乙醇/水混合物（精选5篇）
乙醇/水混合物 篇1
作为一种重要的功能材料,ZnO粉体不仅在涂料、橡胶、陶瓷、纺织等工业领域中有十分广泛的应用价值[1],还因其室温下的宽带隙(3.37eV)和高禁带激发能(60meV)[2],在紫外-可见区域成为了颇具前途的光电材料[3,4]。ZnO晶须更是以其完整的晶体结构,较少的内部缺陷及接近于完整晶体材料理论值的强度和模量引起了广大材料科学家的浓厚兴趣。
传统的1-D ZnO微/纳米材料多采用化学气相沉积法[5], 热蒸发法[6], 溅射法[7],高温物理蒸发法等进行制备[8]。虽然产物形貌好,产量高,但反应条件苛刻,生产成本高,实现商业化还存在很多问题,难于满足市场的需求。液相法则具有产品纯度较高,组成均匀,颗粒形状统一,不需要后处理等优点,因此是目前公认的具有发展前途的制备方法。常用的液相法有溶胶-凝胶法[9],微乳液法[10],水热法[11],沸腾回流法[12]等。
近年来混合溶剂制备法发展迅速,其研究工作主要是用醇/水混合溶剂制备TiO2[13]、CeO2[14]、Fe2O3[15]、BaF2[16]和CaF2[17]等无机粒子和一些有机物粉体[18]。文献调研显示,使用混合溶剂能够起到缓和实验条件,改善产物粒子粒径和形貌的作用。本研究采用低温陈化法,以乙醇-水混合溶剂为介质,ZnCl2和NaOH作原料,通过控制乙醇溶剂的含量制备出了一系列粒径可控、形貌好且产率高(>85%)的1-D ZnO晶须,为ZnO晶体的工业化生产开辟了一条成本低、耗能少的绿色合成路线。
1 实验部分
1.1 试剂及仪器
ZnCl2、NaOH、乙醇等,分析纯,所有溶液均用一次蒸馏水配制。
用DC-3005A型低温恒温槽控制前驱反应液的制备温度,HH-6型数显电热恒温水浴锅用于反应液的恒温陈化。
1.2 ZnO晶须的制备
分别配制1mol/L ZnCl2和4mol/L NaOH的水溶液备用。实验时量取20mL(1mol/L)ZnCl2溶液,置于200mL套杯(自制,与控温低温恒温槽连接)中,按预先设计的醇水比分别加入一定量蒸馏水和无水乙醇,冷却至3℃。稍后边搅拌边滴加30mL(4mol/L)NaOH溶液,得到100mL接近澄清反应液([ZnCl2]∶[NaOH]=1∶6)。将恒温槽调至22℃,磁力搅拌1.5h。将此反应前驱液转移至250mL带磨口塞的锥形瓶中,浸入预先已升温至85℃的水浴锅中陈化5h。抽滤,洗涤,室温下干燥,得白色粉体。
1.3 纳米颗粒的表征
物相分析用德国产Bruker AXS D8 ADVANCE X射线粉末衍射仪(XRD,辐射源Cu Kα,λ=0.15406 nm)。采用日立S-570扫描电镜(SEM)观察样品形貌。晶体结构表征在JSM-6700F型高分辨透射电子显微镜(HRTEM,JEOL公司)上进行。
2 结果与讨论
2.1 ZnO晶须的物相、形貌及结构表征
图1a是纯水作溶剂时产品的X射线衍射分析结果,与标准卡片对照,发现样品属于六方晶系纤锌矿ZnO(JCPDS 89-0510)。衍射峰强度高而宽度窄,表明结晶程度较好;没有其它的杂质峰,说明产物的纯度很高。由SEM照片(图1b)可以看出,所得单分散ZnO呈针状,平均直径在550nm左右,长约11μm(长径比为20)。图1c为单个晶须的HRTEM照片,其中只能观察到一种方向的规则衍射条纹,经测量条纹间距约为0.26nm,这一数值与ZnO晶体中(002)晶面间距相吻合,说明ZnO晶须的生长方向为垂直于(002)晶面的c轴方向(即[1]方向)。选区电子衍射(SAED谱)插图则显示,晶须为结构规整的单晶,几乎不存在缺陷。
2.2 不同乙醇/水体积比对晶须的影响
从图2和表1可以看出,实验体系中加入与不加入乙醇有明显区别,使用乙醇/水混合溶剂,可以有效减小产物的粒径,且乙醇含量越高,所生成的ZnO晶须粒径越小。当乙醇/水体积比为3∶7时,可得粒径为90nm左右、长径比约10的棒状晶须。但是当乙醇添加量超过溶剂总体积的30%之后,并不能获得更小尺寸的ZnO晶须。
2.3 乙醇对ZnO晶体生长的抑制作用
六方纤锌矿ZnO是一种典型的极性晶体,空间群为Cundefined=P63mc。如图3所示,理想状态下ZnO晶体的每个Zn2+四周都被4个O2-包围着,反之亦然;正极面[1]显露Zn2+,负极面undefined显露O2-;极性轴为c轴。在液相反应过程中,ZnO晶体各晶面的生长速率不同:undefined,即晶体生长沿[1]方向最快,柱面方向居中,而undefined方向则最慢。因此,在上述给定条件下得到了沿c轴([1]方向)生长成为一维结构的ZnO晶体。
众所周知,晶体的生长行为不仅受其内在生长习性的控制[20,21],同时也受外部环境和生长条件(如反应物浓度、过饱和度、温度、时间以及杂质等)的制约[22,23]。但是关于有机醇溶剂对晶体粒径及形貌的影响,迄今为止还没有一种成熟的理论能够全面地解释其作用机理。通常认为向水中加入醇等有机溶剂,不仅可以降低水的介电常数,减小无机物的溶解度,还能降低固体颗粒的表面张力,使粒子间的相互作用力减小,这些都有利于获得粒径小、分散性良好的产物颗粒[14,17]。
2004年,Cheng等[24]提出水热条件下,醇溶剂是通过“表面-溶剂作用”来控制ZnO不同晶面的生长速率,决定其最终形貌的。另有文献证实,无机氧化物中金属离子确能与醇溶剂羟基中的氧原子发生键和[25,26]。因此我们认为,乙醇溶剂存在下,ZnO纳米棒的形成过程可能是:ZnO 晶核形成后,乙醇分子通过羟基中的氧原子与晶核表面上的Zn2+发生配位反应,被强烈地吸附在晶核表面,从而形成一层-CH2-CH3疏水膜。本反应体系中,OH-离子的浓度非常高([Zn2+]∶[OH-]=1∶6),溶液中的Zn(II)主要以ZnO生长基元Zn(OH)undefined离子的形式存在[19,27],当其通过迁移沉积到晶核上时,就会在高温下发生分解生成ZnO:Znundefined。然而疏水膜的存在却使晶核的表面活性大大降低,严重阻碍了Zn(OH)42-在晶核上的沉积和分解,因此除不含Zn2+的undefined面外的其它各晶面的生长均受到不同程度的抑制,最终导致了ZnO晶须粒径及长径比的减小。保持其它反应条件不变,随着乙醇用量的增加,乙醇分子和ZnO晶核的接触机会持续增大,因而粒径逐渐减小。当乙醇的用量达到溶剂总体积的30%之后,ZnO晶须的粒径不再继续减小,可能是由于此时乙醇在ZnO晶核表面的吸附量已达到最大值,继续增大添加量对抑制晶体的生长不能产生进一步作用所致。
3 结 论
采用工艺简便、条件温和的低温陈化法,在纯水和乙醇/水混合溶剂中成功制备了结晶完好的1-D ZnO晶须。乙醇通过“表面-溶剂作用”,阻碍了Zn(OH)42-生长基元在ZnO晶核上的沉积和分解,从而使ZnO晶体各晶面的生长受到不同程度的抑制。当乙醇添加量达到溶剂总体积的30%时,晶须粒径可降至100nm以下,长径比约为10。
乙醇/水混合物 篇2
随着能源危机的加剧和全社会环保意识的增强,世界各国纷纷加大对石化柴油代用燃料的研究力度[1]。生物柴油具有芳香烃和硫含量低、含氧、可再生、十六烷值较高等特点,是优质的石化柴油代用品[2];但生物柴油与石化柴油相比粘度和冷凝点高,影响了其在冬季的使用。乙醇作为另一种含氧可再生能源,具有粘度和沸点低的特点,可改善燃料的雾化特性从而降低柴油机排放[3]。本文通过对比的方法,研究了乙醇与大豆生物柴油(以大豆油渣为原料生产的酸化油)以不同比例混合燃烧对柴油机动力性能、经济性及碳烟排放的影响。
1 试验仪器、燃料
1.1 试验仪器
试验用发动机为R4105T型柴油机(潍坊华丰动力有限公司生产),一切技术参数均为出厂设置,供油提前角为17℃A。其它主要技术参数:
汽缸数:4
缸径/mm:105
活塞行程/mm:105
排量/L:3.6
标定油耗率/g·(k W·h)-1:≤239
额定功率/kW:55
额定转速/r·min-1:2 000
其它主要试验仪器有:天津圣威科技发展有限公司生产的SV～2LZ型滤纸式烟度计;湖南湘仪动力测试仪器有限公司生产的GW100型电涡流测功机、FC2000型发动机测控仪、FC2020型数据采集仪、FC2210Z智能油耗仪。
1.2 试验燃料
本试验所用燃料为由德州齐河齐翔化工有限公司,以大豆油渣为原料生产的生物柴油,与乙醇以不同体积比例掺混的乙醇/生物柴油混合燃料。混合燃料中乙醇所占体积比分别为5%,10%,20%,为方便分别简称为B95E5,B90E10,B80E20;纯生物柴油记为B100。生物柴油、乙醇主要理化特性如表1所示。
2 试验结果及分析
试验时,在柴油机分别燃用B100,B95E5,B90E10,B80E20时做出其外特性曲线,研究了全负荷下以不同比例掺混的乙醇/生物柴油混合燃料对柴油机动力性、经济性及碳烟排放特性的影响。柴油机燃用乙醇/生物柴油不同掺混比的外特性曲线,如图1～图3所示。
2.1 动力性比较
柴油机使用不同掺混比乙醇/生物柴油燃料时的功率对比曲线如图1所示。由图1可以看出:乙醇/生物柴油混合燃料动力性能随其中乙醇比例的不同而呈现不同的变化趋势。柴油机燃用B95E5、转速在1 700r/min以下时,与使用B100相比功率有所提高;当转速超过1 700r/min与使用B100时功率基本相等;额定转速(2 000r/min)以下时功率分别为49.9,50.1kW。出现这种现象是因为乙醇含氧量大于生物柴油,所以生物柴油与乙醇混合后可以使燃料燃烧更加充分;同时因为乙醇粘度较低,与生物柴油混合后降低了混合燃料的粘度,使得B95E5比B100雾化质量更好,有助于低速下混合气的燃烧,提高了B95E5的动力性能。与B100比,柴油机使用B90E10,B80E20时动力性能有所下降,在2 000r/min时功率分别为48.7,48.5 kW,降幅约为2.8%;但B90E10,B80E20二者相比差别微小。这是因为乙醇热值要低于生物柴油,B90E10,B80E20因为加入乙醇比例较大所以与B100相比动力性呈现下降趋势。
2.2 经济性比较
图2为柴油机使用不同掺混比的乙醇/生物柴油混合燃料时的耗油率对比曲线。与动力性相似,柴油机分别燃用B95E5,B90E10,B80E20时油耗率情况与燃用B100相比随乙醇比例不同变化规律不同。从整体来看,B90E10,B80E20全部转速范围内耗油率均高于B100并且变化较为均匀,升幅约为1.14%,1.86%。而B95E5在2 000r/min时油耗率略高于B100,其余转速范围内均低于B100。在柴油机转速为1 000r/min时B95E5油耗率为249.2g/k W·h,B100油耗率为263.9 g/kW·h,此时下降幅度最大值为5.6%;降幅随着转速升高而减小,柴油机转速为2 000r/min时,B95E5耗油率高于B100,但差别很小。B95E5最低油耗率为240.8g/kW·h,出现在1 400r/min处;B100最低油耗率为247.1g/kW·h,出现在1 700r/min处。由于乙醇热值低于生物柴油,当乙醇比例较大时将明显降低混合燃料的热值。所以,柴油机燃用B90E10,B80E20与燃用B100相比油耗率上升;而B95E5混合燃料中乙醇比例较小则燃料热值下降较小,但粘度却可以得到明显改善,即改善了燃料的流动性能以及雾化性能,促进了缸内混合气的均匀分布,从而降低了油耗率。
2.3 烟度比较
柴油机使用不同掺混比的乙醇/生物柴油时的烟度对比如图3所示。
由图3中可以看出,柴油机燃用乙醇/生物柴油混合燃料时烟度随着乙醇比例的加大而降低。烟度先是随着转速升高而逐渐降低,然后又随着转速升高而升高,最低点均出现在1 700～1 800r/min之间。这是因为在低转速范围内(转速在1 700r/min以下时),空气涡流作用较弱而造成空气与燃料混合不充分、燃料燃烧不完全。随着转速逐渐升高空气涡流逐渐加强使得混合气质量越来越好,在1 700～1 800r/min之间时混合气的质量最好,燃烧充分排烟低。随着转速的提高充气效率开始下降,混合气形成条件恶化,所以烟度曲线呈上升趋势。与燃用B100相比,柴油机燃用B95E5,B90E10,B80E20时烟度分别平均降低了22.6%,35%,55%,即混合燃料中乙醇比例越大,则该燃料燃烧时烟度就越低。其原因有两点:一是乙醇也是含氧燃料,且其氧含量大于生物柴油。因此,乙醇比例越大,过量空气系数越大,即氧气越充足,则碳烟排放量降低[4]。二是乙醇的沸点、粘度都比较低,乙醇比例越大,燃料越容易蒸发雾化,所形成的可燃混合气质量就越好、燃烧就越充分,从而降低了碳烟的排放。
3 结论
柴油机使用各种掺混比的乙醇/生物柴油混合燃料时运转状况良好,与燃用B100相比有以下特点:
1)动力性随混合燃料中乙醇比例的变化而呈现不同的变化规律。柴油机在1 700r/min时,与使用B100相比,使用B95E5时功率有所提高,当转速超过1 700r/min使时功率基本相等。与B100相比,柴油机在使用B90E10,B80E20时动力性均有所下降,其在2 000r/min时功率约为2.8%。
2)油耗率随混合燃料中乙醇比例不同出现不同的变化趋势。使用B90E10,B80E20时油耗率上升,但平均升幅较小,在整个实验的转速范围内分别约为1.14%,1.86%。而使用B95E5时下降,在1 000 r/min时下降幅度最大为5.6%。
3)碳烟排放量均呈下降趋势,且下降幅度分别随着乙醇比例的增大而增大。其中,柴油机燃用B80E20时最大下降幅度可达55%。
综合柴油机动力性、经济性、碳烟排放量3个方面来考虑,乙醇与大豆生物柴油掺混配制混合燃料时最佳比例应在B95E5左右。
参考文献
[1]吕兴才,马骏骏,吉丽斌,等.乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究[J].内燃机学报,2008,26(2):140-146.
[1]忻耀年.生物柴油的生产及应用[J].中国油脂,2001,26(5):73-74.
[1]何建宏,袁晓东,郭和军,等.生物油/乙醇/柴油混合燃料在柴油机上的应用[J].拖拉机与农用运输车,2008,35(1):10-11.
乙醇/水混合物 篇3
近年来,清洁代用燃料的研究已成为发动机研究的一个主要方面。乙醇以其来源广泛、具有可再生性等优点,受到了普遍关注。大量的研究表明[1,2,3],在柴油机上燃用乙醇/柴油混合燃料可降低CO和碳烟的排放;另外,如采用燃料机外混合,还可在基本不改变原机结构的情况下,实现乙醇/柴油混合燃料的清洁燃烧。
众所周知,燃油喷射雾化的浓度、粒度分布对柴油机缸内混合气的形成及其燃烧具有十分重要的影响。正因如此,许多研究者对不同燃料喷雾的粒度分布进行了研究,但对乙醇/柴油混合燃料喷雾粒度分布的研究甚少。本文采用激光粒度分析仪,对室温条件下的乙醇/柴油混合燃料喷雾的空间粒度分布特性进行了试验测量,并就不同喷油压力、喷孔直径对乙醇、柴油及乙醇/柴油混合燃料稳态自由喷雾粒度分布的影响进行了对比研究。
1 试验装置及方法
1.1 试验装置
燃油喷雾粒度测试装置如图1所示。整个试验装置包括燃油喷射系统、激光粒度测试仪(LSA)以及数据采集和处理系统三大部分。在自行设计的高压燃油供给系统中,为了保证持续、稳定的供油,在泵端和嘴端分别设置了由一根高压油管连通的两个高压油腔,每个圆柱形高压油腔的容积为Ф65mm×60mm,其中一个高压油腔与6105型高压油泵的6个出油孔相连,另一个高压油腔与喷嘴相连;高压油腔的燃油压力(即燃油喷射压力)可通过调节喷油泵试验台的转速以及油泵的油门进行灵活控制。试验中所用的激光粒度测试仪为天津大学现代光学仪器研究所研制的LSA-Ⅲ型激光粒度仪。激光粒度仪的基本工作原理是利用光的散射法来测量粒子尺寸分布。在固定的激光波长下,通过测量散射光在前向某个小角度范围内的空间角度分布来获得粒度分布。LSA-Ⅲ型激光粒度仪根据选用的傅里叶物镜焦距的不同,可测量5~2000μm范围内的粒径。本试验测量过程中,参考了其他研究者的试验结果[4,5],选用物镜焦距f=500的透镜镜头,其喷雾SMD的测量范围为9~975μm。
1.2 试验方法
为了分析乙醇和柴油掺混比例对喷雾粒度分布的影响,分别对纯乙醇、25%乙醇柴油(E25,即乙醇的质量掺混比为25%)、75%乙醇柴油(E75,即乙醇的质量掺混比为75%)及纯柴油这4种燃料的自由稳态喷雾粒径分布进行了研究,所用喷油器为单孔喷油器,喷孔直径分别为0.18mm和0.25mm;稳态喷射压力分别为6、10和14 MPa,喷射背压为大气压。激光粒度仪的测点布置如图2所示。
2 试验结果及分析
2.1 纯柴油喷雾粒度分布
图3为不同喷油压力对纯柴油喷雾粒度的影响。试验所用的喷孔直径为0.18 mm,可以看出,低喷射压力下,柴油稳态自由喷射的SMD在20~40μm的范围内变化;在一定的喷油压力下,随着距喷孔出口距离的增大,喷雾液滴的粒径逐渐减小;特别是在低喷油压力时,在距喷孔出口3~10 cm的区域内,喷雾断面的SMD急剧变小,然后变化趋于平稳。但在喷射压力为14 MPa时,这一变化趋势不太明显。由此可见,在喷油压力较低时,空气动力干扰对射流的分裂及液滴破碎起主要作用;当喷油压力进一步提高时,射流本身的湍流扰动对射流的雾化起主要作用,使得柴油在离开喷嘴时就雾化成较小直径的液滴。同时还注意到,在远离喷孔处的下游区域,喷雾液滴的粒度反而有变大的趋势。这是因为在喷雾场的下游区域内,随着液滴本身动能的耗散,空气动力干扰作用减弱,使得液滴难以再次破碎。由图3还可知,随着喷油压力的提高,喷雾滴径呈减小趋势,试验结果再一次证实了提高喷油压力是改善雾化效果的有力手段。
图4为喷油压力为6MPa时不同喷孔直径对喷雾SMD的影响。由图4可知,在低喷射压力时,喷孔直径对粒度的影响较小。
图5为不同轴向位置处的径向粒度分布情况。因为试验中采用的是单孔喷油嘴,且为垂直向下自由喷射,喷雾场具有轴对称的特点,故只选取其轴对称的一半喷雾场进行径向粒度分布的测量。由图5可以看出,在距喷孔出口较近的区域内(L=3 cm),径向粒径变化较大,SMD从轴中心线位置的41μm减小到喷雾场边缘的26μm;随着距喷孔出口距离L的增大,喷雾场粒径的分布趋于一致。由此可见,在喷雾场中,射流的一次雾化对喷雾雾化效果具有极为重要的影响。
2.2 纯乙醇喷雾粒度分布
为了便于不同燃油喷雾粒度的对比分析,在本文的其他研究部分将只取喷孔直径为0.18mm的试验结果,着重分析研究喷油压力对不同燃料喷雾轴向及径向粒度分布的影响。
图6为乙醇在不同喷射压力下的轴向粒度分布。其轴向粒径分布变化趋势与柴油的相同,但从其SMD的轴向变化中发现,在相同的喷油压力下,乙醇喷雾的SMD在各个相同的轴向位置上要比柴油的小7~10μm。与图3的结果相比较还可发现,乙醇在喷射压力为10 MPa时就可达到柴油在14MPa喷射压力下的粒径水平。由此可见,燃料的物性参数,如表面张力和黏度等对其雾化质量具有重要的影响。
图7为距喷孔出口10cm处,喷射压力分别为6MPa和10MPa时,纯乙醇喷雾场径向粒度的分布情况。从图7可以看出,在低喷射压力下,随着距中心轴线径向距离的增大,液滴粒径变小。而当喷射压力达到10MPa时,其径向粒度的分布趋于一致。由此可见,对于低表面张力和低黏度的燃料而言,在较低的喷油压力下,即可得到雾化更好、粒径更小、粒径分布更为均匀的喷雾场。
2.3 乙醇/柴油混合燃料喷雾粒度分布
试验对E25、E75两种混合比的乙醇/柴油混合燃料进行了喷雾粒度分布的研究,试验喷油嘴的喷孔直径为0.18mm,喷油压力分别为6、10和14MPa。图8为喷油压力为6MPa时,乙醇/柴油混合燃料不同混合比对喷雾轴向SMD变化的影响。由试验结果可知,随着乙醇掺混比的提高,喷雾的粒径变小;且在喷雾的上游区域就可形成粒径较小的液滴,整个喷雾场内液滴粒径分布更为均匀,从而更有利于均匀混合气的形成。
图9为不同喷油压力下E25、E75的喷雾轴向SMD分布。由图9可知,不同混合比的乙醇/柴油燃料均呈现出液滴粒径随喷油压力增大而减小的趋势。当混合比较大(如E75)时,混合燃料可在较低的喷油压力下形成滴径更小、液滴分布更均匀的喷雾场。
图10为喷射压力6MPa时,E25、E75两种混合燃料分别在距喷孔出口10 cm和16 cm处的径向滴径分布情况。从图中可以看出,乙醇混合比较大的燃料喷雾,其径向滴径的分布较为均匀;而在远离喷嘴的喷雾下游,其径向滴径分布也更为均匀。
2.4 乙醇/柴油混合燃料稳态喷雾形态
为了判断喷油压力及乙醇/柴油混合燃料成分变化对其稳态喷雾形态的影响,试验中采用高分辨率的数码相机对各种混合燃料的喷雾形态进行了摄影记录。图11为喷孔直径0.18 mm、不同喷射压力下纯柴油的稳态喷雾照片。可以看出,随着喷油压力的提高,柴油喷雾锥角随之增大,且喷雾中连续液核的长度也随之变短。图12为柴油、E25、E75和乙醇4种燃料的稳态喷雾照片(喷孔直径为0.18 mm,喷油压力为6MPa)。由图12可见,在喷油参数相同的情况下,随着混合燃料中乙醇含量的增加,喷雾中连续液核的长度随之逐渐减少直至消失,且喷雾锥角也随之逐渐增大。
3 结论
(1)各种燃料喷雾索特平均直径(SMD)沿喷雾轴线均呈逐渐减小趋势,空间分布更为均匀;纯柴油在低压、稳态自由喷射条件下,其SMD在20~40μm范围内变化;随着喷油压力的提高,SMD随之减小,且其空间分布更趋均匀。
(2)由于乙醇具有较小的表面张力和黏度,因此,在相同的喷油条件下,其喷雾的SMD比柴油小,且空间分布也较柴油喷雾更均匀。
(3)随着乙醇混合比的增加,乙醇/柴油混合燃料喷雾的SMD随之减小,空间分布的均匀性随之提高;证明了在柴油中添加乙醇,有利于改善喷雾的雾化混合过程,降低喷雾质量对高喷油压力的依赖程度。
摘要：采用激光粒度分析仪对乙醇/柴油混合燃料稳态自由喷雾粒度分布进行了试验研究,并就不同喷油压力、喷孔直径对乙醇、柴油及乙醇/柴油混合燃料稳态自由喷雾粒度分布的影响进行了对比研究。试验结果表明:各种燃料喷雾索特平均直径(SMD)的空间分布沿喷雾轴线均呈逐渐减小的趋势,其中柴油喷雾的SMD在20～40μm范围内变化,乙醇喷雾较柴油喷雾具有更小的SMD,且其空间分布较为均匀;随着乙醇含量的增加,乙醇/柴油混合燃料喷雾的SMD不断减小,其SMD大小和空间分布均匀性介于柴油喷雾和乙醇喷雾之间。
关键词：内燃机,乙醇,柴油,燃料喷雾,粒度分布,索特平均直径
参考文献
[1]任毅,黄佐华,李蔚,等.柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的性能与排放研究[J].西安交通大学学报,2007,41(3):285-290.Ren Y,Huang Z H,Li W,et al.Study on the performanceand emissions of a direct injection diesel engine fuelled withdiesel/ethanol blends[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2007,41(3):285-290.
[2]Rakopoulos D C,Rakopoulos C D,Kakaras E C,et al.Effectsof ethanol diesel fuel blends on the performance and exhaust e-missions of heavy duty DI diesel engine[J].Energy Conversionand Management,2008,49(11):3155-3162.
[3]Huang J C,Wang Y D,Li S D,et al.Experi mental investiga-tion on the performance and emissions of a diesel engine fuelledwith ethanol-diesel blends[J].Applied Thermal Engineering,2009,29(11):2484-2490.
[4]段树林,冯林,宋永臣.应用激光全息术测量柴油机喷雾场粒度分布的实验研究律[J].大连铁道学院学报,1999,20(1):33-37.Duan S L,Feng L,Song Y C.The experi mental study on themeasurement of the droplet distribution of the fuel spray by ho-lography[J].Journal of Dalian Rail way Institute,1999,20(1):33-37.
乙醇/水混合物 篇4
生物柴油是由植物油(如棕榈油)、动物脂肪等原料制成[1]，具有可再生、清洁和安全等优势。其十六烷值和闪点较高，抗暴性能优于常规柴油，含硫量低，不含对环境造成污染的芳香族烷烃，便于运输和储藏。乙醇作为可再生代用燃料，在柴油机上应用，可以有效地降低发动机排气中颗粒物、一氧化碳、氮氧化物等有害物质的含量，环境效益显著。但乙醇的十六烷值较低，难以直接在普通柴油机上使用，可以考虑掺混的方式加以应用。
本文主要以棕榈油及棕榈油—乙醇混合燃料为燃料，在柴油机上进行了动力性、经济性和排放特性的试验研究，并与柴油燃料进行了比较。
1 试验装置与燃料
1.1 试验装置
试验用柴油机为S195柴油机。主要测试设备为D110水力测功机，FC2210Z智能油耗仪，FTY-100不透光烟度计和AVL5组份汽车排气分析仪。
1.2 试验燃料
1.2.1 试验用燃料
本试验研究5种燃料的排放特性。这5种燃料分别为：0#柴油(D100)，棕榈油(P100)，体积分数为90%的棕榈油+10%乙醇(P90E10)，体积分数为80%的棕榈油+20%乙醇(P80E20)，体积分数为70%的棕榈油+30%乙醇(P70E30)。其理化性质如表1所示。
1.2.2 棕榈油+乙醇混合溶液配制
乙醇体积分数分别为10%，20%和30%。先往量筒里倒入棕榈油(如图1a)，再加入乙醇。观察发现，初加乙醇时，在搅拌之前混合溶液分两层，乙醇在上面一层，其原因是乙醇密度小于棕榈油密度的缘故;振荡搅拌，待静止稳定后，溶液呈透明状，且混合溶液长期放置均稳定，也不会出现分层现象(如图1b～d所示)。
1.3 试验方案
本试验在不改变原机结构参数的情况下进行，分别在额定转速2000r/min及最大扭矩转速1500r/min下对柴油机燃用上述5种燃料时的性能和排放情况进行对比试验。
2 试验结果与分析
2.1 混合燃料动力性分析
由乙醇的理化性质可以知道，乙醇的低热值较低，但由于乙醇的理论空燃比相对石油燃料低，理论混合气的热值与石油燃料理论混合气的热值基本相同[2,3]。因此发动机燃用或掺烧乙醇燃料时，将供油量进行调整后，并不会影响发动机的功率。实验用柴油机烧棕榈油—乙醇混合燃料的输出功率与烧纯柴油的输出功率无明显差别，均可达到额定负荷。
2.2 燃料经济性
图2和图3分别给出了柴油机燃用不同棕榈油—乙醇混合燃料时燃油消耗量和燃油消耗率的变化曲线。
由图2和图3中可以看出柴油机燃用棕榈油及棕榈油—乙醇混合燃料时，其燃油消耗量(率)比柴油高，且随着棕榈油中乙醇比例的增大而增大。在1500r/min时，燃用P100的燃油消耗率比燃用柴油的燃油消耗率高16.2%，乙醇比例每增加10%，燃油消耗率增加不到2%;在2000r/min标定点处，P100的燃油消耗率比柴油的高14.5%，乙醇比例每增加10%，燃油消耗率平均增加亦不到2%。这是因为棕榈油及乙醇的热值均比柴油低的缘故(如表1所示)。随着混合燃料中乙醇掺混比增大，混合燃料总热值降低，在相同输出功率情况下，燃用代用燃料的燃油消耗量(率)较柴油高，且乙醇含量越高，油耗量(率)越高。
油耗率是反映发动机经济性的重要指标，实际上由于试验中各种燃料的热值不一，通常采用折合油耗率(或称能量消耗率)来比较分析其经济性。本研究用eb′来表示[2,3,4]。
各种燃料折合油耗率的变化规律，如图4所示。显然使用棕榈油及棕榈油—乙醇混合燃料时，在不同工况下折合油耗率均有不同程度的改善。这主要是燃料的粘度、含氧量和着火能力共同作用的结果。棕榈油粘度大，影响了燃料与空气混合的质量，燃烧效率有一定的降低，但棕榈油十六烷值高，含氧量也较大，两方面的因素使热效率提高;加入乙醇以后，乙醇的低粘度使混合燃料的粘度降低，有利于混合气的形成，加上乙醇更高的含氧量，使燃烧更迅速完善，热效率提高，这些都有利于降低发动机的油耗率。
2.3 排放分析
2.3.1 CO排放
柴油机燃用不同燃料时CO的排放规律[1,2,3,4,5]，如图5所示。从图5中可见，在中小负荷处，柴油机燃用棕榈油及棕榈油—乙醇混合燃料时的CO排放量与燃用柴油时的相差不大，总排放量均较低，基本上小于0.1%;在大负荷时，CO排放量迅速增大，而柴油的排放量最大。在1500r/min大负荷处，燃用棕榈油—乙醇混合燃料的CO排放均比柴油的低，最大降低幅度达50%。当发动机转速为2000r/min时，在中大负荷下，棕榈油和混合燃料的CO排放量明显比柴油低，标定点处混合燃料的排放量最大降低幅度达80%。
CO产生的原因主要是缺氧、不完全燃烧。因此混合气的混合质量和浓度对CO排放的影响很大。在中小负荷时，由于混合气的过量空气系数较大，燃烧较完善，CO的排放量均较低。随着负荷的增大，混合气变浓，CO的排放量有所增大，特别是燃用柴油时更为明显。而棕榈油和混合燃料的含氧量高，燃烧较充分，因而CO排放量有所降低。
2.3.2 HC排放
柴油机燃用不同燃料时HC的排放规律[1,2,3,4,5]，如图6所示。从图6中可见，棕榈油的HC排放最低，多在12～25×10-6之间。加入乙醇后，HC的排放量增大，且当乙醇比例达到20%后，HC排放量比燃用柴油时有所增加。随着负荷的升高，各种燃料的HC排放波动较大。
HC的产生主要是因为缺氧、混合气局部过浓或过稀以及壁面激冷效应。棕榈油的十六烷值较高，燃油着火性能好，滞燃期短，其未燃碳氢和裂解碳氢均少。因此，在柴油机中燃烧时HC排放相对降低。棕榈油中加入乙醇后，由于乙醇的高汽化潜热，降低了缸内温度，增加了气缸壁面附近的淬熄层的厚度，增加了未燃HC的排放，而且随着乙醇比例的增大，而逐渐增多。
2.3.3 NOx排放
影响NOx生成的条件有高温、富氧和足够的燃烧持续时间。柴油机燃用不同燃料时NOx的排放量与功率的变化关系[1,2,3,4,5]，如图7所示。从图7中可以看到，各种燃料的排放随着功率的增加而上升，在1500r/min下，柴油的NOx最高，棕榈油其次;加入乙醇后，随着乙醇比例的增大NOx排放量逐步降低，但混合燃料之间的差异不大，P70E30排放量最低。2000r/min时，柴油、棕榈油、P80E20和P90E10的排放量基本相当，P70E30排放量最低。其主要原因是在棕榈油中加入乙醇后，乙醇的汽化潜热使缸内温度降低，从而降低了NOx排放。NOx排放随负荷的增加有明显的增加趋势，其原因是负荷高，缸内循环喷油量大，造成缸内平均温度高和高温持续时间长。
2.3.4 碳烟
碳烟是柴油机主要污染物排放之一，特别是在大负荷和加速时的排放更加严重。柴油机燃用不同燃料对碳烟排放的影响[1,2,3,4,5]，如图8所示，碳烟随着负荷的加大呈上升趋势。而当燃用棕榈油和混合燃料时，碳烟排放均比柴油有大幅度降低，并随着乙醇含量的增加而逐级降低，特别在大负荷时降低程度更为明显。发动机转速1500r/min时，P70E30的碳烟排放量与柴油的相比，在最大扭矩点处降低幅度为64%;2000r/min时，碳烟排放随乙醇比例的变化规律基本与1500r/min时的一样，但各种混合燃料的碳烟排放比较接近，都明显比柴油低;在标定功率点8.8kW处，P70E30的碳烟排放量降低幅度达80.5%。
在中小负荷区，烟度相对较低，这是因为中小负荷，喷油量比较小，空燃比高，氧气较充足。随负荷增加，空燃比减小，更容易导致局部缺氧、燃料裂解而生成较多碳烟。另外，负荷增加，燃烧温度也增高，这些都是造成大负荷烟度增加的原因。随着混合燃料中乙醇比例的增大，发动机碳烟排放降低的主要原因是：乙醇的自供氧功能减少了燃烧室过浓混合气区域，使燃烧较充分;乙醇中不含芳香烃，而且H/C高;乙醇的低沸点和低粘度，使混合气混合更加均匀;乙醇的汽化潜热大，降低了缸内温度。
3 结论
1)在对原发动机不做改动的情况下，柴油机燃用棕榈油及棕榈油—乙醇的混合燃料后其动力性良好，经济性按折合油耗率计算比使用柴油时有所改善。
2)在中小负荷处，柴油机燃用棕榈油和棕榈油—乙醇混合燃料时的CO排放量与燃用柴油时的相差不大。在大负荷下，生物柴油和混合燃料的CO排放量比柴油有较大的降低。
3)棕榈油的HC排放略比柴油低。加入乙醇后，HC排放量逐级增大，当乙醇比例达到20%时，HC排放量比燃用柴油时有所增加。
4)棕榈油的NOx排放量与柴油的相差不大，加入乙醇后，随着乙醇比例的增大，NOx排放量逐步降低。
5)整个负荷范围内，棕榈油和混合燃料的碳烟排放均比柴油的低，并随着乙醇含量的增加而逐级降低，特别在大负荷时降低程度更为明显。
参考文献
[1]李昌珠,蒋丽娟,程树棋.生物柴油—绿色能源[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2]马福军.在柴油机上燃用乙醇柴油的实验研究[D].大连:大连理工大学,2002.
[3]张福根.在柴油机上燃用乙醇柴油的实验研究[D].南宁:广西大学,2005.
[4]Md.Nurun Nabi*,Md.Shamim Akhter,Mhia Md.Zaglul Shahadat.Improvement of engine emissi ons with conventional diesel fuel and diesel-biodiesel blends[J].Bioresource Technology,2006,(97):372-378.
乙醇/水混合物 篇5
1引言
生物燃料( 如醇类,生物柴油) 已被提议作为内燃机的代用燃料[1,2,3]。特别是,生物柴油作为柴油的替代品,已得到了广泛的关注,因为它是可生物降解的,无毒的,同时燃烧时能够显著地降低污染物排放量和二氧化碳( CO2) 排放。另一方面,与柴油相比,生物柴油有一些不足之处,如较高的粘度和倾点值、挥发性低。生物柴油的低温流动性差阻碍了生物柴油- 柴油混合燃料的使用[4],但乙醚和乙醇可有望改善其低温流动性能。
在这项实验中,我们研究了在生物柴油- 柴油混合燃料中添加乙醇或乙醚时,柴油机的燃烧特性。 研究和讨论了气缸压力,压力升高率以及放热率随曲轴转角的变化关系。
2设备和实验
2. 1实验燃料
测试采用的商业柴油从当地获得。生物柴油是以大豆为原料通过采用碱性催化的酯交换反应的方法生产制备的。乙醇是一种分析级的无水乙醇( 纯度99. 7% ) 。该乙醚是分析级的无水乙醚( 纯度为99. 5% ) 。表1表示出混合原料的主要特性。可以看出,乙醇的潜热值是840 KJ/Kg,这是远高于其他燃料。生物柴油的粘度明显高于其他燃料。乙醇和乙醚中的氧含量分别为34. 8% 和21. 6% ,都高于生物柴油的氧含量。在这项研究中,准备了这三种燃料。体积分数为30% 生物柴油与柴油混合作为基底油( 记为B30) ,体积分数分别为5% 乙醚和25% 生物柴油与柴油混合( BE - 1表示) ,体积分数分别为5% 乙醇和25% 的生物柴油与柴油混合( BE - 2表示) 。表2显示了测试燃料的组成和主要特性。 由此可以看出,B30的密度是最高的,BE - 2的潜热值是最高的。与B30相比,低热值的BE - 1降低0. 14% ,BE - 2则降低1. 28% 。
2. 2实验设备与步骤
试验所用发动机为单缸,自然吸气,四冲程,直喷式柴油发动机。所使用的发动机的基本数据在表3中给出。
使用一种高精度流量计每30秒测量一次燃料流量。采用压电式传感器与电荷放大器相结合去监测气缸压力( 平均为100个工作循环) 。CB566燃烧分析仪用来记录试验数据。图一为试验装置布置示意图。
在不同的发动机负荷下,对三种测试燃料进行试验。发动机在加入新燃料运转之前,,要求发动机运行足够长的时间以消耗前一次试验剩余的燃料。
2. 3评估试验的放热率
对于每一个操作条件,记录100次发动机压力循环,估计平均气缸压力图。使用平均气缸压力图和TDC传感器信号计算放热率和气缸压力升高率。 放热率可以估计燃烧持续期,放热率是柴油发动机燃烧机理最有价值的信息来源。放热率图还提供了燃烧初期大部分NOx形成的有价值信息。放热率由热力学第一定律决定,使用下面的表达式:
传热速率计算方式:
传热系数hc使用沃希尼传热系数。
W表示气缸内平均气体速率。
3结果与讨论
在一个柴油机上,在预燃期( 即燃烧的初始阶段) ,气缸峰值燃烧压力依赖于燃烧的燃料馏分。 图二表示当发动机负荷为全负荷的15% 和90% 时, 测试燃料的气缸压力变化。很显然,B30的气缸峰值燃烧压力与BE - 1是类似的; 在发动机负荷为全负荷的15% 时高于BE - 2,B30的气缸峰值燃烧压力对应的曲轴转角早于BE - 1和BE - 2。在发动机负荷为全负荷的90% 时,B30的气缸峰值燃烧压力是较低的,B30气缸峰值燃烧压力的曲轴转角与BE - 1和BE - 2几乎是类似的。
主要的原因是发动机负荷较低时,BE - 1和BE - 2的点火延迟长于B30。在这项研究中,点火延迟不进行测量,但是,燃烧开始可能反映点火延迟的变化,因为对于所有燃料,喷油泵和喷油器设置都是完全相同。由于乙醚和乙醇高的气化潜热值,乙醚和乙醇的气化造成喷射的燃料雾化后进入一个相对温度低的气体环境中,这就是BE - 1和BE - 2点火延迟时间长的原因。可以看出,BE - 1的燃烧会稍早于BE - 2开始。其原因可能是,乙醚的潜热值低于乙醇。此外,乙醇的十六烷值是非常低的,它可以进一步解释较长的点火延迟。
随着发动机负荷减小,残余气体的温度和缸壁温度下降,导致在喷射时着火温度低,延长了点火延迟时间。在发动机低负荷,因为点火延迟的时间较长,BE - 1和BE - 2燃烧开始比B30较晚。特别是对于BE - 2,由于更高的潜热值和乙醇十六烷值较低,气缸峰值燃烧压力达到一个较低的值,因为在膨胀冲程,它远离活塞上止点。虽然BE - 1燃烧开始比B30晚,但是由于乙醚高的挥发性,导致了在点火延迟期时燃料混合更充分,从而提高了气缸峰值燃烧压力,所以BE - 1的气缸峰值燃烧压力与B30几乎是相似的。随着发动机负荷的增加,点火延迟减小,因为气缸内的气体温度更高,这降低了物理的点火延迟[5]。在发动机高负荷时,所有测试的燃料燃烧开始于几乎相同的曲轴转角,这可能反映了BE - 1和BE - 2的点火延迟与B30类似。换言之, 由于混合燃料中乙醚和乙醇的含量较低( 体积分数都为5% ) ,在发动机高负荷时,气化潜热值和十六烷值对点火延迟的影响将会降低。由于乙醚和乙醇具有较低的粘度和较高的挥发性,这会在点火延迟期形成更多的混合气,引起强烈的预混合燃烧阶段并且产生气缸压力,特别是对BE - 1。
图三表示在发动机负荷分别为全负荷的15% 和90% 时,所有测试燃料的压力升高率随曲轴转角的变化关系。可以观察到的是,在发动机满负荷的15%, B30的峰值压力升高率和BE - 1类似,并稍高于BE - 2。然而,在发动机满负荷的90% 时,BE - 1和BE - 2的峰值压力升高率比B30高些,BE -1是最高的。其原因可能与上面所提到的类似。
图四表示在发动机负荷分别为全负荷的15% 和90% 时,所有测试燃料的放热率随曲轴转角的变化关系。由于点火延迟期间积累的汽化燃料,在开始时观察到负的放热率。燃烧开始后,这将成为正的。BE - 1和BE - 2与B30经历相同的燃烧阶段。 点火延迟期后,可燃混合气迅速燃烧,随后通过扩散燃烧,其中的燃烧率由混合气混合速度控制。可以观察到,当发动机负荷为满负荷的15% 时,B30燃烧开始更早。BE - 1的峰值放热率比B30稍高,BE - 2的是最低的。B30的峰值放热率对应的曲轴转角明显早于BE - 1和BE - 2。在发动机满负荷的90% ,BE - 1和BE - 2的峰值放热率明显高于B30, 三者峰值放热率对应的曲轴转角几乎是相同的。在发动机低负荷时,一方面BE - 1和BE - 2较长的点火延迟导致燃烧开始晚,从而导致较低的峰值放热率。另一方面,乙醚的高挥发性和低潜热值导致在预混合燃烧期燃烧室积累大量的燃料,导致在发动机低负荷时BE - 1更高的放热率。在发动机高负荷时,BE - 1和BE - 2的预混和放热率较高,由于乙醚和乙醇的高挥发性,更好地与空气的混合,尤其是对BE - 1。
4总结
本文采用实验方法研究乙醚和乙醇添加剂对生物柴油- 柴油混合燃料发动机的燃烧特性的影响。 生物柴油- 乙醚- 柴油混合燃料( BE - 1) 和生物柴油- 乙醇- 柴油混合燃料( BE - 2) 表现出更好的稳定性,并且可以在柴油发动机中直接使用而无需任何修改。