乙醇-柴油混合燃料助溶剂的筛选及在柴油机上的应用研究

摘要

乙醇是可再生的生物能源，既可以采用谷物、甘蔗的等农作物发酵生产，也可以通过乙烯、乙炔等化工原料制备。乙醇作为柴油机的含氧替代燃料，具有改进燃烧过程，降低柴油机颗粒物排放等许多优点。但在纯柴油中添加乙醇，在各种不同的环境条件下，乙醇与柴油都务必保持均匀相溶，假如两者分离，就会明显地影响发动机工作过程的可靠性和匀称性。因此，选择合适的助溶剂对乙醇柴油的使用具有重要意义。
　　本文采用气相色谱-质谱联用技术对国五0号柴油样品进行组分分析，并对样品柴油的碳原子数分布和重均分子量进行了数理统计研究。结果表明:柴油样品的GC-MS总离子流色谱图总共包含164个大小峰，扣除背景峰后得到68种主要成分，并采用归一法进行定量计算，最后获得68种组分的质量百分含量比。柴油样品的碳原子数主要在8～28范围之间，所含的饱和烃（烷烃和环烷烃）的质量分数达到98.5％，含芳烃量极少;正烷烃占总质量的54.62％，异烷烃占总质量的40.3％。在显著性水平α=0.05的条件下，样品柴油的碳数分布符合正态分布。其重均相对分子质量为232。
　　分别选取正丙醇、异丙醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇、正己醇、异己醇、正庚醇、正辛醇、乙酸乙酯、庚酸乙酯、碳酸二甲脂、油酸、正丁胺等作为助溶剂，在环境温度15℃、乙醇体积掺混比为10％的条件下，研究了这些助溶剂对E10混合燃料互溶性的影响。结果表明:醇的碳链结构及羟基数量对助溶效果都有影响。在碳数和羟基数目一样的情况下，正构醇对乙醇柴油的助溶效果要优于异构醇。醇包含的羟基数量增多，助溶效果显著变差。C4以上醇的助溶能力远强于丙醇，其中辛醇的作用效果最好，其次是己醇、庚醇、戊醇、丁醇。
　　对分子模拟的方法进行了简要的总结，并借助多个量子化学软件，建立了实施COSMO-RS热力学模型计算的路线。通过分析C2～6正构醇和烷烃的σ曲线及对应COSMO表面σ掩蔽电荷的分布，可以得出:丙醇的分子极性更类似乙醇，与丁醇、戊醇和己醇的结构性质差异较大。不同碳数的正构醇对乙醇柴油产生不同助溶效果的根本原因在于烷烃的碳原子与正构醇烷基上的氢原子之间的静电作用力，这种力随着正构醇碳链的加长呈现由强到弱的趋势。由于丙醇与乙醇的表面掩蔽电荷分布类似，分子极性相近，导致助溶效果并不理想。同时考虑到燃料价格成本，虽然正戊醇和正己醇的助溶效果要好于正丁醇，但二者的价格是正丁醇的2～3倍，故最理想的乙醇柴油助溶剂应为正丁醇，添加5％体积分数就完全可以保证乙醇柴油的互溶稳定性，满足日常使用要求。通过将预测的数据与试验所测得的数据进行对比，来验证该方法在预测烃醇互溶度的可行性。从实验与计算结果对比来看，COSMO-RS模型能较好地描述四种正构醇对乙醇-柴油溶解性提高指数的影响趋势。
　　通过发动机台架试验进一步分析醇类助溶剂和十六烷值提高剂对柴油机燃烧过程、经济性和排放性能的影响。结果表明:在标定转速下，中高负荷时添加乙醇和丁醇可以提高柴油机的热效率。相同乙醇掺混比例，添加十六烷值改进剂会使油耗率降低。含醇燃油的HC排放有不同程度的升高，添加十六烷值改良剂能够明显改善掺混醇引起的HC排放增加的状况。加入乙醇和正丁醇后，柴油机的碳烟排放得到改善，且十六烷值改进剂的加入改善了混合燃料的燃烧特性，使燃料完全燃烧，继而更进一步降低了烟度排放。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 乙醇柴油的研究现状

1．3 乙醇柴油助溶剂的发展现状

1．3．1 醇类

1．3．2 脂类

1．3．3 脂肪酸类(植物油)

1．3．4 胺类

1．3．5 其他

1．3．6 国内外研究现状

1．4 本文研究的主要内容

第二章 柴油组分气相色谱-质谱联用分析

2．1 试验设备及样品预处理

2．1．1 试验仪器和试剂

2．1．2 样品预处理

2．1．3 GC-MS分析设备及分析条件

2．2 测试结果分析

2．2．1 柴油气相色谱-质谱联用分析结果

2．2．2 样品柴油组分碳原子数分布的统计学分析

2．2．3 样品柴油的平均分子量

2．3 本章小结

第三章 乙醇柴油混合燃料的理化性质研究

3．1 十六烷值

3．2 乙醇柴油混合燃料的互溶性分析

3．2．1 试验仪器及试剂

3．2．2 乙醇在柴油中的溶解度

3．2．3 助溶剂作用下的乙醇和柴油互溶

3．3 乙醇柴油混合燃料的粘温特性

3．4 乙醇柴油混合燃料的低温性

3．5 本章小结

第四章 基于COSMO-RS模型的乙醇柴油助溶剂作用机理分析

4．1 COSMO-RS溶剂化模型

4．1．1 COSMO-RS模型介绍

4．1．2 分子表面掩蔽电荷密度分布

4．1．3 分子表面电荷的相互作用能

4．2 COSMO-RS模型计算过程

4．3 计算结果讨论

4．3．1 正构醇分子σ曲线分析

4．3．2 烷烃分子的σ曲线分析

4．3．3 分子间作用力分析

4．3．4 柴油组分对乙醇-柴油溶解度影响分析

4．4 模型结果验证

4．5 本章小结

第五章 柴油机燃用乙醇柴油的排放特性研究

5．1 试验设备

5．1．1 试验用柴油机主要参数

5．1．2 试验仪器

5．2 试验燃料

5．3 试验方案

5．4 试验结果分析

5．4．1 经济性分析

5．4．2 排放特性分析

5．5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文