车用乙醇汽油发动机性能的实验研究

摘 要本次论文的题目是车用乙醇汽油发动机性能的实验研究。为了缓解汽车工业的飞速发展所带来的能源紧张和环境污染双重压力，研制开发清洁代用燃料以及合理的资源利用已成为日益突出的现实性课题。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。本论文在对纯汽油（发动机的动力性、燃油经济性、排放特性和燃烧特性也做了一定的研究与分析，发现燃用混合燃料的动力性有所降低，但与原机相差不大:以质量计的燃油消耗率明显增加，但以热值计的能耗率保持良好，燃油经济性有所降低燃烧特性分析从根本上分析了乙醇汽油动力性不足的原因。燃用乙醇汽油混合燃料后，尾气排放中的同时也会引起个别工况下料三元催化转化效率与燃料的的含醇量以及发动机的负荷和转速有关。关键词：乙醇汽油；动力性；燃油经济性；排放特性；燃烧特性of In of by of of of is to to a of on a of 10 20 on of of of of of a of O C be to Ox of as as 摘要 3第2章乙醇汽油理化特性研究醇理化性质醇汽油的热值计算章小结7第3章乙醇汽油发动机性能研究验装置仪器验方案力性分析响因素分析验结果分析油经济性放特性分析速工况下排放特性分析氧化碳（放特性分析氢化合物（放特性分析氧化物（放特性分析章小结26第4章乙醇汽油的三元催化转化性能研究元催化转化器的构造及反应原理元催化转化器的构造 元催化剂的主要反应步骤元催化转化器的化学反应醇汽油三元催化转化效率研究章小结31第5章乙醇汽油燃烧特性的研究功图分析烧持续期章小结35结论36参考文献37致谢39附录A40附录B43第1章绪 界的石油资源口趋减少，石油燃料的短缺现象已经出现，并且日益严重。2004年，我国每天的石油需求为80万吨，全年共消耗石油3亿吨，这对我国的能源安全造成了巨大的威胁。另外，随着汽车保有量的增长，约占能源总需求量40%的车用燃料的消耗量与日俱增，巨大的燃油消耗不仅对口益枯竭的石油能源造成巨大压力，同时大量燃油燃烧不当所排放出的污染物已成为威胁人类生存的主要因素1。因此，寻求资源丰富、环境友好和经济可行的代用燃料已成为人类待解决的重大问题。国家在新颁布的汽车产业发展政策中明确指出鼓励使用节约能源的柴油汽车和混合动力汽车，同时加大对使用可再生能源汽车的推广，比如在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽等省燃用乙醇汽油。发展生物能源，农民将直接受益。“三农”一直是党中央、国务院非常重视的问题，推广乙醇汽油等生物能源的初衷就是为了给丰产的玉米等农作物寻找出路、消化陈化粮、避免谷贱伤农2。生物能源有助十带动大宗粮食深加工及相关产业的发展，实现农副产品的增值和转化。现阶段，燃料乙醇的生产原料主要是陈化粮，陈化粮问题解决后，燃料乙醇生产应立足于粮食主产区，作为调节市场供求的一种手段(以消耗低品质粮食为主)，纳入到粮食生产、消费和饲料生产、消费的产业循环中，它只会促进和保障粮食生产和粮食安全3。同时，还可以积极发展木薯、红薯、甘蔗、甜高粱等不与口粮(小麦、稻谷)生产争地、争水的高产、高糖或耐旱、耐盐碱的代粮经济作物，为生产燃料乙醇开发更多的原料储备4。从发展的眼光看，最终解决燃料乙醇大量使用的原料问题将转向纤维，依靠生物技术、基因技术等高新技术的发展。通过筛选种植高能、高产的植物；利用我国大量的农业废弃资源(桔杆)和工业废弃物资源，开发和实现利用纤维质生产酒精技术的产业化，可以为燃料乙醇生产提供取之不尽、用之不竭的可再生植物原料5。发展生物能源，在环保方面的意义同样深远。就乙醇汽油而言，由于加入燃料乙醇，乙醇汽油中含氧量增加，作为尾气的一氧化碳和碳氢化合物的燃烧更充分，生产燃料乙醇所需的玉米和小麦是可再生资源，在其生长过程中大量吸收二氧化碳。这对履行新京都议定书规定的排放标准，缓解经济高速发展所带来的人与环境保护方面的矛后将大有裨益。内外主要集中在混合燃料的燃烧和排放特性方面，而国外在这两方面的研究都较为深入和成熟。两人发现，通过向汽油中添加5的乙醇，可以使发动机获得最佳的功率输出和部分负荷工况下421的热效率的提高。矩、容积热效率和有效热效率，同时可以减少有效燃油消耗率。MA研究了燃用5、15和果表明：混合燃料有利于降低循环变动，从而改善发动机的燃烧和排放特性，提高发动机的动力性、经济性并改善排放性能。国内在上述方面的研究还尚未见报道，而在尾气排放及其的催化转化方面，国内的研究就比较深入了。1995年于6辆在用车上进行实验发现，当乙醇含量高于25时，乙醇含量提高到40时，总碳氢化合物(放在最初的时候先增加了一点，而后随着A同时发现四种混合燃料的放曲线呈先减小而后增大的趋势。2002年在一台闭环控制发动机上研究发现，加入乙醇可以使90和2080，并且与乙醇含量的多少关系不大，但这一结论仍需进行实验验证。HS燃用10、40和现低转速下种混合燃料平均分别减少了11与高转速下，沧粟和杜德兴10同时发现：发动机燃用混合燃料后，不影响功率、扭矩等的使用性能，无须对发动机进行改装；掺烧乙醇后，有利于改善发动机的燃烧状况，降低能耗率。何帮全11等人在一台电喷汽油机上燃用1怠速工况下，燃用混合燃料可显著降低排放，祥等人12在一台多点电喷汽油机上实验，发现在低转速时，三效催化器对排放中中高转速时随负荷的增加净化效率降低；对且三效催化器的净化效率与乙醇的含量、发动机的转速和负荷有关。内外对乙醇汽油混合燃料的研究主要集中在及一些高比例混合燃料(如60和面，结合我国国情(资源条件、汽车工业水平等)，本论文希望通过对三种低比例的混合燃料(1动力性能、经济性能、排放和燃烧特性进行研究分析，从而为我国乙醇代用燃料汽车的研究和扩大应用范围提供有价值的理论和技术支持。研究目的在于通过对在同一台电喷发动机上燃用三种低比例乙醇汽油混合燃料后的动力性能、经济性能、排放和燃烧特性进行对比实验，评价三种混合燃料在电喷发动机上的动力性能、经济性能、排放和燃烧特性，以便在实际应用中，充分发挥乙醇燃料的优点，使其在电喷汽油发动机上发挥更好的作用，为乙醇燃料的继续推广应用打好理论基础，拟从以下几个方面展开研究：0、理化特性进行分析；取分别燃用三种燃料后的常规特性数据和燃烧数据，评价发动机燃用混合燃料后的动力性能和燃油经济性；比分析燃用混合燃料后的排放特性和三元催化转化效率；比分析燃用混合燃料后的燃烧特性。学分子式为燃机燃用的汽油、柴油等是烃类燃料，而乙醇是烃基与羟基(成的有机化合物。乙醇分子中含有羟基这一特点是乙醇燃料与烃类燃料不同的根本所在。乙醇含有一个羟基，属于一元醇，它的来源较为丰富，具有一定的可再生性。表2醇与汽油的主要理化性质比较项目 乙醇 汽油化学分子式 8辛烷为例）氧含量（m%） 沸点（ C ） 0220低热值（MJ/J/kJ/862 297自燃温度（ C ） 420 260370辛烷值 111 91理论空燃比（m/m） 气中的容积比%） 9 醇含有羟基(能与水以任意比例互溶，而烃类燃料憎水性强，因而乙醇与烃类燃料的相容性较差。在常温下，只有醇含量很低或很高时，才可能互溶。在燃烧过程中有自供氧效应，这意味着同样质量的燃料完全燃烧所需的空气质量就相对较少，有利于高原地区的应用;同时它能比在同样的进气条件下，乙醇由于自身含氧则使燃烧过程得到改善，燃烧较为均匀，局部富氧和局部缺氧的概率减少，热效率提高，燃烧过程组织的好，则发动机的动力性、经济性及排放性都可以得到改善。乙醇与汽油掺烧，可使混合燃料即乙醇汽油也变成为含氧燃料。助于燃油会使产生气阻的倾向大，并且其中缺少高挥发性成分，对冷起动不利。而且两者的凝固点都比较低，在低温环境下都能正常使用。因此，与燃用汽油相比，在同等的热效率下，醇类燃料的有效质量燃油消耗率高。的汽化潜热及低的蒸气压将导致混合气形成和起动困难，但它在进入进气管、进气道或者进入气缸后，能吸收沿途管道壁面和燃烧室周围高温零件壁面的热量，使自己蒸发，有可能提高充气效率。通常通过增加发动机进气加热系统或废气预热空气系统，提高进气温度，改善混合气形成及燃烧，改善乙醇汽车的低温起动性。高，为111，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽油的辛烷值。因此，使用乙醇汽油的发动机可适当提高压缩比来提高热效率，从而获得较好的动力性能和经济性能13 。汽油更容易稀燃。能在比较稀的混合气状态下工作，而且不会因空燃比得不到精确控制而导致间断着火;能够允许在稀混合气工作时，较大自由的选择运转工况，这将有利于提高经济性并且降低排放污染。稀燃是一种节能燃烧和完善燃烧的形式，有利于提高热效率，而且压缩比越高，负荷越大，越容易稀燃。热值是燃料完全燃烧后发出的热量加上燃烧产物之一的水蒸气冷凝后放出热量的总和，它是燃料完全燃烧后所能发出的总热量。低热值是高热值减去水的汽化潜热后的热值。发动机排气中的水蒸汽所含的冷凝热，实际上是难以回收的，所以燃料的热值常用低热值表示。发动机是进行热功转换的热机，燃料所含热量是发动机输出功率的能量来源，因而燃料低热值是评价燃料性能的一个重要指标。据混合燃料中乙醇和汽油的体积分数，以及测取的混合燃料的密度，可以计算出混合燃料中乙醇和汽油的质量分数，然后按照下式14对混合燃料的质量低热值中，乙醇汽油混合燃料的质量低热值，单位为MJ/G混合燃料中汽油的质量百分比，单位为%；汽油的质量低热值，单位为MJ/E混合燃料中乙醇的质量百分比，单位为%；乙醇的质量低热值，单位为MJ/据混合燃料中各成分的体积百分比，可以通过下式换算得到相应的质量百分比14: V += (E=1低热值计算过程如下: %90 =+ =+ = 计算得到的得到燃料的质量低热值10 J/先要计算混合燃料的理论质量空燃比，可以按照下式14进行计算: += (中，量比):量比)；量比)。汽油的理论空燃比(质量比)醇的理论空燃比(质量比)以它的理论质量空燃比:L=验用燃料的理论空燃比(质量比)燃料的理论空燃比燃料 10 以按照下式14计算乙醇汽油混合燃料混合气的热值:+=1 (中，乙醇汽油混合燃料混合气的热值，单位为MJ/过量空气系数；L理论空燃比(质量比)。在理论混合气状态下，过量空气系数=1，可以根据燃料的质量低热值和理论空燃比计算混合燃料理论混合气的热值。仍以它的理论混合气热值:+=燃料的理论混合气热值燃料 10 J/本章小结本章概述了乙醇和乙醇汽油混合燃料的理化性质，并分别与汽油进行了对比，结果表明:醇汽油一定程度上变成了含氧燃料，辛烷值提高，可以改善燃油品质，优化发动机燃烧，降低排放。论空燃比和理论混合气热值均随着乙醇体积含量的增加而逐渐降低。种乙醇汽油混合燃料的质量低热值及其理论混合气的热值与汽油相差不大，可以作为石油的替代燃料。论文实验数据采集，主要是通过 析和记录排放数据;利用发动机测试控制仪测量并由2000测控系统软件来设置发动机各种工况，并记录各工况下所需测量的实验数据。实验所用主要测量仪器名称、验用测量仪器测量仪器名称 用途 型号东安发动机 研究对象 4制各种工况 录油耗 放信号采集 荷特性 动机主要技术参数排量 0点火方式 多点电喷最大功率/转速 85000速 500冷工作方式 自然吸气气缸排列形式 用来测量动力机械各种特性的试验仪器。本机适用于中、小型功率电机、汽车、内燃机、燃气轮机、水轮机、工程机械、林业、矿山、石油钻采等机械的性能试验，也可作为其它动力设备的吸功装置。1）结构简单，操作维护方便。（2）制动力矩大，测试精度高，工作稳定。（3）转动惯量小，动态响应速度快。（4）与测控系统配套，可实现自动化操作。技术指标：（1）最大励磁电压：2）最大励磁电流：3）冷却水压：出水温度升高时，适当加大水压使出水温度降低。（4）冷却水流量：冷却水量取决于进水、出水的温差和吸收功率的大小。（5）测功机出水温度：小于55。（6）工作方向：左旋或右旋，连续工作。（7）扭矩测量精度：S。（8）转速测量精度：lr/所示，在设计过程中吸取了奥地利是为满足发动机制造业不同类型柴油机、汽油机、天然气、液化气性能试验和出厂试验而精心设计的大型测控系统，可与国内外各种不同的水力、电涡流、电力测功器以及各种型号的烟度计、废气分析仪等配套，用于控制和测量发动机的转速、功率、燃油/燃气消耗量、温度、压力、门)励磁驱动控制两个单元，用于控制和测量发动机的转速、扭矩、功率、温度、压力、流量等。要功能介绍:指定工况测试功能:根据用户需要，将汽车发动机置于用户指定工况运行，可测量此时的废气排放数据，可从事汽车及发动机排放性能测试和催化转化效率测试。故障诊断、分析和维修指导功能:通过对测量的废弃参数变化情况的分析，帮助判断汽车排放超标的原因，并提出修理建议，指导故障诊断和维修。如:判断废气控制系统中三效催化器的好坏，空气滤清器是否过脏等。气路泄漏自检功能:将取样探头前端用阻塞帽阻塞，进行“气路泄漏自检”操作，可检测整个气路有无泄露现象。验目的在怠速工况下，评定发动机的排放特性。实验方法在怠速工况下，待发动机运转稳定2分钟后开始测量。测量项目C,验目的在规定转速下，评定发动机部分负荷下的排放特性和燃油经济性。实验方法在适当转速下进行，发动机转速不变，渐开大节气门，速分别固定在:1600r/2000r/400r/每个测量点，待发动机运转稳定2分钟后开始测量。测量项目C,油消耗率、三元催化转化效率。门开度下实验实验目的在规定转速下，评定发动机80%负荷下的排放特性、燃烧特性和动力性。实验方法在适当转速下进行，节气门保持全开，发动机转速不变。测量点:1500r/2000r/500r/000r/发动机运转稳定2分钟后开始测量。测量项目C，效功率、转矩、不同的曲轴转角对应的缸压、瞬时放热率和累计放热率。是发动机单位气缸工作容积输出的有效功，而平均有效压力可以通过下式来进行计算15。 = （中，位为位为MJ/量比)；发动机的充气效率；发动机的有效热效率；发动机进气管状态下的空气密度（Kg/下面对式(的参数分别进行分析。v ，和进气密度 a发动机的充气效率 v ，是实际进入气缸的新鲜工质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量的比值。产生的冷却效应可以有效降低压缩负功，提高发动机的充气效率;而发动机的进气密度 a 与温度有关，乙醇汽油混合燃料的汽化潜热较高，混合燃料蒸发汽化，一定程度上可以使进气温度得以降低，使进气密度 a 升高。因此充气效率 v ，和进气密度 a 提高，平均有效压力e 。发动机的有效热效率是内燃机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，可以用下式进行计算15。 = 中， e 发动机的有效热效率；有效燃油消耗率，单位为g/Kwh；乙醇汽油混合燃料的质量低热值，单位为MJ/动机的有效热效率和有效燃油消耗率成反比，知道其中一个，就能计算出另外一个。根据实验记录的数据，可以计算出对比实验中，发动机燃用10和验中发动机燃用三种燃料后的有效热效率都不高，见，有效热效率 e 降低，会导致平均有效压力量空气系数和混合气的空燃比A/里讨论的是理论空燃比状态下的情况，即=1，式子(的分式部分可以表示为，种低比例的乙醇汽油混合燃料的值略低于汽油，但与汽油相差不大;随着混合燃料掺醇比例的增大，混合燃料的值是逐渐减小的。所以在理论空燃比下，两种低比例乙醇汽油混合燃料20略低于与汽油。种燃料的值燃料 10 值 了解掺醇率对发动机动力性能的影响，对油门开度80%工况下，发动机燃用三种燃料后的输出和转矩进行了测取，0%0%负荷工况运行时，发动机燃用各种燃料后得到的转矩曲线变化趋势相同，燃用10和动机在80%负荷工况下运行时，节气门开度一样，电喷汽油机的控制策略为开环控制，混合燃料喷射持续时间与么喷入的燃料体积与于混合燃料的热值低，发动机燃烧同样体积喷油量的乙醇汽油混合燃料后所释放的总热值有所降低，将会导致循环放热量减少造成发动机功率和扭矩有所下降。然而另一方面，产生的冷却效应可以有效降低压缩负功，混合燃料的蒸发汽化，可以使进气温度得以降低，充气效率得以提高，使得平均有效压力定程度上又可以保证发动机的动力不致降低。所以，在不改动发动机的情况下，发动机燃用乙醇汽油混合燃料时，动力性能与是略低于、图中可以看出三种工况下，伴随着负荷的逐渐加大，燃油消耗率曲线呈现出降低的趋势；同时混合燃料的燃油消耗率基本上均高于且随掺醇比例的增加而依次增加，这是因为乙醇汽油混合燃料的质量低热值和理论混合气热值均低于以在同样的运行工况下，为了使发动机输出相同的动力，就需要燃烧更多的混合燃料，并不是燃烧热效率的恶化所致。000r/400r/以用燃油消耗率来比较乙醇汽油混合燃料的经济性并不全面。因此，为了提高发动机燃用混合燃料时燃料消耗的可比性，在比较燃油消耗率的同时引入能量消耗率(能耗率)来进行不同燃料在不同工况下为发动机提供总能量的比较。其处理公式如下所示:Ee=be中，能耗率，单位为MJ/kwh；燃油消耗率，单位为g/kwh；混合燃料的质量低热值，单位为MJ/1。从图中看出三种工况下，与合燃料的能耗率略有降低，并且随着负荷的增加，为乙醇具有较宽的着火极限，燃烧速度快，并且混合燃料含氧，混合气燃烧相对更充分，使得燃烧热效率和能量利用率得以提高，降低了混合燃料的能量消耗率。中以纯汽油时的排放为100，使用图可知，随乙醇含量的增加，O）排放特性分析根据实验各个工况对燃用三种实验燃料(10和测得的制出下列各图。5分别是发动机在三种不同转速下图上可以看出:10和在一定转速下，随着负荷的加大，三种燃料是由于电控发动机在中小负荷工况时是实行闭环控制的，时汽油机用经济混合气工作，基本上可以保证燃料充分燃烧;另一方面，随着掺烧乙醇比例的增大，电控系统使发动机进气量自动减小，此，在中小负荷工况，各种燃料的势比较平稳而在大负荷时，电喷汽油机为了输出较大的功率将会增加喷油量以形成浓混合气，就使得种混合燃料的排放效果均优于燃用且随着掺烧乙醇比重的增加，是因为乙醇汽油燃料自携氧要比空气中的氧更有助十充分燃烧，或者说原子氧要比分子氧更容易参加化学反应，加之混合燃料中乙醇的C/化潜热大于汽油，有利十混合气的充分燃烧。乙醇化学结构中的轻基燃烧速度和火焰传播速度高十汽油，这也是掺烧乙醇后6。门开度时燃用三种燃料的图上可以看出:燃用10和来上升很快;同时，随着掺醇率的提高，是由于电控喷油发动机的空燃比控制策略来决定的，在发动机达到某一转速或者负荷时，就要增大喷油量，以形成功率混合气，而高转速段混合气的形成时间较短。所以，在高转速段样也是由于乙醇汽油混合燃料富氧特性的作用，使得混合燃料的排放仍然低于0%C）排放特性分析根据实验各个工况对燃用五种实验燃料(10和测得的制出下列各图。9分别是发动机在三种不同转速下图上可以看出:燃用合燃料且随着掺烧乙醇比重的增加，是因为在闭环控制区域内，种燃料基本上都可以完全燃烧。然而由于乙醇的含氧量高，当乙醇加入后，混合燃料的含氧量获得提高，也使燃烧得以改善，燃料含氧降低了中小负荷工况下因为混合气过稀引起的降低了高负荷工况下因为混合气过浓导致的此可知，即使在不缺氧的闭环区域，乙醇燃料的加入或者燃料含氧量的增加仍可改善燃烧。这也说明燃料自携氧对降低7。三种燃料的燃是由于节气门开度保持一致时，随着转速的提高，燃烧速度得以提高，一定程度上降低了因火焰在到达壁面前由于膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄的可能性，所以，时，发动机在全负荷工况运行时也使得排气温度获得提高，一定程度上为8。另外，乙醇汽油混合燃料含氧，其含碳量比汽油低，加上燃烧最高温度低，又集中在定容区内燃烧，后燃的现象较少，也使排气中醇比例越大，氮氧化物（放特性分析根据实验各个工况对燃用三种实验燃料(10和测得的制出下列各图。3分别是发动机在3种不同转速下图上可以看出:着负荷的增加，是由于发动机在小负荷时，缸内温度比较低，因而动机在中等负荷时，混合气浓度变化不大，但是缸内温度上升了，所以排放有所增加。而发动机在大负荷时，供给较浓混合气，氧不足，即使此时缸内温