葡萄糖水溶液乳化柴油在发动机上的试验研究

葡萄糖水溶液乳化柴油在发动机上的试验研究*肖明伟1蒋盛军2陈振斌1何金戈1（1－海南大学机电工程学院海南海口5702282－中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所）摘要：使用复配乳化剂通过适当的乳化工艺制备了不同配方的葡萄糖水溶液乳化柴油，并与纯柴油在135柴油机上做了一系列对比试验，研究了发动机燃用不同燃料的燃油经济性和排放特性。

试验结果表明:在柴油机参数不作改变的情况下，燃用葡萄糖水溶液乳化柴油可降低发动机的当量燃油消耗率和碳烟排放，在中低负荷时NO x排放量也显著降低，大负荷时CO排放量略有减少，但HC排放在所有负荷工况下都增加;添加助燃剂二茂铁后可进一步改善发动机的燃油经济性和排放特性。

关键词：葡萄糖水溶液乳化柴油燃油经济性排放特性二茂铁中图分类号：TK464文献标识码：A文章编号：1671－0630（2013）03－0072－05The Experimental Research of Emulsified Diesel with Glucose Aqueous Solution on Diesel EngineXiao Mingwei1，Jiang Shengjun2，Chen Zhenbin1，He Jinge11－College of Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University（Haikou，Hainan，570228，China）2－Tropical Crops Genetic Resources Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural SciencesAbstract：The emulsified diesel fuel with glucose aqueous solution was prepared through compound－surfac-tants and the specific emulsification technology．The experiments of the fuel economy performances and emis-sion characteristics were performed on a135diesel engine fueled with different fuels．The results indicate that：compared with diesel fuel，the emulsified diesel fuel with glucose aqueous solution can reduce the equiv-alent brake specific fuel consumption and smoke without modification in the engine structure．NOxemissions are reduced obviously except at high load condition，CO emissions are reduced when the diesel engine work on high load condition，but HC emissions are increased at all load condition．The fuel economy performances and emission characteristics can be improved especially when the emulsified diesel fuel with glucose aqueous solu-tion blended with accelerant ferrocene．Keywords：Glucose aqueous solution，Emulsified diesel，Fuel economy，Emission characteristic，Ferrocene引言随着全球经济的迅速发展，能源和环境问题日益凸显，并逐渐成为制约各国经济发展的主要因素。

由于柴油机具有良好的燃油经济性、动力性以及较低的HC和CO排放，因而成为当今重型道路运输机械、农业机械和工程机械主要动力源。

但由于柴油机的碳烟和NO x排放相对较高，故其发展受到越来越严格的排放法规制约。

进入新世纪之后，国内外对柴油机的代用燃料作了大量研究，包括乳化柴油的燃烧特性的研究，乙醇柴油的燃烧与排放特性研究［1 3］。

大量的研究证明，乙醇柴油可以改善发动机的燃油经济性和排放性，但制备乙醇需经淀粉和纤维素等水解、糖化、发酵等过程，此过程中要消耗大量的石化能源，产生大量的有害物排放［4］。

相对于柴第42卷第3期2013年6月小型内燃机与摩托车SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEVol．42No．3Jun．2013*基金项目：海南省自然科学基金项目（511111）；海南大学青年基金项目（qnjj1181）。

作者简介：肖明伟（1981－），男，硕士，讲师，主要研究方向为内燃机代用燃料与排放控制。

油机燃用乙醇柴油来说，本试验研究的柴油机燃用由葡萄糖水溶液制备的乳化柴油，可在原料的制取上减少乙醇发酵的生产步骤，缩短生产周期、节约生产成本的同时，减少对人力物力以及能源的消耗和环境的污染。

本研究以亲水亲油平衡值HLB（hydrophilic andlipophilic balance）选择复配乳化剂，使用Span－80和Tween－80复配的非离子表面活性剂为乳化剂配制乳化柴油，并在发动机台架上进行负荷特性试验研究，对比分析了不同配方的葡萄糖水溶液乳化柴油的经济性和排放特性，此外还研究了助燃剂二茂铁对葡萄糖水溶液乳化柴油燃烧特性的影响，为葡萄糖水溶液乳化柴油的深入研究和推广提供理论依据和试验依据。

1燃料的制备及试验装置1．1燃料的制备本研究使用Span－80和Tween－80复配乳化剂制备乳化燃油，由前人的研究结果可知，乳化柴油的最佳含水率约为13%［5］。

故在本试验中将葡萄糖水溶液的体积百分比确定为13%，试验所用燃料的配比如表1所示，其中选用的助燃剂为二茂铁（分析纯）。

表1不同配比的燃油编号0#柴油含量/（%）葡萄糖水溶液含量/（%）糖水溶液浓度/（%）乳化剂含量/（%）有无助燃剂1100000无2861301无38613201无48613301无58613301有前面谈到本研究以亲水亲油平衡值HLB选择复配乳化剂，使用Span－80和Tween－80复配的非离子表面活性剂为乳化剂，其HLB值为：H=H1ω1+H2ω2，式中：H—复配乳化剂的HLB值，H1、H2—乳化剂1、2的HLB值，ω1、ω2—乳化剂1、2的质量百分比。

由于适用于内燃机的乳化油是属于油包水型（water in oil），也称W/O型，而制备稳定的W/O型乳化柴油的重要条件就是控制复配柴油乳化剂的HLB值为5 6．5［6］。

最终确定选择HLB值为5．5的复配乳化剂配制葡萄糖水溶液乳化柴油。

葡萄糖水溶液乳化柴油的具体制备方法如下：1）量取适量的0#柴油、纯净水、葡萄糖（分析纯）和乳化剂；2）利用葡萄糖和纯净水制成相应浓度的葡萄糖水溶液，加入亲水性乳化剂Tween－80，用DX－II磁力搅拌器搅拌10min左右，使之混合均匀；3）将亲油性乳化剂Span－80溶于柴油中，用DX－II磁力搅拌器搅拌10min左右，使之混合均匀；4）将溶有Span－80的柴油与溶有Tween－80的葡萄糖水溶液混合，再用高速乳化设备乳化20min左右，使之形成乳化均匀的葡萄糖水溶液乳化柴油。

1．2试验设备与方法发动机台架试验中所用发动机具体的技术参数如表2所示。

试验采用AVL公司的发动机排气分析仪测量CO、HC、NOx气体体积分数，用AVL公司的消光式烟度计测量排气的不透光度和消光系数k。

表2单缸135柴油机主要技术参数型式排量/L缸径ˑ行程/（mmˑmm）压缩比标定转速/（r·min－1）供油提前角/（ʎCA）直喷、水冷2．0135ˑ14017．5150018在柴油机的主要技术参数不作任何调整的前提条件下，使用各种燃料在标定转速（1500r·min－1）下做发动机负荷特性对比试验，测定在不同负荷工况下发动机的燃油消耗率和有害排放。

2试验结果与分析2．1经济性能与分析为了便于比较不同燃料对热效率的影响，本研究的燃油消耗率按能量相等原则折算为与纯柴油热值相当的当量燃油消耗率。

图1为柴油机燃用不同燃油的当量燃油消耗率随负荷率的变化关系图。

图1不同燃油的当量燃油消耗率由图可知：1）在试验的负荷范围内，乳化柴油的当量燃油消耗率都比纯柴油低，葡萄糖水溶液乳化柴油的当量燃油消耗率更低；2）与纯柴油相比，当负荷率分别为25%、50%、75%、90%和100%时，浓度为30%的葡萄糖水溶液的乳化柴油的当量燃油消耗率降37第3期肖明伟等：葡萄糖水溶液乳化柴油在发动机上的试验研究低了10．2%、9．2%、1．9%、4．8%和4．7%，由此得出，在中小负荷时葡萄糖水溶液乳化柴油的节油效果更明显。

分析认为燃用葡萄糖水溶液乳化柴油的当量燃油消耗率更低的原因主要有：1）水的微爆作用使燃油分散雾化成微小的油滴，这样不仅使油气混合更均匀，而且大大提高了油滴与空气接触的相对表面积，使燃烧更完全，提高了燃烧效率，从而起到节油的作用［7］；2）由于水在高温时与柴油裂解的碳离子发生了水煤气反应，致使原本未完全燃烧的燃油进一步发生燃烧反应，并将C 中所含的能量完全释放，这不仅改善了排放性能，也提高了热效率节省了燃油［8］；3）由于葡萄糖本身含氧，其中氧的质量百分含量为53．3%，在缸内高温高压的环境下，混合燃料中的葡萄糖分子分解产生可燃性物质，从而改善缸内燃烧，提高了燃烧效率，降低了油耗。

2．2排放性能与分析2．2．1碳烟和NO x 排放分析图2是发动机在标定转速下燃用不同燃油的碳烟排放（用消光系数k 来表示）随负荷率的变化关系曲线。

由图可知：1）在大部分负荷范围内，燃用乳化柴油的碳烟排放都有明显降低，在大中负荷以及全负荷时更为显著；2）与纯柴油相比，当负荷率为50%、75%、90%和100%时，浓度为30%的葡萄糖水溶液的乳化柴油的烟度分别降低了10．7%、20．7%、31．3%和38．3%；3）乳化柴油中添加葡萄糖后，在小负荷时碳烟排放增加，大负荷时碳烟排放降低。

图2不同燃油的碳烟排放图3是发动机在标定转速下燃用不同燃油的NO x排放量随负荷率的变化关系曲线。