Solubility of a diesel–biodiesel–ethanol blend, its fuel properties, and its emission characteristics from diesel engine 生物柴油––乙醇混合燃料的溶解性，燃烧特性，及其在发动机内的
排放特性。
摘要：
在这项工作中，我们研究了在不同的温度和不同乙醇质量分数生物柴油––乙醇共混物的相图。针对选定的共混燃料的性质（如密度，燃烧热，十六烷值，闪点和凝点）和它们在柴油发动机内的排放性能与基础柴油进行了研究和比较。发现混合燃料的特性接近标准柴油燃料的限制。然而，含有乙醇的共混物的闪光点与常规柴油比较是相当不同的。生物柴油比较高的十六烷值可以弥补共混物中乙醇的存在造成的十六烷值减少。含有低于10%的乙醇与柴油的共混物的热值并没有显着不同与常规柴油。我们发现在高负荷发动机中共混物的 CO和HC排放显著降低，而氮化合物有所增加。然而与常规柴油相比，考虑生产率可接受的燃料的性质（闪点除外）和减少排放这些事实因素，80%的柴油，15%生物柴油和5%乙醇是最合适的生产配比。 2006爱思唯尔科技有限公司保留所有权利
关键词：柴油机；乙醇；生物柴油
1. 简介
在过去几十年，全世界在发电和运输上减少对石油燃料的依赖做了很多的努。在提议的燃料选择上，生物柴油和柴油乙醇燃料作为机车燃料被广泛接受，它可以补救一些城市减少石油的进
口（自从这项研究在泰国开始展开，主要目的是帮助泰国政府减少石油进口）。生物柴油和柴油醇在国产柴油资源中作为一种可再生能源资源比普通柴油有一些优势。此外，他们是公认的环境友好的替代燃料，因为以前的研究已经表明，一氧化碳有，未燃烧的碳氢化合物和颗粒物排放都有实质上的减少，当他们被使用传统的柴油发动机。生物柴油是一种烷基（例如，甲基，乙基）酯脂肪酸从一个广泛的植物油动物脂肪和食用油通过酯交换反应过程。此外，生物柴油已不仅是一种替代化石柴油，而且作为一种添加剂柴油醇–结合常规柴油乙醇。为了减少常规柴油的使用，柴油醇的被认为是一个候选的替代，和乙醇已包括在泰国的国家战略规划和能源政策。
乙醇作为替代燃料，燃料剂，一种含氧化合物和辛烷值。据预计，作为汽油调合组分，乙醇的使用可以使石油燃料的进口减少10–15%，此外，乙醇的使用还可以增加农民收入。因为它可以从多种农产品如甘蔗国产糖蜜和木薯根中制得。乙醇汽油混合的成功研制使人们对充分利用氧化混合物作为emissionsreducing添加剂的柴油燃料产生兴趣。此外，使用乙醇，特别是生物质乙醇，对减少二氧化碳排放量有显著效果，这种方法提供了一个“遗憾”的政策，减少了潜在的未来的与气候变化有关的风险，而且它对经济发展有重要意义
一般来说，乙醇可以混合使用无需修改的柴油发动机。然而，乙醇柴油混合燃料的一个主要缺点是，由于其化学结构和性质的
差异，在较宽的温度和水分含量范围内乙醇不溶于柴油，由于燃料不稳定可以导致相分离的。这种分离的预防可以用两种方式完成：通过添加乳化剂，延缓柴油燃料中乙醇小液滴，或通过加入共溶剂，作为桥联剂通过分子相容性和粘结产生均匀的共混物。乳化通常需要加热和混合步骤生成最终的共混物，而共溶剂允许燃料是'splashblended”，从而简化了混合流程，此外，该共混物的十六烷值低，使得它很难被压缩点火技术应用于柴油机的燃烧，因此，进行了大量的研究以提高乙醇在柴油中的溶解度，以及改善共混物的十六烷值。
有关于柴油醇的生产和利用研究，最近美国的关于自不同制造商使用添加剂的研究显示，纽约的纯能源公司（PEC）是第一家发展的向添加剂中加入剂量是2–5% 的15%无水乙醇的公司。而且也减少10%的共混物。少量的市售的十六烷值改进剂（＜0.33%的体积）也加入到共混物以恢复的十六烷值的价值。第二添加剂制造商是英国的航空工程系，在美国测试出不同阶段7.7%和10%乙醇–柴油共混物含有1%和1.25%航空专有添加剂。第三制造商是通用贝迪，他们从石油产品中开发了一个专有的纯粹的添加剂，相对于前两个，这个由可再生资源制得。在澳大利亚，空间研究公司宣布利用其创新的乳化剂的乳化技术的开发成功。他们的柴油醇含有普通柴油燃料，在84.5体积%，水合物的乙醇（5%水）在15体积%，和乳化剂在0.5体积%。用卡车和公共汽车对乙醇柴油发动机进行测试并与普通柴油进行比较研究。结果发现，在乙
醇柴油混合燃料中高水平的酒精的最大化的减少废气（HC，CO，NOx，PM）排放量，并且实现了温室气体净排放的减少。
目前在泰国已使用柴油醇，然而，只是小规模的和aranddlevel。但是确定潜在的柴油乙醇市场规模是很难的。在泰国，有泰国石油管理局之间的合作项目（PTT）公共有限公司，福特汽车公司，与全国金属与材料技术中心（MTEC）研究一种潜在的柴油醇作为一种替代普通柴油燃料。在10体积%的乙醇，柴油在89体积%，与进口乳化剂（Beraid ED10来源于诺贝尔）在1体积%的用于柴油醇的制备。车辆检测是通过使用一个面包车做。据观察，除对乙醇柴油的闪点较低，所制备的柴油醇燃料性质与普通柴油的一致。
很明显，在乙醇柴油的生产和利用的进一步研究是必要的。尤其是在国内添加剂的面积法。特别是所有的汽车燃料，都必须是一个明确的和单相液体。生物柴油的1971在泰国被介绍，到了20xx年以来受到了广泛的讨论。能源部制定了生物柴油的8500000升一天2012代替柴油的目标，或总数的10%的柴油消费。在泰国，从可利用的的原材料中生产生物柴油的生产有很大的提高，尤其是棕榈油。考虑到环境因素，更具吸引力的系统是包含生物柴油和乙醇燃料的生产和使用，都可以在泰国生产。
因此，本研究的重点是研究生物柴油（棕榈油甲基酯）作为添加剂在乙醇柴油混合燃料中的的使用。在不同的温度和不同的组分浓度的乙醇–生物柴油–柴油三元系相的稳定性进行了研究，
以及一些基本的燃料性能，如十六烷指数，密度，燃烧热，闪点，凝点，和排放，这些特性与柴油燃料相比。此外，研究了共混物的长期稳定性的影响。
2. 材料和方法
利用罗勇净化器有限公司对柴油-生物柴油-燃料乙醇–三组分体系相行为和燃料特性进行研究，95%乙醇和从皇家集拉达项目获得99.5%；乙醇99.9%（J.T.贝克）和生物柴油（棕榈油甲酯）系从泰国海军造船厂接收。由磁力搅拌器搅拌柴油，生物柴油和乙醇混合成均匀的混合物。然后，最终的共混物被保存在一个观察外表螺旋盖玻璃瓶。然后三种物质以不同的比率进行，每组是不同的从0%到100%的10%的增量体积。在这项研究中，三元体系的相行为是通过相图研究。所有的共混物从以前的步骤是静止不动在10，20，七天，30和40 ℃观察物理稳定性。七天后，观察数据被用来开发不同温度下的的相图。相位图中通过使用符号来描绘任何比例的生物柴油的柴油––乙醇共混物的特征成分的物理表现。此外，所有样品均保持不动，进一步在室温下三个月观察长期稳定性。研究了三种组成比例对燃料性能的影响，采用了以乙醇和生物柴油的柴油十个共混物。他们通过混合柴油机上获得，在显示表的比例由体积的乙醇和生物柴油。实验室试验是采用ASTM测试标准的确定进行了以下特性：十六烷指数，密度，燃烧热，闪点和凝点。所有这些特性进行测试，分别按照ASTM D240，d976，D4052，D56和D97。
最后，燃料共混物的组成比，如表1所示，被用来研究的排放。在研究中使用的发动机是柴油发电机，模型dg3le。它是一个商业单缸，风冷，垂直，四冲程，直喷式柴油机。引擎被耦合到通过负载发电机是通过增加电流提供一个电气装置，用于调整所施加的载荷。在这项研究中的受力情况，分为四个步骤，分别为0%，30%，60%和100%负荷（分别是0个，3个，6个和10个）。一个motorscan eurogas 8020排放分析仪测定碳浓度，一氧化碳（CO），未燃烧的碳氢化合物（HC），氮氧化物（NOx）在不同负荷下的排气。
3． 结果与讨论
3.1乙醇浓度对相对稳定性的影响。
在室温下，通过使用三种不同乙醇浓度（95%，99.5%，和99.9%）质量分数的影响乙醇浓度对相稳定。其结果是在柴油，生物柴油，和乙醇三相图表示组成。生物柴油-柴油室温95%乙醇体系相行为是示图为1A。在95%的乙醇，柴油和95%纯度的乙醇因为95%的乙醇而不溶，也被称为含水乙醇水混合，混合物中含水5%。
由于水的极性高，这一部分水提高了乙醇分子的极性部分。
因此，，非极性分子不能与乙醇的纯度为95%的兼容的柴油。生物柴油对柴油–的溶解度是没有限制的。以及生物柴油–95%乙醇对。在这种情况下，似乎增加生物柴油不能提高柴油和95%乙醇的互溶性，经过七天，三部分混合物也分裂成两个阶段，极性和非极性。其原因可能是，在95%乙醇中的水含量比生物柴油具有更强的效果，导致乳液稳定性差。因此，95%乙醇可能不适合柴油醇的生产。在99.5%乙醇的情况下，这三个元件的互溶性是没有限制的。他们可以在任何比例混合成均匀的溶液，如图1B所示。因为99.5%的乙醇，与95%乙醇相比具有较低的水含量，它更易溶于95%乙醇柴油燃料比。然而，三个月后，一些混合物之间的比率在柴油和99.5%乙醇之间（60%的柴油，40%乙醇柴油；50%，50%，40%乙醇；柴油，60%乙醇）成为两个阶段，但具有生物柴油的混合物作为添加剂还是液相。这种均匀性是由于生物柴油可以作为两亲物（表面活性剂）和形成胶束，非极性尾部和极性头。这些分子在液/液界面薄膜和互相吸引。这些胶束作为极性或非极性溶质，取决于该生物分子的取向。当柴油燃料中连续相，在生物分子取向本身对乙醇的极性和非极性头，尾是以柴油机。这一现象举行的胶束的热力学稳定的状态，这取决于各组分的浓度等物理参数
同样的结果显示99.9%的乙醇为99.5%乙醇。所示图 1C，
99.9%
乙醇和柴油可以混合均匀的溶液在任何比。然而，由于在我国产生的99.5%乙醇比99.9%乙醇便宜得多，因此，选择以柴油和生物柴油混合燃料性能的进一步研究。
3.2．温度对相稳定的影响。
图2A，在10℃的温度，在体积量是20–80%系列的柴油和乙醇的混合物在清澈的液体和结晶相，可以观察到的趋势. 生物柴油和乙醇形成真溶液的混合物，它可以很容易地混合。混合物含有生物柴油从70%到100%不含乙醇成为凝胶。这可能是在生物柴油中的脂肪酸成分的影响。和其他的比率液晶1相的结晶发生在乙醇和柴油相。所示图。2b，在20℃，除了1柴油乙醇的比例，几乎所有的共混物的液相从30%到70%。这些比率在液体中的2个阶段是完全不混溶的，他们仍然是两个不同的独立的阶段
[图2.生物柴油的柴油––乙醇99.5%相行为（D–B–E 99.5%）在不同温度下的系统：（一）10 ℃，（b）20 ℃，（C）30 ℃，（D）40 ℃
.]
因此，在20 ℃，燃料乙醇在柴油完全互溶，当柴油浓度低于30%或高于70%。在30℃，所有共混物的液体1相，所示图。2C。燃料乙醇可以和柴油以任意比例。因此，在这个温度，没有相分离的问题. 图2显示的生物柴油-柴油––99.5%乙醇体系在40 C.相行为结果与30 C相似，证明柴油醇的共混物在较高环境温度（30–）作为液体单相燃料是稳定的。因此，由于泰国的正常温度，柴油醇乳液可作为无相分离问题的液体燃料
3.3.燃料性能测试
表1显示了混合燃料在不同比例的柴油，生物柴油和乙醇下的特性, 可以看出，随共混物中乙醇的比例的共混物的密度降低, 这是由于，乙醇具有较低的密度，从而降低该混合物的密度。但是，当生物柴油的比例增加，密度增加，将导致棕榈油生物柴油比其他两组密度高。通常情况下，认为高密度导致较高的燃料油的流动阻力，导致更高的粘度。这一发现表明，更高的粘度，可以导致劣质燃料喷射。然而，所有的共混物具有密度值是高速柴油机可以接受的标准限制，这些结果表明了与早期的作品一样的趋势。
十六烷指数也是密度值的比例。据观察，十六烷指数的乙醇柴油混合时降低，增加乙醇的量，由于乙醇本身具有很低的十六烷值，约5–8。十六烷指数越低，点火性能越差。十六烷指数也在影响发动机的启动，燃烧控制，发动机性能。然而，生物柴油，由于其高的
十六烷值，可以提高该属性。一些燃料的共混物具有的十六烷指数高于基柴油。这一结果，由80%个柴油样品，15%生物柴油和5%乙醇具有最高的十六烷指数。燃烧热是一种重要的燃料性能。结果表明，当更大的乙醇和生物柴油的数量增加了，燃烧柴油醇热减少，这是由于生物柴油和乙醇的热值较低。这些结果有相同的趋势，正如那些早期的费尔南多和汉娜[ 4 ]，cheenkachorn。[ 5 ]，和ajav和akingbehin
[ 7 ]等人的报道。一种燃料低热值对发动机的功率输出的直接影响。然而，似乎含有低于10%的乙醇共混物的热值并没有与传统的柴油机多不同。
所有的共混物，除含有90%的柴油和10%的生物柴油样品，和85%的柴油和15%的生物柴油外，被发现有相同的凝固点在3 C，而样品，其中唯一的柴油和生物柴油，无酒精，有相同的倾点，基地柴油。原因是，乙醇具有非常低的倾点而且生物柴油通常有一个倒比传统柴油高点。但所有的共混物具有柴油为主要成分，因此，倒燃料的点被认与传统的柴油机没有太大区别。
当暴露在火源，闪点是即将点燃的最低的温度，在这项研究中，柴油醇闪点是与柴油完全不同的，发现它是非常低的，在12–17 C.范围。所有含乙醇共混物的易燃闪点温度低于环境温度。燃油的闪点影响运输和燃料的储存分类，在处理和运输燃料应使用预防措施。在一般情况下，闪点的测量通常由混合燃料占主导地位的最低的闪光点的成分决定。一种柴油醇的混合物闪点乙醇起主导作用。因此，存储，处理和运输的柴油醇的管理必须在一个
特殊的和适当的方式，以避免爆炸。这些事实也在早些时候的研究
[ 4,5,7,15 ]中讨论过。
3.4．排放测试
3A–C表现的是在各种荷载下燃料中CO排放中的变化图。如图所示，柴油的比例分别固定在90%，85%和80%的体积，在低和中等负荷（0%，30%和60%负荷）下，共混物的CO排放量与传统的柴油没有很大区别。然而，在满负荷（100%负载），与常规柴油相比，共混物的CO排放量显著下降。这可以通过在乙醇和生物柴油的加氧富集解释，在发动机的排气过程中，氧比例的增加，将促进公司的进一步氧化。结果表明，在发动机满负荷的情况下，80%的柴油混合，15%生物柴油和5%乙醇生产的CO最少（0.6–体积%）。在中低等负荷，添加含氧化合物进入柴油燃料对CO排放有轻微的影响，但在高或满负荷，显着降低CO排放。应该指出的是，生物柴油——柴油––乙醇对CO排放的影响随发动机工况并不是决定性的。一些研究报道了用乙醇柴油混合燃料将减少二氧化碳排放量。我们的结果与以前的工作由德刚等人的研究做了比照；然而，也有相反结果的报道[ 16 ]。图4A–C说明在低和中等负荷下，含有柴油在90%的样品，分别为85%和80%的体积，显示相同的趋势；
含有较高比例的乙醇将有更高的HC排放物。另一方面，可以观察到，含有较高比例的生物柴油将有较低的HC排放物。这表明，乙醇的存在可能是HC排放量增加的重要因素。高HC排放意味着有一些未燃乙醇在燃烧室中的较大的乙醇分散区域的废气。生物柴油具有比常规柴油十六烷值较高，因而气缸内在更完全的燃烧。在中等负荷，柴油，生物柴油和混合燃料HC的排放比那些来自较低或较高的负荷下的低。原因是，通常情况下，更好的燃烧可以在中等速度和中等负载的实现。然而，在满负荷，柴油具有最高的HC
排放。因此，在这种情况下燃
料的共混物比传统的柴油燃料排放低。在这项研究中，共混物的85%的柴油和15%的生物柴油在满负荷条件下具有最低的HC排放。较低的HC排放意味着燃料具有较高的燃烧效率，从而能更高的能量输出和清洁的燃烧室。发动机的各种载荷下使用不同的混合燃料的发动机NOx排放如图5A–C所示。在每一个柴油比例（90%，85%和80%的体积）下，可以观察到，在空载条件下所有的混合燃料和生物柴油降低了NOx的排放。然而，在低中高负荷，NOx排放量较高的混合比纯柴油燃料。特别是在满负荷时，所有的混合燃料增加的NOx与柴油显著相关。生物柴油的氮氧化物排放量增加的原因是未知的；然而，大量的燃料特性已被证明影响NOx排放。通常情况下，如果我们可以通过创造更完全的燃烧获得较高的燃烧温度，这将导致高NOx的生成。因此，添加生物柴油和乙醇柴油含氧化合物能提高燃料的燃烧效率。乙醇加入十六烷值减少是NOx增加的另一个原因。众所周知，十六烷值燃料的芳烃含量是影响柴油发动机NOx和PM排放的。一个低十六烷值意味着增加点火延迟和积累更多的燃料/空气混合物，从而引起在燃烧开始快速的热释放，导致温度升高，NOx的生成[ 2 ]。由于乙醇中的低十六烷值，随着乙醇含量的增加燃料的十六烷值降低燃料，应当指出的是，生物柴油NOx的增加，但基本上高于柴油燃料十六烷值。生物柴油混合燃料的NOx的行为是复杂的没有定论。许多研究表明，含氧混合燃料能造成NOx增加。然而，李等人的一些研究报道[ 17 ]也没有发现NOx增加或者NOx减少，在乙醇——柴油混合的情况下，ajav[ 7 ]和卡罗等人[ 18 ]中报道的氮氧化物排放量方面的一个显
着的好处；然而， Ozer （2004）[ 19 ]表达了相反的结果。
4.结论
研究以评估潜在的使用生物柴油作为一种有效的柴油醇和乙醇柴油替代燃料的柴油发动机稳定性和乙醇柴油混合燃料的性能。本研究的结论如下：
1.棕榈油源生物柴油可以作为一种有效的添加剂柴油醇乳剂。应使用diesohol生产无水乙醇.
2. 生物柴油柴油––乙醇体系组分溶解度随温度降低而减少。然而，在20℃以上有与相分离没有问题。
3.所有的共混物的密度和倒点是在标准柴油燃料的限制下的。
4.生物柴油的高十六烷值可以弥补柴油燃料乙醇的存在所造成的十六烷值的减少。
5．所有的混合物的燃烧热发现低于单独的柴油燃料。然而，含有低于10%的乙醇的共混物的热值并没有与传统的柴油多不同。
一般来说，含5%乙醇的乙醇柴油的燃料特性与柴油燃料相比非常接近。在这项研究中，90%的柴油，5%生物柴油和5%乙醇相混合的加热值非常接近柴油燃料。80%的柴油混合，15%生物柴油和5%乙醇燃料具有最高的十六烷指数。柴油醇的物理特性，使其在技术上不可能满足柴油燃料标准，与柴油标准的差异不影响在传统的柴油机运行时发动机的操作的完整调谐。燃料性能的附加规格是是柴油醇/燃料级乙醇独特的要求，以确保燃料的适应性。
对于共混物的排放量，发现在发动机高负载CO和HC排放明显降低，而与柴油机相比NOx 的排放有所增加。考虑到柴油乙醇混合燃料生产可接受的燃料性能和减少排放这些事实，80%的柴油，15%的生物柴油和5%乙醇的混合比例是最合适的。
致谢
作者感谢以下组织：公共有限公司；罗勇净化器，皇家集拉达项目；在本项目的支持部的海军造船厂。部分支持这项工作是由能源政策和规划办公室，能源部，泰国政府；及研究生教育和研究计划，在石油和石化技术（PPT联盟）。
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