微乳甲醇柴油在柴油机上的应用研究

段敏伟　杨维成　谭树波　马　坤　乔拟春　罗　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机上的应用研究

段敏伟杨维成谭树波马坤乔拟春罗勇（上海化工研究院醇醚燃料研究室上海200062）

摘要：通过在4100QB-Z型柴油机上分别燃用0#柴油和标号为M15、M30微乳甲醇柴油，研究不同燃油燃烧的稳定性、经济性、动力性及排放性等特征指标。结果表明：输出功率恒定时，标号M15、M30相对于0#柴油的油耗增率介于-1.32%~4.66%、1.21%~13.29%，说明甲醇促使燃油油耗一定幅度的升高，但综合甲醇价格优势，微乳甲醇柴油经济性优于0#柴油；且燃用M15的输出功率及转速均大于燃用0#柴油，微乳甲醇柴油动力性能优势明显；排放性方面，微乳甲醇柴油的常规排放（CO、HC、NOx和烟度）明显低于0#柴油。

关键词：微乳甲醇柴油柴油机稳定性经济性动力性排放性

引言

与汽油机相比，柴油机具有热效率高、爆发压力高、输出转矩大等优点，在经济发展中起着重要作用[1-2]。微乳甲醇柴油因制取简捷、燃烧性能好、燃烧废气（HC、 CO、NOx）及颗粒物（PM）排放含量低等诸多优点而获得重视[3-4]；同时，醇类燃料是国际公认的一种清洁代用燃料，美国环保局认为：采用甲醇燃料是实现清洁环境的最有效的方法[5-6]。而且，M15和M30甲醇柴油比柴油的成本下降约10%和20%，具有广阔的应用前景。

据海关总署公布的数据，2014年我国共计进口原油3.08亿t，比2013年同期增长了9.5%，对外依存度接近60%，石油安全形势依旧比较严峻。近年来，醇醚燃料已成为甲醇下游第一消费领域，并呈快速增长趋势，这对减少我国石油进口、平抑石油产品价格发挥着重要作用。因此开展甲醇柴油在发动机上的应用研究，对解决目前能源紧缺的问题有着重要意义。本文着重研究标号M15、M30微乳甲醇柴油相对于0#柴油对发动机稳定性、经济性、动力性、排放性带来的变化，以进一步证实甲醇柴油的可行性，将有利于推广和规范甲醇燃料的实际应用。

1　实验部分

1.1实验设备

实验采用昆明云内动力4100QB-Z型柴油机，压缩比为17：1，标定功率/转速为58.8 kW@3200 r/min，最大转矩/转速为201N·m@2000~2200 r/min。主要测试设备见表1。

表1 主要测试设备

1.2实验样品

0#柴油购自上海红炼润滑油有限公司，0#柴油的理化性能符合国标GB/T 19147-2013。甲醇（工业级）购自上海焦化厂，甲醇柴油添加剂由本研究室研发配制，含腐蚀抑制剂和抗溶胀剂。本文采用甲醇的质量分数作为标号，分别配制了M15和M30两种标号的甲醇柴油。

1.3微乳液的表征

根据微乳液的定义，判定体系是否为微乳液最常用方法是在100 g的重力加速度下离心5min后，观察分层情况，若不分层，则可判定为微乳液。

根据相对离心力（RCF）与转数的换算公式RCF =1.118×10-5×n2×r[7]及查阅TDL-40B离心机转轴中心与离心管中心的旋转半径r为15 cm，计算得到转速n=772 r/min。

设定理论转速，对配制的甲醇柴油体进行离心分离5min，观察是否出现分层情况。若离心后体系不分层，即可确认该体系为微乳液。

1.4测试理化特性

不同标号燃油的主要理化指标测试结果见表2。

表2　不同标号甲醇柴油主要理化特性对比

1.5经济性分析

实验过程中，原机结构和供油参数未做任何改动，即发动机的供油压力、喷油嘴的启喷压力、供油提前角等参数均为原机数值，分别燃用0#柴油和M15、M30微乳甲醇柴油进行1600 r/min负荷特性实验，转矩（T tq）从200~20N·m逐次减小，每隔20 N·m为一个实验点，每点重复测定3次。测试完毕后在短时间内不同日期再次测试一遍，采用相对标准偏差（RSD）考察短时间内不同日期实验的稳定性。通过平均油耗量（B）、平均修正燃油消耗率（B e）等指标考察燃油的经济性能。

1.6动力性分析

与经济性评价实验相同，不改变发动机结构参数，分别燃用0#柴油和M15、M30微乳甲醇柴油进行30%油门速度特性实验，T tq从30至180N·m逐次调整，每次增加30 N·m为一个实验点，实验方法同上述1.5，也采用RSD考察短时间内不同日期实验的稳定性。通过平均修正输出功率（P e）、输出转矩（T tq）等指标评价燃油的动力性能。

1.7常规排放分析

在上述1.5、1.6的负荷、速度特性实验中，获取每个实验点的工况下催化前尾气中CO、HC、和NOx的排放值，并进行对比分析。

另外，参照GB/T 9487-2008《柴油机自由加速排气烟度的测量方法》，采用NHT-6不透光烟度计测试了0#柴油、M15、M30微乳甲醇柴油的自由加速排气烟度值（不透光度N，%）。

2　实验结果与讨论

2.1表征结果分析

通过离心实验可以发现，标号M15、M30甲醇柴油离心后都未出现分层，且颜色澄清透明，即可认定所配制的甲醇柴油为微乳液。

2.2经济性对比

同标号燃油在相同T tq下，多次重复实验下各特征指标的RSD均小于1.8%，说明实验重复性好，可满足实验稳定性要求。不同燃油在1600 r/min负荷特性下燃油消耗量B及燃油消耗率B e对比见图1。

图1　1600 r/min负荷特性下燃料油耗对比

经统计，在相同T tq下，各标号油耗高低为M30>M15>0#。标号M15和M30相对于0#的油耗增率介于-1.32%~4.66%和1.21%~13.29%之间。说明甲醇促使燃油消耗量一定幅度升高，但考虑到甲醇市场价格仅为柴油的1/4~1/3，甲醇柴油经济性会优于0#柴油。

2.3动力性对比

经统计，同种燃油在相同工况下各特征数据的RSD均分布在2.5%内，满足实验稳定性要求。0#柴油及M15、M30甲醇柴油在30%油门工况下的输出功率P e及输出转矩T tq对比见图2。

由图2可看出在30%的油门下，标号为M15的输出转速与输出功率均高于0#柴油，输出转速的增幅介于1.45~3.97%，说明M15甲醇柴油的动力性强劲，其主要原因是甲醇富氧，可使燃料燃烧更加充分，提高燃烧效率，从而增强了燃油的动力性能。然而随着甲醇含量的增加，M30的输出功率和输出转速略低于0#柴油，而且输出转矩最大仅达到150 N·m，动力性明显减弱，主要原因是虽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热值大幅降低，从而造成动力性下降。

2.4排放性分析

柴油机的常规排放物主要是指CO、HC、NOx和烟度，且尾气中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负荷特性和30%油门速度特性实验中，稳定工况下的不同燃油HC、CO、NOx排放分别见图3和图4。

图2　30%油门下燃油动力性对比

图3　1600 r/min负荷工况燃油排放对比

图4 30%油门下燃油排放对比

由图3、4可看出，燃用0#柴油及不同标号甲醇柴油尾气中HC、CO、NOx的排放量与T tq、n的变化规律基本一致。其中HC排放较低，CO接近零排放，且随着甲醇含量的增大，燃油尾气中HC、CO和NOx排放量降低，其中HC的降低幅度在40~60%，NOx的降低幅度约在10~30%。在30%油门速度特性下，标号M15、M30的HC、CO、NOx排放含量较0#柴油都降低。综合两种特性，都说明甲醇降低HC、CO、NOx的效果显著，其主要原因与HC、CO的生成机理及甲醇的物性、含氧特性有关。由于甲醇的沸点低，混合气可混合得更加均匀，且燃烧具有自供氧效应，燃烧状况得到改善，有利于减少CO生成；同时因甲醇又是低碳燃料，含碳量低，有利于减少HC生成。

另外，不同燃料的自由加速排放烟度值（N）见表3。

表3　各标号燃料的自由加速排放烟度值

从表3可以看出，各标号的自由加速烟度值都低于GB/T 4847-2005《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》所规定对应发动机的排放限值（4100QBZL的为1.40），且燃烧微乳甲醇柴油的排放烟度值较0#柴油大幅降低，可以说明甲醇有利于降低柴油中的烟度排放。

3　结论

通过本实验研究，可获得以下结论：

1）在发动机未作任何改动或优化调整时，甲醇柴油具有良好的适应性，发动机运行平稳，实验稳定性好。

2）输出功率恒定时，标号M15、M30相对于0#柴油的油耗增率介于-1.32%~4.66%、1.21%~ 13.29%，说明甲醇促使燃油消耗量一定幅度的升高，但综合甲醇价格优势，微乳甲醇柴油经济性优于0#柴油。

3）M15微乳甲醇柴油的动力性能较0#柴油强，然而随着甲醇含量的增加，M30的输出功率和输出转速略低于0#柴油，动力性能下降。甲醇比例控制在15%为宜。

4）燃烧M15、M30微乳甲醇柴油的尾气中常规排放量（HC、CO、NOx和烟度）都较0#柴油低。

参考文献

1曹建喜，董松祥，商红岩，等.甲醇柴油的研究进展[J].现代化工，2010，30（6）：41-45

2焦纬洲，许承骋，刘有智，等.醇类柴油燃料研究进展[J].石油学报（石油加工），2014，30（5）：945-956

3魏远文，田维，黄海波，等.ZS1100柴油机燃用甲醇-柴油混合燃料的试验研究[J].小型内燃机与摩托车，2007，36 （3）：15-18

4王德岩，任连岭，杨菊芬.甲醇柴油的制备及润滑性研究[J].合成润滑材料，2009，36（3）：1-3

5龚旌.车用环保甲醇柴油制备工艺的研究[J].环境工程学报，2009，3（10）：1917-1920

6单士睿，李红伟，刘琦.甲醇/柴油混合燃料的应用[J].中国农学通报，2010，26（10）：381-385

7冷怀明，范华泉，张大春.正确表示相对离心力的量和单位符号的探讨[J].编辑学报，2003，15（4）：1

中图分类号：TK411.7

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）05-0085-05

收稿日期：（2015-07-07）

作者简介：段敏伟（1987-），男，硕士，工程师，主要研究方向为新能源与清洁能源。

通讯作者：罗勇（1974-），男，教授级高工，博士，主要研究方向为新能源与替代能源。

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