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生物柴油/柴油混合燃料的理化性能分析与喷雾特性改善

耿莉敏  
【摘要】: 生物柴油是一种绿色环保的可再生能源,大力发展生物柴油,对我国的能源安全和环境保护具有重要意义。由于生物燃料与石油燃料性质上的差别,使得生物柴油在应用过程中还有很多具体问题需要解决。 采用红外光谱法和气相色谱法对生物柴油的组成成分进行了定性和定量分析,结果显示:该生物柴油的主要成分为亚油酸甲酯和油酸甲酯;其中共含有14种脂肪酸甲酯,饱和脂肪酸甲酯的含量为29.39%,不饱和脂肪酸甲酯的含量为67.66%;根据生物柴油成份分析结果,经过计算得出生物柴油的分子式为C_(18)H_(34)O_2。 以不同掺混比的生物柴油与柴油混合燃料为研究对象,采用国标方法测定了混合燃料的各项理化特性指标,研究结果显示:(1)生物柴油的低温流动性与0~#柴油相当;(2)生物柴油的运动粘度、密度、表面张力、闪点和馏程温度都明显高于柴油的,随着生物柴油掺混比的增大,混合燃料的上述几项性能指标也随之升高,当混合燃料中生物柴油的掺混比超过25%时,其50%回收温度超过车用柴油国标限值;(3)生物柴油的硫含量明显低于柴油,酸值和铜片腐蚀程度高于柴油,当混合燃料中生物柴油的掺混比超过40%,酸值和铜片腐蚀均超过国标限值;(4)生物柴油的氧化安定性较差,常温储存三个月以上其过氧化值明显增大,酸值和运动粘度也有所上升;加速氧化试验结果显示BD50以上的中高比例混合燃料的氧化安定性受到生物柴油的影响较大,氧化安定性明显变差,需要添加抗氧化剂来提高其氧化安定性;而BD25以下的低比例生物柴油混合燃料在不添加任何抗氧化剂的情况下,氧化安定性诱导期能够达到生物柴油国标要求;(5)在生物柴油与柴油混合燃料中浸泡过的丁腈橡胶的体积膨胀率较大,氟橡胶的体积膨胀率较小;浸泡后丁腈橡胶会发生硬度下降,而氟橡胶的硬度在浸泡前后基本不变;因此,氟橡胶是生物柴油燃料发动机油路密封材料的良好选择;(6)鉴于馏程、密度、酸值、铜片腐蚀和氧化安定性超标后所造成的危害性,本文认为混合燃料中生物柴油的最大掺混比不宜超过25%,否则会对汽车使用的可靠性和耐久性带来不利影响。 通过生物柴油的低温流动性能改善试验可知,柴油低温流动性能改进剂对降低生物柴油的凝点有效而对降低生物柴油的冷滤点完全无效;而将生物柴油与低凝点柴油混合使用,或者在生物柴油中添加少量的无水乙醇,可以改善生物柴油的低温流动性。通过生物柴油的氧化安定性能改善试验可知:T502A、TBHQ、T501和T534四种抗氧化剂中,T502A的抗氧化效果最好,生物柴油中添加T502A能够有效地抑制生物柴油中过氧化物的生成,并使其氧化安定性诱导期达到6.2h以上。 生物柴油与柴油物理性质上的差别会影响到燃料的喷雾特性。本文采用直接摄影法对BD0、BD25、BD50和BD100的喷雾特性进行了对比研究,结果显示:随着生物柴油掺混比的增大,混合燃料的喷雾锥角逐渐减小,喷雾液滴尺寸数目分布曲线的峰值逐渐降低,累计体积分布曲线向大颗粒方向偏移,雾化油滴粒子的索特平均直径也逐渐增大。说明混合燃料中生物柴油的掺混比越大,燃料的雾化质量越差。 利用喷雾液滴尺寸分布函数建立了喷雾液滴尺寸数目分布的数学计算模型,并采用Fortran语言编写计算程序,计算了BD0、BD25、BD50和BD100的喷雾液滴尺寸数目分布趋势及其索特平均直径D_(32),理论计算结果与喷雾特性试验结果拟和良好,证明了喷雾液滴尺寸分布模型的有效性。 针对生物柴油及其混合燃料雾化质量较差的问题,开展了燃料雾化质量改善试验,结果显示:在生物柴油和柴油的混合燃料中添加乙醇或乙醚,或者提高喷油器的启喷压力均可使雾化液滴尺寸分布曲线向小颗粒方向偏移,喷雾液滴的索特平均直径减小,从而使燃料的雾化质量得到改善。 综合考虑理化特性和喷雾特性的影响,确定了以改性混合燃料BD_(e-5)25做为生物柴油在汽车上使用的优化配比,对BD_(e-5)25的燃烧特性、动力性、经济性和排放特性进行试验研究,结果显示:BD_(e-5)25的燃烧特性基本接近于柴油,全油门开度下发动机燃用BD_(e-5)25时,功率、转矩和比油耗与燃用柴油基本相当,HC、CO和NO_X排放与纯柴油的差别不大,而排气烟度显著降低。


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