乳化柴油在柴油机上的应用研究

王志成，张玥，张宇，马宁（黑龙江省能源环境研究院，环境科学研究室，哈尔滨150027）



乳化柴油在柴油机上的应用研究

王志成，张玥，张宇，马宁
（黑龙江省能源环境研究院，环境科学研究室，哈尔滨150027）

摘要：采用均质机和机械搅拌相结合的手段制备了能够在室温下稳定储存的乳化柴油，确定了柴油、水、添加剂的配比。对制得的乳化柴油在发动机台架上进行不同工况的油耗试验，确定节油率。对乳化柴油理化性能指标进行了测定。实验结果表明：添加剂为2 wt%，掺水率为10 wt%、15 wt%时制备的乳化柴油在不同工况下，均有不同程度的节油，最高节油率达到6%。乳化柴油理化指标符合国家标准，乳化柴油为澄清透明状态，稳定期可达一个月以上。

关键词：乳化柴油；添加剂；水；柴油机

随着石油储量的不断减少，市场成品油需求不断增长，研究和开发清洁高效的代用燃料已是大势所趋。乳化柴油被认为是一种有着广泛应用前景的清洁燃料。我国乳化油技术的研究起步较晚，在20世纪五六十年代才开始在该领域进行积极研究，但并未取得突破性进展。进入21世纪以来，油价不断上涨，人们环保意识增强，使得我们又重新重视起乳化柴油。

燃用乳化柴油，由于微爆作用，能够使油液与空气充分混合，燃烧得更加完全，因此可以达到降低油耗、节省能源的效果。同时，在缺氧条件下，柴油中由于高温裂解产生的碳粒子，能与水蒸气反应生成CO和H2，使碳粒子充分燃烧，降低了排烟中的烟尘含量，另一方面，由于乳化水的蒸发作用，均衡了燃烧时的温度场，从而抑制了NOx的形成。由此可见，把水和柴油有机结合在一起，让水参与燃烧，能够较大幅度地提高乳化柴油在内燃机中燃烧的效率［1-4］。

1　实验部分

1.1实验试剂与仪器

十六烷基二苯醚磺酸钠由宜兴市凯利达化学有限公司生产；Span 80、Span 20、Span 40由江苏省海安石油化工厂生产；煤油由苏州市益文油品有限公司生产；吐温60、吐温20、三乙醇胺由天津市光复精细化工研究所生产；双磺基丁二酸钠由山东飞扬化工有限公司生产；实验用水为实验室自制去离子水。

乳化柴油的配制温度通过DHH- 5- 10低温水槽调节，温度为30℃，精确度为±1.0℃。机械搅拌使用IKA RW 20数显型顶置式搅拌器。FLUKO均质机，型号为F430。发动机台架型号：常柴4L68。测功器：DW160电涡流测功机（启东市红鑫测功器有限公司）。HZB2000油耗测量仪。

1.2实验方法

首先，将水、Span 80、Span 20、Span 40、吐温20、吐温60按照一定质量比混合，在40℃～50℃下溶解并混合均匀，配制成A添加剂溶液。再将十六烷基二苯醚磺酸钠、煤油、双磺基丁二酸钠、三乙醇胺按照一定质量比混合均匀，配制成B添加剂溶液。将A添加剂溶液和B添加剂溶液在室温下搅拌混合均匀，制备成复合添加剂。

将柴油倒入调配桶中，向其中加入事先配制好的添加剂，以1 100～1 300 r/min的转速机械搅拌5～10min，混合均匀后，向其中加入水，再使用型号F430的FLUKO均质机，循环均质得到乳化柴油。

2　结果与讨论

2.1乳化柴油添加剂及稳定性优化研究

2.1.1添加剂优化研究

图1　计算机仿真模拟试验控制系统图Fig.1　Computer simulation test control system diagram

乳化柴油添加剂是课题组精心研制的核心技术，它可以直接加入柴油中，掺入大量水（5%～20%），合成乳化柴油，提高乳化柴油燃烧效率，提高稳定性，达到节油的目的，是乳化柴油提高燃烧效率的关键技术。在过去配方研究的基础上，进一步优化添加剂组分是保证课题完成的前提。我们对添加剂的组分进行了计算机仿真模拟试验，得到了能量增强剂（MA）、腐蚀抑制剂（MB）、稳定剂（MC）等催化剂（见图1）。

添加剂计算机仿真模拟试验控制系统包括三个模块：

I模块为：筛选仿真模拟试验。该模块对众多的添加剂元素进行仿真模拟试验，从而确定添加剂的主要组分，能量增强剂（MA）、腐蚀抑制剂（MB）、稳定剂（MC）。

II模块为：正交仿真模拟试验。该模块进行添加剂的主要组分（元素）MA、MB、MC组合后的仿真模拟试验，分析对乳化油热值的影响及作用。

III模块为：优选法仿真模拟试验。通过对添加剂主要组分（元素）MA、MB、MC不同比例含量的仿真模拟试验，确定其配方的比例。

通过II模块确定三个元素MA、MB、MC后，在计算机上进行模拟计算后，选择了十组配方，通过实验找出最佳配方比例为MA77%、MB4%、MC19%。三种主剂再辅以六种助剂最终合成复合添加剂。

2.1.2制备温度对乳化柴油状态的影响

表1　不同制备温度下乳化柴油的状态Tab.1　Status of emulsifying diesel fuel under various preparation temperatures

向柴油中加入2 wt%的复合添加剂及10 wt%的水，于不同温度下（温度范围为15℃～35℃）分别制备出5份乳化柴油样品，制备后于室温下放置2 h，观察乳化柴油的状态，如表1所示。

从表1中可知，当制备温度为30℃时，乳化柴油是澄清透明状态，达到稳定状态，稳定时间达到一个月以上，而其他制备温度下制备的样品，均处于热力学不稳定状态。

2.2台架实验

向柴油中加入2 wt%的复合添加剂，并分别加入10 wt%和15wt%水，调配温度30℃，制备出100kg乳化柴油1号样品和乳化柴油2号样品，制备后于室温下放置2d，观察乳化柴油的状态。

使用常柴4L68发动机台架，DW160电涡流测功机（启东市红鑫测功器有限公司）和HZB2000油耗测量仪，进行柴油和乳化柴油1号、2号对比试验。分别在不同工况下，测试油耗率，计算节油率，如图2和图3所示，油耗率虽略有增加，但与掺水率相比，仍节油2.5%～6%。

图2　不同功率下的油耗率图Fig.2　The fuel consumption rates under different powers

图3　不同功率下的节油率图Fig.3　The oil- saving rates under different powers

2.3乳化柴油的理化性能指标

表2　柴油与乳化柴油理化指标对比Tab.2　Comparison of diesel and emulsified diesel fuel physical and chemical indexes

当复合添加剂用量为2 wt%，掺水率为10 wt%、15 wt%时，对0#柴油及配制的乳化柴油1号和2号进行一系列理化性能指标测定，结果如表2所示。乳化柴油各项指标均符合相应国家标准的要求。

3　结论

采用IKA RW 20数显型顶置式搅拌器和F430FLUKO均质机，利用课题组研制的复合添加剂调制乳化柴油。当添加剂为2 wt%，掺水率为10 wt%和15 wt%时，乳化柴油各项理化指标均符合国家标准，且乳化柴油为澄清透明状态，稳定期可达一个月以上。当使用常柴4L68发动机台架，DW160电涡流测功机（启东市红鑫测功器有限公司）和HZB2000油耗测量仪，进行柴油和乳化柴油1号、2号对比试验。乳化柴油的实测油耗率虽然高于纯柴油，但与理论计算油耗率相比，节油率最高达到6%，节油效果明显。

参考文献：

［1］曹贻森，王铁，石晋宏，等.W/O型乳化柴油的燃烧特性及过程分析［J］.中国农机化学报，2015，36（5）：283- 287.

［2］张韦，舒歌群，陈朝辉，等.柴油机燃用水乳化柴油着火时刻的化学动力学特性［J］.农业工程学报，2012，28（13）：59- 66.

［3］肖明伟，蒋盛军，陈振斌，等.蔗糖水溶液乳化柴油对发动机性能的影响研究［J］.科学技术与工程，2014，14（6）：5- 8.

［4］吴江霞.乳化柴油的制备及其在单缸柴油机上节能效果与排放特性的研究［D］.镇江：江苏大学，2003.

科研项目：黑龙江省科学院科学研究基金中试及熟化项目“乳化柴油在柴油机上的应用研究”

The Application of Emulsified Diesel Fuel on Diesel Engine Research

WANG Zhi-cheng, ZHANG Yue, ZHANG Yu,MA Ning
(Environmental Science Laboratory, Heilongjiang Institute of Energy and Environment, Harbin 150027, China)

Abstract:The emulsified diesel fuel, which could be stably stored at room temperature, was prepared by homogenizer and mechanical stirring.The mass ratios of diesel, water and additives were determined.The fuel consumption on different working conditions of emulsified diesel were tested on engine test bench, and the oil-saving rates were determined.The physicochemical properties of the emulsified diesel fuel were measured and comparatively analyzed.The emulsified diesel were prepared when the additive content was 2 wt %, water blending ratio were 10 wt % and 15 wt %, respectively.The results showed that the oil-saving rates of emulsified diesel were different on various working conditions, and the highest oil-saving rate was 6%.The physical and chemical indexes of emulsified diesel fuel conformed to the national standard, and the emulsified diesel seemed clear and transparent, the stable period was more than one month.

Key words:Emulsified diesel fuel; Additives; Water; Diesel engine

中图分类号：TE 626.24

文献标志码：A

文章编号：1674-8646（2016）02-0004-03

收稿日期：2015- 12- 08

作者简介：王志成（1973-），男，黑龙江哈尔滨人，学士，研究员级高级工程师，从事生物质能源、替代能源和室内环境研究。