微乳化燃料的制备及其在柴油机上的应用研究

摘要

在全球能源危机的影响下，世界各国都在积极寻找可再生、清洁的石化燃料替代品。在众多的替代燃料中，生物柴油以其与柴油相当的能量密度，不含硫和芳香烃、含氧可再生等优点，被认为是最有前途的石化柴油替代品。目前，生物柴油在柴油机上的应用主要采用与柴油混烧的方式，但是在柴油中掺烧生物柴油后，柴油机的NOx排放量增加。根据NOx的生成机理，在燃油中掺水形成微乳化油是有效降低NOx排放量的措施之一。
　　本文针对在柴油机中掺烧生物柴油后NOx排放偏高的问题，在不添加任何表面活性剂的条件下，利用生物柴油分子的亲油亲水性，乙醇为助表面活性剂，采用化学滴定法在三元相图上确定了形成柴油/生物柴油－乙醇－水微乳化燃料的相区；通过均匀设计方法与发动机台架试验确定了使发动机综合性能最优的柴油/生物柴油－乙醇－水微乳化燃料掺烧比，并在发动机试验台架上进行了应用研究。结果表明，在保持发动机动力性能不变的条件下，柴油机燃用柴油/生物柴油－乙醇－水微乳化燃料时，NOx排放量大大降低，同时碳烟的排放量也明显下降。因此，所制备的微乳化燃料能有效解决柴油机燃用柴油/生物柴油时NOx排放偏高的问题。论文的主要内容包括：
　　①采用化学滴定法绘制了柴油/生物柴油－乙醇－水拟三元体系的三元相图，相图中单相区内混合液为稳定、透明的柴油/生物柴油－乙醇－水微乳化液。确定了不同乙醇含量及不同生物柴油与柴油混合比条件下形成柴油/生物柴油－乙醇－水微乳化燃料的最大掺水量。
　　②采用均匀设计的方法设计了掺烧比试验方案，并在柴油机试验台架上进行了发动机动力性、经济性和排放性试验，以研究具有不同柴油/生物柴油、乙醇和水掺烧比的微乳化燃料的燃烧特性。然后采用逐步回归的方法对试验结果进行分析处理，得到了以发动机功率、有效燃油消耗率、NOx和碳烟排放量为评价指标的回归方程，获得了使各个评价指标最优的掺烧比及使发动机综合性能最优的柴油/生物柴油、乙醇和水的掺烧比。
　　③以生物柴油中脂肪酸甲酯含量为基础，应用纯组分特性参数估算公式估算脂肪酸甲酯的物性参数，然后采用一定的混合法则估算了生物柴油以及微乳化燃料的燃料特性。为进一步进行发动机工作过程模拟计算奠定了基础。
　　④应用GT-power软件建立了柴油机工作过程数值模拟模型，并对柴油机燃用普通柴油、生物柴油与微乳化燃料时的发动机性能进行了数值模拟。结果表明：数值模拟结果与试验结果吻合较好，表明建立的柴油机数值模拟模型是合理的；在保持柴油机动力性不变的条件下，柴油机燃用微乳化燃料能够有效降低NOx与碳烟排放量。

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1 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 微乳化燃料的研究现状

1.3 本文的研究目的及主要内容

2 柴油/生物柴油－乙醇－水微乳化燃料的制备

2.1 胶团溶液与微乳化液

2.2 微乳化液的结构

2.3 微乳化液的形成机理

2.4 微乳化燃料的制备

2.5 本章小结

3 微乳化燃料的掺烧比试验研究

3.1 试验材料与设备

3.2 试验方案设计

3.3 试验结果及数据分析

3.4 本章小结

4 柴油机燃烧微乳化燃料的性能研究

4.1 发动机模型的建立

4.2 微乳化燃料的发动机模拟仿真结果

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附 录