生物柴油乳化試驗研究

1、生物柴油乳化試驗研究蔣小燕，王銀山（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，天津 300222）摘要:進行生物柴油乳化試驗，制備復(fù)配乳化劑，用顯微鏡觀察顆粒直徑大小并在YC4F100-20發(fā)動機上進行燃燒排放性能試驗研究，最終選出較好的的生物柴油乳化比例。做臺架試驗時，扭矩始終保持在70 N·m，轉(zhuǎn)速從1200r/min提高到2000r/min，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)作動力性、經(jīng)濟性以及排放性能曲線圖,對比分析，探討影響YC4F100-20發(fā)動機性能的因素。試驗結(jié)果表明：乳5的穩(wěn)定性和顆粒直徑大小較好;在中低轉(zhuǎn)速時，乳2.5和乳5的功率與B100基本相同; 燃油消耗率方面，乳2.5和乳5均比B1

2、00有所增加，但換算等熱值燃油消耗率，乳2.5和乳5總體比B100降低；乳2.5和乳5均比B100的HC排放要多，乳2.5和乳5的CO排放明顯降低，乳2.5和乳5的NOx排放均比B100有所增加。綜合考慮乳化效果和在YC4F100-20發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能，乳5為較好的實際應(yīng)用比例。關(guān) 鍵 詞：生物柴油；乳化試驗；發(fā)動機性能中圖分類號：TK417 文獻標(biāo)識碼：A Experimental study on emulsified biodieselWU Ze-xu,WANG Yin-shan,Hou Guo-qiang ( School of Automotive and Trans

3、portation ,Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222,China)Summary :Biological diesel oil emulsification experiment was carried out，distribution of emulsifier was prepared, With a microscope particle diameter size and Combustion emissions performance test research was conducted

4、on YC4F100-20 engines, finally choose the better proportion of biological diesel oil emulsification. When doing bench test, torque always stay in 70 N, m, speed increased from 1200 r/min to 2000 r/min, record the corresponding data for performance, fuel economy and emission performance curve, compar

5、ative analysis, discusses the factors influencing YC4F100-20 engine performance. The results showed that the milk has good stability and particle diameter size 5; At low speed, the breast milk 2.5 and 5 power and B100 and basically the same; Specific fuel consumption, milk and milk 2.5 5 than B100 i

6、ncreased, but the conversion calorific value fuel consumption rate, such as milk and milk 2.5 5 overall than B100 reduce; Milk and milk 2.5 5 HC emissions more than B100, milk and milk 2.5 5 CO emissions significantly decreased, the breast milk 2.5 and 5 NOx emissions than B100 has increased. Consid

7、ering the emulsifying effect and in YC4F100-20 engine performance, fuel economy and emission performance, milk 5 for better practical application. 前言生物柴油可以與柴油混合或直接應(yīng)用于柴油機，是一種極有前途的代用燃料1。生物柴油所含的雙鍵數(shù)目少，分子中含氧量較高，沒有含碳支鏈或支鏈數(shù)目少，燃燒特性較好。生物柴油的十六烷值、閃點、含氧量較高,硫含量較低,燃用生物柴油可以有效降低CO,HC和炭煙排放,但會引起NOx排放少量增加2。由于碳含量很高，所以純

8、生物柴油黏度比較高，在使用中不易充分燃燒，容易產(chǎn)生一氧化碳、碳氫化合物等，而且黏度偏大也會增加發(fā)動機的負荷。綜上所述，為了解決柴油機燃用生物柴油排放增加的問題，本文中采用乳化技術(shù)，制備乳化生物柴油，實現(xiàn)柴油機燃用代用燃料，同時降低碳煙和的目的。1 乳化試驗研究1.1 乳化劑的制備和選擇本文乳化試驗主要是觀察乳化液從穩(wěn)定到析出，再到最終分層的過程變化;觀察并記錄在其之間變化的現(xiàn)象和時間，通過最終分層經(jīng)過的時間長短確定乳化液的穩(wěn)定性。時間越長證明穩(wěn)定性越好3。根據(jù)查閱以往論文資料以及經(jīng)驗，本實驗共采用幾種復(fù)配乳化劑， 如表1所示。表1 復(fù)配乳化劑理化性質(zhì)Table 1 distribution o

9、f emulsifier physical and chemical properties復(fù)配乳化劑配比體積（ml）HLB值乳化液外觀穩(wěn)定時間司班80+吐溫801:35.0乳白色粘稠狀3.5h油酸+氨水1:17.0乳白色粘稠狀2.5h甲醇+正丁醇2:15.0澄清透明淺橙色2.5h甲醇+乙醇3:156.0乳白色粘稠狀6h甲醇+油酸1:14.0澄清透明淡黃色2h甲醇+吐溫805:14.0澄清透明淡黃色2h司班80+吐溫80+甲醇1:3:15.0乳白色粘稠狀3h油酸+氨水+甲醇1:1:16.0乳白色粘稠狀2.5h油酸+氨水+正丁醇2:2:16.0乳白色粘稠狀2.5h吐溫80+甲醇+正丁醇4:10:1

10、6.0澄清透明淡黃色2h實驗儀器：廣口瓶；燒杯；量筒；溫度計；玻璃棒；滴管。實驗方法：定量復(fù)配乳化劑體積為配比比例1的系數(shù)，比如司班80+吐溫80，司班80體積為1ml,吐溫80體積為3ml，各實驗生物柴油體積均為40ml；設(shè)定本實驗水浴溫度為30，將裝有生物柴油的燒杯靜置在水浴中10分鐘；將復(fù)配好的乳化劑加入生物柴油,倒入燒杯中攪拌乳化，并加入適量的純凈水，當(dāng)溶液剛變渾濁時記錄加水量；觀察各個溶液分層時間并記錄整理。由于實驗圖片較多，僅舉二組實驗為例。下圖1為油酸+氨水乳化液實驗圖片。（a）水浴后溶液 （b）靜置2.5h后溶液圖1 乳化液靜置前后對比Fig.1 Emulsion before

11、 and after standing可以明顯發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過2.5h靜置后，復(fù)配乳化液發(fā)生了分層，其中上層為生物柴油，下層為油酸和氨水。（a）水浴后溶液 （b）靜置6h后溶液圖2 乳化液靜置前后對比Fig.2 Emulsion before and after standing上圖2為甲醇+乙醇試驗圖片，可以觀察到靜置6h后乳化液仍沒有明顯分層現(xiàn)象，乳化效果較好。分析原因：油酸和氨水均為陰離子表面活化劑，與生物柴油-水體系不匹配，其復(fù)合乳化劑的乳化能力不夠，不能有效降低生物柴油-水體系交界處的界面張力。甲醇中含有50%的氧,汽化潛熱比柴油的要高，約為3.6倍,具有同時降低柴油機炭煙和NOx排放的潛

12、力。乙醇是一種很好的燃料和助乳劑，可以更好的改善油-水界面的性能,乳化生物柴油穩(wěn)定性得以提高。在生物柴油里添加醇類燃料,可以利用醇類燃料密度小、黏度低的特點,改善生物柴油的噴霧特性,提高燃料的含氧量和汽化潛熱,抑制炭煙和NOx的生成。而水在柴油機缸內(nèi)汽化吸熱，降低燃燒的峰值溫度和局部高溫，也抑制了碳煙和NOx的生成4，國內(nèi)外的研究表明，在生物柴油乙醇體系中添加一部分水，能夠使生物柴油燃燒更充分。故在以下的實驗中，將利用甲醇、乙醇和水一定比例復(fù)配乳化劑的效果。1.2 乳化粒度分析油包水液滴粒徑大小是影響生物柴油乳液穩(wěn)定性的重要因素，乳液的粒徑越小，分布越均勻，越有利于乳液的穩(wěn)定。本文用一臺顯微鏡

13、觀察（如圖3所示）分析乳化劑顆粒直徑大小。試驗設(shè)備：三目生物顯微鏡XSP-BM8A型，放大倍數(shù)為40X-1000X。圖3 三目生物顯微鏡Fig.3 Trinocular biological microscope根據(jù)資料知道，乳化油含水量最好限制在10%以內(nèi)，因為乳化時添加過多會對燃料的十六烷值、熱值及著火燃燒特性造成影響；但若添加過少，則達不到乳化油有效利用的效果。故本試驗選取3種試劑作對比分析研究，第一種為100%生物柴油（BD100），第二種為摻水量2.5%的乳化油（生物柴油40ml,甲醇3ml,水1.5ml,乙醇15ml）,第三種為摻水量5%的乳化油（生物柴油40ml,甲醇3ml,水3

14、ml,乙醇15ml）。將這三種試劑分別進行顯微鏡觀察，記錄數(shù)據(jù)。顯微鏡觀察如下圖4-6所示。圖4 生物柴油400倍顯微圖片F(xiàn)ig.4 Biodiesel 400 times micrographs 圖5 含水2.5%乳化油400倍顯微圖片F(xiàn)ig.5 2.5% emulsified oil 400 times microscopic images圖6 5%含水乳化油400倍顯微圖片F(xiàn)ig.6 5% emulsified oil 400 times microscopic images由顯微鏡觀察圖片可知，純生物柴油為顆粒狀分布，大小不一，部分融合在一起。2.5%含水乳化油和5%含水乳化油均為細胞

15、狀分布，單個存在，較為均勻，為油包水結(jié)構(gòu)。相比于2.5%含水乳化油，5%含水乳化油顆粒直徑小一些，均在10m以內(nèi)，且分布更加均勻，乳化效果較好。通過乳化研究分析，本論文選取含水量2.5%乳化油（水：甲醇：生物柴油：乙醇為1.5:3:40:15，簡稱乳2.5）和5%的乳化油（水：甲醇：生物柴油：乙醇為3:3:40:15，簡稱乳5）試劑和生物柴油（簡稱B100）進行下一階段發(fā)動機臺架試驗。2 臺架試驗條件及方法本試驗用的為廣西玉柴機器集團生產(chǎn)的YC4F100-20柴油機，結(jié)構(gòu)形式為立式直列、四缸、水冷、四沖程。吸氣方式為增壓中冷，主要性能參數(shù)：排量2.660L，氣缸直徑92mm ,壓縮比17.5:

16、1,標(biāo)定功率75kw，額定功率轉(zhuǎn)速3200r·min-1，最大扭矩245N·m。 本試驗測試所用的儀器設(shè)備：（1）發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)FST2E； （2）電渦流測功機CW160；（3）發(fā)動機廢氣分析儀AVL-4000；（4）油耗儀FCMM-2；（5）發(fā)動機冷卻液恒溫控制裝置。所用的試驗量具： 量筒:最大量程 1000ml 最小量程 10ml 燒杯:最大量程 500ml 最小量程 25ml試驗工況的確定：對幾種燃料分別進行了1200r/min，1400r/min，1600r/min，1800r/min和2000r/min下的負荷特性實驗和30N·m，50 N·m

17、，70 N·m,90 N·m和極限負荷下的速度特性試驗。由于篇幅所限，僅取70 N·m負荷下的燃燒排放數(shù)據(jù)作曲線分析。試驗條件要求：確保發(fā)動機始終在70 N·m 負荷下進行速度特性試驗研究；每次試驗確保發(fā)動機運行到正常工作溫度（出水溫度在65±5，機油溫度在80±5）；每次試驗其它發(fā)動機性能參數(shù)均不再做調(diào)整，確定工況穩(wěn)定后再進行試驗。試驗中，YC4F100-20發(fā)動機機依次燃用生物柴油、乳2.5和乳5，試驗點轉(zhuǎn)速選取前文提及的5個測量點，進行燃燒排放測試 。本試驗對發(fā)動機排出的尾氣，用AVL-4000排放分析儀進行檢測分析,準(zhǔn)確記錄試

18、驗數(shù)據(jù)。這3種燃料均試驗3次，最終數(shù)據(jù)取3次數(shù)據(jù)平均值，整理數(shù)據(jù)繪制曲線圖。3 臺架試驗結(jié)果與分析3. 1 動力性與經(jīng)濟性分析圖7 70N·m時三種乳化液的功率對比Fig.7 When 70N m power comparison of three emulsion由上圖可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，乳2.5和乳5燃料的功率基本和B100一致，差別不大。這是因為乳2.5和乳5燃料的密度均大于 B100，在不改變發(fā)動機參數(shù)( 如油泵齒條位置) ，且乳2.5和乳5燃料的運動粘度和表面張力與B100接近的情況下，使得每循環(huán)噴油量上升，一定程度上彌補了燃料的低熱值5; 又由于乳2.5和乳5燃

19、料含有甲醇、乙醇和水，造成十六烷值較低，且甲醇乙醇汽化潛熱大，使得滯燃期延長，產(chǎn)生的可燃混合氣增多，預(yù)混燃燒階段的放熱率上升; 乙醇沸點較低，利于燃料汽化，改善霧化質(zhì)量，且含水的乙醇的摻混擴大了乳2.5和乳5燃料在燃燒過程中的微爆效應(yīng)，故可以促進燃燒，提高燃燒壓力，雖然燃燒滯后，但預(yù)混和擴散燃燒速度相比B100均有提高，燃燒持續(xù)期縮短6，最終導(dǎo)致乳2.5和乳5的功率與B100基本持平。由于乳2.5和乳5與B100的熱值差別較大,僅僅采用燃油消耗量考察燃料經(jīng)濟性是不合適的,為此,引用等熱值能量消耗率BSEC(Brake SpecificEnergy Consumpation)來進行對比分析7。式

20、中：BSFCe為等熱值有效燃油消耗率；BSFCa為實際有效燃油消耗率；Vg、Vm、Vn分別為生物柴油、甲醇、乙醇的體積分?jǐn)?shù)含量；Hg、Hm、Hn分別為生物柴油、甲醇、乙醇的的低熱值； 、分別為生物柴油、甲醇、乙醇的的密度。由于原理和趨勢基本相同，僅作一例70N·m時等熱值能量消耗率曲線圖。圖8 70N·m時三種乳化液的燃油消耗率對比Fig.8 When 70N m the rate of fuel consumption comparison of three emulsion從圖中數(shù)據(jù)對比可以得出,與B100相比，乳2.5和乳5燃料的等熱值燃油消耗率總體降低，且乳5與乳2

21、.5相比，排放量差別不大。分析原因：（1）由于甲醇和乙醇均為含氧燃料,氧元素在燃燒過程中起到助燃作用,因此隨著轉(zhuǎn)速的增加,乳2.5和乳5燃料的等熱值能量消耗率逐漸降低。（2）本文研究的乳化油是油包水結(jié)構(gòu)形態(tài)，其在燃燒過程中由于微爆效應(yīng)造成了二次霧化，油滴與空氣的接觸面積得以增加，使燃燒效率得到提升。（3）乳2.5和乳5都含有一定量的水，在高溫高壓環(huán)境中水發(fā)生一系列的附加化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的活性物質(zhì)如H，O和OH等會促進燃燒過程，從而提高了能量的傳遞速率，使得燃燒更充分，熱效率得到提高8?？紤]到乳5和乳2.5功率和等值燃油消耗率差別不大，乳5中水的含量更多，故乳5的動力性和燃油經(jīng)濟性是比較好的。3.

22、2 常規(guī)排放分析3.2.1 HC排放 圖9 70N·m時三種乳化液的HC排放對比Fig.9 When 70N m HC emissions comparison of three emulsion1)從圖9我們可以看出，發(fā)動機在燃用三種燃料時，對HC排放的影響是不同的。隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，三種燃料的HC排放逐漸變多，并且乳2.5和乳5均比B100的HC排放要多。這是因為乳2.5和乳5均含有一定量的乙醇，一般在低負荷時，由于噴油量少，混合氣較稀，缸內(nèi)溫度低，壁面淬熄效應(yīng)明顯，HC 主要產(chǎn)生在稀燃火焰熄滅區(qū)。此時，乙醇較高的汽化潛熱、較好的低溫蒸發(fā)性和較差的著火性能都使得混合燃料的 HC

23、 排放濃度更高。2) 由上圖可看出，隨著負荷的繼續(xù)增大，乳2.5和乳5的HC排放又有了明顯的提高。這是因為負荷較大時，噴射時循環(huán)變動增大，混合氣形成速度降低，乳2.5和乳5含有的甲醇與空氣混合質(zhì)量變差。使燃燒室出現(xiàn)某處混合氣過濃或過稀，造成混合氣燃燒不完全產(chǎn)生HC。因此會造成HC排放的增加9。3.2.2 CO排放 圖10 70N·m時三種乳化液的CO排放對比Fig.10 When 70N m CO emissions comparison of three emulsion由圖10可見，隨轉(zhuǎn)速的不斷提高，相比于B100，乳2.5和乳5的CO排放明顯降低。分析原因：1）這是因為CO的生

24、成主要是燃油混合氣過濃，燃燒時氧氣相對不足，燃油中的碳不能與足夠的氧結(jié)合即燃料沒有完全燃燒而產(chǎn)生的。而乳2.5和乳5中甲醇和乙醇的含氧量高,甲醇的著火界限寬,在燃燒過程中有自供氧效應(yīng)。燃燒較為均勻和完善, 而且甲醇和乙醇的含碳量又比生物柴油低，這從理論上減少了C0的生成條件。2）隨負荷的增加，三種燃料的CO排放均有所提升。這是因為進入大負荷工作狀態(tài)后，過量空氣系數(shù)較小，導(dǎo)致 CO 濃度上升。3.2.3 NOx排放 圖11 70N·m時三種乳化液的NOx排放對比Fig.11 When 70N m NOx emissions comparison of three emulsion 1）

25、由上圖11可見，發(fā)動機在燃用三種燃料時，乳2.5和乳5的NOx排放均比B100有所增加。這是因為乳2.5和乳5中含有的甲醇和乙醇都是富氧燃料，而NOx的生成條件就是高溫、富氧、長時間燃燒時形成的。這增加了NOx的生成條件。雖然乙醇的加入降低了混合氣溫度,但乙醇的高含氧量使得燃燒在富氧條件下進行,增大了NOX的排放10.2）從圖中我們可以看出隨轉(zhuǎn)速的提高，乳2.5和乳5的NOx的排放在不斷的降低。乳化油可燃混合氣的焰前反應(yīng)時間延長，使燃料和空氣的混合更均勻。由于水的加入，降低了混合氣的濃度。微爆效應(yīng)提高了混合氣的均勻度，減少了局部富氧現(xiàn)象，縮短了燃燒持續(xù)期和高溫持續(xù)時間，從而減少了 NOX的生成

26、和排放量。4 結(jié)論通過進行生物柴油乳化試驗和臺架試驗，可以得到以下結(jié)論：（1）在乳化試驗中，甲醇+乙醇復(fù)配乳化劑保持乳化液穩(wěn)定性最好，顯微鏡觀察下，乳5的顆粒分布比較均勻，顆粒直徑較小；（2）在臺架試驗中，乳2.5和乳5的功率與B100基本一致，即動力性相差不大。燃油消耗率方面，乳2.5和乳5均比B100有所增加，但換算等熱值燃油消耗率，乳2.5和乳5總體比B100降低。（3）在臺架試驗中，乳2.5和乳5均比B100的HC排放要多，乳2.5和乳5的CO排放明顯降低，乳2.5和乳5的NOx排放均比B100有所增加。（4）綜合考慮乳化效果和在YC4F100-20發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能，乳

27、5為較好的實際應(yīng)用比例。參考文獻：1 湯湘華，李雪峰，羅艷托,等.國內(nèi)車用替代燃料的發(fā)展現(xiàn)狀及展望J.石油規(guī)劃設(shè)計，2012， 03： 15-18： 40-42.1 Tang Xianghua，Li Xuefeng，Luo Yantuo，et al. Development and Prospects of Alternative Fuels for Vehicles in ChinaJ. Petroleum Planning & Engineering，2012， 03： 15-18.： 40-42.2 李攀，王賢華，李允超.生物柴油研究現(xiàn)狀及其進展J.能源與節(jié)能，2012，10：3

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