（动力机械及工程专业论文）乘用车柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的试验研究.pdf

a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo fap a s s e n g e rc a rd i e s e le n g i n ef u e l e dw i t h b u t a n 0 1 d i e s e lb l e n d s b y d ub i a o b e ( c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh a n z h i y u m a r c h ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： - 杪脊 1 日期：加，年乡月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密仂。 ( 请在以上相应方框内打- 4 ) 作者签名： 导师签名： 月g 日 月孝日 标缈 私钎 乘用乍柴油机燃用丁醇柴油混合燃 1 的试验研究 摘要 由于世界能源危机和汽车尾气对大气环境污染的日益严重，规划与发展内燃 机清洁代用燃料已引起了全世界范围研究者的高度重视。本文首先对丁醇和柴油 直接混合的相溶性和稳定性进行了试验研究；然后在某乘用车柴油机上对四种丁 醇掺混比例( 0 、2 0 、3 0 和4 0 丁醇) 的丁醇柴油混合燃料进行了不同转速负 荷特性试验，分析了其对柴油机的燃烧过程、动力性、经济性和排放的影响；最 后基于不同质量的两款乘用车典型发动机工况，分别进行了不同丁醇比例混合燃 料的台架试验，研究丁醇柴油混合燃料对乘用车的加权经济性的影响。 相容性和稳定性试验表明：柴油和丁醇直接混合的相溶性和稳定性都很好， 混合燃料能在很长一段时间内都不分层且保持良好的稳定性，无需其他的助溶剂， 这对丁醇燃料推广起基础性的作用。 燃烧特性试验表明：燃用丁醇柴油混合燃料的缸压以及燃烧放热率相对纯柴 油有升高的趋势。随着丁醇掺混比例的提高，缸内最大爆发压力、最大压力升高 率均升高，但增长幅度不大；混合燃料在小负荷工况的滞燃期比纯柴油延长，随 着负荷增大滞燃期缩短，混合燃料的燃烧持续期较纯柴油有缩短的趋势。 负荷特性试验表明：即使丁醇柴油体积掺混比例达至1 j 4 0 ，柴油机的经济性和 动力性影响仍很小。从能量角度分析，混合燃料有助于改善柴油机的能量利用率。 随着丁醇掺混比例的增加，n o x 的排放较纯柴油略有上升，但烟度排放降低效果明 显；小负荷工况下，h c 的排放随着丁醇比例的增大而增加，大负荷工况下排放量 与纯柴油相差不大。c o 的排放在小负荷随丁醇比例的增大而增加，在大负荷变化 趋势相反。 典型工况试验结果表明：乘用车燃用丁醇柴油混合燃料的油耗增幅在5 以内。 综上所述，丁醇是一种很有前景的代用燃料，能在保证动力性和经济性的同 时与柴油实现较大比例掺烧，因此在柴油机上有着较大的应用潜力。 关键词：柴油机；丁醇：柴油；混合燃料；性能；排放；燃烧特性 i l 硕l j 学何论文 a b s t r a c t d u et ot h e g l o b a le n e r g y c r i s i sa n di n c r e a s i n g p o l l u t i o n f r o mt h ev e h i c l e e m i s s i o n s ，d e v e l o p m e n to fc l e a na l t e r n a t i v ef u e l sf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sh a s b e e nb r o u g h tt ot h ef o r e f r o n tb yr e s e a r c h e r st h r o u g h o u tt h ew o r l d i nt h i sw o r k ，s o m e t e s t sw e r ec a r r i e do u to nt h ei n t e r m i s c i b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h em i x t u r eo fb u t a n o la n d d i e s e la n dt h el o a de x p e r i m e n ta td i f f e r e n te n g i n es p e e d sf o rf o u rb u t a n o l - d i e s e l b l e n d i n gr a t i o s ( 0 ，2 0 ，3 0 a n d4 0 b u t h a n 0 1 ) t h e i ri n f l u e n c e so nt h ec o m b u s t i o n p r o c e s s ，p o w e ro u t p u t ，f u e lc o m s u m p t i o na n de m i s s i o n sw e r ea n a l y z e d b a s e do nt w o t y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，b e n c h t e s t sw e r ed o n et oa n a l y z eh o wt h eb l e n d si n f l u e n c e t h ew e i g h t e df u e le c o n o m ye f f i c i e n c y r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t e r m i s c i b i l i t ya n d s t a b i l i t y o ft h ed i r e c t l ym i x e d b u t a n o l - d i e s e lb l e n d sa r eg o o de n o u g ha n dt h e r ei sn oc o n s o l v e n ti sn e e d e d t h e m i x t u r ec a nk e e ps t a b l ea n du n s t r a t i f i e df o ral o n gt i m e ，w h i c hc a nh e l pt op o p u l a r i z e t h eb u t a n o lf u e l t h ee x p e r i m e n t so nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n d i c a t e dt h a tt h ec y l i n d e r p r e s s u r eo ft h eb l e n df u e l sw e r eh i g h e rt h a nt h a to ft h ep u r ed i e s e l w i t hi n c r e a s eo f t h eb u t a n o lp r o p o r t i o n ，t h em a x i m a le x p l o s i o np r e s s u r ea n dt h em a x i m a lp r e s s u r e i n c r e a s i n gr a t ea l lw e n tu pt oal i m i t e dd e g r e e u n d e rt h el i g h tl o a dc o n d i t i o n ，t h e i g n i t i o nr e t a r d i n gp e r i o do ft h eb l e n d e df u e l sw a sl o n g e rt h a nt h a to ft h ep u r ed i e s e l w i t ht h ei n c r e a s eo ft h el o a d ，t h ep e r i o do ft h ei g n i t i o nr e t a r d i n ga n dt h ep e r i o do ft h e c o m b u s t i o nd u r a t i o nh a dt h et e n d e n c yo fs h o r t e n i n g t h ee x p e r i m e n t sa l s os h o w e dt h a tt h ee f f e c to nt h ef u e lc o m s u m p t i o na n dp o w e r o u t p u tw a ss m a l le v e nt h o u g ht h ep r o p o r t i o no fb u t a n o lw a s4 0 f r o mt h ep e r s p e c t i v e o fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，t h eb l e n d e df u e lh e l p st oi m p r o v et h ee n e r g yu t i l i z a t i o ni na d i e s e le n g i n e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eb u t a n o l - d i e s e lr a t i o ，t h en o xe m i s s i o n so ft h e b l e n d sw e r eal i t t l eh i g h e rt h a nt h a to ft h ep u r ed i e s e l ，w h i l et h er e d u c t i o no fs o o t e m i s s i o nw a sq u i t eo b v i o u s m e a n w h i l e ，u n d e rl i g h tl o a dc o n d i t i o n ，t h eh ce m i s s i o n s f o rt h eb l e n d sw e n tu p h o w e v e r ，t h e yw e r ea l m o s tt h es a m ea st h o s eo ft h ep u r ed i e s e l u n d e rh i g hl o a dc o n d i t i o n s u n d e rl i g h tl o a dc o n d i t i o n s ，t h ec oe m i s s i o n si n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eb u t a n o lr a t i o ，b u tu n d e rh i g hl o a dc o n d i t i o n s ，t h et r e n d sw a s o p p o s i t e t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ei n c r e a s er a t i oo ft h ef u e lc o n s u m p t i o nd i d i i i 乘用乍柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的试验研究 n o te x c e e d5 f o rt h es t u d i e dp a s s e n g e rv e h i c l e sw h e nt h eb u t a n o l - d i e s e lf u e lw a s u s e d t os u mu p ，b u t a n o li sap r o s p e c t i v ea l t e r n a t i v ef u e la n dh a sag r e a ta p p l i c a t i o n p o t e n t i a lf o rd i e s e le n g i n e s ah i g hb l e n d i n gr a t i oo fb u t a n o lt od i e s e lc a nb eu s e da n d t h ep o w e ra n df u e le c o n o m yo ft h ee n g i n ec a nb em a i n t a i n e d k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；b u t a n o l ；d i e s e lf u e l ；b l e n df u e l ；p e r f o r m a n c e ；e m i s s i o n ； c h a r a c t e r i s t i c so fc o m b u s t i o n i v 第 乘用乍柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的试验研究 4 2 燃烧放热规律分析3 1 4 3 滞燃期3 5 4 4 燃烧持续期3 7 4 5 本章小结3 8 第5 章乘用车柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的性能研究3 9 5 1 混合燃料对柴油机性能影响对比分析3 9 5 1 1 混合燃料对柴油机动力性和经济性的影响3 9 5 1 2 混合燃料对柴油机排放的影响4 2 5 2 基于乘用车典型发动机工况的混合燃料对经济性的影响分析4 8 5 2 1 整备质量为1 8 2 0 k g 的乘用车燃用混合燃料的经济性对比4 8 5 2 2 整备质量为1 3 8 1 k g 的乘用车燃用混合燃料的经济性对比4 9 5 3 本章小结5 0 结论5 2 参考文献5 3 附录a ( 攻读硕士学位期间发表的论文和获得成果) 5 7 致谤 5 8 v l 硕j j 学位论文 第1 章绪论 1 1 发展代用燃料的重要性 汽车保有量增加，加剧了全球性的石油危机。近几年我国汽车市场异常火爆， 汽车数量的增长促使了车用燃料需求强劲增长。当前我国的主要能源问题是石油 产、储量不足，我国的能源安全问题同益突出。根据中国产业经济信息网调查， 2 0 0 9 年我国石油净进口量为2 1 8 8 8 5 万吨，石油的消费量为4 0 8 3 7 5 万吨；原油净 进口量为1 9 8 6 2 0 万吨，原油的消费量为3 8 8 1 0 9 万吨。因此，可以看出，2 0 0 9 年我国石油和原油对外依存度双双破了5 1 l lj 。目前，中国的石油消耗量仅次于 美国，位居世界第二位。据中国广播网公布的信息表明：中国的原油情况非常严 峻。2 0 1 0 年原油的生产总量超过2 亿吨，与2 0 0 9 年相比增长了6 9 ，是近些年 最高增长速度。然而，2 0 1 0 年全年的原油进口量为2 4 亿吨。也就是说，原油的 对外依存度突破了5 4 1 2 j 。2 0 0 9 年中国能源蓝皮书预测，在石油燃料需求增长强 劲和国内的主要能源问题突出的共同影响下，2 0 2 0 年中国石油对外依存度将超过 6 5 。未来几年内，中国石油需求总量还会保持稳定的增长趋势，石油的进口量也 将保持稳定的增长势头。从国内石油的生产地来看，蓝皮书指出，目前中国东部 的油田数量在降低，西部发展的速度比预期的慢，海洋油田仍在研究探索之中， 利用率仍较低，因此，中国石油生产总量虽然会保持稳定的增长趋势，但其增长 的幅度并不会很大。据相关权威机构预测2 0 2 0 年，中国原油总产量大致在1 8 1 亿至2 0 1 亿吨之间，该年达到最高峰，随后将呈逐年下降的趋势。总的来说，在 石油需求与国内资源有限的矛盾下，中国原油贸易的发展趋势是对进口原油的依 存度不断攀升，2 0 2 0 年中国的石油对外依存度将上升至近6 5 1 1 , 3 l 。这一糟糕的情 况对我国的能源安全和国民经济可持续发展都是一个很大的威胁。 内燃机在输出动力的同时，也对环境造成了巨大的危害。特别是在城市，内 燃机排气是大气污染的主要源头，它含有大量常规有害排放物，如碳烟( s o o t ) 、 微粒( p m ) 、氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 以及碳氢化合物( h c ) ，此外还包含非常 规有害污染物，如醛类和苯类等。微粒主要是碳及其吸附的多种有机化合物，其 中7 0 的粒径小于0 3 t m 。这些粒度极细的颗粒物排到空气中恰巧处于人们的呼 吸层高度内，易于通过人体呼吸作用深入至肺泡而沉积下来，不易排出。而碳颗 粒吸附物中包含强致癌物的苯比芘、硝基稠环芳烃等有机物，危害极大。因而， 柴油机微粒被称为致癌物质。氮氧化物和h c 会形成光化学烟雾，烟雾会使人眼 红、头痛、手足抽搐，还能使植物枯死，橡胶破裂等。n o 在浓度高的时候能造成 乘用车柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的试验研究 人体中枢神经障碍，n 0 2 在被人体吸收后与血红蛋白结合，其危害作用与c o 的危 害作用类似。人体血液中的血红素对c o 比对0 2 有更强的亲和力，人在含有c o 的大气中停留时，c o 浓度越大，停留时间越长其毒性反应越大，长时间停留在高 浓度的c o 的环境中，可能会致死。而碳氢化合物中多环芳香族被认定为对人体 最危险的有害成分，是高致癌物质，人体对进入体内的碳氢化合物不能自行消除， 所以当通过呼吸系统进入人体并在肌体内积聚到临界浓度时，这些物质就激发生 成恶性肿瘤，这与之前的微粒作用比较类似1 4 5 】。随着汽车工业的发展和汽车保有 量的持续增加，汽车排放物已成为威胁自然环境和人类生存的重要因素，甚至在 一些大城市汽车造成的污染已经到了人们无法容忍的程度。从2 0 世纪7 0 年代开 始，世界各国相继对车辆尾气排放进行了严格控制，建立了相应的排放法规，以 减小有害排放气体对人类和社会的危害。表1 1 为乘用车试验排放国i i i 和国i v 标 准极限值i 引。可以看到，对汽车用发动机的排放标准将越来越严格。 表1 1 试验排放极限值 + 国l v 的开始实施标准为暂定的时间 随着我国机动车保有量的急速上升。一方面会加剧我国的能源危机问题，另 一方面由于汽车每时每刻都排放着大量的污染物，对地球环境起到很大的破坏作 用。能源问题和城市空气环境的恶化问题已对我国国民经济持续发展和人民身体 健康产生了极大的负面影响。为缓解上述问题，规划与发展内燃机清洁代用燃料 以替代石油基燃料具有深远的意义【7 1 。 1 2 代用燃料的分类 为实现排放的达标，世界各国的研究人员积极开发内燃机新技术、燃烧新方 式，同时也开始认真思考能源结构问题，积极探索新型清洁代用燃料，减少对石 油基燃料的依赖并控制发动机污染物的排放。可以作为内燃机替代燃料的物质很 多，目前较有前途的发动机代用燃料有天然气、液化石油气、醇类燃料、氢气和 二甲醚等。实际选择替代燃料时应主要考虑下面几点【7 j ： 1 _ ) 替代燃料的来源丰富、稳定，可供持续发展，因而最好能够再生； 硕i ：学化论文 2 ) 生产成本不能过高，价格上要便于燃料被消费者接受； 3 ) 与现有的车辆技术体系和基础设施的兼容性好且易于推广，因而最好是液 体燃料； 4 ) 替代燃料的生产工艺简单，且对环境友好，即替代燃料的本身就是清洁燃 料或超清洁燃料； 5 ) 替代燃料的热值等特性不能明显影响发动机的动力性和经济性，且其排放 要有所改善。 根据现阶段全世界对替代清洁燃料的使用情况划分，替代燃料总共可以分成 三大类：1 ) 气体燃料，主要包括压缩天然气( c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、氢气等； 2 ) 含氧燃料( 醇、醚、脂) ；3 ) 合成油，主要是由煤、天然气或者生物质生产的 液体燃油。 1 2 1 气体燃料 1 2 1 1 压缩天然气( c n g ) 天然气主要成分为甲烷( c h 4 ) ，大多数天然气甲烷的含量在9 0 以上，此外 c n g 中还包含了少量的h 2 、h 2 s 、c o 、n 2 和c 0 2 等可燃气和不可燃气。天然气的 辛烷值比汽油高很多，在火花点火发动机上使用时可以提高压缩比，并且天然气 本身是一种清洁燃料，在发动机运行范围几乎没有黑烟。c n g 应用在柴油机上， 只需在柴油机上增加一套c n g 供气系统即可改装成双燃料运行方式。c n g 具有很 多自身优点，如含碳少、着火温度高等，然而，c n g 作为替代石油燃料的时候也 存在很多明显的问题：由于c n g 是气体，在体积有限的容积储存大量的c n g 就必 须要高压存储；c n g 具有高着火温度，因而，其着火滞后，在某些特定的工况点 燃烧会延迟，影响发动机的动力性和经济性。 1 2 1 2 液化石油气( l p g ) 液化石油气的主要成分是丙烷( p r o p a n e ) 和丁烷( b u t a n e ) ，我国的石油气中，两 者大概占7 0 左右。此外还含有少量的丙烯、丁烯等。l p g 和c n g 的理化性质有许 多相似之处，如辛烷值高，适合用于点燃式发动机：属于气体燃料，故燃气混合 质量良好，燃烧快速充分；再加上含碳比例较小，因而具有优良的净化性能。在 汽油机和柴油机上燃用l p g 时，由于l p g 是气体燃料，在有限容积的气缸中本身占 据着一部分体积，因此，动力性较燃用汽油和柴油有所下降。由于在内燃机上使 用l p g 需要更改内燃机很多参数，且l p g 的价格长期居高不下，使l p g 作为替代燃 料的竞争性不强。 1 2 1 3 氢气( h 2 ) 氢气是一种超清洁的替代燃料，燃烧产物是水，有害排放物只有n o x ，后处理 乘用下柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的试验研究 简单、成本很低廉。氢气自然温度很高，但需要的点火能量很低，只适合在火花 点火发动机中使用。氢气的燃烧速度特别高，可以提高发动机的压缩比和燃烧热 效率，且不容易熄火。近期研究发现，单一氢气燃烧有些不足，如果采取氢气和 天然气、汽油或者醇类混合燃烧方式则可以避免一些缺点。但如果大幅度推广h 2 在发动机上应用，则存在很多的困难：首先9 - * 氢气的来源并不广泛，其制取成本 很大，从这方面看，氢气就很难运用于平民车辆；其次，由于氢燃料需要很高的 压力和温度才能吸入贮存罐内，因此，储存罐的材质必须是耐高压、高温的材料。 最后，氢燃料的运输技术也需要很大的改进，如将现有的石油供给基础设施更换 为氢气的供给基础设施成本太大，这更制约了氢燃料的发展。 1 2 2 含氧燃料 1 2 2 1 醇类燃料 醇类燃料主要有甲醇( c h 3 0 h ) 和乙醇( c 2 h 5 0 h ) 。甲醇是一种无色、易挥 发、易燃的液体。甲醇辛烷值高，含氧量高达5 0 ，使用甲醇可以有效降低汽车的 碳烟、c o 和h c 的排放；甲醇和醛类本身具有剧毒，在不充分燃烧的产生的甲醇和 醛类的排放相对于传统化石燃料发动机要高，尾气排放的危害性更大。乙醇俗称 酒精，在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，它的水溶液具有特 殊的、令人愉快的香味，略带刺激性。乙醇也是高含氧量的醇类燃料，因此，乙 醇燃烧也能降低碳烟、h c 和c o 的排放，氮氧化物变化不大，但乙醛排放量会增加。 常用醇类燃料的性质大致分为以下几方面： 1 1 醇类燃料的质量热值比汽油的低，但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量少。 因此当在汽油机上燃用甲醇、乙醇时，应增大循环供油量( 电控喷射的汽油机需 要增加喷油脉宽) 从而使混合气的热值大体与汽油空气混合气相等或略高，这样 使发动机在燃用醇类燃料时动力性不降低甚至可以提高。 2 ) 醇类燃料的汽化潜热比汽油、柴油大得多，从而使混合气在燃料汽化时温 降大，有利于进气过程，提高发动机的充量系数进而提高发动机的动力性。但由 于蒸发后，缸内温度偏低，不利于发动机的冷启动( 尤其是在冬季) ，增加了暖机 时间。 3 ) 醇类燃料的辛烷值高但十六烷值低，因此在柴油机上直接使用醇类燃料 时，需要采用助燃措施。 1 、甲醇 作为内燃机的替代燃料，甲醇的最大的优点是甲醇的价格很便宜，而最致命 的缺点是甲醇的毒性。下面，具体说明甲醇作为内燃机替代燃料的优缺点：1 ) 优 点：甲醇的制取渠道比较宽，成本比较低。又因其在常温常压下，呈现液态，因 此，可以沿用现有的基础设施，和运输系统，基础投入成本低。同时，它还是超 硕 ：学位论文 清洁的替代燃料，与常规化石能源相比，它能有效地降低排放且经济性和动力性 也没有受到很大的影响。2 ) 缺点：首先，最大的缺点便是甲醇有毒性，它不可饮 入口中或溅入眼中，在甲醇运输系统和使用时，必须严格遵守操作规范。其次， 甲醇的沸点是6 0 度，对于炎热的夏天来说，特别容易挥发，在运输和贮存时要特 别注意防火；另外，其具有很强的吸水性，还要注意防湿。最后，因甲醇对有色 金属、非金属和橡胶都有很强的腐蚀作用，目前的技术还不能很好地解决该问题， 这使得汽车的耐久性( 1 6 万公里) 得不到保障。以上缺点共同作用使得甲醇在实际应 用中受到了较大限制。 2 、乙醇 作为内燃机的替代燃料，乙醇( 酒精) 的来源非常广泛：如剩余粮食、能源 作物和秸秆。能大量生产甘蔗和玉米的巴西和美国，很早就对乙醇替代化石能源 进行了研究，并将一些技术应用于部分内燃机上。美国政府从2 0 世纪9 0 年代起一 直对生产乙醇的行业进行巨额补贴以备用于维持每年5 0 亿升的乙醇产量，且每年 的产量还在增加，同时，还将乙醇用来作为汽油的替代燃料，和提高其辛烷值及 氧的添加剂( 汽油中加1 0 左右乙醇) 。据相关权威网站报道【引，由于巴西政府鼓 励使用乙醇燃料，巴西乙醇燃料汽车数量今后7 年内将大幅增加，至1 j 2 0 1 3 年达到 1 5 0 0 万辆，比现在增j j l l 4 7 7 ；而使用汽油的汽车数量将减少到1 4 0 0 万辆，比现在 下降2 6 。同时，据相关权威机构预测，2 0 1 3 年，巴西乙醇燃料的年产量将从目前 的1 7 0 亿升增加至i j 3 5 0 亿升，分为两部分使用，2 8 5 亿升将用于巴西国内市场的双燃 料汽车使用，其余部分将出口至美国等乙醇燃料需求较高的国家。预测还显示， 如果美国至u 2 0 1 7 年能够实现将汽油消费减少2 0 的目标，仅美国一个国家每年就将 需要1 3 2 0 亿升乙醇燃料。以上数据充分证明了乙醇作为替代燃料的前景非常乐观。 乙醇作为内燃机代用燃料有以下优缺点：1 ) 优点：乙醇是含氧燃料，汽化潜热高。 发动机燃用乙醇可以实现无烟排放，并能大幅度降低c o 排放，h c 、n o x 也可以有 不同程度的降低。2 ) 缺点：乙醇生产成本高，耗能大。虽然现阶段主要是用存放 期过长甚至霉变的粮食制取酒精，但是长远来看，制取乙醇是与动物乃至人争抢 粮食。因此，乙醇作为替代燃料影响了粮食安全。同时，由于乙醇的吸水性强， 和柴油机混合燃烧时会出现一些问题，比如乙醇和柴油混合后会分层，不稳定， 严寒的冬天冷启动不易，需要在柴油机上加点火辅助设备等f 9 】。 1 2 2 2 二甲醚 二甲醚( d i m e t h y le t h e r ，缩写d m e ) 。二甲醚( c h 3 0 c h 3 ) 在常温、常压下 为无色、无味气体( 常温下，当压力达n o 5 m p a 0 8 m p a 时成为液体) ，由于其自 身含氧，组分单一，因此燃烧性能好，热效率高，燃烧过程中无残留物、无黑烟， 是目前世界上被普遍看好的压燃式发动机超清洁燃料。二甲醚的性能与l p g 极为 乘用车柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的试验研究 类似，相关性质可以参考l p g ，并可以与现有的l p g 基础设施通用。二甲醚作为超 清洁的替代燃料，其优点如下【1 0 】：1 ) 二甲醚的制取渠道广泛，从煤、天然气、生 物有机物等材料都可以制得，我国又是贫油、贫气多煤的国家，有利于我国的能 源安全。2 ) 二甲醚的燃烧噪声低。这归因于二甲醚具有高十六烷值，自燃温度低， 滞燃期比柴油短，燃烧排放与燃烧噪音比柴油低；3 ) 二甲醚的燃烧特性好，排放 低。在等量放热量条件下二甲醚的汽化潜热是柴油的2 5 3 倍，因此，其可能在低压 情况下喷射，且喷油的雾化特性比柴油好，与空气混合好，利于燃烧，可以降低 h c 和碳烟的排放。 虽然二甲醚燃料有以上的优点，但目前d m e 的生产工艺不是很成熟，生产的 规模小、流程长、生产成本高、缺乏竞争力，制约了其发展。 1 2 2 3 生物柴油 生物柴油这一概念最早由德国工程m ) i l j d r r u d o l fd i e s e l ( 1 8 5 8 1 9 1 3 ) 于1 8 9 5 年在 1 9 0 0 年巴黎博览会上提出。当时，d r r u d o l fd i e s e l 向世人展示了使用花生油作燃 料的发动机1 1 0 】。生物柴油最初的涵义是泛指可用作内燃机燃料的纯净动、植物油 脂等组成的混合油。而后期a s t m 标准中，重置了其定义：“用于压燃式发动机的， 来自可再生的脂类，如植物油和动物脂肪的长链脂肪单脂( m o n o e s t e r ) ”。查询相关 资料可以得出，在柴油机上使用植物油有以下优点：植物油体积热值与柴油的比 较接近，且植物油可以与柴油任意比例混合，因此发动机的供油系统可以不发生 改变。在长期的使用当中又发现直接将植物油作为燃料使用时存在许多问题。由 于植物油粘度比柴油高，喷雾燃烧时会受到影响，且十六烷值比柴油低，闪点和 着火温度高，在起燃时容易失火、低温起动性差、着火延迟。燃料中含有少量的 灰分，水分和杂质，且很难挥发，这容易导致燃烧过后产生碳沉积、燃油喷嘴堵 塞、润滑油稀释影响发动机的正常运行【7 , 1 1 】。 1 2 3 合成油燃料 合成油一般泛指f t 柴油( f t ：f i s c h e r t r o p s c h ) 。顾名思义，f t 柴油主要是 替代普通柴油。f t 柴油主要成分是直链饱和烃( c 9 c 1 2 烷烃) 和分枝异构的饱和 烃。其硫的含量极少，燃烧后几乎不含硫的污染物，是一种清洁柴油。与普通柴 油相比，f t 油的密度比柴油小，低热值却比柴油大。总体而言，供油系统不必作 更多的改动。排放物中包含的n o ；也非常少，因此，可以适当的改变发动机的一些 运行参数，比如增加供油提前角用于改善发动机的动力性和经济性。同时，f t 柴 油也存在一些它的不足，比如，f t 柴油的云点、倾点温度都比较高，因此它的冷 启动性能比较差，高寒条件下标定会出问题。 硕i 二学f 讧论文 1 3 国内外丁醇燃料研究应用现状 丁醇，又称丙原醇，为无色透明油状液体，有微臭味，溶于水、苯、易溶于 丙酮。丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料，其热值、辛烷值与汽油相当，是含 氧量燃料，并且丁醇不会腐蚀管道，便于管道输送；蒸汽压力要求低，安全性高； 能与柴油混合。目前，丁醇在甲醇、乙醇掺烧在化石燃料( 汽油和柴油) 时，作 为助溶剂。丁醇是第二代生物燃料的代表，是一种重要的化工原料，也是一种极 具潜力的新型生物燃料，性能在许多方面优于目前广泛研究的替代燃料。与气体 燃料( 天然气、液化石油气和氢气) 、甲醇、乙醇、二甲醚、生物柴油和合成油 燃料相比，丁醇具有很明显的优势1 7 , 1 2 - 1 7 】：首先，丁醇的来源渠道非常广泛，木质 茎、稻草、农业残余物、玉米纤维和部分木质素都可以用于生产生物丁醇。木质 纤维等原料来源丰富，是可再生的，用来生产丁醇是处理废弃物的好办法。并且 丁醇的生产工艺与乙醇相似，可以对现有的乙醇生产设施进行改造，直接转而生 产丁醇。受到近年来石油的紧缺的威胁，丁醇是由可再生能源木质纤维制得，符 合国家能源安全的长远战略考虑。其次，从丁醇的物理特性来看，丁醇具有高能 量密度，具有较好的燃料经济性，测试结果表明，丁醇的能量密度接近汽油，而 乙醇的能量密度仅仅为汽油的6 5 ；丁醇的挥发性是乙醇的1 6 ，与柴油混合对水 的宽容度大，对潮湿和低水蒸气压有更好的适应能力。同时，丁醇还具有高辛烷 值和对金属具有很小的腐蚀性，满足良好的燃料关键性能，在与柴油混合后可以 直接利用现存的运输分销系统和贮存系统，这有助于它能更好的起到替代燃料的 作用。再次，与乙醇相比，能提高车辆的燃油效率和行驶里程，可多行驶3 0 左 右的路程。最后，丁醇与柴油的混合特性很好，无需其他的助溶剂，这对丁醇和 柴油的混合燃烧起到了基础性作用。 根据上文论述，由于丁醇具有许多优于其他生物醇类燃料的特点，当今世界 上许多国家对丁醇的研究与开发都非常重视，认为其将是内燃机用替代燃料的首 选燃料。下面主要介绍国内外对丁醇生产研究以及在内燃机上应用的现状。 国内的高校、科研院所以及一些发酵企业都开始着手丁醇的研究开发。中国 科学院上海植物生理生态研究所、上海工业微生物研究所、清华大学核能与新能 源技术研究院等以及上海天冠可再生能源有限公司、华北制药公司等企业都在致 力于生物丁醇的研究开发应用工作【1 8 】。2 0 0 6 年6 月，英国石油( b p ) 公司和美国 杜邦( d u p o n t ) 公司联合宣布，共同开发、研究、生产并向市场推出新一代生物 燃料生物丁醇，以满足全球日益增长的燃料需求1 1 9 , 2 0 】。2 0 0 6 年，英国政府计划用 甜菜生产生物丁醇，将其与传统汽油混合后，用作车辆驱动燃料，并加速其推广 应用1 2 。2 0 0 7 年2 月，英国o x f o r d s h i r eb a s e db i o t e c h n o l o g y 公司和风险投资人员 共同斥资，计划开发新一代低成本生物丁醇1 2 引。加利福尼亚技术研究院( c a l t e c h ) 、 乘用乍柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的试验研究 下属公司g e v o 、k h o s l a 风险投资公司及其v i r g i nf u e l s 公司目前已经将研究乙醇 的任务转向了研究丁醇，并且该合作单位将利用甘蔗、玉米副产品和草等不同类 型的生物质生产生物丁醇【2 3 1 。韩国产业资源部2 0 0 7 年表示，韩国也计划大力研发 生物丁醇等下一代新能源技术，直接用于替代汽油。该计划第一阶段由韩国化学 研究院、g s 精油、s k 建设、三星综合技术院和汉城大学( h a n s u n gu n i v e r s i t y ) 等 2 9 个企业和研究机构共同参与【2 4 1 。美国绿色生物有限公司( g b l ) 和e k b 公司共同 投资8 5 5 万欧元，用于创新丁醇发酵工艺技术，计划开发生产生物燃料丁醇用于 交通运输，将其生产成本降低1 3 1 2 5 j 。美国e n e rg e n e t i c si n t e r n a t i o n a li n c ( e g i ) 用d n a 遗传改良菌株，通过代谢工程调控和专利技术开发的连续固定化学反应 器，用于发酵回收产物获得生物丁醇【26 。美国b u t y f u e l 公司采用b f l 公司专利生 产的b i o b u t a n o l l m ，生产丁醇【2 7 】。美国生物燃料公司( s y n t e cb i o f u e l l n c ) 于2 0 1 0 年1 月宣布使用宽范围生物质和废弃物转化生产丁醇1 2 引。 在内燃机应用上，湖南大学杨靖教授等人1 2 9 j 对丁醇掺混汽油进行了试验研究， 发现在汽油中加入体积比为2 0 的丁醇对发动机的性能几乎没什么影响，直到丁 醇比例增加到3 0 之后功率才开始下降，但可以通过提前点火时刻等手段恢复其 功率。国内天津大学尧命发教授等人【3 0 j 研究了丁醇掺烧比例为( o ，5 ，1 0 和 1 5 ) 的丁醇柴油混合燃料对重型多次喷射柴油机性能和排放的影响试验，并在额 定转速和负荷下，通过废气再循环将n o x 排放控制在2 0 9 k w h 。试验结果表明： 丁醇柴油混合燃料在n o x 比排放不变的情况下，会明显地增加碳烟和c o 排放但 不损失有效燃油消耗率。研究丁醇柴油混合燃料预喷和主喷对发动机特征参数影 响与纯柴油相类似。预喷提前角大，能降低碳烟排放，但c o 排放会急剧增加。 在国际上，k a r a b e k t a s 等人【1 5 j 在一款四冲程自然吸气式直喷柴油机上进行丁醇柴 油混合燃料外特性试验，结果表明丁醇体积比例为1 0 时，功率损失不大，热效 率有轻微的增加。a i h a s a nm i 等人【3 l j 通过在一款单缸四冲程压燃式发动机中， 进行体积比例为1 0 、2 0 、3 0 和4 0 的丁醇和柴油混合燃料燃烧特性试验，试 验表明，3 0 的丁醇柴油混合燃料的发动机性能参数优于4 0 的。并且，丁醇柴 油混合燃料燃烧后，比较原柴油机可以发现在n o x 上升不大的情况下，大大地降 低了烟度。c w e i s k i r c h 等人1 1 2 】研究了丁醇柴油混合燃料在发动机上分别进行传统 燃烧和部分均质燃烧试验，表明，1 1 0 0 r m i n ( 最大转矩转速) 时，传统燃烧模式 下，发动机性能参数几乎没有影响，而部分均质燃烧模式下，混合燃料提高了燃 油效率和改善了排放。s c o t ta m i e r s 等人l l3 j 在m e r c e d e sb e n zc 2 2 0 柴油轿车上分 别燃烧丁醇体积比例为2 0 和4 0 的丁醇柴油混合燃料进行城市道路循环和高速 道路循环试验，试验结果表明，丁醇柴油掺混比为2 0 时，能达到和原机一样的 性能参数水平。另外，h c 和c o 排放在城市道路循环下的混合燃料的比柴油有明 显的增加，但n o 。变化不大；而在高速道路循环下h c 和c o 变化不大，n o x 随 硕l ：学位论文 着丁醇掺混比的增大而少量增加。d c r a k o p o u l o s 等人【3 2 j 在六缸增压水冷直喷式 m e r c e d e s b e n z 重型柴油机上，分别进行丁醇体积比例为8 和1 6 的丁醇柴油混 合燃料的燃烧特性试验，分析发动机在两个转速( 分别含有三个负荷工况) 下的 性能试验数据，试验表明：烟度排放随着丁醇掺混比例的增加明显降低；n o ；排 放较纯柴油有轻微的升高；c o 排放是随着丁醇掺混比例的增加而有降低的趋势； 总h c 排放却是随着丁醇掺混比例的增大而增加的。r a k h in m e h t a 等人【3 3 】在四 缸、四冲程、水冷柴油机上，分别进行丁醇、柴油和生物柴油体积比例分别为b 1 ( 5 、8 5 、1 0 ) ，b 2 ( 1 0 、7 5 、1 5 ) ，b 3 ( 2 0 、5 5 、2 5 ) 和b 4 ( 2 5 、 5 0 、2 5 ) 四种混合燃料台架试验，试验表明：混合燃料的有效功率较柴油相比， 有所下降，下降的范围在4 9 1 0 7 ；排气温度下降的范围在3 3 9 4 ；热效 率上升的范围是6 3 1 0 ；c o 在中、大负荷有明显的下降，最高达到4 2 ；n o 。 升高的范围在2 4 1 1 。f r a n ki u j a j i 等人1 3 4 】在四缸增压直喷柴油机上，分别进 行体积分数为( 1 5 、5 、8 0 ) 和( 1 0 、1 0 、8 0 ) 的巴豆油脂、丁醇与柴 油的混合燃料和纯柴油的经济性、排放和燃烧特性试验。试验表明：混合燃料的 比能量消耗比纯柴油高；发动机在大负荷时，混合燃料的压力峰值和放热率峰值 比纯柴油高；混合燃料的c 0 2 排放和碳烟排放比纯柴油要低。 从上述国内外研究现状来看，对丁醇的应用研究基本上集中在丁醇与传统燃 料的混合掺烧上，丁醇掺烧的比例相对较低。本文主要是对高比例的丁醇浓度混 合燃料进行燃烧特性、动力性、经济性和排放和试验研究，最高的丁醇掺混比例 达到4 0 。 1 4 课