.1331.67氧含量/ %02.173.235.47汽化潜热/(kJk)270.03301.22316.87369.630.850l 43.0l 380.370.845 _0.840 .0.8350.83042.542.041.541.0能量密度/(MU广)36.6735.6235.1331.67氧含量/ %02.173.235.47汽化潜热/(kJk)270.03301.22316.87369.630.850l 43.0l 380.370.845 _0.840 .0.8350.83042.542.041.541.040.5一密度 /(g cm 3)低热值 /(MJ kg )

16、T-能量密度/(MU -L-1) 一台一汽化潜热/(kJ kg-1)3603635343200.825 -40.00.820 -_ 39.5.330.815 .-39.032280-38.50.810B0031L 260B10B15B30燃料名称图1试验燃料主要物理性质对比从表2和图1重可以清晰看到，在0#柴油中正丁醇得到的不同燃料混合物 的密度、低热值、能量密度和汽化潜热均呈现出了不同的趋势， 除了汽化潜热外， 另外的几种因素均呈降低趋势。从表中和图中可以看大：随着正丁醇掺混比的增 加，密度和低热值均变小，含氧量逐渐增加，汽化潜热也逐渐增大。这些混合燃 料物理性质的改变在一定程度上影响缸内的燃烧反应过程，进而对发动机的燃烧排放性和燃油经济性产生不同程度的影响。.总结在柴油机中掺混正丁醇能有效的改善柴油机的排放性能，同时对柴油机的燃料性能也由一定的促进效果，近几十年以来，世界上的化石能源日趋于枯竭给社 会的发展带来了极大的能源压力，面对当今社会上汽车的保有量急剧的增长以及 地球生态环境的污染严重的情况，国内外汽车行业一直在努力地寻找可以有效实 现汽车