乙醇与柴油的互溶

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1．前言

1.1引言

石油作为传统能源在人类的生活中占有重要的地位己经一个世纪了，随着汽车工业的发展，对于石油的需求也日益增大。1973年后期，石油价格大幅上涨且不时出现短缺的严重形式笼罩着整个世界。我国石油需求量很大，资源不足，2000年进口原油7000万吨，成品油3000万吨，节约能源，降低消耗是摆在我们面前的重要课题。同时随着汽车产量的猛增，汽车排放的尾气成了流动的污染源，对大气的危害十分严重。世界环境状况日益恶化，全球变暖，臭氧层空洞，酸雨等环境问题逐渐为全人类所重视。美国每年由汽车向大气排放的污染物高达2-2.13亿吨，日本每年由汽车向大气排放的污染物亦达600万吨。汽车排放污染物主要有碳氢化合物CH、氮氧合物NOx、一氧化碳CO、微粒PM等。它们主要通过汽车排气管排放，将近45%的HC和极少数的其它污染物质则由曲轴箱和燃油系统排放。在上述汽车排放污染物中，CO是燃油不完全燃烧的产物，对人的健康危害较大。HC主要是燃油蒸发和不完全燃烧的产物，由200多种不同的成份构成，含有致癌物质。NOx是燃烧室高温高压条件下，由氮和氧化合而成，排放到大气后变成二氧化氮，其毒性很强，对人及植物生长均有不良影响，是形成酸雨及光化学烟雾的主要物质之一。PM主要成份是碳烟，上面附有大量化学物质，包含致癌物质，吸入人体后会在肺部长期停留。随着汽车排放污染物对环境造成的危害日益严重，世界各国都先后制定了限制汽车废气排放的限量值，其中欧盟组织(EU)制定的欧洲标准是大多数国家和地区执行的参照标准 [1]。

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降低内燃机的比油耗、控制内燃机的排放是当前内燃机工作者的重要任务。柴油机由于其高效、HC和CO排放量低的优点，应用范围己不仅局限于载重车辆，在轿车上的应用也越来越多。因此，降低柴油机的油耗和排放具有非常重要的意义。各国科技工作者对此作了大量研究工作，一方面节能一一深入进行降低内燃机比油耗的研究，另一方面开源一一开发内燃机的代用燃料。

2001年4月18日，国家计委和国家质量监督检验检疫总局联合举行了新闻发布会，宣布我国将全面推广使用乙醇汽油。这标志着乙醇作为一种内燃机的代用燃料已经成功地在汽油机上得到了应用，同时，如何在柴油机上应用嫌料乙醉这一课题，又摆在科技工作者面前。目前，我国的燃料乙醉生产已形成了一定的规模，研究其在柴油机上的应用，这将对加强我国的能源安全、降低大气环境污染起到重要作用[2]。

1.2乙醇柴油

1.2.1 燃料乙醇

乙醇俗称酒精，它是以玉米、小麦、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏而成，将乙醇进一步脱水再加上适量变性剂后形成变性燃料乙醇。所谓车用乙醇汽油，就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配形成的一种汽车燃料。乙醇几乎能够完全燃烧，不会产生对人体有害的物质。用乙醇替代等量汽油，可提高汽油的辛烷值，清洁汽车引擎、减少机油替换、降低汽车尾气有害物质的排放。作为增氧剂，燃料乙醇还可替代MTBE、ETBE(乙基叔丁基醚)，避免对地下水造成污染。

我国2001年制定的《变性燃料乙醇》标准中，规定变性燃料乙醇水分含量

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不大于0.8%，因为水分的增加易造成乙醇汽油相分离，而乙醇又有较强的吸湿性。油水分离会导致发动机运转故障[2]。

1.2.2燃料乙醇的制备

乙醇的生产方法有两类，即合成法和生物法。

近几年来由于受原油价格高涨的影响，合成法乙醇生产受到很大制约，使生物法乙醇生产得以恢复和发展。生物法乙醇生产就是以农产物(如玉米)、农林废弃物(如农作物秸秆、甘蔗渣和国家森林每年为防止火灾稀疏林木而积累下来的森林残余物)为原料，通过水解作用将其转化为糖，再经发酵作用将糖转化为乙醇。原料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其中的木质素在事后仍可作燃料用。目前美国利用生物技术将纤维素、半纤维素水解成单糖的工艺技术有5种:酶解法、稀酸水解法、浓酸水解法、逆流酸水解法、一步酶工艺法。

乙醇可以用用甘蔗渣、玉米、玉米秸秆、薯类、大麦、土豆、甜菜以及一些野生植物制成。1Km2土地一年可获得5000吨甘蔗渣，lt甘蔗渣可生产将有7OL乙醇，即1Km2土地可生产出350m3乙醇。因而大力发展生物乙醇产业将产生显著的社会经济效益[2]。

1.2.3燃料乙醇的特性

1、乙醇是燃油氧化处理的增氧剂，使燃油增加内氧燃烧充分，达到节能和环保目的。

2、乙醇具有极好的抗爆性能，调合辛烷值一般都在120左右，作为汽油的高辛烷值组份，它可有效提高汽油的抗爆性(辛烷值)。

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3、在新标准汽油中，乙醇还可以经济有效地降低烯烃、芳烃含量，降低炼油厂的改造费用。

4、乙醇是太阳能的一种表现形式，在整个自然界这个大系统中，乙醉的整个生产和消费过程可形成无污染和洁净的闭路循环过程，永恒再生永不枯竭。

5、乙醇热值较低，要想在内燃机中掺烧并且获得同样的功率，必须加大燃油喷射量。

乙醇现己广泛应用到汽油机中，这方面的研究较多而且比较成熟。在柴油机上的应用还很少。目前乙醇在柴油机上应用的主要方式有乙醇一柴油混合燃料法、着火改进剂等方法。在柴油机上掺烧乙醇和在汽油机上掺烧乙醇相比具有以下特点:

1、柴油机的压缩比远高于汽油机。在柴油机中掺烧乙醇可以比在汽油机上掺烧乙醇获得更高的热效率。而醇类的辛烷值高，可以用于高压缩比内燃机。

2、在增压柴油机中掺烧乙醇，采用进气管供醇法，可以更好地利用其而吸收增压后地空气热量，从而形成自然中冷。这就增加了增压后进气的密度，提高发动机地功率。

3、烟度是限制柴油机功率(冒烟极限功率)和评价柴油机地重要指标。柴油机掺烧适量乙醇后，可以在发出同等功率时大大降低烟度。因为乙醇是含氧燃料，在燃烧中有自供氧效应，可以使燃烧更为完善。

4、柴油机地用途比汽油机的用途广泛得多。如果解决了柴油机掺烧乙醇的各种技术问题，其对国民经济的意义是比较大的[2]。

在我国以前的研究中，由于采用的是含有大量水分的乙醇，其燃用方法主要有以下几种:

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1、柴油为主、掺烧乙醇、化油器供醇法:用简化了的化油器装在柴油机进气管上，辅助性的吸入乙醇.

2、预燃式柴油机进气管喷乙醇掺烧法:日本近久武美在这方面做了大量研究工作，乙醇从气缸盖进气管法兰上游喷入进气管;

3、燃用柴油+乙醇+乳化剂法:通过乳化剂将柴油和乙醇均匀混合在一起; 4、乙醇为主、柴油引燃、双喷嘴供醇法:柴油为引燃燃料。在引燃燃料喷入前，将乙醇喷进气缸后，有时间进行初期燃烧，由于乙醇的高潜热会使燃烧熄灭。引燃燃料只要使乙醇烧起来，就可以使乙醇喷射量达到约90%。这种方式需要有两套燃料喷射系统和油箱。

作为内燃机的代用燃料，必须具备下列条件:

1、必须具有一定的热值。其理论混合气热值不低于2.60MJ/Kg，即接近于柴油或汽油的理论混合气热值(它们分别为2.753MJ/Kg和2.778MJ/Kg):

2、必须在发动机运转的一定时间内达到气化或雾化，以便能与空气迅速形成可燃的气态混合气，及时燃烧:

3、必须在一定的温度和压力下以及一定的时间内燃烧基本完毕，过后燃烧不可拖得过长，即必须在活塞处于上止点附近及上止点以后约60℃(A曲轴转角)得时间内基本上放出自己得全部热量;

4、燃烧后得排气污染程度必须在国家标准规定的限度以内;

5、与柴油或汽油的质量和热值相比，其价格不能太高，特别是在普遍推广应用时更应如此:

6、所有的内燃机代用燃料必须具有节能、再生或应急性质(节能主要时指节省石油系燃料)。