乳化柴油在柴油機上的應用研究

王志成，張玥，張宇，馬寧（黑龍江省能源環境研究院，環境科學研究室，哈爾濱150027）

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乳化柴油在柴油機上的應用研究

王志成，張玥，張宇，馬寧
（黑龍江省能源環境研究院，環境科學研究室，哈爾濱150027）

摘要：采用均質機和機械攪拌相結合的手段制備了能夠在室溫下穩定儲存的乳化柴油，確定了柴油、水、添加劑的配比。對制得的乳化柴油在發動機臺架上進行不同工況的油耗試驗，確定節油率。對乳化柴油理化性能指標進行了測定。實驗結果表明：添加劑為2 wt%，摻水率為10 wt%、15 wt%時制備的乳化柴油在不同工況下，均有不同程度的節油，最高節油率達到6%。乳化柴油理化指標符合國家標準，乳化柴油為澄清透明狀態，穩定期可達一個月以上。

關鍵詞：乳化柴油；添加劑；水；柴油機

隨著石油儲量的不斷減少，市場成品油需求不斷增長，研究和開發清潔高效的代用燃料已是大勢所趨。乳化柴油被認為是一種有著廣泛應用前景的清潔燃料。我國乳化油技術的研究起步較晚，在20世紀五六十年代才開始在該領域進行積極研究，但并未取得突破性進展。進入21世紀以來，油價不斷上漲，人們環保意識增強，使得我們又重新重視起乳化柴油。

燃用乳化柴油，由于微爆作用，能夠使油液與空氣充分混合，燃燒得更加完全，因此可以達到降低油耗、節省能源的效果。同時，在缺氧條件下，柴油中由于高溫裂解產生的碳粒子，能與水蒸氣反應生成CO和H2，使碳粒子充分燃燒，降低了排煙中的煙塵含量，另一方面，由于乳化水的蒸發作用，均衡了燃燒時的溫度場，從而抑制了NOx的形成。由此可見，把水和柴油有機結合在一起，讓水參與燃燒，能夠較大幅度地提高乳化柴油在內燃機中燃燒的效率［1-4］。

1　實驗部分

1.1實驗試劑與儀器

十六烷基二苯醚磺酸鈉由宜興市凱利達化學有限公司生產；Span 80、Span 20、Span 40由江蘇省海安石油化工廠生產；煤油由蘇州市益文油品有限公司生產；吐溫60、吐溫20、三乙醇胺由天津市光復精細化工研究所生產；雙磺基丁二酸鈉由山東飛揚化工有限公司生產；實驗用水為實驗室自制去離子水。

乳化柴油的配制溫度通過DHH- 5- 10低溫水槽調節，溫度為30℃，精確度為±1.0℃。機械攪拌使用IKA RW 20數顯型頂置式攪拌器。FLUKO均質機，型號為F430。發動機臺架型號：常柴4L68。測功器：DW160電渦流測功機（啟東市紅鑫測功器有限公司）。HZB2000油耗測量儀。

1.2實驗方法

首先，將水、Span 80、Span 20、Span 40、吐溫20、吐溫60按照一定質量比混合，在40℃～50℃下溶解并混合均勻，配制成A添加劑溶液。再將十六烷基二苯醚磺酸鈉、煤油、雙磺基丁二酸鈉、三乙醇胺按照一定質量比混合均勻，配制成B添加劑溶液。將A添加劑溶液和B添加劑溶液在室溫下攪拌混合均勻，制備成復合添加劑。

將柴油倒入調配桶中，向其中加入事先配制好的添加劑，以1 100～1 300 r/min的轉速機械攪拌5～10min，混合均勻后，向其中加入水，再使用型號F430的FLUKO均質機，循環均質得到乳化柴油。

2　結果與討論

2.1乳化柴油添加劑及穩定性優化研究

2.1.1添加劑優化研究

圖1　計算機仿真模擬試驗控制系統圖Fig.1　Computer simulation test control system diagram

乳化柴油添加劑是課題組精心研制的核心技術，它可以直接加入柴油中，摻入大量水（5%～20%），合成乳化柴油，提高乳化柴油燃燒效率，提高穩定性，達到節油的目的，是乳化柴油提高燃燒效率的關鍵技術。在過去配方研究的基礎上，進一步優化添加劑組分是保證課題完成的前提。我們對添加劑的組分進行了計算機仿真模擬試驗，得到了能量增強劑（MA）、腐蝕抑制劑（MB）、穩定劑（MC）等催化劑（見圖1）。

添加劑計算機仿真模擬試驗控制系統包括三個模塊：

I模塊為：篩選仿真模擬試驗。該模塊對眾多的添加劑元素進行仿真模擬試驗，從而確定添加劑的主要組分，能量增強劑（MA）、腐蝕抑制劑（MB）、穩定劑（MC）。

II模塊為：正交仿真模擬試驗。該模塊進行添加劑的主要組分（元素）MA、MB、MC組合后的仿真模擬試驗，分析對乳化油熱值的影響及作用。

III模塊為：優選法仿真模擬試驗。通過對添加劑主要組分（元素）MA、MB、MC不同比例含量的仿真模擬試驗，確定其配方的比例。

通過II模塊確定三個元素MA、MB、MC后，在計算機上進行模擬計算后，選擇了十組配方，通過實驗找出最佳配方比例為MA77%、MB4%、MC19%。三種主劑再輔以六種助劑最終合成復合添加劑。

2.1.2制備溫度對乳化柴油狀態的影響

表1　不同制備溫度下乳化柴油的狀態Tab.1　Status of emulsifying diesel fuel under various preparation temperatures

向柴油中加入2 wt%的復合添加劑及10 wt%的水，于不同溫度下（溫度范圍為15℃～35℃）分別制備出5份乳化柴油樣品，制備后于室溫下放置2 h，觀察乳化柴油的狀態，如表1所示。

從表1中可知，當制備溫度為30℃時，乳化柴油是澄清透明狀態，達到穩定狀態，穩定時間達到一個月以上，而其他制備溫度下制備的樣品，均處于熱力學不穩定狀態。

2.2臺架實驗

向柴油中加入2 wt%的復合添加劑，并分別加入10 wt%和15wt%水，調配溫度30℃，制備出100kg乳化柴油1號樣品和乳化柴油2號樣品，制備后于室溫下放置2d，觀察乳化柴油的狀態。

使用常柴4L68發動機臺架，DW160電渦流測功機（啟東市紅鑫測功器有限公司）和HZB2000油耗測量儀，進行柴油和乳化柴油1號、2號對比試驗。分別在不同工況下，測試油耗率，計算節油率，如圖2和圖3所示，油耗率雖略有增加，但與摻水率相比，仍節油2.5%～6%。

圖2　不同功率下的油耗率圖Fig.2　The fuel consumption rates under different powers

圖3　不同功率下的節油率圖Fig.3　The oil- saving rates under different powers

2.3乳化柴油的理化性能指標

表2　柴油與乳化柴油理化指標對比Tab.2　Comparison of diesel and emulsified diesel fuel physical and chemical indexes

當復合添加劑用量為2 wt%，摻水率為10 wt%、15 wt%時，對0#柴油及配制的乳化柴油1號和2號進行一系列理化性能指標測定，結果如表2所示。乳化柴油各項指標均符合相應國家標準的要求。

3　結論

采用IKA RW 20數顯型頂置式攪拌器和F430FLUKO均質機，利用課題組研制的復合添加劑調制乳化柴油。當添加劑為2 wt%，摻水率為10 wt%和15 wt%時，乳化柴油各項理化指標均符合國家標準，且乳化柴油為澄清透明狀態，穩定期可達一個月以上。當使用常柴4L68發動機臺架，DW160電渦流測功機（啟東市紅鑫測功器有限公司）和HZB2000油耗測量儀，進行柴油和乳化柴油1號、2號對比試驗。乳化柴油的實測油耗率雖然高于純柴油，但與理論計算油耗率相比，節油率最高達到6%，節油效果明顯。

參考文獻：

［1］曹貽森，王鐵，石晉宏，等.W/O型乳化柴油的燃燒特性及過程分析［J］.中國農機化學報，2015，36（5）：283- 287.

［2］張韋，舒歌群，陳朝輝，等.柴油機燃用水乳化柴油著火時刻的化學動力學特性［J］.農業工程學報，2012，28（13）：59- 66.

［3］肖明偉，蔣盛軍，陳振斌，等.蔗糖水溶液乳化柴油對發動機性能的影響研究［J］.科學技術與工程，2014，14（6）：5- 8.

［4］吳江霞.乳化柴油的制備及其在單缸柴油機上節能效果與排放特性的研究［D］.鎮江：江蘇大學，2003.

科研項目：黑龍江省科學院科學研究基金中試及熟化項目“乳化柴油在柴油機上的應用研究”

The Application of Emulsified Diesel Fuel on Diesel Engine Research

WANG Zhi-cheng, ZHANG Yue, ZHANG Yu,MA Ning
(Environmental Science Laboratory, Heilongjiang Institute of Energy and Environment, Harbin 150027, China)

Abstract:The emulsified diesel fuel, which could be stably stored at room temperature, was prepared by homogenizer and mechanical stirring.The mass ratios of diesel, water and additives were determined.The fuel consumption on different working conditions of emulsified diesel were tested on engine test bench, and the oil-saving rates were determined.The physicochemical properties of the emulsified diesel fuel were measured and comparatively analyzed.The emulsified diesel were prepared when the additive content was 2 wt %, water blending ratio were 10 wt % and 15 wt %, respectively.The results showed that the oil-saving rates of emulsified diesel were different on various working conditions, and the highest oil-saving rate was 6%.The physical and chemical indexes of emulsified diesel fuel conformed to the national standard, and the emulsified diesel seemed clear and transparent, the stable period was more than one month.

Key words:Emulsified diesel fuel; Additives; Water; Diesel engine

中圖分類號：TE 626.24

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8646（2016）02-0004-03

收稿日期：2015- 12- 08

作者簡介：王志成（1973-），男，黑龍江哈爾濱人，學士，研究員級高級工程師，從事生物質能源、替代能源和室內環境研究。