（动力机械及工程专业论文）醇类燃料的燃烧与排放特性的研究.pdf

摘要 本文首先进行了醇类混合燃料的分层以及对橡胶件的溶胀作用实验。分层 实验结果表明，醇与汽油的互溶性受醇与汽油的混合比例、助溶剂的加入量、 使用温度及含水量等因素影响。溶胀作用实验结果表明，甲醇与汽油的混合燃 料对橡胶件的溶胀作用比纯汽油的强，并且随着掺烧甲醇比例的增大，甲醇汽 油混合燃料对橡胶件的溶胀作用是逐渐增大的。然后，在发动机未作任何改动 或优化调整的前提下，通过台架试验，比较了c a 6 1 0 2 型汽油机燃用汽油和醇 类混合燃料后的经济性、动力性、燃烧特性以及排放特性。试验结果表明：小 比例醇类混合燃料的动力性和经济性与汽油相当，而中比例醇类混合燃料的动 力性低于汽油，经济性与汽油相当。醇类混合燃料的着火延迟期、燃烧持续 期、燃烧循环变动都大于汽油，放热规律与汽油相似。醇类混合燃料的c o 、h c 和n o x 的排放基本上都比汽油低。最后对试验结果进行了分析。 关键词：醇类混合燃料燃烧特性排放特性 a b s t r a c t t h i s p a p e rp r i m a r i l y s t u d i e st h ed e l a r n i n a t i o na n de l a s t o m e r s w e l l i n g o f c o m p o u n d a l c o h o jf u e l s 强er e s u l to f d e l a m i n a t i o ne x p e r i m e n ts h o w s 墙翦t h em u t u a l s o l u b i l i t yo fa l c o h o la n dg a s o l i n ei s i n f l u e n c e db yb l e n dr a t i o ，a d d o nq u a n t i t yo f b o o s t e r s o l v e n t ，t e m p e r a t u r e a n dw a t e rc o n t e n t t h ec o n c l u s i o no f s w e l l i n g e x p e r i m e n t i st h a te l a s t o m e rs w e l l i n go fc o m p o u n da l c o h o lf u e l si ss t r o n g e rt h a n t h a to fg a s o l i n ea n de l a s t o m e rs w e l l i n gi sm o r es t r o n g e rw h e nm o r eb i g g e rb l e n d r a t i o t h e n ，w i t ht h ep r e m i s eo f n oa n ym o d i f i c a t i o no ro p t i m i z a t i o na d j u s t m e n to n t h ee n g i n e ，t h ep a p e rc o m p a r e se c o n o m y p r o p e r t y ，p o w e rp r o p e r t y ，e x h a u s te m i s s i o n s p r o p e r t ya n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw h e ng a s o l i n ea n dc o m p o u n d a l c o h o lf u e l s a r eu s e df o rc a 6 1 0 2p e t r o le n g i n e 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee c o n o m y p r o p e r t y a n dp o w e r p r o p e r t yo fs m a l l p r o p o r t i o nc o m p o u n da l c o h o le n g i n ei sa p p r o x i m a t e l y e q u a l t ot h a to f g a s o l i n ee n g i n e b u ta sr e g a r d sm e d i u m - p r o p o r t i o n c o m p o u n d a l c o h o l e n g i n e ，t h ep o w e rp r o p e r t yi sw o r s et h a nt h a to fg a s o l i n ee n g i n e ，a n dt h ee c o n o m y p r o p e r t y i s a p p r o x i m a t e l ye q u a l t ot h a to fg a s o l i n e e n g i n e t h ei n f l a m m a t i o n r e t a r d a t i o np e r i o d ，c o m b u s t i o nc o n t i n u a n c ep e r i o da n dc o m b u s t i o nc y c l i cv a r i a b i l i t y o f c o m p o u n d a l c o h o lf u e l si sg r e a t e rt h a nt h a to f g a s o l i n e t h eh e a tr e l e a s er e g u l a r i t y i ss i m i l a ri nc o m p a r i n gw i t hg a s o l i n e t h ec o h ca n dn o xe m i s s i o n sa r el o w e rt h a n t h a to f g a s o l i n e f i n a l l yt h ep a p & a n a l y s e st h e t e s t i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：c o m p o u n d a l c o h o lf u e l sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s e x h a u s te m i s s i o n sp r o p e r t y 第一章绪论 第一节引言 自汽车问世以来，汽车己走过1 0 0 多年的历程。现在汽车不仅是现代社会的 交通工具，而且是人类社会文明进步的重要标志之一。在汽车发达国家，旅客运 输的6 0 以上，货物运输的5 0 以上由汽车来完成，汽车工业水平和家庭平均拥 有汽车数量已经成为衡量一个国家工业发达程度的标志。但是，随着汽车工业的 飞速发展，在世界范围内石油系燃料的供需矛盾日益突出，汽车发动机废气排放 也成为当今大气污染的主要根源。因此，研制开发清洁代用燃料以及合理的资源 利用己成为日益突出的现实性课题。 1 9 7 3 年的石油危机冲击了全世界的经济、政治甚至人们的心理状态。从此， 人们更加清醒地认识到地球的石油资源是有限的，而且分布是极不均匀的。据统 计资料显示，如果按现在全世界e l 消耗石油6 5 0 万桶再加上增长的1 5 0 万桶计算， 预计2 0 3 5 年之前地球上的石油资源将会消耗殆尽“1 。因此，节约能源，使用代 用燃料可能成为解决石油供应中断以及石油储藏最终枯竭的最有效的方法之一。 同时，随着世界各先进工业国家经济的不断发展，城市运输车辆大幅度增加， 其尾气已成为各大城市的主要污染源之一，据统计：大约超过6 0 8 0 的空气 污染物为车辆排放所造成。内燃机排气污染控制的优劣，既影响人类的健康、生 态平衡及生存环境，也影响到内燃机、汽车等产品在国内外的销售及竞争能力。 从6 0 年代开始，美国、日本、欧共体国家相继制定了汽车排放限制标准，以控 制汽车排放对人类生存环境带来的日益严重的危害。排放限制标准的出台，迫使 汽车制造业和相关的研究机构甚至政府部门倾注大量的人力和财力来研究降低 排气中各种有害排放物的对策和控制技术。但是，单纯依靠改善内燃机燃烧系统 来改善汽车排放来达到排放限制标准己受到许多限制。因此，发展清洁代用燃料 显得日益迫切。 综上所述，世界石油资源短缺和生态环境的保护是2 l 世纪人类面临的主要 问题，这必将对汽车传统的石油燃料发起挑战，合理地利用资源及开发清洁代用 燃料将是人类面临的首要问题之一。 第二节内燃机代用燃料的应用和发展 作为内燃机的代用燃料，必须具备下列条件： ( 1 )必须具有一定的热值。其理论混合气热值不低于2 6 0 m j k g ，即接近 于柴油或汽油的理论混合气热值( 它们分别为2 7 5 3 m j k g 和2 7 7 8 m j k g ) 。 ( 2 )必须在发动机运转的一定时间内达到气化或雾化，以便能与空气迅 速形成可燃的气态混合气，及时参与燃烧。 ( 3 )必须在一定的温度和压力下以及一定的时间内燃烧基本完毕，过后 燃烧不可拖得过长，即必须在活塞处于上止点附近及上止点以后约6 0 。c a ( 曲轴 转角) 的时间内基本放出自己的全部热量。 ( 4 )燃烧后的排气污染程度必须在国家标准规定的限度以内。 ( 5 )与柴油或汽油的质量和热值相比，其价格不能太高，特别是在普通 推广应用时更应如此。 ( 6 )所有的内燃机代用燃料必须具有节能、再生或应急性质( 节能主要 是指节省石油系燃料) 。 迄今为止，经过世界上很多国家的科技人员长期的试验研究，发现了一些可 替代石油作为内燃机燃料的清洁代用燃料。现已发现有可能用于汽车的石油替代 燃料有电能、氢气、天然气、液化石油气、二甲醚、太阳能、生物质能、甲醇和 乙醇等。 电能是二次能源，电能作为汽车代用燃料的主要优点是：电能来源非常丰 富，且来源方式多。直接污染及噪声很小。结构简单，维修方便。其缺点是： 蓄电池能源密度小，汽车续驶里程短，动力性较差。电池重量大，寿命短， 成本高。蓄电池充电时间长。以它为能源的电动汽车从总体看目前仍处于试验 研究阶段，要完全解决技术上的难题并降低成本，还需要一定时间。电动汽车被 公认为未来汽车的主体。 氢气可用作氢气汽车的能源。以氢气为原料的燃料电池汽车也是氢气汽车， 但就汽车结构属性看，燃料电池汽车划归于电动汽车更为适宜。氢气作为汽车代 用燃料的主要优点是：氨气来源非常丰富。污染很小。氢的辛烷值高，热 值高。其缺点是：氢气生产成本高。气态氢能量密度小且储运不便，液态氢 技术难度大，成本高。需要开发专用发动机。目前仍处于基础研究阶段，制氢 2 及储带技术还没有突破。氢气汽车有希望成为未来汽车的重要组成部分，但前景 尚难估量。 天然气( n g ) 是地表下岩石储集层中自然存在的以轻质碳氢化合物为主体的 气体混合物的统称，其主要成分是甲烷，在常温常压下是以气态形式存在。现世 界上有1 0 0 多万辆天然气汽车在使用，我国也有4 万多辆在运行“1 。天然气作为 汽车代用燃料的主要优点：天然气资源丰富。污染小。天然气辛烷值高。 天然气价格低廉。其缺点是：建加气站网络要求投资强度大。气态天然气 的能量密度小，影响续驶里程等性能。与汽油车相比动力性低。储带有所不 方便。它有可能是2 l 世纪汽车的重要种类。 液化石油气( l p g ) 是由油田轻烃回收或炼厂产生的。l p g 汽车国外已有6 0 0 多万辆，国内也有8 万多辆t 2 1 a 液化石油气作为汽车代用燃料的主要优点：液 化石油气来源较为丰富。污染小。液化石油气辛烷值较高。其面临与天然气 汽车相类似的问题，但程度较轻。与此同时，l p g 在国内的资源少，炼厂催化裂 化产生的l p g 含烯烃多( 6 0 ) ，不宜作车用。大量使用需进口。 二甲醚( d m e ) 由甲醇脱水制成，或直接从合成气加工制成。其十六烷值高， 有良好的自燃性和无烟燃烧，n o x 排放低，即使在无e g r 或氧化转换器下，也可 达到e u r 0 3 的排放标准，被认为是柴油的理想洁净代用燃料，国内外正在研究其 应用技术，还无正式产品。其储运、使用方法同l p g 。但需开发专门的燃料系统， 才能用于柴油机上。它的应用研究直到9 0 年代初期才开始，目前还处于探索阶 段。 太阳能取之不尽、用之不竭，太阳照在地球表面的能量等于人类所需能量的 1 万倍，是自然界最丰富的可再生清洁能源。太阳能汽车是直接用太阳能作为汽 车动力源的汽车，以及利用太阳能电池直接将太阳的辐射能转变为电能并由电动 机来驱动的汽车。太阳能汽车与电动汽车有许多相似的地方，从广义讲，也是电 动汽车的一个类型。太阳能直接用作汽车代用燃料的主要优点：来源非常丰富。 运行零污染而且噪声小。易于制造。其存在的主要问题：成本高。效率 低，目前太阳能电池的最高效率约为2 0 。能量密度低。受时令影响大。由 于太阳能受时令影响大和能量密度低等原因，将太阳能直接应用于汽车是否最佳 选择还有待论证。近年来已有少数国家有了太阳能汽车的实验车型，达到实用阶 段尚需要一段较长的时问。 生物质能是人类最早利用的能源，是古代人类能源应用的主体，至今世界上 仍有约2 5 亿人依靠生物能烹调、取暖和照明。生物质能包括植物及其加工品和 粪肥等。生物质能用作汽车代用燃料的主要优点：来源丰富。对环境有利。 植物进行光合作用时吸收c 魄，故用作汽车代用燃料，不会像化石燃料那样导致 大气中的温室气体增加。生物质能不含硫，没有硫化物的排放，也不会造成酸雨。 其存在的主要问题是：供油系统部件易被堵塞。植物油中的脂肪胶和杂质易使 燃油过滤器堵塞。植物油的粘度和初馏点高，易使喷油器结胶、堵塞。燃烧室 易积碳、活塞环易粘结、润滑油易结质。植物油的粘度高，雾化差，不但使燃烧 室易积碳、活塞环易粘结，还由于液态植物油泄漏到油底壳中，使润滑油容易变 质。由于生物质能来源丰富和有利于环境，许多国家对生物燃料的研究开发相当 重视，欧、美等一些国家燃用植物油单脂或与柴油的混合燃料汽车，少者数十辆 多者上千辆。美国有关专家对生物质能的前景相当看好，提出仅将目前美国储备 的耕地和荒地用于生产植物油，就可以替代美国交通用柴油的2 5 。在地广人稀 的国家或地区，生物质能有望获得一定的应用。 甲醇、乙醇在常温常压下以液态形式存在。乙醇燃料主要从农作物中制取， 属于可再生能源，在生态循环中可减少大气中的c o 。和温室效应，己受到许多国 家的高度重视，已作为车辆的重要环保措施。甲醇或乙醇作为汽车代用燃料的主 要优点是：来源较为丰富。辛烷值高。污染小。其缺点是：甲醇的毒性 较大。需解决分层问题。对金属及橡胶件有腐蚀性。冷起动性能差。目前 国际上对l o 乙醇作为含氧物加入汽油中和以乙醇为燃料的轿车、客车、公共汽 车和重型车等仍在继续生产、使用。 甲醇燃料作为液体燃料，其储运、分配、携带及使用都和传统汽、柴油差不 多。从6 0 年代起，甲醇燃料就受到许多国家重视，进行了大量研究开发、示范 和生产a 它是单一成分，蒸气压力低，启动性不好，须与汽油混合。甲醇的动力 性和排放性比汽油好，使用方便，易于推广；原料资源广泛，尤其适合我国煤多 油少的资源特点，在产煤地区，由煤联产甲醇的成本已可和汽油竞争。山西、吉 林、黑龙江等省份在省政府优惠政策支持下，甲醇汽车已受到人们的欢迎。因此， 煤制甲醇作为车用清洁代用燃料是现实和有前途的，作为未来燃料电池燃料的前 4 景也非常光明。 第三节本课题的研究目的和意义 随着经济发展，我国石油后备资源不足的问题已充分显现。1 9 9 9 年我国进 口原油4 0 0 0 万吨，2 0 0 0 年进口原油达到7 0 0 0 万吨。据估计到2 0 1 0 年，年进口 将增加5 倍，达3 0 0 桶天，相当于沙特石油产量的一半 2 1 0 对此，国家已决定 大力调整能源结构，从各方面采取措施节约石油消耗。与此同时，随着汽车工业 发展，汽车保有量不断增加。目前全国汽车保有量已突破2 0 0 0 万辆，年消耗汽 油达3 7 0 0 万吨。然而，我国的煤炭资源丰富，现已探明的可开采储量7 6 5 0 亿吨， 可供国内使用大约2 0 0 - 4 0 0 年“1 ，长远发展看，煤炭无疑将成为我国的主导能 源之一。因此，煤制车用甲醇和可再生燃料乙醇将会成为一种理想的代用燃料而 得到广泛应用。 首先在少数产粮大省推广使用乙醇汽油。采用粮食生产乙醇可以将多余的陈 粮进行转化，调整农业结构，增加农民的收入，但遇天灾粮食生产不足之时，原 料供应将成问题。另一方面，乙醇汽油成本比较高，国家还要给予一定补贴。其 次，另一最有效的办法就是阱甲醇代替汽油。以天然气或煤为原料生产甲醇国内 已有成熟的技术，且该工艺流程短，占地少，投资省，人员不多。特别是以煤为 原料生产甲醇，因我国煤炭资源丰富，价格便宜，在山西、陕西等产煤地区每吨 价格在1 0 0 元左右，每吨甲醇耗煤原料和燃料不到2 吨，加上折旧费、修理费、 财务费等，经测算生产总成本在8 0 0 元左右。另一方面，甲醇汽车的尾气排放量 比汽油和柴油更低，对环境也更有利。由此可见，汽车采用甲醇作为燃料不仅具 有环保效应，还可大大节省运行费用。这些都意味着在所有的代用燃料中，甲醇 是一种很有发展前景的代用燃料。 本论文通过对火花点火发动机掺烧醇类燃料特别是甲醇燃料后的动力性、经 济性、有害气体排放和燃烧规律进行研究，更加深入地认识醇类燃料的使用特性， 以便在实际应用中，充分发挥醇类燃料的优点，使其在火花点火发动机上获得更 好的性能，为醇类燃料的推广应用打好理论基础。本论文还对醇类燃料与汽油的 互溶性和对橡胶件的溶胀作用作了一定的实验研究，其结果可为醇类燃料的开发 应用提供一定的理论指导，也可为储存、输送和配比醇类混合燃料提供理论参考。 第二章醇类燃料 第一节概述 二十世纪二、三十年代美国、巴西、德国、法国、新西兰等国家先后将乙醇 和汽油混合燃料用于汽车。二十世纪七十年代两次能源危机之后，醇类开始较大 规模获得应用。目前，已有四十多个国家和地区开发应用了醇类汽车，以美国和 巴西应用最多。 醇类燃料主要是指甲醇和乙醇，属含氧燃料。甲醇和乙醇都是相对分子量较 小的单一物质，燃烧产物中基本没有碳烟，n 0 x 排放浓度也很低，可以作为一种 低污染性燃料。 甲醇主要来自煤化工和天然气合成，可以利用煤炭、天然气、煤层气、可再 生生物资源、分类垃圾等制取，每吨成本价约8 0 0 1 0 0 0 元。我国生产甲醇的主 要方法有：煤炭直接合成甲醇；化肥联醇即利用化肥厂合成氨原料气中一部分， 采用串联或并联流程生产甲醇；焦化联醇g p n 用生产焦炭过程中副产品焦炉气生 产甲醇和天然气合成甲醇“1 。 乙醇的生产方式主要以农作物，如谷类、甘薯等为原材料经发酵、蒸馏制得， 每吨成本价约4 0 0 0 4 5 0 0 元“1 。 一、甲醇与汽油的掺烧方法 甲醇与汽油掺烧作为汽油机的燃料时，常用的有三种方法：即化学混合法、 量孔掺配法及雾化混合法“1 。 ( - - ) 化学混合法：此法在国内外普遍使用。其方法是按一定比例的甲醇掺 入汽油中，因甲醇与汽油混合时有两相分离的问题，一般都需在混合燃料中加入 助溶剂使其混合均匀，才能使用。化学混合法的供燃料体系如图2 1 所示。 此法在汽车上使用简单易行，发动机不做大的改动即可使用。推广时需建立 一套完全的供燃料体系，但汽油和甲醇是不易混合均匀的物质，所以分层现象乃 是此法的中心问题，在使用中必须解决。本文配制甲醇汽油混合燃料时就是采用 这种方法。 6 汽军 图2 一i 化学混合法供燃料体系示意图 ( - - ) 量孔掺配法：此法的原理是使用了一支三通管路，在管道中安装了选 好的量孔，一只是测量汽油的流量，另一只是测量甲醇的流量。经过量孔的汽油 和甲醇在三通管路中掺配后送入化油器。其完整的供燃料体系如图2 2 所示。 此法的优点是可以不用助溶剂或少用助溶剂，提高了燃料的经济性，并减少 了加油站供燃料的装置。但由于甲醇与汽油的比重不同，粘度不同，在燃料系统 中，供甲醇及供汽油的压力也不同，所以，经过量孔掺配好的混合燃料其比例不 易稳定，掺配后的燃料在管路中仍然存在分层的问题，这都致使发动机的工作不 稳定。 ；暑； 十州恒凼 加油站 汽车 图2 2 量孔掺配法供燃料体系示意图 ( 三) 雾化混合法：汽油与甲醇分别由两套供燃料系统送至化油器喉口处 随喉口真空度变化按比例同时喷出汽油与甲醇。汽油和甲醇在雾化、汽化过程中 进行混合。图2 3 为此方法供燃料体系示意图，此法也称“双燃料供给系统”。 此法需改装化油器，在化油器喉口处的汽油喷出量与甲醇喷出量，按使用要 求合理的匹配，是此法麻烦的所在。如果匹配的合理，发动机的经济性、动力性 均能达到好的效果。此法对甲醇的含水量没有严格要求，可直接使用粗制甲醇。 一卜g 卜少镬 汽车 图2 3 雾化混合法供燃料体系示意图 二、汽车使用醇类燃料的方式 汽车使用醇类燃料的方式有低比例掺烧、灵活比例掺烧和完全使用醇类燃料 三种形式“1 。 ( 1 ) 低比例掺烧：汽油掺入醇量不超过1 0 ( 超过5 以上时需加助溶剂以 防止分层) ，车辆一般不用改动，其不足是燃料的替代率低，增加了调配环节， 汽车尾气排放改善不理想。 ( 2 ) 灵活比例掺烧：汽油与醇以任何比例混合，需要对车辆做必要的改动， 燃料替代率提高，汽车排放明显改善。 ( 3 ) 汽车完全使用醇类燃料时，车辆要做相应改动，汽油、醇类燃料一般不 能互换，汽车尾气排放较好。 第二节醇类的理化眭质 醇类是烃基与羟基( o h ) 组成的化合物，这就从本质上决定了醇类可以作为 汽车的代用燃料，也决定了醇类燃料的物理化学特性与烃类燃料有所差别。 表2 1 列出了汽油及甲醇和乙醇的主要理化特性n 1 。 表2 一l醇类燃料与汽油的理化特性比较 l性质甲醇 乙醇汽油 i化学式c h 。o h c 2 h 5 0 h c 。一c 。：的烃化合物 分子量3 24 6 9 5 1 2 0 碳3 7 55 2 28 5 8 8 氢( 重量比)1 2 51 3 01 2 1 5 氧5 0 03 4 8n o c h 原子量比3 o4 0 5 6 7 4 2 0 。c 密度( k g l ) 0 7 9 60 7 9 00 7 0 o 7 8 理论空燃比( 质量比)6 49 01 4 2 1 5 1 冬季0 6 0 9 蒸气压( r e i d ) b a r0 。3 2o 。1 8 夏季0 4 5 0 7 沸点( 。c )6 4 87 8 53 2 2 0 0 凝固点( )- 9 8一1 1 4- 5 7 2 0 。c 动力粘度( c p ) o 6 01 2o 4 2 2 0 。c 运动粘度( c s t )0 6 5 - - 0 8 5 低热值( m j k g ) 1 9 6 62 6 7 74 3 5 高热值( m j k g ) 2 2 3 42 9 84 6 6 气化潜熟( k j k g )l 1 0 99 0 43 1 0 十六烷值380 1 0 辛烷值 r o n1 1 41 l l b l o n9 59 4 着火极限( 空气中容积比)6 7 3 64 3 1 91 4 7 6 自燃温度( u c )4 7 04 2 02 2 0 2 6 0 闪点( 口c )1 12 14 5 2 0 比热( k j k g ) 2 5 52 7 22 3 理论空燃比下的混合气热值g j k g 3 0 72 9 72 9 9 理论混合气燃烧时 理论分子变更系数 1 0 61 0 7l ，0 5 2 0 。c 电导率( s m )4 4 1 0 41 3 5 1 0 。7 由表2 1 可以得出醇类燃料有下列主要特点： 1 、醇类燃料的热值低，甲醇的热值只有汽油的4 8 ，乙醇的热值只有汽油 的6 4 。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。 2 、醇类燃料的辛烷值比汽油高，因此是良好的汽油机代用燃料，也是提高 q 汽油辛烷值的优良添加剂。普通汽油与1 5 2 0 的甲醇混合，辛烷值可以达到 优质汽油的水平。 3 、常温常压下醇类燃料为液体，操作容易，储带方便。 4 、醇类燃料的沸点及蒸气压都比汽油低，有助于燃油一空气混合气的形成。 然而其中缺少高挥发性成分，对起动不利。 5 、醇类燃料的气化潜热大，约是汽油的三倍，高的气化潜热及低的蒸气压 将导致混合气形成和起动困难，但有可能提高充气效率。 6 、醇类燃料的着火界限比汽油宽，能够在较稀的混合气状态下工作。 7 、醇类燃料的腐蚀性大。醇具有较强的化学活性，能腐蚀锌、铅等金属。 甲醇汽油混合燃料的腐蚀性随甲醇含量的增加而增大。另外，醇与汽油的混合燃 料对橡胶、塑料的溶胀作用比单独的醇或汽油都强。 8 、醇类燃料含有羟基，无限溶于水，而烃类燃料憎水性强，因而醇类燃料 与烃类燃料的相容性差。烃类燃料憎水性的顺序为脂肪族烷烃 烯烃 芳香烃。憎 水性愈强与醇类燃料的相容性愈差。 第三节醇类燃料与汽油的互溶性 醇类分子中既含有羟基( 以o h 代表) ，又含有烃基( 以r 代表) 。因此，醇 类既有亲烃油的特性，又有亲水的特性。后者更为强烈，而且醇类含碳量愈小， 亲水性愈强，含碳量愈多，亲油性愈强。 所以，在柴油机或汽油机中掺烧醇类，容易出现醇油分层或醇含水而与油明 显分层的问题。这些问题对燃烧的均匀性和发动机工作过程的均匀性都有明显的 影响。这还会造成热效率下降，排污增加，同时增加了发动机的振动、噪声和机 件早期损坏。因此，研究醇类燃料与汽油的互溶性是有必要的。 实验项目包括：在一定温度( 一1 5 。c ) 时，助溶剂乙醇对甲醇与汽油互溶 性的影响实验以及乙醇与汽油的互溶性实验。含水量对醇类燃料与汽油互溶性 的影响实验。这无疑对配比甲醇汽油混合燃料时选择适量的助溶剂用量，节省助 溶剂的使用量、降低混合燃料成本以及储存、输送甲醇或乙醇汽油混合燃料都起 到了重要的指导作用。 实验所用油样为市售7 0 号商品汽油，助溶剂为无水分析乙醇( 水含量小于 1 0 0 3 ) ，甲醇为无水分析甲醇( 水含量小于0 1 ) 。 一、助溶剂的选定 由于甲醇与汽油的分层问题严重影响了甲醇汽油混合燃料的使用。因此，在 使用过程时应采取一定的措施来防止混合燃料的分层。在甲醇与汽油混合液中加 入助溶剂是改善甲醇与汽油互溶性的一种有效措施。有、无助溶剂时甲醇与汽油 的互溶性有很大的区别。可以用作甲醇与汽油助溶剂的物质有：异戊醇、异丁醇、 正丁醇、异丙烯、加基叔丁基醚( m t b e ) , 乙醇、杂醇等5 1 。 本文所选定的甲醇与汽油助溶剂是乙醇，因为这样的话，乙醇在混合燃料中 不仅是用来改善甲醇与汽油的互溶性，而且由于乙醇也是一种高辛烷值的燃料还 可以起到提高混合燃料辛烷值的作用。 二、助溶剂对醇与汽油互溶性的影响实验 实验步骤：在恒定的温度( - 1 5 。e ) 、不同用量的助溶剂乙醇的条件下，观察 每一种配比的甲醇汽油混合燃料的分层情况，并找出了不分层时助溶剂乙醇的临 界用量，最后得出助溶剂用量随甲醇汽油混合比例的变化曲线。实验结果如图2 4 所示。 霉 删 钿 求 妞 跖 蛙 s 幂 谗 蠡 u1 02 03 04 0b 06 07 08 0 甲醇体积百分含量( ) 图2 4 甲醇与汽油的互溶性曲线 从图2 4 中可以看出，甲醇与汽油互溶性曲线的形状近似抛物线。当温度 在零下1 5 度以上时，甲醇含量小于5 或大于7 0 时甲醇与汽油不需加助溶剂就 可以以任何比例完全互溶；在甲醇含量为3 0 4 0 时，助溶剂临界用量最大， 2 o 8 6 4 2 o 两者极易分层；在甲醇含量为5 3 0 时，助溶剂临界用量随着甲醇含量的增加 而增大；在甲醇含量为4 0 7 0 时，助溶剂临界用量随着甲醇的增加而减少。 同时还可以得出，汽油在甲醇中的溶解度大于甲醇在汽油中的溶解度。 与此同时，本文还对乙醇汽油混合燃料的低温互溶性进行了实验研究。通过 实验研究发现，在温度为1 5 。c 以上时，乙醇和汽油不需加助溶剂就可以以任 何比例完全互溶。 三、含水量对醇与汽油互溶性的影响实验 本实验所用的混合燃料是依据低温分层实验结果来配制的，其组成见表2 2 。在这里，为了叙述方便，将甲醇和乙醇总的百分含量( 体积含量) 为1 0 ， 2 0 ，3 0 的混合燃料称之为m i o ，m 2 0 ，m 3 0 ；将乙醇体积百分 含量为1 0 ，2 0 ，3 0 的混合燃料称之为e i o ，e 2 0 ，e 3 0 。 表2 2甲醇或乙醇汽油混合燃料及组成 燃料7 0 # 汽油的体积分数甲醇的体积分数乙醇的体积分数 m 1 09 08 5i 5 m 2 57 51 96 m 3 07 02 37 m 3 56 52 78 e 1 09 00l o 实验步骤：在已配好的混合燃料样品中人为地加入少量的水，然后在不同的 温度下观察混合燃料的分层情况。其实验结果如图2 5 所示。 从图2 5 中看出，甲醇汽油混合燃料的临界分层温度随含水量( 混合燃料 的总含水量) 的增加而升高，并且添加助溶剂可以降低混合燃料的临界分层温度， 例如，当混合燃料中的含水量都为0 2 时，助溶剂用量最大的m 3 5 的临界分层 温度比m 3 0 的低4 。c ，比m 2 5 的低9 。c ，比m i o 的低4 0 。c ，而且含水量愈大这三 种混合燃料之间的临界分层温度相差愈大，同时还可以看出，含水量对乙醇与汽 油互溶性的影响比助溶剂用量较多的甲醇汽油混合燃料( 如m 2 0 、m 2 5 和m 3 0 ) 的要大，比助溶剂用量较少的甲醇汽油混合燃料( 如m i o ) 的要小，并且乙醇汽 油混合燃料的临界分层温度也随着含水量的增加而增大。 1 2 00 1o 20 30 40 50 60 70 8 水体积百分含量( ) 1 m 2 52 m 3 03 m 3 54 e 1 05 m 1 0 图2 - - 5 醇类与汽油的互溶性曲线 通过实验研究可以得出，甲醇汽油混合燃料的使用受甲醇和汽油的混合比 例、助溶剂的加入量、使用温度及含水量等因素影响。在使用甲醇汽油混合燃料 时，要防止甲醇和汽油的分层可以向混合燃料中加入少量的乙醇，这样在使用中 乙醇不但可以防止混合燃料分层，而且对混合燃料的燃烧特性不会产生很大的影 响。与此同时，乙醇汽油混合燃料的使用也受混合比例、使用温度、含水量等因 素影响。 第四节甲醇汽油混合燃料对橡胶件的溶胀作用 醇类属化工溶剂的一种，故甲醇汽油混合燃料和乙醇汽油混合燃料都会对汽 车供油系统中的橡胶件( 如油泵的油封、垫圈等) 产生一定的溶胀作用，使其硬 度下降、质地软化、龟裂进而失效。对塑料也会产生类似的作用。当混合燃料中 甲醇或乙醇比例较低( 如小于l o ) 时，溶胀作用很小，不会造成值得重视的影 响。因此，本文只研究中比例的甲醇汽油混合燃料( 如m 2 5 和m 3 0 ) 对橡胶件的 溶胀作用，然后进一步比较不同比例的混合燃料及车用9 0 # 汽油对橡胶件的溶 胀作用是有定意义的。 实验中使用的甲醇汽油混合燃料及组成见表2 2 。实验步骤：将汽车中常 见的橡胶件分别浸泡在密封的m 2 5 、m 3 0 以及9 0 # 汽油样品中，然后每天用电光 分析天平称一次橡胶件的重量，观察时间为一个月。图2 6 给出了橡胶件的质 蚰 加 o 加 加 趟岖鞲v 世赠喽求 量增加率随观察时间的变化关系。 观察时间( 天) m 2 5_ m 3 09 0 # 汽油 图2 69 0 # 汽油和甲醇汽油混合燃料对橡胶件的溶胀作用曲线 从图2 6 中的曲线可以看出，在同一种燃料样品中，橡胶件的质量增加率 变化不大，只是稍微增大。但是，在混合燃料样品中的橡胶件质量增加率明显比 在9 0 # 汽油样品的大。质量增加率最大的是m 3 0 ，最大值为3 8 5 ；其次是m 2 5 ， 最大值为3 1 8 ；最小的是9 0 # 汽油。最大值为1 9 1 。这就说明对橡胶件的溶 胀作用大小排序为m 3 0 、m 2 5 和9 0 # 汽油，其原因是由于甲醇是一种极性的有机 溶剂，它能溶解在某些材料( 例如橡胶、塑料) 中，使它们的质量增加，产生溶 胀作用。 从实验结果可以得出以下结论：醇与汽油的混合燃料对橡胶件的溶胀作用比 纯汽油的强；并且随着掺烧甲醇比例的增大，甲醇汽油混合燃料对橡胶件的溶胀 作用是逐渐增大的。因此，当掺烧比例较高的甲醇或乙醇燃料时，应配以耐醇油 性好的橡胶件。不同橡胶的耐醇油性顺序为：聚氯醚( 氯醇胶) 氯化聚醚 氟橡胶 氟橡胶氯丁胶 丁晴胶 氰化丁晴胶 顺丁胶 乙丙胶丁苯胶 天然胶 硅橡胶 丁基胶。对于塑料件如一些发动机的滤芯用泡沫塑料制成，可以更换成陶瓷或尼 龙材质“1 。 1 4 5 4 5 3 5 z 5 l 叭 仉 呲 m 呲 m 吼 一g 一 褂嚣释删峰g掌垡蜒摊 第三章试验装置与仪器设备 第一节发动机台架布置及测量仪器 试验台架的总体布置如图3 1 所示。 图3 1 试验台架的总体布置示意图 试验是在第一汽车集团公司制造的四冲程c a 6 1 0 2 型汽油机上进行的。新鲜 空气通过双纽线流量计进入发动机化油器与燃料混合。从压力传感器得到的缸压 信号经电荷放大器和曲轴传来的角度脉冲信号同时进入燃烧分析仪进行分析处 理，结果经g p i b 接口传入p c 机，数据可实时处理也可存盘用于试验后处理。 五种气体分析仪用于c o 、h c 、n o x 排放的测量。数字油耗仪用于测量汽油或混合 燃料的消耗量。u 型压力计和双纽线流量计用于测量新鲜空气的流量。试验所用 主要测量仪器的名称、型号等参数列于表3 1 ，c a 6 1 0 2 型汽油机的主要参数和 技术指标见表3 2 。 表3 1试验用测量仪器及生产厂家 测量仪器名称型号生产厂家 试验用发动机c a 6 1 0 2第一汽车集团公司 燃烧分析仪 c b 一5 6 6日本小野 屯涡流测功机c 孵1 5 0浙江遂昌动力测试设备厂 油耗流量传感器f p 一2 2 4日本小野 数字油耗仪 d f 一3 1 3 日本小野 五神气体分析仪d i g a s 4 0 0 0奥地利李斯特公司 点火角测试仪4 1 6 5美国时代公司 空气流量计双纽线式西安交通大学 压力计u 型 诬安玻璃压力厂 干湿温度仪 上海周滴仪表厂 动槽水银气压表 长春气象仪器厂 表3 2c a 6 1 0 2 型汽油机的结构参数及指标 型式 直列、六缸、水冷四冲程 缸径冲量( m m )1 0 2 1 1 4 3 总排量( l )5 5 6 压缩比7 4 燃烧室形状 半楔形 连杆长度( )1 9 0 标定功率 k w ( r m i n ) 9 9 3 3 0 0 0 标定扭矩 n m ( r m i n ) 3 7 3 1 2 0 0 1 4 0 0 第二节电荷放大器的结构和原理 来自压力传感器的气缸压力信号首先应经过电荷放大器将其由电量值转化 为电压值，然后才能进入燃烧分析仅进行计算。下面为电荷放大器单元的模块图 和功能原理“1 。 电荷放大器单元的模块图如图3 2 所示。 1 6 图3 - 2电荷放大器单元模块图 从图3 2 中可以明显地看出它由以下几个功能模块组成：具有测量范围和 时间变量选择的输入阶段；带有为调整放大系数被d a c ( 数字模拟转换器) 转化 成数字电压的放大阶段；自动零补偿电路；可切换的低通滤波器；信号输出；为 参数调整错误处理和系列或平行转换的缓冲区；各种状态显示的发光二极管。 输入阶段的测量量程的选择通过接入一个量程电容来实现。输入阶段是由一 个带有金属氧化物半导体场效应晶体管输入阶段的高增益运算放大器组成。它是 一个带有五个高绝缘量程电容c g 中的一个负反馈电路。因此，负反馈电路通过 c h a r g ei n p u t 对流入的输入电流起一个积分电路的作用。这些电流由电量变 化产生，例如压电传感器上的载荷变化。 在电荷放大器输出端，出现的电压与传感器传来的电荷变化的积分成比例。 因此，“电荷放大器”实质是一个电荷一电压转换器。 在大多数情况下，用下面的近似公式来决定u ，就足够了： q 输入端的电荷 u l ；旦c e c g c 窖量程电容。 精确计算时可用下式，假定一个有限的运算放大器上的开口回路放大系数并 且考虑到输入电容c e ( ；电缆电容和传感器电容) ，给出u 1 ： u = _ t c g 。( 1 + 旁+ 靠 矿以频率表示的运算放大器开口回路放大系数，对于直接耦合时，大 约为1 5 0 0 0 0 ； o 总的输入电容。 关系式 堡表示与输入电荷q 和输出电压u 1 之间严格比例的 c g o + 古+ 罴， 偏差。此外，在大多数情况下，简化后的公式( 3 1 ) 就足够。 具体的量程电容c g 可能与两个时间常量电阻如( 分别为1 0 9 q 和1 0 “q ) 之 一相并联，这样，c 譬能缓慢放电，这一点有利于动态测量。 能够使量程电容接通的常断开簧片继电器的闭合起到把放大器重设为r e s e t 位的作用。这样，输出电压置零，除掉可能的零偏差。 z e r o 补偿电位计用作 输入阶段的零调整。用它可将 c h a r g ei n p u t 的补偿电压调整到最小。 电荷放大器单元的控制与监控都由8 位微处理器完成。电荷放大器部分和微 处理器部分的传输是连续的，是通过适当的具有视耦合去耦的转换器来完成的。 通过这种连接，极限探测器、 r e m o t ec o n t r o l 】的连接以及按钮面板的信息都 被传送到位处理器中。在相反的方向，电荷放大器已经被调整了：量程、时闽常 量、数字一模拟转换器、滤波器和 o p e r a t e r e s e t 】。 液晶显示、记忆和接口都是直接地与微处理器相连。对于储存程序，一个 6 4 ke p r o m 就可以了，已经调整了的参数被存在固定的2 kn o v r a m 中。 1 s 第三节燃烧分析仪的结构及原理 试验采用日本小野公司生产的c b - - 5 6 6 型瞬态燃烧分析仪迸行燃烧分析，其 实时发动机分析仪构成图如图3 3 所示。 共1 8 通道 1 用于角度采 样信号存储器 2 m b y t e c h 用于平均值数据 的存储器2 m 字节 章1 内置c r t 术1 f l o a t i n g 演算 处理器 c r t 接口 6 4 0 x 6 4 0 糊意三一视频输出_ j 皇翥篓驱怿驱动器il 1采用多c p u 管理的系统 主c p u 输入放大器 ，缸内压力输入信号 5 0 0 k h za d 共1 8 个通道 输入放大器 ，平均值数据输入信号 5 0 0 k h za d 、 共1 8 个通道 ，l 、 l 角度脉冲等采 ，时钟输入 l 样定时时钟发 l 生器 用于1 p r 、3 6 0 p r 7 2 0 p r 产生 的触发脉冲及产生每0 1 2 5 度一个脉 冲，每0 2 5 度一个脉冲 硬盘接口l 爿硬盘 打印机绘图 仪接口g p i b 打印机r q 一2 1 1 绘图仪c x 一3 3 8 g p i b 接口i 爿p c 机 图3 3 实时发动机分析仪构成图 c b - - 5 6 6 分析仪是用于发动机台架上对内燃机进行燃烧分析，也可对喷射系 统进行每循环的采样分析。其基本原理为：首先将来自电荷放大器的缸压模拟信 号利用1 2 位a d 转换器进行模数转换，将其转换为数字信号并和曲轴传来的角 度脉冲信号一起传送到c b - - 5 6 6 主c p u 中，然后根据设定条件进行放热率、放热 量等功能参数的分析计算或存储后处理。分析结果可直接在内置c r t 上显示，也 1 9 可在绘图仪或打印机上输出，还可以由g p - - i b 接口向p c 机传送数据。此外，分 析结果或设定条件可存于3 5 寸软盘上。 主要的分析参数有”1 ： ( 1 )u v o l t ：a 输入电荷放大器每1 v 电压相当于物理量( 工程单位) 。 当将高速通道的输入电压值x ( i ) 变换成物理量y ( i ) 时，用下面计算公式进 行计算： y ( i ) = a x x ( i ) - - x ( d r i f t ) + b 这里a 为每1 v 电压代表的物理量，x ( d r i f t ) 是补偿由电荷放大器产生的偏 移时的扣除值，b 是基准值( 例：若将大气压作为基准值时，就输入大气压值) 。 偏移补偿是将条件设定的偏移曲轴转角数值处由电荷放大器输入电压视为固定 值来进行扣除的。 由此，压力传感器用的电荷放大器产生的偏移，即本来在压缩下止点处应 该输入o v ，但实际输出为数伏电压偏移，即使如此状况也可用补偿的方法将偏 移值扣除。然后，将压缩下止点的大气压力值作为基准。最终，伴随着压缩爆发 的压力增加部分换算成每l v 相当于2 0 k g c m z 的压力值。 ( 2 ) d r i f td e g ( 0 - - 7 1 9 ) 输入进行偏移补偿时的曲轴角度。例：当输入为2 0 时，表示将压缩下止点 后2 0 度处的输入电压值视为固定值。 ( 3 ) e n g i n ed i m e n s i o n 发动机参数的输入，例如：气缸直径、冲量、连杆长度、压缩比、进气迟 闭角等参数。 第四章试验内容及数据处理结果分析 第一节试验用醇类混合燃料配比的选定 试验的目的是寻求在发动机未作改动或优化调整的前提下，综合性能较佳的 醇类混合燃料的配方。 在助溶剂对甲醇与汽油互溶性的影响实验中，找出了在恒定温度( 一1 5