生物柴油/柴油混合燃料的理化性能分析与喷雾特性改善

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C18H34O2。 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D32，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BDe-525做为生物柴油在汽车上使用的优化配比，对BDe425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：BDe-525的燃烧特性基本接近于柴油，全油门开度下发动机燃用BDe-525时，功率、转矩和比油耗与燃用柴油基本相当，HC、CO和NOx排放与纯柴油的差别不大，而排气烟度显著降低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2生物柴油概述

1.2.1生物柴油的原料

1.2.2生物柴油的制备方法

1.2.3生物柴油的优点

1.2.4发展生物柴油的意义

1.3生物柴油的研究与应用现状

1.3.1国外生物柴油研究与应用现状

1.3.2国内生物柴油研究与应用现状

1.3.3国内外生物柴油标准对比

1.4课题来源及本文的主要研究内容

第二章 理化特性试验方案及试验用油的选择与分析

2.1主要化学试剂

2.2理化特性试验方案

2.2.1理化特性试验内容与步骤

2.2.2理化特性试验方法

2.2.3理化特性试验仪器

2.3试验所用基础油料的选择

2.3.1试验用柴油的选择

2.3.2试验用生物柴油的选择

2.4生物柴油的化学成份分析

2.4.1采用红外光谱法的生物柴油定性分析

2.4.2采用气相色谱法的生物柴油定量分析

2.5本章小结

第三章 生物柴油／柴油混合燃料的理化特性分析

3.1生物柴油与柴油的互溶性分析

3.2生物柴油／柴油混合燃料的低温流动性分析

3.2.1凝点

3.2.2浊点

3.2.3冷滤点

3.2.4凝点、浊点与冷滤点之间的关系

3.3混合燃料的雾化和蒸发性能分析

3.3.1闪点

3.3.2馏程

3.3.3运动粘度

3.3.4密度

3.3.5表面张力

3.3.6闪点、馏程、粘度、密度、表面张力之间的关系

3.4混合燃料的腐蚀性评定指标分析

3.4.1硫含量

3.4.2酸值

3.4.3铜片腐蚀

3.4.4腐蚀性评定指标之间的关系

3.5混合燃料的清洁性评定指标分析

3.5.1水分

3.5.2机械杂质

3.5.3灰分

3.6混合燃料的氧化安定性分析

3.6.1实际胶质

3.6.2过氧化值

3.6.3氧化安定性诱导期

3.7混合燃料与橡胶的相容性分析

3.7.1橡胶试件的体积膨胀率

3.7.2橡胶试件的邵尔硬度

3.8生物柴油与柴油混合燃料的优化配比范围

3.9关于生物柴油标准体系的建议

3.9.1对我国生物柴油标准的建议

3.9.2建立生物柴油与柴油混合燃料的标准

3.9.3建立生物柴油相关标准

3.10本章小结

第四章生物柴油理化性能改进试验研究

4.1生物柴油低温流动性能改进试验研究

4.1.1加入降凝剂

4.1.2与低凝点柴油混合

4.1.3混合降凝法

4.1.4与其它低凝物质混合

4.2生物柴油氧化安定性能改进试验研究

4.2.1抗氧化剂对生物柴油过氧化值、酸值和运动粘度的影响

4.2.2抗氧化剂对生物柴油氧化安定性诱导期的影响

4.3本章小结

第五章生物柴油／柴油混合燃料喷雾特性试验研究

5.1燃料喷雾概述

5.2生物柴油／柴油混合燃料喷雾特性试验方案

5.2.1试验仪器设备

5.2.2试验方法

5.2.3试验过程

5.3生物柴油／柴油混合燃料喷雾特性试验结果的处理与分析

5.3.1喷雾锥角

5.3.2雾化液滴的尺寸分布

5.3.3雾化液滴的索特平均直径

5.3.4雾化液滴的特征直径和发散度

5.4本章小结

第六章 生物柴油／柴油混合燃料喷雾液滴尺寸分布的理论计算

6.1喷雾液滴尺寸数目理论分布函数

6.1.1喷雾液滴尺寸分布函数的推导

6.1.2液滴蒸发和碰撞的影响

6.1.3喷雾液滴尺寸分布计算方法

6.2柴油喷雾液滴尺寸分布的理论计算

6.2.1柴油喷雾液滴尺寸分布理论计算参数

6.2.2柴油喷雾液滴尺寸分布计算结果及分析

6.3生物柴油喷雾液滴尺寸分布的理论计算

6.3.1生物柴油喷雾液滴尺寸分布理论计算参数

6.3.2生物柴油喷雾液滴尺寸分布计算结果及分析

6.4生物柴油／柴油混合燃料喷雾液滴尺寸分布的理论计算

6.4.1 BD25喷雾液滴尺寸分布的理论计算及分析

6.4.2 BD50喷雾液滴尺寸分布的理论计算及分析

6.5各掺混比混合燃料喷雾液滴尺寸分布的理论计算结果对比分析

6.6本章小结

第七章生物柴油／柴油混合燃料的雾化质量改善研究

7.1添加燃料的选择及互溶性试验

7.1.1甲醇、生物柴油和柴油的互溶性

7.1.2乙醇、生物柴油和柴油的互溶性

7.1.3乙醚、生物柴油和柴油的互溶性

7.2混合燃料BD25的雾化质量改善研究

7.2.1 BD25中添加甲醇的喷雾特性试验

7.2.2 BD25中添加乙醇的喷雾特性试验

7.3混合燃料BD50的雾化质量改善研究

7.3.1 BD50中添加乙醇的喷雾特性试验

7.3.2 BD50中添加乙醚的喷雾特性试验

7.4喷油压力变化对BD100雾化质量的影响

7.5本章小结

第八章改性混合燃料BDe-525的发动机性能试验

8.1改性混合燃料BDe-s25的理化特性

8.2改性混合燃料BDe-525的燃烧特性试验

8.2.1缸内压力及压力升高率

8.2.2燃烧放热率

8.3改性混合燃料BDe-525的动力性、经济性和排放特性

8.3.1动力性试验结果及分析

8.3.2燃油经济性试验结果及分析

8.3.3排放特性试验结果及分析

8.4本章小结

第九章结论与展望

9.1结论

9.2展望

9.3论文的创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文、出版的教材、参与的科研项目

致谢