含氧材料对重型柴油机性能的影响-职业学院汽车技术服务与营销毕业论文

毕业设计(论文) 含氧材料对重型柴油机性能的影响 学院汽车交通学院 年级2010 级营销 2班 专业汽车技术服务与营销 学号201006010248 学生姓名冯武 指导老师全勇 2013 年 4月 四川科技职业学院毕业设计(论文)第I页 毕业设计(论文)诚信承诺书 题目 学生姓名冯武学号201006010248 专业汽车技术服务与营销班级2010 级营销 2 班 学生承诺 我承诺在毕业设计(论文)活动中，遵守学校有关规定，恪守学术 规范，本人毕业设计(论文)内容除特别注明和引用外，均为本人观点， 不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况，如果 有违规行为和论文抄袭率达到 30%以上，我愿意承担一切责任，接受 学校的处理。 学生(签名)： 年月日 查询毕业设计(论文)抄袭结果：% 指导教师承诺 我承诺在毕业设计(论文)活动中，遵守学校有关规定，恪守学术 规范，经过本人核查，该生毕业设计(论文)内容除特别注明和引用外， 均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数 据的现象。 指导教师(签名)： 年月日 四川科技职业学院毕业设计(论文)第II页 四川科技职业学院毕业设计（论文）评审表（指导教师用） 姓名学号题目 评价项目具体要求权重ABCDE 调查论证 能独立查阅文献和从事其他调研；能正确翻译外文资料； 能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种 信息及获取新知识的能力。 0.1 研究方案的 设计能力 论文的整体思路清晰，结构完整、研究方案完整有序。0.2 分析与解决 问题的能力 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处 理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。 0.2 工作量及 工作态度 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作 努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。 0.2 质量 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨 合理；试验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准 确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整 洁、正确；论文结果有应用价值。 0.2 创新工作中有创新意识；对前人工作有改进、突破或独特见解。0.1 评定成绩（优、良、中、及格、不及格） 指导教师意见： 指导教师签名： 20年月日 说明：在“A、B、C、D、E”对应的栏目下划“” 指导教师用黑色笔迹填写，不少于 80 字。 四川科技职业学院毕业设计(论文)第III页 四川科技职业学院毕业设计(论文)任务书 学生姓名学号指导教师 学院名称专业名称 论文题目 题目来源实习实践（）理论研究（） 一、基本任务与要求 基本任务：通过论文及设计，利用自己的专业知识对人事系统的基本管理模块及功能进行实现， 界面清晰明了，人机对话简单方便 要求：设计要有一定的专业性，体现出自己的专业所学，对 Visual Basic 界面实现把握恰当， 视觉效果很好；系统模块检索功能操作方便 二、工作内容及时间安排 1选题：20年月日前 2开题报告：20年月日前 3收集资料及实施研究：20年月日前 4完成初稿：20年月日前 5完成修改稿：20年月日前 6完成定稿：20年月日前 7答辩：20年月日前 所有表格需打印内容均为 5 号宋体 指导教师用黑色笔迹填写，字数为 100120 四川科技职业学院毕业设计(论文)第IV页 摘 要 柴油机以高的热效率和稳定性越来越受到世界各国的青睐，但因为柴油机扩 散燃烧模式决定了 NO_X 排放和碳烟排放比较高，这就对柴油机燃料的要求比较 高，而能源匮乏和环境污染是当今各国所面临的两大难题。这二者之间存在相互 制约的关系。乙醇、生物柴油为生物质含氧燃料，具有自供氧功能，并且来源广 泛，可以再生。通过柴油与乙醇、生物柴油的混合可以有效地降低发动机碳烟排 放,达到降低排放、缓解石化能源危机的目的。各项研究和实验表明：混合燃料可 以有效降低柴油机的可吸入颗粒物(PM)排放，且生物柴油和 DMC 的比例越大，降 烟的效果越显著，但 NOx 排放增加；掺混生物柴油体积分数为 20%、DMC 为 10%时， 发动机外特性扭矩下降约 5%。通过调整最大供油量，可使柴油机的功率恢复到原 机状态；恢复功率后，发动机的碳烟排放比使用纯柴油的原机降低了 54.5%。 关键词：柴油机含氧材料碳烟排放 四川科技职业学院毕业设计(论文)第V页 目录 毕业设计(论文).I 毕业设计(论文)诚信承诺书. I 四川科技职业学院毕业设计（论文）评审表（指导教师用）.II 四川科技职业学院毕业设计(论文)任务书.III 第一章 绪 论.1 1.1 引言1 1.2 含氧燃料介绍.1 1.3.1 醇1 1.3.2.醚1 1.3.3.酉旨2 1.3.4.生物燃科.2 1.4.1 生物柴油燃料特点及其发展现状.3 1.4.2 乙醇柴油混合燃料的特点.4 1.5 本课题意义和研究内容.4 2.1 燃烧过程分析.6 2.2.1 CO 排放. 8 第三章第三章 生物柴油与柴油混合对柴油机性能、燃烧过程和排放特性的影响. 12 3.1 折合油耗率分析.12 3.2.1 缸内压力分析.13 3.2.2 缸内压力分析.14 生物柴油的高十六烷值又使混合燃料的化学滞燃期缩短。.14 3.3.1 HC 排放.14 3.3.2 CO 排放.14 3.3.3 碳烟排放.15 3.4 本章小结.17 第四章含氧燃料工程展望.17 4.1、乙醇与柴油混合对柴油机性能、燃烧过程和排放特性的影响.17 4.1.1、生物柴油与柴油混合对柴油机性能、燃烧过程和排放特性的影响.18 4.1.3、含氧燃料成分对柴油机性能、燃烧过程和排放特性的影响.18 结 论.20 四川科技职业学院毕业设计(论文)第VI页 致 谢.21 参考文献.22 四川科技职业学院毕业设计(论文)任务书.24 四川科技职业学院毕业设计（论文）开题报告. 25 四川科技职业学院毕业设计（论文）实施过程记录表.27 四川科技职业学院毕业设计（论文）评审表（指导教师用）.29 四川科技职业学院毕业设计（论文）答辩记录表. 30 (说明：目录编制页码一定要与论文内容页码一致，否则毕业论文将视为不合格， 字体为小四仿宋，1.5 倍行距。目录生成右键“更新域”即可自动生成全文目录) 四川科技职业学院毕业设计(论文)第1页 第一章 绪 论 1.1 引言 随着人们生活质量的提高和汽车工业的快速发展，汽车的数量也在急剧增加， 能源 匾乏与环境污染成为当今世界各国所面临的两大难题。 随着科技的发展和人们生活水平的 不断提高，能源的消耗也越来越大，特别是对于不可再生的石化能源情况尤为严重。而汽 车尾气排放中的有害气体对大气环境的影响是不容忽视的， 机动车辆的排放己成为我国城 市的主要污染源柴油机的有害排放主要有 NOX, HC 和 CO 气体排放，以及 PM 排放，与汽油 机相比， 柴油机直接排放的 HC 和 CO 排放相对较低， NOX 几乎与汽油机相当， PM 排放较高。 HC 和 CO 排放后处理技术相对较成熟， 比较容易控制。 由于柴油机扩散燃烧的特性， NOX 和 PM 排放最难控制，相应的后处理技术也不成熟，因而柴油机排放面临的主要问题是 NO 和 PM 排放控制的问题。发动机整个能量的转化过程主要可以由空气和燃料的进入，燃料在 发动机内的燃烧、膨胀作功和废气的排出三个过程组成。降低某型重型车用柴油机的污染 物，尤其是碳烟排放越来越多地引起了有关部门的重视。改善燃烧过程、采用微粒捕集器 等后处理技术、以及改进燃料设计是降低碳烟排放的三个主要途径，其中，改进燃料设计 具有发动机结构改变最小以及成本较低的特点。研究表明：十六烷值可以同时降低碳烟和 可溶性有机成分，从而显著降低碳烟微粒排放。大量的试验结果表明，掺混一定比例的含 氧燃料可以有效降低柴油机的碳烟排放，但对动力性能有一定影响。 1.2 含氧燃料介绍 含氧燃料最大的特点是其分子结构中含有氧原子，在内燃机的燃烧过程中具有自 供氧功能，在扩散燃烧模式中可以增加混合气中氧的浓度，减少局部过浓区的范围， 从而降低发动机碳烟的排放。含氧燃料根据其分子结构主要可以分为四类:醇、醚、 酉旨和生物燃料。 1.3.1 醇 醇类燃料主要为甲醇和乙醇，醇类具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低等特点。 作为汽车燃料，醇类燃料自身含氧，在发动机燃烧中可提高氧燃比，几乎无碳烟排放: 另外，由于汽化潜热高，可降低进气温度，提高充气效率，使最高燃烧温度降低，发动 机的 NOx 排放较低。 1.3.2.醚 四川科技职业学院毕业设计(论文)第2页 醚类燃料主要指二甲醚(DME)，二甲醚由于着火能力比较强，分子结构中没有 C-C 建，汽化潜热大等特点被认为柴油机清洁燃烧最有前景的代用燃料。国外的研究表明柴 油机采用直接向气缸内喷射二甲醚的方式， 在各种工况都可获得低的 NOx 排放和彻底的 无烟运行，排放效果十分理想。在不采用排气后处理措施的情况下，就能满足加里福尼 亚中型车超低排放法规(LEV) 3.通过改进燃油系统，匹配废气再循环及采取其他一 些借施，现行的各种苛刻的排放法规都有望得到满足。 1.3.3.酉旨 醋类燃料中最具有代表性的是碳酸二甲醋(DMC ) ,碳酸二甲酷是二甲醚的下游产 A7b，由二甲醚与 COZ 合成而得，由于 DMC 的分子结构中含有三个氧原子，含氧比例比 交高，可以降低发动机碳烟排放，DMC 可以与柴油以任意比例互溶，其十六烷值比较氏， 与柴油的混合使用中例不能超过 20%，否则会是燃烧恶化，降低发动机性能，曾加排放， 另外生产碳酸二甲酷需要消耗 COZ，可以降低空气中温室气体 COz 的含量。 1.3.4.生物燃科 生物燃料是指从农作物或动物的脂肪中提取的可再生燃料。目前，已研制成功并没 入使用的植物油型燃料有菜籽油、棉籽油、棕搁油、豆油、甲醇酷混合油等。植物由的 粘性很大，在柴油机上使用容易造成进油系统管路堵塞，喷油嘴积碳，润滑油变贡等。 将植物油和动物脂肪与酒精反应， 脱去甘油三酸脂转变成甲酷或乙基酷之后就 7 以在柴 油机上使用，这些酷类物被称为“生物柴油”，关于生物柴油的制备参考文献 32，生 物柴油在保持原有燃料热值和十六烷值的同时，降低了燃料的粘性，促进了生勿柴油在 柴油机上的应用。生物柴油中的富氧可以加燃烧速度，减少 C0, HC 和微粒非放。一般 的酷化燃料十六烷值较高，燃料的性质与轻柴油接近，但发动机喷油系统叙属会受到甲 酷的腐蚀。生物燃料是一种可再生能源，特别在环境效益上，生物质生产过程中会吸收 大气中的 CO2。 表 1-2 总结了各种含氧燃料的主要燃料特性 四川科技职业学院毕业设计(论文)第3页 1.4.11.4.1 生物柴油燃料特点及其发展现状生物柴油燃料特点及其发展现状 四川科技职业学院毕业设计(论文)第4页 生物柴油含 10%左右的氧，在燃烧过程中具有自供氧功能。基本不含硫和芳烃，十 六烷值高达 52. 9，可被生物降解、无毒、对环境无害。它的含氧和高十六烷值值十分 有利于压燃机的正常燃烧从而降低尾气有害物质排放，所以被称为低污染燃料。有较好 的润滑性能，可降低喷油泵、发动机缸和连杆的磨损率，延长其使用寿命。可生物降解， 对土壤和水的污染较少，可以降低 90%的空气毒性，降低 94 %的致癌率。生物柴油的开 口闪点高，储存、使用、运输都非常安全，不在危险品之列。生物柴油来源广泛，具有 可再生性，作为一种可再生能源，资源不会枯竭。生物柴油能与柴油以任意比例互溶， 并且混合燃料状态稳定，同时还可作为乙醇柴油的助溶剂。 1.4.2 乙醇柴油混合燃料的特点 乙醇柴油与柴油相比，具有以下优点: 燃料的含氧量增加。 乙醇中含 34. 78%的氧具有自供氧功能， 浓区域， 降低 PM 排放。 含硫量降低。燃料中含硫量的增加，加大了发动机 PM 排放，减少缸内混合气的过 增加了供油系统的腐蚀，降低排气后处理器的效能和使用寿命。乙醇中不含硫，所 以乙醇与柴油的混合可以降低燃料中硫的含量。 芳香烃含量降低。芳香烃是柴油机 PM 排放的主要来源，乙醇中不含芳香烃，乙醇 柴油芳香烃含量低，对降低柴油机 PM 排放有益。 汽化潜热增大。乙醇的汽化潜热为 904kJ. Kg -1，大约为柴油的三倍，燃料汽化潜 热增大降低缸内温度，使充气效率升高。 降低发动机温室效应气体 COz 排放。从燃料的生命周期来分析，乙醇与柴油相比 燃烧所产生的 COl 排放量降低 78%，所以乙醇柴油混合燃料的使用在一定程度上可 以降低 COz 排放。 乙醇的来源广泛及可再生性。乙醇可以用玉米、甘蔗渣、玉米秸秆、小麦、薯类、 甜菜、糖蜜以及野生植物等为原料，经发酵、蒸馏而制得;也可用化工原料(乙 稀、乙炔)制备，因乙醇主要是从植物物中提炼出来的，乙醇的生产周期相对石 化能源非常短，具有可再生性。 调整柴油与汽油使用的比例。目前生产柴/汽油比约为 1. 8，而市场上消费的柴/ 汽比却在 2. 0 以上，乙醇柴油的使用可以在很大程度上可以缓解柴油与汽油生产 与消耗的矛盾。 1.5 本课题意义和研究内容 能源与环境问题是当今世界各国所面临的两大难题。 石化能源的匾乏和不可再生引起人 们对石油代用燃料的探索和研究;作为环境污染重要来源的内燃机排放污染物的控制技 术一直都是内燃机技术的发展中的重点。为了降低对石油能源的依赖性，发展具有中国 特色的代用燃料势在必行。我国是一个农业大国，以农作物为主要来源的乙醇和生物柴 油，符合中国的国情，是很有发展潜力的内燃机代用燃料。乙醇与生物柴油的使用可以 促进农业经济的发展，增加就业机会，与柴油的混合使用缓解生产柴/汽比与消耗柴/汽 比的矛盾。 四川科技职业学院毕业设计(论文)第5页 另外，从排放角度来看，单一的改善内燃机的燃烧过程以难以满足越来越严格的排 放法规，后处理器的使用又会使内燃机的成本增加，能源利用率降低，所以燃油品质改 善也成为控制内燃机排放的重要措施之一。 乙醇与生物柴油等含氧燃料的加入对改善燃 油品质控制内燃机排放具有重要意义。 本课题的主要研究是通过向柴油中添加含氧燃料乙醇和生物柴油， 改变柴油的燃油 品质，研究含氧燃料比例及成分对发动机性能、燃烧过程和排放特性的影响。所用乙醇 为无水乙醇(纯度达 99. 7%)，生物柴油购买于正和生物能源有限公司，燃料特性见表 1-2 为了表达方便根据含氧燃料的比例和成分对混合燃料简称(下面均以简称表示)进行 了定义见表 1-3，研究的燃料有 diesel, E10, E20, E30, B10, B20, B30 和 ElOB10, E10 代表 10%(体积比)乙醇与柴油混合燃料，B10 代表 10%(体积比)生物柴油与柴油混合燃 料。 1-3 混合燃料简称 本课题具体研究内容如下: 1、乙醇与柴油混合对柴油机性能、燃烧过程和排放特性的影响。 2、生物柴油与柴油混合对柴油机性能、燃烧过程和排放特性的影响。 3、含氧燃料成分对柴油机性能、燃烧过程和排放特性的影响。 第二章乙醇与柴油混合对柴油机性能、 燃烧过程和排放特 性的影响 本章主要介绍在不加任何助溶剂和着火改进剂的情况下无水乙醇与柴油混合对柴 油机性能、燃烧过程和排放特性的影响，同时也对乙醇与柴油混合情况进行了简单介 绍。 在第一章绪论里，已经提到无水乙醇可以与柴油以任意比例互溶，但很少量的水 四川科技职业学院毕业设计(论文)第6页 (1%)就可以使乙醇柴油混合溶液分层。另外乙醇具有很强的亲水性，能够吸收空气 当中的水分，所以无水乙醇与柴油的混合溶液具有很强的不稳定性。 乙醇跟柴油都是有机物，在有机物中极性相同的互容性较强，而极性相差比较大 的则互溶性就比较差，对其他溶剂影响的抵抗能力相对比较弱。乙醇的分子结构中含 有轻基，有极强的亲水性;而柴油则是成分复杂的混合物，其主要成分是 C15-C25 的饱和烃、烯烃、单环芳香烃和多环芳香烃，而且成分的比例因地区、提炼技术等因 素的不同而有差异，与水不溶。所以要使乙醇柴油能够均匀混合，就必须找到能够降 低乙醇柴油之间表面张力的物质，使其两相性质得到改善，这样才能形成均匀稳定的 乙醇柴油混合燃料。根据文献16. 17. 23. 24，选取了汽油、异丁醇和生物柴油作为 乙醇与柴油混合溶液的助溶剂。汽油可以作为乙醇柴油助溶剂是因为汽油中有机物的 C 原子数比较少，与乙醇的溶解度比较大，对水的敏感性没有柴油的大，而且可以跟柴油 互溶。异丁醇可以作为乙醇与柴油的助溶剂是因为，异丁醇分子结构中含有一 OH，可 以与乙醇互溶，分子中的 4 个 C 原子的烷基使异丁醇与柴油也具有很强的亲和性，实 际上 C 原子数在 3 一 6 的醇类均可做为乙醇与柴油的助溶剂。选取生物柴油做助溶剂 是因为生物柴油的主要成分是脂肪酸甲脂，分子结构中含有一 OR，与乙醇的溶解度很 大，而且可以与柴油以任意比例互溶。 从燃料性质上分析乙醇混合燃料对柴油机热效率影响比较大的几种因素有:混合 燃料的汽化潜热，因乙醇具有很大的汽化潜热，约为柴油的 3 倍，所以混合燃料的汽 化潜热随着乙醇比例的增大而增大，导致缸内温度降低，滞燃期延长;乙醇的十六烷 值很低，乙醇的加入使燃料的着火滞燃期延长，滞燃期延长使燃油与空气混合在滞燃 期形成的过稀区域增多，将使燃料的燃烧效率降低，从而对发动机热效率产生不利的 影响;混合燃料的含氧量，乙醇含 34. 8%的氧，混合燃料的含氧量随着乙醇的比例的 增大而增大，使燃烧更完全。混合燃料的油耗率随乙醇比例的变化趋势是上述三种因 素共同影响的结果。在低负荷，燃料的汽化潜热导致滞燃期延长为主要因素，混合燃 料随着乙醇比例的增大，汽化潜热增大，缸内平均温度降低，滞燃期延长，过稀区域 增多，燃烧效率降低，因而油耗率随乙醇比例的增大而有所增加。在高负荷，缸内温 度升高，燃料的汽化潜热影响相对较小，主要是着火滞燃期和混合燃料的含氧量对油 耗率的相互影响，所以油耗率的变化相对较小，各种燃料的油耗率相当。图 3-3 (b) 中 E30 在 2300r/min 大负荷工况下，因为在高转速燃料燃烧以曲轴转角计的燃烧持续 期延长，燃料中乙醇比例过高降低燃料热值使喷油持续期延长，导致燃烧持续期延长， 从而使热工转换的效率降低，所以油耗率显著上升。 2.1 燃烧过程分析 为了深入了解和分析乙醇柴油对柴油机的动力性、经济性和排放特性的影响，对 乙醇柴油中乙醇比例对燃烧过程的影响进行了研究。为了分析发动机的燃烧过程，本 四川科技职业学院毕业设计(论文)第7页 研究中利用 N 工压力采集系统采集了发动机的缸内压力， 然后采用自行开发的内燃机燃 烧过程分析软件对缸内压力进行分析处理，进而得到示功图、压力升高率、爆发压力、 放热率等燃烧过程的相关数据。 缸内压力分析主要包括: 1、缸内压力的变化规律，反应了发动机的作功情况。 2、 缸内压力升高率的变化规律， 压力升高率是发动机工作平稳性的重要指标， 同时也反应出发动机所受的冲击负荷和发动机的燃烧噪声;3、最大爆发压力， 反应了发动机所受到的机械负荷，爆发压力的分析对内燃机结构设计和零部 件材料的选择有很大的帮助。 2.1.2 放热率分析 发动机的工作过程，实际上就是能量转换的过程，燃料通过与空气混合燃烧，将 燃料的化学能转化为热能，混合气体再经过受热膨胀推动活塞作功，所以整个过程 的 根源在于燃料的燃烧放热， 所以发动机缸内燃料的燃烧放热规律对发动机的性能有 着 另外，发动机在高低转速时均发现:随着混合燃料中乙醇比例的增大，燃烧放热 时刻延迟，放热峰值增大，预混燃烧放热比例增大，这与文献2s. 2】结果相同。 随乙醇 比例的增大，预混燃烧放热延迟主要是因为乙醇比例的增大使着火滞燃期延长;而 预 混燃烧放热峰值增大，预混燃烧放热比例增大，主要是由乙醇的加入使燃料的粘度 降 低，燃料含氧量增多，从而使预混燃烧阶段可燃混合气量增多，燃烧速度加快引起 的。 但在燃烧持续期方面，发动机在转速 1500r/min 和 2300r/min 却有所不同。转速为 1500r/min 时，发动机的燃烧持续期基本相当，或随混合燃料中乙醇比例的增大略 有 增加，而转速为 2300r/min 时，发动机燃烧持续期明显缩短，这主要是因为乙醇比 例 的增加使燃料的雾化改善，燃烧速度加快，同时也是使喷入的燃料体积流量增大， 喷 射持续期延长，在 1500r/min 时，燃料混合时间较长，燃油数量增多，喷射持续期 延 长影响较大，从而使燃烧持续期相当或略有延长;当转速提高到 2300r/min 时，以 四川科技职业学院毕业设计(论文)第8页 时 间计燃料混合时间缩短，雾化改善，燃烧速度加快影响比较大，从而使燃烧持续期 有 所缩短。 2.2.1 CO 排放 发动机转速为 1500r/min 时，总体趋势为乙醇柴油与柴油相比 CO 排放降低，而 且 随着乙醇比例的增大，CO 排放降低程度越大。发动机转速为 2300r/min 时，CO 排 放趋 势与 1500r/min 时的相反，乙醇柴油与柴油相比 CO 排放增加，而且随着乙醇比例 的增 大，CO 排放增加程度越大，另外，随着负荷的增大，各种燃料之间 CO 排放越来越 接 近，到大负荷时基本相当。 CO 产生机理目前尚不明确，但基本认为 CO 为燃烧过程中的中间产物和未完全 燃 烧产物中的一种，与 HC 排放生成机理不同，CO 排放是燃料燃烧反应化学动力学产 物， 如果在燃烧过程中出现以下几中情况, i:3, :s, 407 就可能使 CO 不能最终被 氧化成 COu，而 作为废气直接排出燃烧室外部。 1)反应过程中温度突然过低; 2)反应过程中突然缺氧; 3)混合气过浓，燃烧不完全; 4)燃烧持续时间过短，不足以将 CO 氧化成 COz o 所以根据上述 CO 产生的几种情况，对 CO 排放特性进行分析。 当发动机转速为 1500r/min 时，燃料混合燃烧的时间相对较长，乙醇柴油因为 乙 醇的低沸点使燃料的雾化混合更加完善，减少了过浓区域，而且乙醇的含氧也使燃 烧 更加充分，另外乙醇的含 C 量少也是降低 CO 排放的重要原因纵:叫，所以，乙醇 柴油与 柴油相比 CO 排放降低，而且随着乙醇比例的增大，CO 排放降低程度越大。 当发动机转速提高到 2300r/min 时， 乙醇的高汽化潜热使靠近壁面的淬冷层厚 四川科技职业学院毕业设计(论文)第9页 度 增加，发动机燃烧初期 CO 排放增加，另外发动机转速的提高，使燃料混合、燃烧 的时 间相对缩短，CO 在膨胀过程和排气过程中的二次氧化数量减少，所以发动机 CO 排 放 随着乙醇比例的增大而增大。随着发动机负荷的增大，缸内燃烧温度增加，靠近壁 面 的淬冷层厚度减小，乙醇的高汽化潜热影响没有那么明显，所以 CO 排放随着负荷 的增 大越来越接近，最大负荷工况基本相当。 2.2.2 NOX 排放 就 NOx 产生机理而一言，要产生 NO、必须具备三个条件z, ts, :;s7:高温、富 氧和足够的 燃烧持续时间。三者缺一不可，其中温度的影响对 NO、的产生影响最大。 所以出现上述现象主要是因为:发动机负荷增大，缸内温度增加，所以 NO、排 放 有所增加。发动机转速提高，混合燃料的燃烧持续时间缩短，着火滞后，使缸内温 度 降低，从而使 NO、排放降低。乙醇柴油对发动机 NO:排放的影响主要体现在两个几 个方 面:1、乙醇的高汽化潜热使发动机在燃用乙醇柴油时的缸内温度降低;2、发动机燃 用乙醇柴油在 1500r/min 时对燃烧持续期影响不大，燃烧持续期相当，而在 2300r/min 时燃烧持续期明显缩短，这在前面的放热率分析中已经提到。所以根据以上两方面 分 析，发动机在高转速和低转速时，乙醇柴油的高汽化潜热都使 NO、排放降低，高转 速 C2300r/min)时，燃烧持续期的缩短又使缸内温度升高，NO、排放增加，但燃烧持 续 期缩短的量不足以抵消乙醇柴油高汽化潜热是 NO:排放降低的量，所以乙醇柴油与 柴 油相比 NOx 排放降低，而且乙醇柴油在低转速对 NO，排放降低程度比在高转速对 NO、排放降低程度大。另外当发动机负荷较低时，各种燃料 NO:排放相当，主要是因为 负荷 四川科技职业学院毕业设计(论文)第10页 低，缸内平均温度低，NO、排放低，乙醇柴油高汽化潜热对 NO:排放影响没有那么 明显 造成的。 2.2.3 碳烟排放 碳烟排放随负荷的变 化规律在最大扭矩转速(1500r/min) 和标定转 速 (2300r/min) 基本一致，碳烟排放都是随负荷的增大而增大，2300r/min 时的碳烟排放基本上比 1500r/min 时的高，另外 2300r/min 时碳烟排放随负荷的变化曲线相对平缓。发动 机 转速为 1500r/min 时，随着混合燃料中乙醇比例的增大，碳烟排放降低，在大负荷 时 降低程度比较明显， 在发动机转速为 1500r/min 最大负荷工况， diesel 对应的碳烟 排 放为 1. 4BSU，而 E10, E20, E30 对应的碳烟排放为 0.8BSU, 0.4BSU, 0.4BSU，降 低幅 度分别为 42. 8%. 71. 4%和 71. 4%。发动机转速为 2300r/min 时，碳烟排放随乙 醇比例 的变化规律基本与 1500r/min 时的一样，但降低程度在各负荷工况相当。 作为微粒(PM)排放重要组成部分的碳烟的生成机理目前还不是特别明确， 但普 遍认为碳烟主要是燃烧室内部过浓区高分子烃， 尤其是芳香烃高温缺氧裂解而产生 的， 燃料中芳香烃的含量对碳烟排放有很大的负面影响7. 13. 390 所以出现上述现象主要是因为:随着负荷增大，发动机喷油量增多，过浓区域 增 多，碳烟排放增大。随着转速的升高，燃料与空气的混合时间缩短，造成混合气混 合 不均匀，而且燃烧时间缩短，使碳烟在膨胀过程和排气过程中的二次氧化减小，所 以 2300r/min 时的碳烟排放普遍比 1500r/min 时的高， 使碳烟随负荷的变化曲线相对平 缓。随着混合燃料中乙醇比例的增大，发动机碳烟排放降低可能有以下原因:(1)乙 醇的自供氧功能，减少燃烧室过浓混合气区域，使燃烧更加充分;(2)乙醇中不含芳 香烃，而且 H/C 高(25. 28. 31 j (3 )乙醇的低沸点和低粘度使，使混合气混 合更加均匀， 减少燃烧室过浓混合气区域。综合以上三个原因，随着混合燃料中乙醇的增加，发 动 四川科技职业学院毕业设计(论文)第11页 机碳烟排放降低。 2.3 本章小结 通过本章乙醇与柴油混合对发动机性能、燃烧过程和排放特性影响的研究，可必 得出以下结论: 1、汽油、生物柴油和异丁醇均可以作为乙醇柴油混合溶液的助溶剂，保持泛 液的均匀稳定。对于同一种乙醇柴油溶液，所需助溶剂量的关系是汽油 爆 多，生物柴油其次，异丁醇最少。 2、乙醇柴油混合燃料中乙醇比例对折合油耗率的影响不大，基本与柴油相当， 在低负荷随着乙醇比例的升高，发动机的折合油耗率略有升高。 3、随着混合燃料中乙醇比例的提高，发动机的压力升高率峰值后移，最大压 力升高率升高。 4、随着混合燃料中乙醇比例的提高，发动机的最大爆发压力位置推迟，最大 爆发压力在 1500r/min 时略有升高，而在 2300r/min 时降低。 5、随着混合燃料中乙醇比例的增大，预混燃烧放热延迟，放热峰值增大，瑟 混燃烧放热比例增大;燃烧持续期在发动机转速为 1500r/min 时相当，在 2300r/min 时缩短。 6、在排放方面，乙醇柴油与柴油相比，NOX 和碳烟排放均有不同程度的降低; 而 HC 和 CO 排放， 转速对其影响比较大， 随着混合燃料中乙醇比例的增大， 发动机转速为 1500r/min 时，HC 排放和 CO 排放均降低，发动机转速为 2300r/min 时，HC 排放和 CO 排放均有所升高。 四川科技职业学院毕业设计(论文)第12页 第三章第三章 生物柴油与柴油混合对柴油机性能、 燃烧过程和排 放特性的影响 本章研究的主要内容是生物柴油分别以体积比 0%, 10%, 20%和 30%与柴油混合 对柴油机性能、燃烧过程和排放特性的影响。具体内容包括对柴油机的折合油耗 率、缸内压力、压力升高率、最大爆发压力、放热率、HC 排放、CO 排放、NOx 排 放、碳烟排放以及 NO、排放和碳烟排放的“trade-off”关系进行了试验研究，并 总结了生物柴油对发动机性能、燃烧和排放的影响的一般规律。 3.1 折合油耗率分析 发动机转速为 1500r/min 时，生物柴油与柴油的混合燃料在中低负荷时的折 合油 耗率比纯柴油的要高，随着负荷的增大，从负荷为 450N. M 开始，发动机燃烧混 合燃料 时的折合油耗率与柴油的基本相当;混合燃料中随着生物柴油比例的增大，发动机 的 折合油耗率在中低负荷先升高后降低，在高负荷基本相当。在发动机结构没有任 何改 变的情况下，出现这种现象主要是因为燃料性质的改变，生物柴油与柴油的混合 燃料 与纯柴油相比，对发动机折合油耗率影响比较大的两个因素是:燃料的粘度和含氧 量。 生物柴油的加入使混合燃料粘度增大(生物柴油的粘度约为柴油的 3 倍)，影响了 燃料 的雾化，降低了燃料与空气混合的质量，使燃烧效率有一定的降低，但同时也增 加了 燃料中的含氧量(生物柴油中含 13%的氧)，氧的加入使燃烧效率有所提高，也燃烧 时 间缩短，热效率有所提高。在中低负荷时，缸内温度比较低，燃料的喷入量比较 少， 燃料的雾化程度比较差，并且缸内的过量空气系数比较大，空气量比较充足，燃 料的 含氧量影响不大，所以燃料的粘度为主要因素，从而使发动机燃用生物柴油与柴 油的 四川科技职业学院毕业设计(论文)第13页 混合燃料时的折合油耗率比燃用纯柴油时的高。而在高负荷时，燃料的喷入量增 多，缸内过量空气系数减小，燃料中的含氧量作用增大，所以通过燃料粘度和含 氧量的共 同影响，使混合燃料所对应的折合油耗率与柴油的相当。混合燃料中随着生物柴 油比 例的增大，发动机的折合油耗率在中低负荷先升高后降低，在高负荷基本相当， 这是 燃料的粘度、 含氧量和着火能力共同作用的结果， 生物柴油的十六烷值比较高(52. 9 ) , 着火提前，对降低发动机油耗率有利。但在中低负荷，燃料中生物柴油含量较小 时(10%, 20% )，燃料的粘度影响比较大，当燃料中生物柴油的含量提高时(30% )，燃料中 的 含氧量和十六烷值影响比较大，从而造成发动机的折合油耗率先升高后降低。 发动机转速为 2300r/min 时，发动机燃用各种燃料时的折合油耗率趋势没有 发动 机在 1500r/min 时的那么明显，各种燃料所对应的折合油耗率基本相当。这主要 是发 动机转速和燃料的粘度、含氧量以及十六烷值共同作用的结果。 3.2.1 缸内压力分析 1、缸内压力曲线 发动机在标定转速 2300r/min 时，缸内压力曲线的规律在上死点附近峰值压力之 前与 1500r/min 时的相同， 但在峰值压力之后的压力曲线却呈现生物柴油与柴油混 合 燃料的压力曲线在低符合相差不大，随着负荷的增大而比柴油提前的现象，并且随 着 混合燃料中生物柴油的增加，压力曲线越提前。出现这种现象的主要原因是，随着 发 动机转速的提高，同燃料与空气的混合时间缩短，燃烧时间缩短，混合燃料中含氧 量 对燃烧的影响比较大，随着混合燃料中生物柴油的增加，燃料中的含氧量增加，燃 烧 速度加快， 所以生物柴油与柴油混合燃料比纯柴油在上死点附近峰值压力之后的压 力 四川科技职业学院毕业设计(论文)第14页 曲线提前，在低负荷缸内温度比较低，现象不明显，随着负荷的增大，缸内温度提 高， 燃料中的含氧量对燃烧的影响效果越来越明显。10%和 200时，物理滞燃期影响较 大，而当生物柴油比例为 30%时燃料的化学 滞燃期影响相对较大。 3、随着混合燃料中生物柴油比例的增大，发动机预混燃烧放热量比例减少，扩 散燃烧放热量比例增大。这一原因与分析放热率峰值大小的原因基本一致， 也是由于燃料的着火性能和粘度引起的。 3.2.2 缸内压力分析 1、发动机燃用生物柴油与柴油的混合燃料时比燃用纯柴油时的放热率峰值小， 并且随着混合燃料中生物柴油比例的增大，放热率峰值降低。出现这种现象 主要有两方面原因:一方面，生物柴油的高十六烷值使着火滞燃期缩短，高 粘度使混合燃料的雾化恶化，从而使在着火滞燃期内形成的可燃混合气数量 减少;另一方面，随着混合燃料中生物柴油比例的增大，燃料的低热值降低。 由这两方面使燃料在着火滞燃期内形成的可燃混合气的能量降低，所以才出 现上述现象。 2、发动机燃用生物柴油与柴油的混合燃料时比燃用纯柴油时的放热率峰值出现 位置滞后，随着混合燃料中生物柴油比例的增大，放热率峰值出现位置先滞 后，当生物柴油在混合燃料中的比例(体积比)为 30%时，放热率峰值出现 位置又有所提前，但相对柴油仍然滞后。出现以上现象主要是受两方面因素 影响，一方面生物柴油的高粘度使混合燃料放热率峰值应该滞后;另一方面的粘度增 加，雾化变差，可燃混 合气形成速度较慢，物理滞燃期延长，所以， 生物柴油的高十六烷值又使混合燃料的化学滞燃期缩短。 3.3.1 HC 排放 在大多数工况下发动机燃用生物 柴油时的 HC 排放比燃用纯柴油时的低， 并且呈现随混合燃料中生物柴油比例的 增大 HC 排放降低的趋势，但在 2300r/min 低负荷时生物柴油与柴油混 合燃料对应的 HC 排放相比柴油的要略高。 3.3.2 CO 排放 图 4-6 为发动机在最大扭矩转速 1500r/min 和标定转速 2300r/min 时 CO 排放 四川科技职业学院毕业设计(论文)第15页 随负 荷变化的规律图。从图中可以看出 CO 排放的总体规律是，发动机在 1500r/min 时， 发 动机燃用生物柴油与柴油混合燃料时 CO 排放比燃用纯柴油时的要低，并且随着混 合燃 料中生物柴油比例的增大，CO 排放降低;发动机在 2300r/min 时，发动机燃用生物 柴油与柴油混合燃料时 CO 排放比燃用纯柴油时的要高，混合燃料中生物柴油的比 例对 CO 排放影响不大。 出现这种现象主要是因为发动机在转速为 1500r/min 时， 转速相 对 较低，燃料与空气的混合时间和可燃混合气的燃烧时间长，虽然生物柴油的高粘度 使 燃料在发动机缸内的雾化质量变差， 但生物柴油中的含氧量使燃烧更加完全影响相 对 更大，所以 CO 排放规律出现上面现象。而当发动机转速为 2300r/min 时，发动机 转速 提高，燃料与空气的混合时间和可燃混合气的燃烧时间缩短，燃料与空气的混合质 量 对 CO 排放的影响作用加大， 从而使发动机燃用生物柴油与柴油混合燃料时 CO 排放 比 燃用纯柴油时的要高，810, B20 和 B30 所对应的 CO 排放相差不大。 3.3.3 碳烟排放 图 4-8 为发动机在最大扭矩转速 1500r/min 和标定转速 2300r/min 时碳烟排放随 负荷变化的规律图。从图中可以看出碳烟排放的总体规律是燃料中生物柴油的加 入， 使发动机碳烟排放降低， 尤其是在高负荷和转速相对较低的工况下。 这主要是因为， 产生碳烟排放主要出现在缸内混合气的过浓区域，生物柴油中含氧33. 35, 36. 38，减少 了混合气的过浓区域，对降低碳烟排放有利。在中低负荷发动机缸内的过量空气系 数 较大，碳烟排放都相对较低，生物柴油对降低碳烟排放效果影响比较小。随着发动 机 负荷的增大，燃料的喷入量增多，易产生碳烟排放的混合气过浓区域增多，所以碳 烟 四川科技职业学院毕业设计(论文)第16页 排放增加，此时生物柴油的自供氧功能减少了混合气过浓区域，发动机碳烟排放降 低 程度增大，从而出现燃料中生物柴油的加入使碳烟排放降低，随着负荷的增大，降 低 效果更加明显。当发动机转速比较高达到 2300r/min 时，因为转速的提高，燃料与 空 气混合时间缩短，此时燃料与空气的混合质量对发动机碳烟排