乙醇油發(fā)動機改進關(guān)鍵技術(shù)實驗研究,乙醇,發(fā)動機,改進,改良,關(guān)鍵技術(shù),實驗,試驗,研究,鉆研 本科學生畢業(yè)論文 乙醇油發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)改進 學院名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 車 輛 工 程 B07-1班 學生姓名： 崔洪健 指導教師： 齊曉杰 職 稱： 教 授 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一一年六月 Heilongjiang Institute of Technology 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 摘 要 目前世界石油資源的短缺和環(huán)境污染的加劇，為緩解汽車對石油的依賴，改善全球大氣環(huán)境污染，適應國際能源開發(fā)的需要，世界各國都在尋找新的汽車代用燃料。而乙醇憑借其可再生性和燃燒清潔性，已成為國內(nèi)外汽車代用燃料的研究重點之一。乙醇燃料是一種新型車用替代燃料，與汽油相比具有可再生性、熱效率高和排放低等優(yōu)點，這對于我國的能源、環(huán)保、等問題具有重要意義。 本文分析了國際原油價格發(fā)展歷史，并且在目前高油價的形勢下分析了乙醇汽油的發(fā)展與前景。通過對美國、巴西兩國乙醇燃料發(fā)展歷史與現(xiàn)狀的分析對比，得出了兩國發(fā)展乙醇燃料各自不同的特點，以及他們共同的發(fā)展趨勢。在分析的基礎(chǔ)上對我國乙醇汽油發(fā)展提出了建議和意見。概述了國內(nèi)外乙醇汽油的發(fā)展現(xiàn)狀，和發(fā)展乙醇汽油的目的和意義。找出乙醇汽油現(xiàn)階段存在的問題。 本文對四種燃料E0、E5、E10和E15的臺架試驗數(shù)據(jù)進行了分析，從動力性、經(jīng)濟性和排放性能分別進行了對比試驗，研究表明, 本論文對燃用四種低比例乙醇汽油混合燃料后發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性做了一定的研究與分析，發(fā)現(xiàn)乙醇汽油燃用混合燃料的動力性有所降低，但與原機相差不大：以質(zhì)量計的燃油消耗率明顯增加，燃油經(jīng)濟性有所降低。燃用乙醇汽油混合燃料后，尾氣排放中的CO和HC能夠明顯得到降低，但同時也會引起個別工況下NOx排放量的增加。 本文最后參考國內(nèi)外相關(guān)資料進行了分析，并提出了解決建議。 關(guān)鍵詞：乙醇；排放性；經(jīng)濟性；動力性；實驗分析；改進研究 II ABSTRACT The world's oil resources shortage and environmental pollution increase, to ease dependence on oil vehicle, improving the global atmospheric pollution, the need to adapt to the international energy development, countries in the world looking for new alternative fuel vehicles. And by virtue of its renewable nature of ethanol and combustion cleanliness, alternative fuel vehicles at home and abroad has become a focus of research. Ethanol fuel is a new alternative fuel vehicle, compared with gasoline with renewable, low thermal efficiency and emissions benefits, which for our energy, environmental protection, and other issues of great significance. This paper analyzes the history of international crude oil prices and high oil prices in the current situation of the development of ethanol gasoline and prospects. Through the United States, Brazil, ethanol fuel between the two countries history and current situation analysis and comparison of the development of ethanol fuel between the two countries reached their different characteristics, and their common trends. Based on the analysis of ethanol gasoline in China has put forward suggestions and comments. An overview of the development of ethanol fuel situation at home and abroad, and developing the purpose and meaning of ethanol gasoline. Identify the existing problems of ethanol gasoline. In this paper, four kinds of fuel E0, E5, E10 and E15 of the bench test data were analyzed, from the power, economy and emissions tests were compared, studies have shown that this thesis, the low proportion of fuel ethanol and gasoline in four mixture of fuel and engine power and fuel economy to do some research and analysis, found that ethanol gasoline blended fuel burning power was somewhat lower, but with little difference between the original machine: the mass of the fuel consumption rate was increased fuel economy decreased. Fuel ethanol blended gasoline fuel, emissions of CO and HC can be reduced significantly, but operating conditions will also cause the individual to increase NOx emissions. Finally, a review of relevant data were analyzed, and the solutions proposed. Key words：Ethanol; Emissions; Economy; Dynamic; Experimental Analysis; Improvement 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第１章 緒 論 1 1.1概述 1 1.2燃料乙醇研究發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1國外發(fā)展概況 2 1.2.2國內(nèi)發(fā)展概況 4 1.3本論文研究的目的與內(nèi)容 5 1.3.1論文研究目的 5 1.3.2論文研究內(nèi)容 5 1.4推廣乙醇汽油的意義 6 第２章 發(fā)動機燃燒技術(shù) 8 2.1燃料乙醇的理化特性 8 2.2汽油的理化特性 9 2.3 燃料乙醇與汽油理化特性的比較 10 2.4 乙醇汽油的優(yōu)點 11 2.5 乙醇汽油的缺點 12 2.6 汽車發(fā)動機燃燒技術(shù) 12 2.7乙醇油燃燒分析 13 2.8 本章小結(jié) 14 第３章 實驗方案設計及實驗設備簡介 15 3.1 相關(guān)實驗臺設備 15 3.1.1 實驗用汽油機 15 3.1.2 測試系統(tǒng) 16 3.1.3 FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng) 16 3.1.4 FC2100油耗儀 18 3.1.5 AVL i60智能排放儀 18 3.1.6 實驗臺組成框架簡介 19 3.2乙醇汽油的摻比方案 19 3.3 實驗方案的設計 20 3.4 汽車動力性能及燃油經(jīng)濟性 21 3.5車用乙醇汽油性能理論分析 21 第四章 實驗結(jié)果研究分析 22 4. 1汽油機動力性 22 4. 2汽油機燃油經(jīng)濟性 23 4..3乙醇汽油發(fā)動機排放性能 25 4.4 本章小結(jié) 31 第五章 改進技術(shù)研究 33 5.1提高汽油機動力性的改進措施 33 5.1.1乙醇汽油動力差的原因 33 5.1.2從發(fā)動機本身進行改進 33 5.1.3從燃料本身進行改進 34 5.2提高汽油機燃油經(jīng)濟性的改進措施 35 5.2.1乙醇汽油經(jīng)濟性差的原因 35 5.2.2從汽油機本身改進 35 5.2.3從燃料本身改進 35 5.3降低汽油機排放性的改進 35 5.3.1乙醇汽油排放性好的原因 35 5.3.2從汽油機本身改進 36 5.3.3從燃料本身改進 36 5.4乙醇汽油車冬季滴水問題改進研究 36 5.5本章小結(jié) 37 結(jié) 論 38 參考文獻 39 致 謝 41 42 第１章 緒 論 1.1概述 能源是人類生存和發(fā)展的第一性保證因素之一。從2000年開始，中國的能源短缺和結(jié)構(gòu)不合理，引發(fā)了國內(nèi)外的嚴重關(guān)注。中國的能源問題已經(jīng)成為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，也直接影響國家能源戰(zhàn)略安全。地球上能源種類很多，總體上可分為可再生能源和不可再生能源?？稍偕茉窗ㄌ柲?、風能、生物質(zhì)能、水能及由可再生資源衍生出來的生物燃料等；不可再生能源包括石油、天然氣、煤炭、核能等。目前消耗量最大的是石油、煤炭和天然氣這些不可再生能源，由于其儲量有限并且已經(jīng)逐漸枯竭，造成世界各國普遍存在能源問題。 我國是能源消耗的大國，占世界一次能源（以石油、天然氣、核電和煤炭等優(yōu)質(zhì)能源為主）需求總量的10%以上。而能源以煤炭消費（約占75%）為主，石油約占17%。能源結(jié)構(gòu)中低效、高污染能源占相當比重，高效清潔能源所占比例很小，這樣的結(jié)構(gòu)不僅造成能源的大量浪費，而且對環(huán)境造成很大污染，偏離了世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢的主流。今后我國應加速優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源和新能源的比重。 從上世紀60年代開始，美國、日本和歐盟等國家和地區(qū)相繼制定了汽車排放限制標準，以控制汽車排放給人類生存環(huán)境帶來的日益嚴重的危害。排放限制標準的出臺，迫使汽車制造業(yè)和相關(guān)的研究機構(gòu)甚至政府部門都傾注了大量的人力和財力來研究降低排氣中各種有害物質(zhì)的對策和控制技術(shù)。然而，單純依靠改善內(nèi)燃機燃燒和排放系統(tǒng)來改善汽車排放以達到排放標準的措施也受到許多限制。因此，除了設計更高效的發(fā)動機以節(jié)省燃料資源外，必須尋找其它的能源以部分或者完全替代我們當前正在使用的燃料。 乙醇是一種常用的燃料和燃料添加劑，可以充當汽車燃料的替代品，在近代也越來越受到重視。純乙醇或添加到汽油中，不僅可以提供驅(qū)動的動力，還能改善汽車污染物的排放，并且它具有制造方便、價格低廉和辛烷值較高等優(yōu)點，這些都是促使各國科學家和學者們積極研究的原動力。最好是把研究重點放在乙醇汽油的混合燃料上，而避免對發(fā)動機進行改裝，節(jié)約生產(chǎn)成本。 未來，中國政府還將繼續(xù)適度發(fā)展燃料乙醇行業(yè)。“十一五”期間，中國燃料乙醇的潛在市場規(guī)模將急劇擴大。以中國四家燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能來看，遠遠不能滿足未來國內(nèi)對燃料乙醇的需求，燃料乙醇裝置產(chǎn)能擴張不可避免。因此計劃到“十一五”末，國內(nèi)乙醇汽油消費量占全國汽油消費量的比例將上升到50％以上，這意味著屆時中國燃料乙醇的產(chǎn)能和產(chǎn)量將會有一個質(zhì)的飛躍。 1.2燃料乙醇研究發(fā)展現(xiàn)狀 乙醇的生產(chǎn)方法，有以生物質(zhì)為原料的發(fā)酵法和以石化產(chǎn)品為原料的化學合成法。20世紀50年代以前，乙醇主要依靠生物發(fā)酵法生產(chǎn)，所用原料可以是淀粉質(zhì)、糖蜜、纖維原料等。普通乙醇生產(chǎn)在我國古代就已開始，是迄今為止生產(chǎn)最成熟、經(jīng)驗最豐富、歷史最悠久的可再生能源。50年代以后，隨著世界石油化工的迅速發(fā)展，乙烯經(jīng)加溫加壓水合就能生成乙醇，這種方法在石化工業(yè)發(fā)達的國家發(fā)展很快?；瘜W合成法的生產(chǎn)過程雖然簡單，但受原料來源的限制，隨著1976年第一次世界范圍內(nèi)“石油危機”的發(fā)生，使合成乙醇的發(fā)展受挫。世界上除美國有少量合成乙醇生產(chǎn)外，其他國家都沒有大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。 燃料乙醇作為一種工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的能源，和以往小規(guī)模、食用型的乙醇生產(chǎn)并不完全相同。燃料乙醇產(chǎn)生于20世紀初葉，后因石油的大規(guī)模、低成本開發(fā)以及其經(jīng)濟性較差而被淘汰。如今，為了減輕對石油的依賴，人們都在尋找可再生能源。由于乙醇進人燃料市場有重大的發(fā)展?jié)搫荩鹆耸澜缧缘闹匾?，因此發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)展動力大大加強。同時農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，造成糧食相對過剩，這一切都使燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的重新崛起、迅速發(fā)展成為必然。 1.2.1國外發(fā)展概況 燃料乙醇被認為是替代和節(jié)約汽油的最佳燃料之一，能和汽油以一定比例混配成一種車用燃料。這項技術(shù)在國外已十分成熟，具有價廉、清潔、安全、環(huán)保、可再生等優(yōu)點。燃料乙醇的發(fā)展與國際原油供應情況息息相關(guān)。 在燃料乙醇的生產(chǎn)、推廣和使用方面，美國和巴西走在了世界的前列，兩國產(chǎn)量的總和占全球總量的66%。我國2002年乙醇產(chǎn)量為213萬噸，僅次于美國及巴西。燃料乙醇的成本隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大、生產(chǎn)技術(shù)和綜合利用能力的提高而不斷下降。目前使用車用乙醇汽油的國家主要是美國和巴西，歐盟自20世紀90年代初也開始生產(chǎn)、使用車用乙醇汽油。 1979年，在石油危機的背景下，美國為減少對進口原油的依賴，聯(lián)邦政府制定了“乙醇發(fā)展計劃”，開始大力推廣車用乙醇汽油。作為重要的能源戰(zhàn)略，美國還制定了相關(guān)的法律和扶持政策，對車用乙醇汽油的生產(chǎn)和使用給予財政補貼。據(jù)悉，美國清潔空氣法曾對新配方汽油（RFG）含氧量提出要求，MTBE被推薦為RFG的含氧化合物?，F(xiàn)在，美國15個州將尾隨加州禁用MTBE，塞納特能源議案號召全國在4年內(nèi)全部禁用MTBE。預計到2004年，美國汽車燃料將需要23億加侖乙醇，2012年將達50億加侖。按可再生燃料協(xié)會統(tǒng)計，美國乙醇生產(chǎn)量將從2001年17.7億加侖增加到2002年22億加侖，1999-2001年增加了20%。6座新裝置己于2002年投產(chǎn)，另有14座乙醇生產(chǎn)廠正在建設中。到2002年底，乙醇生產(chǎn)能力將由2001年21億加侖增加到28.6億加侖。乙醇的魅力在于它是可清潔燃燒的燃料，可從再生物質(zhì)能源生產(chǎn)，雖然乙醇生產(chǎn)費用較高，但采用改進技術(shù)的新工藝和使用較廉價的原料，可望降低生產(chǎn)費用。美國加州將于2004年1月禁用MTBE，屆時將引入RFG含硫新標準30PPm，加州將執(zhí)行RFG 3標準，平均含硫限值15PPm（現(xiàn)在為30PPm）、含苯0.7%（現(xiàn)在為0.8%）。加州大多數(shù)主要煉油廠正在快速向汽油不加MTBE轉(zhuǎn)化，菲利浦斯石油公司已于2002年7月首次在加州加油站推銷無MTBE的汽油，另有三家煉制商也將跟隨其后。美國現(xiàn)約有200萬輛可靈活用油汽車，可使用汽油也可使用乙醇汽油E 85（85%乙醇和15%汽油）。美國現(xiàn)有135座加油站可加用E 85乙醇汽油，大多在明尼蘇達州?，F(xiàn)還開發(fā)了基于乙醇的無鉛航空燃料AGZ 85，可用于小型非噴氣式飛機 按照最近美國國會提議的立法，要求大力發(fā)展乙醇工業(yè)，今后15年乙醇的使用將翻三番。為了進一步降低生產(chǎn)成本，美國能源部大力支持纖維素乙醇中試及產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項目，目的是利用木材、稻草、玉米稈等纖維素廢料生產(chǎn)燃料乙醇。美國政府實施燃料乙醇政策以來，給國家經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、貿(mào)易、人民生活等多方面帶來了極大的益處，促進了美國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，改善了環(huán)境，減少了原油進口，為社會提供了大量的就業(yè)機會。 巴西是石油資源貧乏的國家之一。早在上世紀20年代巴西就開始在汽車中應用乙醇汽油混合燃料。1975年巴西政府開始大力實施乙醇全國計劃這一新能源政策，因地制宜推動以甘蔗為主要原料的乙醇燃料的發(fā)展，目標是減少石油進口，實現(xiàn)能源的多元化。1977年巴西政府制定法規(guī)，正式以20％乙醇與汽油混配，推向國內(nèi)燃料市場，用于普通汽油發(fā)動機汽車。經(jīng)過30多年的努力，現(xiàn)在巴西已經(jīng)成為世界上屈指可數(shù)的乙醇生產(chǎn)和消費大國。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前巴西全國使用乙醇汽油的汽車約有1 600萬輛，而完全用含水酒精作動力燃料的乙醇汽車也達到了200多萬輛。如今巴西已經(jīng)形成完整的燃料乙醇供應系統(tǒng)，乙醇和汽油都通過管道輸送，與鐵路、公路相連接，供應3 1 979個加油站進行零售。燃料乙醇計劃的實施，給巴西帶來了三大收益，一是形成了獨立的經(jīng)濟能源運行系統(tǒng)，保證了國家能源安全；二是刺激了農(nóng)業(yè)和乙醇相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，為巴西經(jīng)濟注入了新的活力；三是大大減少了溫室氣體等有害氣體的排放量，使大氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。 巴西政府大力發(fā)展燃料乙醇行動計劃始于1975年，原因有三：第一從國家能源安全和經(jīng)濟發(fā)展考慮，當時巴西80%的燃料依賴進口，國家的能源安全不能保證；第二是為了促進國內(nèi)農(nóng)業(yè)、種植業(yè)的發(fā)展和保護農(nóng)民利益，巴西是一個農(nóng)業(yè)大國，擁有全世界最大的甘蔗種植區(qū)；第三是為本國發(fā)展綠色可再生能源創(chuàng)出新路和保護環(huán)境。 目前，巴西年產(chǎn)乙醇1200萬噸左右，高居世界首位，是世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)和消費國。巴西每年消耗燃料乙醇的數(shù)量已占到每年消耗車用汽油的33%，約40%的小汽車完全以乙醇做燃料，其余則以22%的燃料乙醇和78%的車用汽油的混合物作為燃料。每年有470萬噸無水乙醇、480萬噸含水乙醇用于車中，在全巴西2.6萬個加油站有燃料乙醇銷售。 日本洋馬公司經(jīng)多次試驗，基本解決了乙醇與柴油混合的分層問題，正著力進行柴油一乙醇混合燃料的發(fā)動機使用試驗。美國ADM公司己開展了乙醇柴油的研究工作，含(體積分數(shù))乙醇15％、其它添加劑5％、柴油80％的乙醇柴油已在柴油車上進行了386km的行車試驗。 1.2.2國內(nèi)發(fā)展概況 我國是能源消耗的大國，占世界一次能源需求總量的10％以上。高效清潔能源所占比例很小，這樣的結(jié)構(gòu)不僅造成能源的大量浪費，而且對環(huán)境造成很大污染，偏離了世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢的主流。今后我國應加速優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源和新能源的比重。 我國燃料乙醇的使用始于抗戰(zhàn)時期，當時汽油緊缺，就用發(fā)酵乙醇部分或全部替代。后由于汽油價格的優(yōu)勢，燃料乙醇退出能源領(lǐng)域。國內(nèi)再次開展燃料乙醇的研究及應用工作始于20世紀80年代至今。 近年來，隨著科技的發(fā)展，農(nóng)副產(chǎn)品連年豐收，如果能將糧食適當轉(zhuǎn)化為工業(yè)燃料，對緩解農(nóng)民賣糧難和調(diào)節(jié)國家糧食儲備有利，同時也是對傳統(tǒng)能源的補充，起到改善能源結(jié)構(gòu)的作用。目前我國每年汽油消費已超過3500萬噸、柴油6200萬噸，若有20%的汽油、柴油是含有15%乙醇的汽油、柴油，每年將消費290萬噸乙醇，可轉(zhuǎn)化900萬噸糧食。若全部汽油、柴油是含有15%乙醇的汽油、柴油，每年將消費1455萬噸乙醇，可轉(zhuǎn)化4500萬噸糧食，同時還產(chǎn)出約1500萬噸DDGS（是酒糟蛋白飼料的商品名，即含有可溶固形物的干酒糟）飼料。所以發(fā)展燃料乙醇對農(nóng)業(yè)、酒精行業(yè)、副產(chǎn)品加工業(yè)以及國家能源安全等方面具有深遠的意義。目前，我國已經(jīng)開始了燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的建設。正在全國范圍內(nèi)逐步推廣使用車用乙醇汽油，使其在兩三年內(nèi)占到市場份額的25%～30%。 中國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速，燃料乙醇在中國具有廣闊前景。隨著國內(nèi)石油需求的進一步提高，以乙醇等替代能源為代表的能源供應多元化戰(zhàn)略已成為中國能源政策的一個方向。中國已成為世界上繼巴西、美國之后第三大生物燃料乙醇生產(chǎn)國和應用國。2006年，中國燃料乙醇的生產(chǎn)達到144萬噸，按照1：3.3比例計算，大概消耗玉米475萬噸。截止2006年，黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽5省及湖北、河北、山東、江蘇部分地區(qū)已基本實現(xiàn)車用乙醇汽油替代普通無鉛汽油。 目前乙醇柴油的研究主要集中在燃料機外混合后進入汽缸燃燒的方式。這樣可以在原機不作改動或是很少改動的情況下使用乙醇柴油混合燃料，滿足發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和環(huán)保的要求。主要工作表現(xiàn)在尋找能使乙醇和柴油互溶的助溶添加劑，和柴油機上的適用性試驗。目前，已經(jīng)開發(fā)了數(shù)十種助溶添加劑，有些還申請了專利。但這些助溶添加劑普遍較為昂貴，每噸價格為1萬元。許多科研機構(gòu)都參與到這個課題的研究，其中清華大學、吉林大學、上海交通大學等的研究較有特色。他們就乙醇柴油混合燃料的燃燒為課題，對柴油機的動力、經(jīng)濟、排放、燃燒等性能進行了研究，并取得了一定的進展。 未來，中國政府還將繼續(xù)適度發(fā)展燃料乙醇行業(yè)?！笆晃濉逼陂g，中國燃料乙醇的潛在市場規(guī)模將急劇擴大。以中國四家燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能來看，遠遠不能滿足未來國內(nèi)對燃料乙醇的需求，燃料乙醇裝置產(chǎn)能擴張不可避免。因此計劃到“十一五”末，國內(nèi)乙醇汽油消費量占全國汽油消費量的比例將上升到50％以上，這意味著屆時中國燃料乙醇的產(chǎn)能和產(chǎn)量將會有一個質(zhì)的飛躍。 1.3本論文研究的目的與內(nèi)容 1.3.1論文研究目的 針對國際原油供應趨緊和價位偏高的狀況，發(fā)展可再生生物車用燃料潛力很大，以及我國油品消費需求快速增長的市場前景廣闊。乙醇汽油作為新型清潔燃料，是目前世界上可再生能源的發(fā)展重點，在我國完全適用；符合我國能源替代戰(zhàn)略和可再生能源發(fā)展方向，改善了油品的性能和質(zhì)量，技術(shù)上成熟安全可靠。 1.3.2論文研究內(nèi)容 本論文從乙醇汽油應用在汽油發(fā)動機的應用上入手，從動力性、經(jīng)濟性和排放特性三方面來闡述燃料乙醇在汽油發(fā)動機上應用的優(yōu)勢，比較不同摻雜比例的乙醇汽油的特性，分析現(xiàn)階段燃料乙醇發(fā)展形勢并且探討性說明燃料乙醇的非常規(guī)性排放特性對燃料乙醇有更深入了解燃料乙醇的特性。 (1)對乙醇汽油(E0、E5、E10和E15)的理化特性及應用特點進行分析，并指出它們的優(yōu)缺點。 (2)根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)繪制出不同工況下各種燃料的排放曲線，對比分析燃用混合燃料后的排放特性。 (3)評價發(fā)動機燃用混合燃料后的動力性能和燃油經(jīng)濟性。 1.4推廣乙醇汽油的意義 目前，要從技術(shù)上完全解決汽車的污染問題還不成熟，但盡量減少汽車尾氣的排放，并盡量減少排放后的危害，研究針對我國現(xiàn)實條件下的汽車排放污染物的產(chǎn)生機理和排放控制技術(shù)，有著廣泛和深遠的現(xiàn)實意義，分析排放危害和治理措施也具有廣泛的代表性和較高的實用價值。乙醇汽油能夠在一定程度上改善大氣環(huán)境、保障能源安全、推動農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展和節(jié)約國家外匯，是未來具有廣闊前景的代用燃料。可見，針對乙醇汽油的排放特性和動力性能開展研究是有必要的。 （1）節(jié)約石油資源 乙醇它以玉米、薯類、糖蜜和木質(zhì)纖維素等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾制成。乙醇汽油可以部分甚至完全取代汽油用作汽車燃料。因為乙醇完全是一種可再生能源，按照目前我國石油如此高的對外依存度，2006年我國的燃料乙醇的產(chǎn)能已達100萬噸，按照規(guī)劃在“十一五”末可達到500萬噸的產(chǎn)能，如果都用于燃料，可為國家節(jié)約石油資源，進而降低對進口石油的依賴。也為國家節(jié)約大量的外匯。 （2）減少汽車污染物的排放，保護環(huán)境 汽車燃燒石油燃料排放出的氣體中除有水蒸氣外，還有CO、HC、NOx、S02和C02等，這些氣體都不同程度對人類、動物和植物等構(gòu)成了危害。隨著汽車保有量的增加，汽車的排放已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染的首要來源。使用乙醇汽油作為燃料，可以明顯降低汽車廢氣的排放，有效改善大氣環(huán)境質(zhì)量。 目前世界上汽車對乙醇汽油的使用方法一般有兩大類：用汽油發(fā)動機的汽車，酒精加入量為5-22％；專用發(fā)動機的汽車，酒精加入量為85.100％。這樣汽車就可以降低一氧化碳排放量約30-38％，揮發(fā)性有機化合物(VOC)約12％，氮氧化物排放量約略有上升(絕對量極少)，有害物質(zhì)排放平均降低l／3以上?？梢钥闯?，用酒精作增氧劑，可顯著降低汽車尾氣中的有害物，起到凈化空氣的功效。 （3）振興地方經(jīng)濟，增加稅收 推廣使用車用乙醇汽油可以有效解決糧食轉(zhuǎn)化問題，穩(wěn)定糧食價格和農(nóng)民收入，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和消費的良好循環(huán)。近年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)連年豐收，但是糧食深加工轉(zhuǎn)化問題未能得到很好的解決，尚未形成“增產(chǎn),消費,刺激再生產(chǎn)”的良性循環(huán)。糧食庫存量逐年上升，形成了我國糧食存量的相對過剩。部分存糧已出現(xiàn)陳化。發(fā)展車用乙醇汽油，可有效解決糧食作物的轉(zhuǎn)化，形成一個長期、穩(wěn)定、有效、可控的糧食消費市場，也使國家擁有一個可靠的糧食轉(zhuǎn)化和調(diào)控手段。徹底解決了我國糧食的生產(chǎn)、消費和儲備這一政府最棘手的問題。更重要的是可以為我國培育一新的經(jīng)濟增長點和經(jīng)濟拉動點?？梢詭蛹Z食生產(chǎn)、糧食綜合加工、飼料、養(yǎng)殖、肉類加工、有機綠肥、土壤改良等一系列產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)?；l(fā)展。把我國的“農(nóng)”字文章做的有聲有色，結(jié)出豐碩成果。 1.5本章小結(jié) 本章分別對乙醇汽油的國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進行了研究，有闡述了發(fā)展我國乙醇汽油事業(yè)的目的和意義，說明了乙醇汽油的發(fā)展對我國有著重大的戰(zhàn)略意義。 第２章 發(fā)動機燃燒技術(shù) 2.1燃料乙醇與汽油的理化特性 21世紀人類面臨可持續(xù)發(fā)展的問題，對能源的需求就要多元化。所以各種代用燃料的研究很有必要。中國國家計委產(chǎn)業(yè)發(fā)展司司長談到“今后能源的多元化是一個趨勢，不是誰代替誰，而是各自根據(jù)它的經(jīng)濟性和技術(shù)性的替及程度，各有各的角色，共同承擔國民經(jīng)濟發(fā)展和老百姓生活需要的能源供給?！?目前，LPG、氫氣、NG、醇類（主要是甲醇和乙醇）等代用燃料，它們的生產(chǎn)成本、理化性能、對內(nèi)燃機排放的改善情況各有不同。因在選擇代用燃料時要綜合考慮國家資源情況、工業(yè)發(fā)展水平、生產(chǎn)代用燃料的技術(shù)及效益，熱機的適應性及發(fā)展趨勢、環(huán)境保護等。 表2.1 乙醇與汽油特性對比 燃料 汽油 乙醇 分子量 114 46 含氧量％ 0 34．8％ 物理狀態(tài) 液 液 液態(tài)密度g／cm O.72～O.75 0.790 沸點℃ 30～220 78．3 自燃點℃ 260～370 420 十六烷值 27 8 最低點火能量 O.25～O.3 —— 可燃體積比％ 1.3～7.6 4.3～19 理論空燃比(質(zhì)量比) 14.8 9.98 理論空燃比(體積比) 58.4 14.3 比熱kJ／kg 2.3 2.72 凝固點℃ -57 -114 動力粘度20.C cp O.42 1.2 運動粘度20℃cst 0.65～O.85 —— 乙醇是由烷基(-C2H5)和羥基(-OH)組成的化合物，這就決定了它本身就是一種很好的含氧代用燃料。羥基(-OH)屬于極性鍵，而石油中的烴分子都是非極性分子，因此乙醇與普通的石油燃料有一定的差別，表2．1列出了乙醇與汽油的主要物理化學特性。與石油燃料相比乙醇有如下特點：是含氧燃料，其燃料的“自攜氧性”可達到34．8％；但是乙醇的低熱值、凝固點、閃點、粘度和十六烷值都要比汽油低，而辛烷值、自燃溫度和汽化潛熱相比汽油要高的多，其密度高于汽油，沸點遠遠高于汽油，著火界限也較汽油寬廣。 燃料乙醇作為一種清潔能源，是指向汽油或柴油中加入一定比例的無水乙醇作為燃料使用。乙醇又名酒精，是由碳、氫、氧3種元素組成的有機化合物，結(jié)構(gòu)式是C2 H5 OH，相對分子質(zhì)量為46，是一種無色透明、易揮發(fā)、易燃燒的液體。燃料乙醇具有良好的互溶性，燃燒性能與礦物燃料相似，能夠完全燃燒，不會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，可直接用作液體燃料或與其他液體燃料混合使用，減少對不可再生資源的消耗。 乙醇的辛烷值較高，閃點較低，著火溫度較高，十六烷值較低，因而乙醇和汽油的性質(zhì)較接近，和柴油的性質(zhì)相差較大，故乙醇在柴油機上的應用較汽油機難度大；由于乙醇燃料“含氧”的特點，燃燒時理論上所需空氣接近汽油的一半，對于改善擴散燃燒時由于油氣混合不均勻而生成碳煙和微粒具有積極的作用。 燃料乙醇可作為基礎(chǔ)增氧劑，改善燃燒，降低有害物質(zhì)的生成，能有效降低汽車尾氣的排放。從乙醇的結(jié)構(gòu)式可以看出，乙醇含有2個碳原子，含有1個氧原子，在燃燒時，有自供氧作用，與不含氧原子而碳原子又多得多的石化燃料相比，燃燒充分，排放物中有害物質(zhì)較少，能減少機動車對空氣的污染，達到節(jié)能和環(huán)保的目的。根據(jù)美國和加拿大等國的檢測，在汽車中使用添加乙醇的汽油，所排放的臭氧會大大減少，減少了臭氧所造成的危害，對大氣的污染會明顯減輕，汽車尾氣的成分變化如表2.2所示。 乙醇燃料顯極性，具有較強的親水性，能無限溶于水：而柴油屬于石油系燃料，具有較強的僧水性，且石油系燃料憎永性順序為：脂肪族烴>烯徑>芳香烴。因為柴油中含有較多的脂肪烴，具有較少的芳香烴，當柴油和乙醇混合時，表現(xiàn)出較差的相溶性，很容易分層，不易形成穩(wěn)定的乳化液，因而解決柴油與乙醇的相溶性問題是柴油摻混乙醇的一個關(guān)鍵技術(shù) 目前，汽油和柴油燃料是廣泛使用的內(nèi)燃機燃料。石油燃料燃燒后排出的廢氣成為大氣的主要污染源。這些物質(zhì)不僅污染大氣，還會導致酸雨、光化學煙霧和臭氧層破壞等環(huán)境問題。為此，各國制定了大氣清潔法等法規(guī)，對汽油、柴油規(guī)格不斷提出新的要求，降低汽油、柴油的芳烴及柴油的硫含量等。實現(xiàn)內(nèi)燃機燃料的清潔化發(fā)展，主要途徑：改善現(xiàn)用燃料性能，使其成為清潔燃料；開發(fā)清潔的汽油與柴油代用燃料。 汽油質(zhì)量的發(fā)展大致可分為：含鉛汽油→低鉛汽油→無鉛汽油→新配方汽油（也稱“清潔燃料” ）→世界燃料規(guī)范等幾個階段。我國汽油規(guī)格的改進經(jīng)過了兩個階段：汽油牌號升級及汽油無鉛化。從2000年7月1日全國實現(xiàn)汽油無鉛化。 目前美國市場銷售的汽油有：常規(guī)汽油、含氧化物汽油、新配方汽油、乙醇汽油。其中含氧化物汽油是一種加入了富氧化合物，如加人MTBE、乙醇的常規(guī)燃料，氧化物能促進清潔燃燒，減少CO排放。新配方汽油（RFG）是調(diào)整了成品發(fā)動機汽油配方、組成和性質(zhì)，以滿足美國環(huán)保局（EPA）根據(jù)清潔空氣法211款制定的新配方汽油法規(guī)。含氧汽油和新配方汽油屬于清潔汽油。 汽油為復雜烴類（碳原子數(shù)約4～12）的混合物。無色至淡黃色的易流動液體。沸點范圍約初餾點30℃至205℃，空氣中含量為74～123g/m3時遇火爆炸。主要組分是四碳至十二碳烴類,易燃。汽油的熱值約為44000kJ/kg。燃料的熱值是指1kg燃料完全燃燒后所產(chǎn)生的熱量,由石油分餾或重質(zhì)餾分裂化制得。原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、加氫裂化、催化重整等過程都產(chǎn)生汽油組分，但從原油蒸餾裝置直接生產(chǎn)的直餾汽油，不單獨作為發(fā)動機燃料，而是將其精制、調(diào)配，有時還加入添加劑（如抗爆劑四乙基鉛）以制得商品汽油。 用量最大的輕質(zhì)石油產(chǎn)品之一，是引擎的一種重要燃料。根據(jù)制造過程可分為直餾汽油、熱裂化汽油、催化裂化汽油、重整汽油、焦化汽油、疊合汽油、加氫裂化汽油、裂解汽油和烷基化汽油、合成汽油等。根據(jù)用途可分為航空汽油、車用汽油、溶劑汽油等三大類。主要用作汽油機的燃料。廣泛用于汽車、摩托車、快艇、直升飛機、農(nóng)林業(yè)用飛機等。溶劑汽油則用于橡膠、油漆、油脂、香料等工業(yè)。汽油還可以溶解油污等水無法溶解的物質(zhì)，可以起到清潔油污的作用。 汽油作為有機溶液，還可以做為萃取劑使用，目前作為萃取劑最廣泛的應用為國內(nèi)大豆油主流生產(chǎn)技術(shù)：浸出油技術(shù)。浸出油技術(shù)操作方法為將大豆在6號輕汽油中浸泡后再榨取油脂，然后經(jīng)過一系列加工過后形成大豆食用油[5]。 2.2 燃料乙醇與汽油理化特性的比較 內(nèi)燃機燃用的石油燃料（汽油、柴油等）是烴類燃料，而醇類是烴基和羥基組成的化合物。這就從化學性質(zhì)上決定了醇類可以作為內(nèi)燃機的代用燃料。從分子組成上來看，乙醇的分子式為C2H5OH ，含有2 個碳原子、6 個氫原子和1 個氧原子；而汽油則是碳原子為5～11的液態(tài)烴類混合物，不含氧元素。乙醇和汽油在自身的物理化學性質(zhì)上，有相似的地方，也有不同的地方。乙醇與汽油的理化性質(zhì)差異主要表現(xiàn)在： （1）密度乙醇的密度比甲醇小，但略大于汽油，而低于柴油。 （2）汽化熱 ①乙醇的汽化熱低于甲醇的汽化熱。正構(gòu)烷基醇常壓汽化熱隨其分子中所含碳原子數(shù)的增加而迅速減小。②乙醇的汽化熱高于汽油和柴油的汽化熱，但溫度愈高，它們之間的差別愈小。乙醇的汽化熱高，當內(nèi)燃機燃用乙醇時，其進氣系統(tǒng)或供油系統(tǒng)和燃燒室壁面的熱量，被乙醇所吸收，這有利于提高發(fā)動機的熱效率。③乙醇的汽化熱隨溫度的升高而下降，而且，溫度愈高，下降的速度愈快。汽油與柴油的汽化熱隨溫度的變化遠較乙醇變化緩和。 （3）豁度乙醇的薪度高于甲醇和汽油，而低于柴油，這對于采用噴射方式供乙醇到內(nèi)燃機燃燒室是有利的，其破碎和霧化的程度會好于柴油。 （4）辛烷值乙醇的辛烷值與甲醇接近，遠高于汽油和柴油，因而乙醇是高辛烷值汽油的調(diào)和劑。汽油中加人一定量乙醇或甲醇，調(diào)和后的溶液辛烷值高于汽油本身的辛烷值，也明顯高于甲醇和乙醇本身的辛烷值。正因為這個特點，乙醇比較適合作為汽油機的代用燃料，也適宜于作為外源點火式乙醇發(fā)動機燃料。充分利用這一特點，提高壓縮比，噴射式供乙醇，汽油機燃用純乙醇的效率更高。 （5）蒸氣壓液體的蒸氣壓與溫度有關(guān)系。隨著溫度的升高，乙醇、甲醇、汽油與柴油的蒸氣壓均相應升高，且升高趨勢亦大致相仿。在相同的溫度下，乙醇的蒸氣壓遠低于汽油的蒸氣壓，與甲醇的蒸氣壓相近，并高于柴油（nc=10～30）的蒸氣壓。其中，冬用汽油的蒸氣壓又高于夏用汽油的蒸氣壓；甲醇與乙醇的蒸氣壓介于汽油與柴油相應值之間。甲醇、乙醇、汽油、柴油幾項基本物理特性的比較見表2.3 [6]。 2.3 乙醇汽油的優(yōu)點與缺點 乙醇汽油的有點油有： （1）乙醇是含氧燃料，含氧量達到34.8％，因此在燃燒過程中能夠產(chǎn)生自供氧效應，使得發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒更為充分和均勻，促使燃燒過程中局部缺氧的狀況得到改善，從而降低汽車尾氣有害物質(zhì)的排放，達到節(jié)能和環(huán)境保護的目的。 （2）乙醇具有極好的抗爆性能，其研究法辛烷值達到111。若與汽油混合使用，乙醇可以有效地提高燃料的辛烷值，調(diào)合辛烷值一般都在120以上，它可有效提高燃料的抗爆指數(shù)。目前，汽油機的壓縮比一般在8-9.5左右，根據(jù)研究，乙醇摻合率在15％-20％時，可以適當?shù)奶岣邏嚎s比1-2，從而獲得更好的經(jīng)濟性和動力性。 （3）乙醇的含氧量高，理論空然比要比柴油低，同樣的空氣可以燃燒更多的燃料，因此可以增大噴油量，提高發(fā)動機的功率。 （4）乙醇的汽化潛熱很高，標準混合氣的汽化溫降為74.8℃，而汽油僅為18℃。因此乙醇在蒸發(fā)時，可以周圍大量的吸收熱量，從而降低氣缸內(nèi)的溫度，從而可以增加進氣量，提高充氣系數(shù)，而且還可以減少發(fā)動機爆震現(xiàn)象的產(chǎn)生。 （5）乙醇的著火界限寬，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，而且過量空氣系數(shù)變化范圍為0.6-1.8，因此有利于使用稀薄燃燒技術(shù)進一步提高發(fā)動機的經(jīng)濟性和減少有害氣體排放。 乙醇汽油的缺點有： （1）穩(wěn)定性差 乙醇中的羥基與水容易生成氫鍵，因此在汽油中摻入乙醇容易發(fā)生相分離。這是由于乙醇對水很敏感，微量的水分就可以萃取混合燃料中的乙醇，促使汽油和乙醇分層。此外，混合燃料的熱穩(wěn)定性很差，溫度的劇烈變化也可以引起燃料發(fā)生相分離，因此，需要加入助溶劑來提高燃料的穩(wěn)定性。 （2）易產(chǎn)生氣阻 盡管乙醇燃料在38℃時的飽和蒸汽壓比汽油低的多，但乙醇燃料的沸點低，在超過其沸點溫度的高溫下，蒸汽壓會迅速增大，因此在夏季高溫條件下容易產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象。 （3）腐蝕金屬 乙醇在燃燒的過程中，會產(chǎn)生乙酸，對汽車燃料系統(tǒng)的許多金屬都有腐蝕性，可以腐蝕銅、鐵、鋁、鎂、鋅等，且乙醇含量越高，腐蝕性越大。 （4）橡膠材料溶脹裂紋現(xiàn)象 乙醇汽油對供油系統(tǒng)的橡膠部件有一定的溶脹作用，可導致橡膠部件產(chǎn)生溶脹、軟化、龜裂進而失效，對塑料件也有類似的作用。 （5）發(fā)動機磨損 乙醇的汽化潛熱大，與汽油相比不易汽化，容易因汽化不良竄入汽缸。因乙醇本身是一種很好的有機溶劑，更易將附著在汽缸壁上的潤滑油油膜清洗下來，導致潤滑油被稀釋、老化，造成摩擦面過度磨損。同時，乙醇具有易吸水乳化的特點，加上乙醇燃燒的酸性產(chǎn)物，都會促進發(fā)動機部件腐蝕磨損。乙醇還可以與潤滑油中的抗氧防腐劑發(fā)生反應而使其失效，從而增大腐蝕與摩擦。 （6）發(fā)動機低溫冷啟動困難 乙醇的汽化潛熱較高，約為汽油的3倍。此外，乙醇的標準混合氣汽化溫降為74．8℃，而汽油僅為18℃。因此，在低溫冷啟動時，乙醇汽化吸收周圍大量的熱量，進一步降低了缸內(nèi)溫度，汽化進一步惡化，導致形成的可燃混合氣濃度達不到著火濃度下限，混合氣不能著火燃燒，使得汽車的低溫冷啟動非常困難。 2.4 汽車發(fā)動機燃燒技術(shù) 傳統(tǒng)意義上認為，汽油機一般采用預混合燃燒，受不正常燃燒（主要是爆燃）的限制，其壓縮比不能提高，效率低。因此，應用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機燃燒方式，無論時火花點火或是壓縮著火，都因為氣缸內(nèi)溫度分布不均勻，存在局部的高溫區(qū)域，排放物的生成均不可避免。例如，在火花點火發(fā)動機中，火花點火以后，火焰向外傳播，火焰前鋒把氣缸內(nèi)的工質(zhì)分割成兩部分，已燃區(qū)和未燃區(qū)，已燃區(qū)是高溫度區(qū)域，也就是NOx的高生成區(qū)。在壓燃式發(fā)動機中，可燃混合氣分布極不均勻，首先是在最適宜的著火點上多點著火，然后進行由混合速率控制的擴散燃燒，此時氣缸內(nèi)不僅混合氣分布不均勻，溫度分布也不均勻，在高溫稀混合氣區(qū)生成NOx。 近年來，上述的汽油機固有的燃燒方式已經(jīng)被打破。在缸內(nèi)直噴式的汽油機的部分工況中已經(jīng)采用了稀燃，從而使汽油機的熱效率以及排放性能得到大幅度提高。 發(fā)動機的燃燒過程是將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程。進入氣缸的燃料燃燒完全的程度，直接影響到熱量產(chǎn)生的多少和排出氣體的成分，而燃燒時間或燃燒相當于曲軸轉(zhuǎn)角的位置，又關(guān)系到熱量的利用和氣缸壓力的變化，所以燃燒過程是影響發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和排放污染的主要過程，對噪聲、震動、起動性能和使用壽命也有很大的影響。汽油機混合氣的行程方式主要有化油器式和汽油噴施式兩大類型。近年來，由于排放法規(guī)和油耗要求的提高，傳統(tǒng)的化油器式混合氣形成方式難以滿足性能提高的要求。汽油噴射的燃燒系統(tǒng)在汽車上的應用有30多年的歷史，以前由于成本高，未得到推廣。近年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，其成本以大為降低，加上汽油噴射的燃燒系統(tǒng)便于電子控制，性能優(yōu)越，在汽油機混合氣的形成方式上汽油噴射已經(jīng)取代化油器。目前汽油噴射大都是電子控制。 為使發(fā)動機能夠正常運轉(zhuǎn)，必須為其提供連續(xù)的可燃混合器。通過直接或間接測量進入發(fā)動機的空氣量，并按規(guī)定的空燃比計量燃油的供給量，這一過程稱為燃油配置。汽油機的燃油配置類型，根據(jù)汽油的攻擊方式可分為化油器式和燃油噴射式兩種。這兩種裝置均是依據(jù)節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速計量進氣量，然后根據(jù)進氣量供給適當空燃比的混合氣進入汽缸。 2.5乙醇油燃燒特點 隨著混合燃料中乙醇比例的增大，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力在1600r／rain工況幾乎相當，但2400r／min工況隨著乙醇比例增大，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低。乙醇比例增大，著火滯燃期延長，最大放熱率峰值升高，最大爆發(fā)壓力推遲。 上述缸內(nèi)壓力及燃燒放熱變化規(guī)律主要是由以下幾個原因共同作用的結(jié)果，其一，乙醇汽化潛熱大，添加乙醇導致壓縮沖程缸內(nèi)溫度降低，乙醇比例增大，對溫度影響越明顯；其二，乙醇柴油十六烷值熱，乙醇比例越大，十六烷值越??；其三，混合燃料熱值降低，在熱效率幾乎不變的條件下，同一工況噴入的混合燃料體積流量增多， 噴油持續(xù)期延長，其次，乙醇燃料中含有氧，乙醇燃料粘度低，混合燃料有利于混合氣形成，提高燃燒反應速度。隨著混合燃料中乙醇比例增大，十六烷值降低，缸內(nèi)壓縮溫度低，導致滯燃期延長，最高燃燒放熱峰值增加，小負荷工況這種影響尤其明顯，但小負荷：亡況對燃燒持續(xù)期影響不大；隨著負荷增大，滯燃期影響變小，但燃燒持續(xù)期的影響增大，轉(zhuǎn)速1600r／min工況燃燒持續(xù)期明顯延長，這是由于隨著負荷增大，缸內(nèi)熱負荷增大，汽化潛熱的影響變小，由于噴入的燃料量增多，噴油持續(xù)期延氏導致燃燒持續(xù)期延長；但高轉(zhuǎn)速工況(2400r／min)，混合燃料的燃燒持續(xù)期明顯縮短，這是由于轉(zhuǎn)速升高，單個循環(huán)燃燒反應時間縮短，混合燃料改善了燃油與空氣的混合質(zhì)量，使燃燒反應速度加快。 2.6 本章小結(jié) 從以上對比可見，發(fā)展乙醇在我國具有廣闊前景。對乙醇汽油雙燃料發(fā)動機性能的研究也是很有現(xiàn)實意義的。我們的主要研究任務是一方面對燃燒過程進行分析，以達到認識燃燒特性，合理組織燃燒的目的。另一方面要達到降低排放的目的。 第３章 實驗方案設計及實驗設備簡介 3.1 實驗方案的設計 (1)怠速實驗 ①實驗目的 評定發(fā)動機不帶負荷下的排放特性。 ②實驗方法 發(fā)動機空轉(zhuǎn)，在不同轉(zhuǎn)速下進行測量。實驗中測量點的轉(zhuǎn)速分別選取為1 600r／min，2000r／min和2400r／min，2800r／min在每個測量點，待發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定1分鐘后開始測量。 ⑨測量項目 CO、HC、NOx的排放值。 （2）部分負荷工況實驗 ①實驗目的 在規(guī)定轉(zhuǎn)速下，評定發(fā)動機部分負荷下的排放特性和燃油經(jīng)濟性。 ②實驗方法 在適當轉(zhuǎn)速下進行，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，從小負荷10N·m開始，保持節(jié)氣門開度不變，每次多加載10N·m直至80N·m。記錄實驗數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速分別固定在：l600r／min，2000r／min和2400r／min，2800r／min在每個測量點，待發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定1分鐘后開始測量。 ③測量項目 CO、HC、NOx的排放值；有效功率；燃油消耗率。 3.2乙醇汽油的摻比方案 在發(fā)動機中摻比醇燃料的多少，通常用醇燃料在總?cè)剂狭恐兴嫉娜莘e百分比（表示。本實驗采用乙醇所占總?cè)剂象w積的5%、10%、15%和純汽油，表示為E0、E5、E10、E15。 確定發(fā)動機中摻比多少醇及采用什么摻比方式較好時，主要考慮如下幾點: （l） 目前生成的汽車發(fā)動機等能否適應，如不適應，結(jié)構(gòu)需要變動的程度及投資情況； （2） 發(fā)動機的動力性能、燃油經(jīng)濟性及排放特性； （3） 車輛的冷起動性能及熱驅(qū)動性能； （4） 材料的相容性； 一般實驗以選取純乙醇（含醇99.5%）與純汽油混合，摻醇的比例選擇為5%、10%、15%。必須指出的是，汽油機中摻燒醇類，醇類與柴油或汽油必須均勻混合，最好是均勻混溶。如果醇油分層或醇含水而與油分層，則對燃燒的均勻性和發(fā)動機工作過程的均勻性有明顯影響。這會造成熱效率下降，排污增加，同時增加了發(fā)動機的振動、噪聲和機件的早期損壞。乙醇與汽油的互溶度與乙醇的含水率和溫度有關(guān)。 常溫下，純乙醇與汽油的互溶度較好，乙醇中含水以后，與汽油的互溶性便迅速下降。而乙醇極易吸收空氣中的水分，所以必須解決含水乙醇與汽油的互溶的問題。為了不使混合燃料分層，需要采取適當?shù)闹苁侄?，還對乙醇的含水量有限制，形成混合均勻的汽油乙醇混合燃料。 3.3 相關(guān)實驗臺設備 3.3.1 實驗用汽油機 汽油機采用東安發(fā)動機 型號4G18系列發(fā)動機如圖3.1，該發(fā)動機動力表現(xiàn)優(yōu)異，4G18型發(fā)動機的排量為1.584升，壓縮比為9.5；最大功率為73.5KW/6000 r/min，最大扭矩為133.5N. m. 4G18系列發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)緊湊、排量適中、動力性好、安全性高、用途廣泛等特點，是經(jīng)濟型轎車的理想動力裝置，適合為家用轎車和多功能車配套。由于該產(chǎn)品采用4氣門多點電子噴射等科技含量較高的新技術(shù)，使其不但完全滿足我國新的排放法規(guī)的要求，而且達到了“歐洲3"和“歐洲4"排放標準。 圖3.1 東安發(fā)動機4G18系列發(fā)動機 表3.1 東安發(fā)動機4G18系列發(fā)動機信息 發(fā)動機型號 4G18S 氣缸布置型式 L4,16V 缸徑×沖程（mm） 76.0×87.3 排量（cc） 1584 壓縮比 9.5 配氣機構(gòu) SOHC 最大凈功率（Kw/rpm） 73.5/6000 最大凈扭矩（Nm/rpm） 133.5/4500 外廓尺寸（長×寬×高）（mm） 617.8×613.2×622.2 重量（kg） 115±2 3.3.2 測試系統(tǒng) 測試系統(tǒng)采用湖南湘儀動力測試儀器有限公司的配套測試設備，其中包括FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)、FC2210Z智能油耗儀、IC轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、DC1040發(fā)動機油溫由于乙醇燃料與汽油相比，熱值低、汽化潛熱大、十六烷值和粘度低，以及與石油燃料不易混溶等特點，要不經(jīng)變動、用現(xiàn)有的供油設備直接在內(nèi)燃機中燃用乙醇就能取得良好的效果，首先要采用一些較合適的摻比方案。調(diào)節(jié)器、FC2420發(fā)動機水溫調(diào)節(jié)器、南京中科電機有限公司W(wǎng)P225變頻調(diào)速電動機、CW160電渦流測功機等。 3.3.3 FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng) FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)如圖3.2在設計過程中吸取了奧地利AVL公司SUCK公司發(fā)動機自動測控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。測控儀采用數(shù)字增量電壓控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩且無擾動切換控制；液晶顯示測量參數(shù)，使測控儀的易操作性、及發(fā)動機轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩的控制穩(wěn)定性得到很大的提高。FC2000的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了國際流行的CAN現(xiàn)場總線通訊協(xié)議和模塊化設計技術(shù)；各種不同的傳感器輸出的信號，集中到CAN智能模塊調(diào)理成標準的數(shù)字信號，并通過總線網(wǎng)絡進行傳輸，可使多套測控系統(tǒng)組成局域網(wǎng)絡，便于集中管理。 FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)是為滿足發(fā)動機制造業(yè)中各種不同類型的柴油機、汽油機、天然氣、液化氣發(fā)動機性能試驗和出廠試驗而精心設計大型測控系統(tǒng)。它可與國內(nèi)外各種不同的水力、電渦流、電力測功機配套使用，用于控制和測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、燃油及燃氣消耗量、溫度、壓力、流量等各種不同類型的參數(shù)。 圖3.2 FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng) 主要特點： （1）采用先進的CAN現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，符合國際標準IS011898 （CAN）。 （2）具有簡化的網(wǎng)絡特性，并可使多套測控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)的功能擴展不需要重新布線，可就近接在原有的模塊上非接觸，無磨損的數(shù)字電位器給定方式。 （3）數(shù)字分段PID調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)速、負荷，保證控制的穩(wěn)定性。 （4）各種控制特性的無擾動切換。 （5）多種控制特性可滿足發(fā)動機試驗的要求。 （6）模塊化設計使結(jié)構(gòu)簡化，具有無可比擬的可靠性和可維護性。 （7）數(shù)字密碼授權(quán)，保證了測控儀關(guān)鍵參數(shù)不能越權(quán)操作。 （8）越限三級報警（報警、保護、緊急停車）。 （9）功能齊全的軟件支持。 （10）各測量參數(shù)的數(shù)字化標定，取代了傳統(tǒng)的電位器標定。 （11）用戶可隨意編制線性化表格，以運用各種非線性輸出的傳感器。 技術(shù)指標： 1．轉(zhuǎn)速測量精度：士lr/min 2.轉(zhuǎn)速控制精度：士5r/min 3.扭矩測量精度：士0.4％F. S 4.扭矩控制精度：士0．4％F. S 5.油耗測量精度：士0.2％F. S 6.變換工況過渡時間：不大于los 3.3.4 FC2100油耗儀 FC2100智能油耗儀是精心設計的FC2000系列發(fā)動機自動測控系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。主要用于測量各種汽油機，柴油機、電噴發(fā)動機的燃油消耗。FC2100智能油耗儀采用一體化設計技術(shù)，油耗測量和顯示儀表集于一體，可以獨立的完成發(fā)動機燃油消耗的測量。FC2100智能油耗儀采用先進的CANBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，具有簡化的網(wǎng)絡特性，使多臺測試儀器聯(lián)網(wǎng)成為可能。同時保留了標準的RS232C串行接口，可方便的與通用微型計算機或其它智能儀表組成更高級的測試系統(tǒng)，或?qū)崿F(xiàn)遠程控制。FC2100智能油耗儀的稱重部分采用全密封設計，能在環(huán)境較惡劣的現(xiàn)場正常工作，即使在電磁閥完全失靈的情況下，燃油也不會溢出，保證使用的安全，特別適用于大回油量的發(fā)動機和電噴發(fā)動機。 FC2100智能油耗儀具有以下優(yōu)點：