（载运工具运用工程专业论文）电喷汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的性能研究.pdf

摘要 为缓解汽车对石油的依赖，改善我国大气环境污染，适应我国能源开 发的需要，在保有量逐渐增大、应用面逐渐拓宽的电控燃油喷射式汽油机 上，进行了低比例掺烧乙醇燃料的实验研究。 本论文计算并比较了9 3 # 汽油和乙醇汽油混合燃料( e 2 5 、e 5 、e10 和 e 15 ) 的质量低热值和理论混合气热值，结果表明：乙醇汽油混合燃料的质 量低热值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。虽然 乙醇的质量低热值只有汽油的61 5 ，但是乙醇汽油混合燃料的质量低热 值却与汽油的质量低热值很接近，都在汽油质量低热值的9 4 2 以上；而 乙醇汽油混合燃料理论混合气的质量热值与汽油的理论混合气的质量热值 就更加接近了，都在汽油混合气质量低热值的9 9 2 以上。可见，四种低 比例混合燃料可以作为石油的替代燃料。 本论文通过对电喷汽油发动机在不同工况下燃用9 3 # 汽油和e 2 5 、e 5 、 e l0 和e 15 后的尾气排放进行测取，对比研究了9 3 # 汽油和四种低比例乙醇 汽油混合燃料常规排放物的排放特性，结果表明：燃用乙醇汽油混合燃料 后，尾气排放中的c o 和h c 能够明显得到降低，最大降幅分别为16 9 和 3 2 1 ，但同时也会引起个别工况下n o x 排放量的增加。 本论文对燃用四种低比例乙醇汽油混合燃料后发动机的动力性和燃油 经济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。 关键词：汽油机：乙醇汽油；排放特性 a bs t r a c t f 。o rt h ep u r p o s eo fm i t i g a t i n gm o t o rc a r st or e l yo np e t r o l e u ma n dt or e d u c e t h ea i rp o l l u t i o ni no u rc o u n t r y ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h em i x e df u e l so f p e t r o l e u mw i t hl o we t h a n 0 1c o n t e n tw e r ec a r r i e do u ti na ne l e c t r o n i cc o n t r o l l e d f h e l i 1 1 j e c t i o ng a s o l i n e e n g i n ew h i c hi so fag r e a tn u m b e ra v a i l a b i l i t ya n d e x t e n s i v e l yu s e di no u rc o u n t r y t h em o l a rl o wc a l o r i f i cv a l u ea n dt h et h e o r e t i c a lm i x t u r ec a l o r i f i cv a l u eo f 9 3 群g a s o l i n ea n df o u rk i n d so fe t h a n 0 1 一g a s o l i n eb l e n d s ( e 2 5 ，e 5 ，el0a n del5 ) a r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e rf i r s t t h er e s u l t sc o m eo u tt h a t t h e m o l a rl o wc a l o r i n cv a l u ea n dt h et h e o r e t i c a lm i x t u r e c a l o r i n cv a l u eo f e t h a n o l g a s o l i n e b l e n d sc o m ed o w na l o n gw i t ht h et h ev o l u m eo fe t h a n o l i n c r e a s i n gi nt h ee t h a n o l g a s o l i n eb l e n d s a l t h o u g ht h em o l a rl o wc a l o r i 6 cv a l u e o fe t h a n 0 1i so n l y61 5 p e r c e n to ft h eg a s o l i n e ，t h em o l a rl o wc a i o r i 丘cv a l u eo f e t h a n o l - g a s o l i n eb l e n d si sq u i t ec l o s et ot h eg a s o l i n e a n da l lt h e s ev a l u e so f e t h a n o l - g a s o l i n e b l e n d sa r em o r et h a n9 4 2 p e r c e n to ft h eg a s o l i n e t h e t h e o r e t i c a lm i x t u r ec a l o r i f i cv a l u eo fe t h a n 0 1 g a s o l i n eb l e n d sj sm u c ht o oc l o s e r t ot h eg a s o l i n e a n da l lt h ev a l u e so fe t h a n 0 1 g a s o l i n eb l e n d sa r em o r et h a n9 9 2 p e r c e n to ft h eg a s o “n e f r o mw h a tw eh a v em e n t i o n e da b o v ew ec a nc o m et ot h i s c o n c l u s i o nt h a te t h a n o l - g a s o l i n eb l e n d so ff l o u rl o wp r o p o r t i o n sc a nb eu s e da sa s u b s t i t u t ef o ro i lf u e l t h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s l i c so ft h ec o n v e n t j o n a le m i s s i o n so f9 3 # g a s o l i n e a n dd i f f e r e n tp r o p o r t i o n a le t h a n 0 1 一g a s o l i n eb l e n d sh a v eb e e nd e e p l ym e t e r a g e d a n di n v e s t i g a t e do nt h ee l e c t r o n i cc o n t r 0 1 l e df u e li n j e c t i o ng a s o l i n e e n g i n ea t d i f 如r e n tc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee m i s s i o n so fc oa n dh cc a nb e i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l ya f t e rt h eb l e n d e df u e l sb e i n gb u r n e d ，a n dt h eb i g g e s t d e c r e a s eo fc oa n dh ci s1 6 9 a n d3 2 1 r e s p e c t i v e l y b u tt h ee m i s s i o no f n o xw o u l db ei n c r e a s e dr a p i d l ya ts e p a r a t ec o n d i t i o n s a l s or e s e a r c h e sa n da n a l y s i sh a v eb e e nd o n ei n t od y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d f l u e le c o n o m i cp r o p e r t yo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e df u e li n i e c t i o n g a s o l i n ee n g i n e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed y n a m i cp e r f b r m a n c eo ft h eg a s o l i n ee n g i n eb u r n e d w i t he t h a n o l g a s o l i n eb l e n d si sal i t t l el o w e rt h a nt h eo r i g i n a le n g i n eb u r n e dw i t h g a s o l i n e a n dt h ef u e lc o n s u m p t i o nr a t ew h i c hi sn u m b e r e db yq u a l i t yi n c r e a s e s s i g n i n c a n t l y b u tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nr a t ew h i c hi sn u m b e r e db yc a l o r i n c v a l u em a i n t a i n sa tag o o ds t a t e t h ee c o n o m i cp r o p e r t yi sab i tl o w e rt h a nt h e o r i g i n a ie n g i n eb u r n e dw i t hg a s o l i n e k e yw o r d s ：g a s o h n ee n g i n e ；a l c o h o l - g a s o n n eb l e n d s ；e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ； i i i 长沙理工大学 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： 夺立冬 日期：加q 年s 月弓日 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。本人授权长沙理工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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：杠童杰、 导师签名：甚毛仪 日期：姗7 年5 月b 日 日期呷年卜月，旷日 1 1 引言 第一章绪论 自18 世纪工业革命以来，燃烧燃料成为最主要的能源取得方式，并广 泛的使用在各个方面；随着科技与工业技术的提升，对燃料需求也日益增 加，但目前所使用的燃料大都来自石化燃料，并不能够无限地供人类使用， 加上近年来环保意识的提高，对燃烧产生的各种污染物也越来越重视，所 以如何提高燃料的利用率并降低对自然环境的污染和人类的危害，已成为 各先进国家共同努力的目标。 从上世纪6 0 年代开始，美国、日本和欧盟等国家和地区相继制定了汽 车排放限制标准，以控制汽车排放给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都 倾注了大量的人力和财力来研究降低排气中各种有害物质的对策和控制技 术。然而，单纯依靠改善内燃机燃烧和排放系统来改善汽车排放以达到排 放标准的措施也受到许多限制。因此，除了设计更高效的发动机以节省燃 料资源外，必须寻找其它的能源以部分或者完全替代我们当前正在使用的 燃料【1 1 。 乙醇是一种常用的燃料和燃料添加剂，可以充当汽车燃料的替代品， 在近代也越来越受到重视。因为乙醇能够通过农作物发酵和蒸馏得到，可 以看成是一种可再生能源。纯乙醇或添加到汽油中，不仅可以提供驱动的 动力，还能改善汽车污染物的排放，并且它具有制造方便、价格低廉和辛 烷值较高等优点，这些都是促使各国科学家和学者们积极研究的原动力。 鉴于汽车发动机使用乙醇的两种主要方式( 纯烧和掺烧) ，如果我们使用纯 乙醇作为燃料的话，就必须对现有汽车的发动机进行改装，如燃油供给系 统，这必将导致制造成本的增加。因此，最好是把研究重点放在乙醇汽油 的混合燃料上，而避免对发动机进行改装，节约生产成本。 1 2 国内外车用乙醇燃料的应用概况 美国和巴西是目前世界上最大的车用乙醇汽油生产和消费国。基于对 能源安全、经济协调发展以及环境保护等问题认识的深入，我国也开始积 极在车用发动机上应用乙醇汽油混合燃料以降低对石油等不可再生能源的 依赖度，减少因石油等日益枯竭以及价格的不断攀升对经济产生的影响。 1 2 1 国外应用概况 美国是世界上开发利用乙醇燃料较早的国家之一，乙醇燃料生产有近 百年的历史。19 0 8 年，美国人h e n r yf o r d 设计并制造了世界上第一台使用 乙醇的汽车。19 3 0 年乙醇汽油混合燃料在美国内布拉斯加州地区首次面市。 l9 7 9 年初，当时的美国总统卡特宣布，使用和推广添加lo 乙醇( 指体积 分数) 的汽油可以免征联邦税【2 】。19 9 6 年，美国国家地质综合考察部的一 篇研究报告指出，作为汽油抗爆剂的甲基叔丁基醚( m t b e ) 对地下水质有 污染【2 l 。因此出于环保的考虑，各州政府以行政命令或立法的形式要求， 必须用乙醇取代m t b e ，进一步刺激了燃料乙醇产业的发展。2 0 0 4 年，美 国m t b e 用量从12 88 万吨减少到7 2 9 万吨，而乙醇用量从2 0 0 2 年初的515 万吨增加到2 0 0 4 年10 0l 万吨【3 j 。据美国可再生燃料协会( r f a ) 统计，截 至2 0 0 6 年7 月初，美国投入运行的乙醇装置已有10l 套，总年产能力为4 2 8 亿加仑，并有3 4 套新装置和7 套扩建装置在建设中，将增加能力超过2 2 2 亿加仑年【4 1 。为推动燃料乙醇业的发展，自2 0 0 1 年以来，美国政府对国内 玉米种植者提供减税优惠，对生产燃料乙醇的公司提供每加仑51 美分的补 贴。美国现已超越巴西成为世界最大燃料乙醇生产国，2 0 0 6 年乙醇产量为 18 3 8 亿升，巴西乙醇产量为16 0 亿升【5 1 。2 0 0 7 年底通过的新能源法规定， 乙醇年使用量到2 0l2 年将达到7 5 亿加仑( 2 8 4 亿升) ，2 0 2 2 年将进一步增 至3 6 0 亿加仑( 13 6 3 亿升) ，其中以玉米为原料的乙醇最多不超过15 0 亿加 仑，而纤维素乙醇产量必须达到16 0 亿加仑【”。 巴西是石油资源贫乏的国家之一。早在上世纪2 0 年代巴西就开始在汽 车中应用乙醇汽油混合燃料。19 7 5 年巴西政府开始大力实施乙醇全国计划 这一新能源政策，因地制宜推动以甘蔗为主要原料的乙醇燃料的发展，目 标是减少石油进口，实现能源的多元化【6 】。19 7 7 年巴西政府制定法规，正 式以2 0 乙醇与汽油混配，推向国内燃料市场，用于普通汽油发动机汽车 【6 1 。经过3 0 多年的努力，现在巴西已经成为世界上屈指可数的乙醇生产和 消费大国。据不完全统计，目前巴西全国使用乙醇汽油的汽车约有16 0 0 万 辆，而完全用含水酒精作动力燃料的乙醇汽车也达到了2 0 0 多万辆【6 】。如 今巴西已经形成完整的燃料乙醇供应系统，乙醇和汽油都通过管道输送， 与铁路、公路相连接，供应319 7 9 个加油站进行零售。燃料乙醇计划的实 施，给巴西带来了三大收益，一是形成了独立的经济能源运行系统，保证 了国家能源安全；二是刺激了农业和乙醇相关行业的发展，为巴西经济注 入了新的活力；三是大大减少了温室气体等有害气体的排放量，使大气质 量和生态环境得到显著改善【| 7 j 。 2 2 0 0 0 年欧洲可再生资源会议的白皮书将来的能源：可再生资源确 立了欧盟的可再生资源策略和行动计划，法国、德国、希腊、爱尔兰、意 大利、西班牙、瑞典和英国8 个欧盟成员国对包括燃料乙醇在内的可再生 能源相继采取了减免税政策【3 】。其优惠的原则是将乙醇汽油价格调到与汽 油相当的水平，使燃料乙醇等可再生能源生产、经销商有利可图。欧洲国 家农业丰收形成的农产品相对过剩问题也促使其采取相应的转化措施，其 中发展燃料乙醇是粮食转化的首选项目。欧盟成员国中法国、西班牙和瑞 典已经开始生产和使用乙醇汽油，欧盟其他成员国如荷兰、英国、德国、 奥地利等国家的农业部门也已向政府提出规划，要求发展燃料乙醇工业【7 】。 目前，欧盟各国乙醇年产量在17 5 万吨左右，乙醇汽油的年使用量大约l0 0 万吨，预计到2 0 lo 年要达到1 10 0 万吨。 2 0 0 1 年泰国成立了酒精委员会，将现代的工业部门即能源用品和交通 运输与传统上受忽视的农业部门连接起来，建立了酒精政府框架，成为了 亚洲第一个由政府开展全国生物燃料项目的国家【3 】。到2 0 0 7 年在全国实现 乙醇添加量1o 。在短短的几年时间内，泰国成功地开展了燃料乙醇项目， 这些项目提供了利用过剩的食用农产品生产燃料乙醇的途径，对提高泰国 农村几百万农民的生活水平起到了积极的作用。印度在2 0 0 2 年成立了国家 生物燃料领导小组，实施了绿色能源工程。目前已有12 个州和地区指令调 和5 的燃料乙醇于汽油中【3 】。日本也在积极推行包括燃料乙醇在内的新阳 光能源计划。 1 2 2 国内应用概况 我国乙醇汽油的应用起步较晚，但发展迅速。2 0 0 0 年开始进行推广乙 醇汽油准备工作。2 0 0 1 年4 月，国家质量技术监督局在此基础上颁布了变 性燃料乙醇国家标准和车用乙醇汽油国家标准【引。2 0 0 2 年3 月，国 家经贸委、发改委等八部委发布了车用乙醇汽油使用试点方案和车 用乙醇汽油使用试点工作实施细则【8j 。2 0 0 2 年6 月开始，在河南省的郑 州、洛阳、南阳及黑龙江省的哈尔滨、肇东五个城市进行了为期1 年的车 用乙醇汽油的使用试点。2 0 0 4 年2 月，八部委再次联合发文扩大试点，将 乙醇汽油推广到9 个省份，其中河南、安徽和东三省5 个省份全省封闭推 广车用乙醇汽油，并禁止销售普通汽油；同时湖北9 个地市和山东7 个地 市、江苏5 个地市、河北6 个地市开始试点应用【引。到2 0 0 5 年底，上述各 省、市辖区范围内基本实现车用乙醇汽油替代普通汽油【8 】。同年国家开始 部署广西壮族自治区开展非粮燃料乙醇产业前期工作，2 0 0 7 年8 月，国家 发改委原则同意了广西发展非粮燃料乙醇产业总体方案，同时批准先行 启动全国第一个非粮替代项目一广西中粮生物质能源有限公司北海年产2 0 万吨燃料乙醇项目，这是我国迄今为止唯一经国家批准并投入生产的以非 粮作物为原料的燃料乙醇企业，也标志着我国燃料乙醇的发展路线开始真 正走向非粮化【9 1 。2 0 0 8 年3 月1 日广西北海和贵港两市开始销售、使用车 用乙醇汽油。同年4 月1 日广西南宁正式推广车用乙醇汽油，并于4 月15 日在广西全境封闭销售使用乙醇汽油【9 1 。各标号的车用乙醇汽油市场零售 价格与同标号普通汽油执行同一价格。至此，广西成为继黑龙江、吉林、 辽宁、河南、安徽之后，全国第六个全境使用乙醇汽油的省份，也是国内 首个推广使用非粮原料车用乙醇汽油的省区。 综上所述，燃用乙醇混合燃料不仅可以节约石油资源，还可以带来两 大收益，一是形成了独立的经济能源运行系统，保证了国家能源安全：二 是刺激了农业和乙醇相关行业的发展，为经济注入了新的活力。我国油气 资源相对短缺，随着资源的逐年减少及对进口依赖的增加，已经对我国庞 大的社会经济发展计划形成制约，而大量进口石油势必影响国家外汇平衡 和能源尤其是石油的供应安全。石油作为矿物质能源，是不可再生的。从 我国能源战略出发，须加快替代能源，特别是可再生能源( 如乙醇汽油) 的开发，减少对石油的依赖。 因此，为了进一步扩大乙醇汽油混合燃料的应用范围以及使其在车用 发动机上达到更好的应用效果，也有必要针对发动机燃用乙醇汽油混合燃 料后的性能开展全面的实验研究。 1 3 乙醇汽油混合燃料的研究现状 目前在乙醇汽油混合燃料的实验研究方面，国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。 1 3 1 国外研究现状 2 0 0 5 年h a k a nb a y r a k t a r 【1 0j 发展了b l i z a r dn c 和k e c kj c 】两人的湍流 燃烧模型，建立了乙醇汽油混合燃料的湍流火焰传播模型，该模型能够正 确地计算燃用乙醇汽油混合燃料的燃烧过程，同时发现添加乙醇体积分数 为2 5 的混合燃料可以加快火焰传播，提高燃烧速率，产生比汽油要高的 气缸压力和温度，这可以使平均指示功率、输出功率和热效率等得以提高； 但是较高的燃烧温度可能会导致氮氧化合物排放的增加，并且提高缸内压 力和温度在一定程度上会损坏发动机的活塞和进、排气门等部件。 4 g a oj i a n f ”j 等人使用带有旋流型喷油器的三菱缸内直喷汽油机分别在 o 1m p a 和0 5 m p a 的环境背压下对e o 、e 2 5 、e 5 0 、e 7 5 和e l0 0 的喷雾特 性进行了实验研究，发现混合燃料与空气混合的效果良好。 m a c e v i z 和f y n k s e l 【 j 研究了燃用e 0 、e 5 、e 1 0 、e 1 5 和e 2 0 后5 0 个循环的燃烧循环变动，结果表明：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。 19 9 5 年g u e r r i e r i 和c a f f r e v 【1 4 】于6 辆在用车上进行实验发现，当乙醇 含量高于2 5 时，c 0 2 的排放减少；当乙醇含量提高到4 0 时，总碳氢化 合物( t h c ) 排放在最初的时候先增加了一点，而后随着c o 的减少而逐渐降 低。l9 9 6 年k e l l y l l 5j 等人在2l 辆轿车上使用纯汽油和两种混合燃料e 5 0 、 e 8 5 三种燃料进行实验发现，使用e 8 5 可以减少c o 和非甲烷碳氢化合物 的排放。19 9 9 年m o r e i r a 和g o l d e m b e r g 【1 6 】研究发现，燃用混合燃料可以减 少含硫化合物的排放，甚至消除有毒芳香烃( 如苯) 的排放。l9 9 4 年r i d e o u t 等人和2 0 0 0 年c h a o 等人【1 7 】的研究表明：使用混合燃料会使甲醛、乙醛和 丙酮等非常规排放物的排放量增加。m a c e v i z 和f y u k s e l 【1 3 l 同时发现四 种混合燃料的c o 和h c 的排放均低于汽油，排放曲线呈先减小而后增大的 趋势。2 0 0 2 年h s i e h 等人【1 7 】在一台闭环控制发动机上研究发现，加入乙醇 可以使c 0 和h c 分别减少1 0 9 0 和2 0 8 0 ，并且n o x 的排放与发动 机的运行工况有很大关系，而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。h s y u c e s u 等人【”】燃用e o 、e 1 0 、e 2 0 、e 4 0 和e 6 0 进 行实验，发现e 4 0 和e 6 0 对减少尾气排放产生了重大的作用，在低转速下 c o 的排放减少量最大，两种混合燃料平均分别减少了11 和10 8 ；与 c o 相比，h c 的减少更加明显，在高转速下，燃用e 6 0 使得h c 排放平均 减少了16 4 5 。k v a r d e 等人【”】也同时燃用低比例和高比例的混合燃料， 发现e 10 的n o x 排放趋势和水平与汽油相当，但e 8 5 的n o x 排放水平显 著降低。 在发动机燃用混合燃料后的动力性和燃油经济性方面，l9 8 6 年h a m d a n 和j u b r a n 【1 】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4 21 的热效率的提高。a 1 h a s a n 发 现使用乙醇汽油混合燃料可以增加有效功率、扭矩、容积热效率和有效热 效率，同时可以减少有效燃油消耗率。 5 1 3 2 国内研究现状 许沧粟和杜德兴【2o 】在一台摩托车汽油机( 化油器式) 上分别燃用同体积 分数( 10 ) 的纯乙醇( 纯度为9 9 5 ) 和含水乙醇( 纯度为9 5 ) 与汽油混合进 行实验，发现混合燃料可以改善h c 和c o 的排放，但n o x 的排放可能恶 化。 何帮全等人【2 1 l 在一台电喷汽油机上燃用e 0 、e 1o 和e 3 0 后发现：在怠 速工况下，燃用混合燃料可显著降低c o 、n o x 和总碳氢化合物( t h c ) 的排 放，e 3o 的效果最明显；并且随乙醇含量的增加，排气中的乙醛和乙醇的 浓度逐渐增大。文献【2 0 】和 21 】就n o x 的排放效果上有所出入，需要做进 一步研究。 董素荣等人【2 2 】在一台电喷汽油机上对混合燃料的研究发现，汽油机掺 烧乙醇后，苯排放降低，且随着添加比例的增大苯排放改善越明显，掺烧 体积分数为9 8 2 6 的乙醇对苯排放的改善程度高达5 0 。 在动力性和燃油经济性方面，许沧粟和杜德兴同时发现：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。祁东辉等人【1 1 发现，电喷汽油机燃用混合燃料的最大功率和扭矩与汽油机相比略有减小， 但减小幅度较低；质量燃料消耗率略高，但能量燃料消耗率比汽油低，有 效热效率比汽油高，可以获得较好的燃料经济性。 在排放物的催化转化方面，何帮全等人【2 1 】同时发现，p t r h 催化剂对 排气中的乙醇转化效率较低，而对乙醛表现出较高的转化效率。董素荣等 人【2 2 】还发现，普通三效催化器对排气中苯的平均净化效率约为8 7 ，同时 只在低速( 16 0 0 r m i n ) 时催化器前检测到甲醛，催化器后没有检测到甲醛， 说明催化剂对甲醛的催化净化效果较好。高祥等人1 2 3 l 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c o 的净化效率普遍较 高，而中高转速时随负荷的增加净化效率降低；对t h c 的净化效率也较高； 并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。刘 圣华等人【2 4 】发现，经三效催化器转化后常规排放可达到与汽油机同等的水 平，而甲醇和乙醇以及甲醛和乙醛在大部分工况下可以实现零排放。 综上所述，使用上述比例的乙醇汽油混合燃料一般均可以改善常规排 放( 如c o 和h c ) ，虽然可能会使n o x 和非常规排放( 如乙醛和乙醇) 增 加，但与燃用汽油而排放的芳烃对环境的危害相比起来，前者是远远不及 后者的；从催化转化特性看，燃用混合燃料时的催化转化特性效果与燃用 汽油相差不大，但醇、醛类排放经过三效催化转化器后基本可以实现零排 6 放，表明发动机上现用的p t r h 系三效催化转化器基本能够满足汽油机燃 用乙醇汽油混合燃料时对非常规排放控制的要求。 1 4 本论文的研究内容及研究意义 1 4 1 研究内容 利用乙醇作为代用燃料不仅可以节约石油能源，而且可以减少汽车尾 气的排放，并满足日益严格的汽车排放法规的要求，美国、巴西等国家都 予以支持并收到了很好的效果。我国资源丰富、粮食供求平稳，具有稳定 的制取乙醇燃料的资源保障，也应该在乙醇燃料汽车领域有所作为。然而 乙醇燃料汽车的推广应用需要综合分析乙醇燃料加工、调配、输送和存储， 汽车结构改造和尾气排放，以及使用乙醇燃料的动力性、经济性，并进行 全方位的研究，我国在这方面的实验研究和实际应用仍落后于世界先进水 平。 目前，国内外对乙醇汽油混合燃料的研究主要集中在e 1 o 、e 2 0 以及一 些高比例混合燃料( 如e 5 0 、e 6 0 和e 8 5 等比例的燃料) 上面，结合我国 国情( 资源条件、汽车工业水平等) ，本论文希望通过对四种低比例的混合 燃料( e 2 5 、e 5 、e1o 和e15 ) 的排放和动力性能进行研究分析，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。 本论文依托湖南省自然科学基金资助项目“基于符号时间序列方法的 汽油机燃烧循环变动控制策略研究( 编号：0 6 j j 2 0 0 4 5 ) 和湖南省教育厅 重点资助科研项目“汽油机加速瞬态工况燃烧规律及排放特性研究( 编号： 0 7 a 0 0 4 ) 。研究目的在于通过对在同一台电喷发动机上燃用四种低比例乙醇 汽油混合燃料后的尾气排放和动力性能进行对比实验，评价四种混合燃料 在电喷发动机上的排放特性和动力性能，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： ( 1 ) 对乙醇汽油( e 2 5 、e 5 、e l0 和e 15 ) 的理化特性及应用特点进 行分析，并指出它们的优缺点。 ( 2 ) 通过台架实验，测取分别燃用9 3 撑汽油和四种低比例( 指掺入纯 乙醇的体积分数) 乙醇汽油混合燃料后的常规排放物的浓度数据。 ( 3 ) 根据实验所得数据绘制出不同工况下各种燃料的排放曲线，对比 分析燃用混合燃料后的排放特性。 ( 4 ) 评价发动机燃用混合燃料后的动力性能和燃油经济性。 7 1 4 2 研究意义 目前，要从技术上完全解决汽车的污染问题还不成熟，但尽量减少汽 车尾气的排放，并尽量减少排放后的危害，研究针对我国现实条件下的汽 车排放污染物的产生机理和排放控制技术，有着广泛和深远的现实意义， 分析排放危害和治理措施也具有广泛的代表性和较高的实用价值。乙醇汽 油能够在一定程度上改善大气环境、保障能源安全、推动农业的可持续性 发展和节约国家外汇，是未来具有广阔前景的代用燃料。可见，针对乙醇 汽油的排放特性和动力性能开展研究是有必要的。 本论文将乙醇汽油应用于现有的电喷汽油发动机中，探讨乙醇含量对 常规排放物的影响，掌握低比例乙醇汽油混合燃料的排放规律，为乙醇燃 料的深入推广提供依据。同时，对燃用混合燃料后发动机的动力性和燃油 经济性也做了一定的研究与分析，以评价各种混合燃料的实用性能。 此外，对湖南省而言，以长沙、株洲两市为例，城市多丘陵，道路多 坡段。在这种环境下，汽油车在行驶中，转速变化范围较大、频率较快， 导致排放出大量的有害气体，对周围环境也会造成极其恶劣的影响，如果 能够在湖南大力发展燃料乙醇，将不仅可以降低汽车尾气，改善生存环境， 而且还将节约石油资源，对推动湖南的经济建设具有重要的现实意义。 8 第二章乙醇及乙醇汽油概述 乙醇俗称酒精，化学分子式为c 2 h 5 0 h ，作为一种可再生能源，它能够 以玉米、小麦、薯类、甘蔗等农作物为原料，通过发酵、蒸馏制成，它也 可以由乙烯水合制成。我国乙醇生产主要依靠甘蔗、薯类和甜高粱等农作 物发酵制取。乙醇用作内燃机的燃料由来已久，世界上第一台内燃机就是 以乙醇为燃料的。 2 1 乙醇的理化性质 内燃机燃用的汽油、柴油等是烃类燃料，而乙醇是烃基与羟基( o h ) 组成的有机化合物。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 1 列出了乙醇和汽油的主要理化性质【25 1 。 表2 1 乙醇与汽油的主要理化性质比较 项目乙醇汽油 化学分子式c 2 h 5 0 hc 8 h l8 ( 以辛烷为例) 氧含量( m ) 3 4 80 密度( 2 0 ) ( k g l ) 0 7 8 4 3o 7 2 o 7 5 沸点( )7 8 3 3 0 2 2 0 凝固点( )一l145 7 雷德蒸汽压( k p a ) 1 7 3 36 2 0 9 0 低热值( m j k g ) 2 6 7 74 3 5 高热值( m j k g ) 2 9 84 6 6 汽化潜热( k j k g ) 8 6 22 9 7 自燃温度( ) 4 2 02 6 0 3 7 0 闪点( ) 2 14 3 辛烷值r o n 1 1191 m o n 9 28 2 理论空燃比( m m ) 9 0 514 8 着火极限 4 3 1 9 1 4 7 6 ( 空气中的容积比) 9 从表2 1 可以看出，乙醇作为内燃机燃料具有如下特点： ( 1 ) 乙醇含有羟基( o h ) ，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。 ( 2 ) 乙醇的含氧量高，约为3 4 8 ，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m t b e 以更少的添加量加入汽油中。若在同样的 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。 ( 3 ) 乙醇的沸点及蒸气压都比汽油低，有助于燃油空气混合气的形 成，但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。 ( 4 ) 乙醇的热值较低，只有汽油的6 1 5 。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。 ( 5 ) 乙醇的汽化潜热大，约是汽油的2 9 倍。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。 ( 6 ) 乙醇的研究法辛烷值( r o n ) 较高，为l1 l ，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【2 5 1 。 ( 7 ) 乙醇的着火燃烧浓度界限比汽油的相应范围要宽得多，比汽油更 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。 2 2 乙醇汽油的理化性质 乙醇汽油是指在不含甲基叔丁基醚含氧添加剂的专用汽油组分油中， 按体积比加入一定比例的燃料乙醇，由车用乙醇汽油定点调配中心按国家 1 0 标准g b18 351 2 0 0 4 的质量要求，通过特定工艺混配而成的点燃式内燃机 清洁环保型车用燃料【2 6 1 。 乙醇与汽油的混合大致分以下方式： ( 1 ) 低浓度混合，乙醇混合率不高于l5 ； ( 2 ) 中浓度混合，乙醇混合率在2 0 5 0 ； ( 3 ) 高浓度混合及纯乙醇，乙醇混合率在8 0 l0 0 。 乙醇的理化性质与汽油相近，较容易与汽油按一定比例混溶，国外首 先以低比例的( 一般不高于15 ) 乙醇与汽油形成混合燃料用于汽车上， 我国在推广使用中根据实际情况及实验结果，参考美国、巴西等国家推广 乙醇汽油的经验，目前暂定按照1o 的体积分数进行掺混，这样可以使乙 醇汽油与普通汽油相互替代使用，而汽车发动机又不必进行大的调整【25 1 。 市售9 3 撑汽油和乙醇汽油的性能指标见表2 2 所示【27 1 。 表2 29 3 # 无铅汽油和乙醇汽油性能对比 分析结果 分析项目 9 3 群汽油乙醇汽油 辛烷值( r o n ) 9 4 49 7 1 抗爆性 抗爆指数( o n i )8 9 19 0 8 铅含量( g l ) 0 0 0 2 5o 0 0 2 5 10 馏出温度( )4 7 54 8 5 0 馏出温度( ) 7 9 57 2 5 馏程9 0 馏出温度( )1 5 6 o1 5 5 5 终馏点( )1 8 5 51 8 3 5 残留量( v v ) 1 0o 7 实际胶质( m g 1 0 0 m 1 ) 32 诱导期( m i n ) 10 0 07 0 0 硫含量( m m ) 0 0 1 50 0 0 9 8 苯含量( v v ) 1 6 21 芳烃含量( v v ) 2 216 3 烯烃含量( v v ) 2 9 32 8 9 水溶性酸或碱无无 机械杂质无无 水分( m m )无 o 0 9 乙醇含量( v v )无 9 4 由美国汽车燃料空气质量改进研究计划( a q i r p ) 和其它组织做的研 究表明，汽油的性能指标( 抗爆性、蒸发性、氧含量、硫含量、芳烃含量、 苯含量、烯烃含量) 是汽车排放污染物的主要决定因素【2 引。从表2 2 中可 以看出：乙醇汽油成分会对排放产生如下影响： ( 1 ) 汽油的抗爆性 汽油的辛烷值是衡量其抗爆性能高低的指标。辛烷值越高的汽油，其 防止爆震和敲缸的能力越强，因而可以使发动机达到更高的压缩比，从而 提高热效率和输出功率，减少总的废气排放量和污染物的排放。通常，如 果将发动机的压缩比从7 5 提高到9 ，要求汽油的辛烷值增加l0 个单位， 可使发动机效率提高lo 【2 9 1 。 乙醇是高辛烷值组分，研究法辛烷值指数可达l1 1 。理论上乙醇按l0 的比例混配入汽油中，可使研究法辛烷值提高2 3 单位，抗爆指数大约增 加2 个单位。这样就提高了汽油的抗爆性能，从而提高发动机功率，可抵 消因热值低造成耗油量大的不足。因此，乙醇既是良好的汽油机的代用燃 料，也是提高汽油辛烷值的优良添加剂，燃用后也使发动机的排放得以改 盖 口o ( 2 ) 蒸发性的影响 在研究燃料对发动机的排放性能影响时，常使用t 9 0 或t 9 5 ( t 9 0 是 指燃料蒸馏9 0 时的温度，t 9 5 是指燃料蒸馏9 5 时的温度) 。t 9 0 或t 9 5 反映了燃料挥发的难易程度，燃料在发动机中挥发的快慢直接影响到燃料 和空气混合气的形成，影响燃烧过程，从而影响发动机的排放指标。研究 表明在一定范围内降低t 9 0 或t 9 5 有利于减少h c 的排放【3 0 】。总的来看， t 9 0 或t 9 5 对发动机的各种有害排放物的影响相对于其它因素来说比较小， 但可能对发动机的冷起动排放的影响比较大，有待进一步研究。我国车用 汽油质量标准中要求9 0 馏出温度不高于19 0 ，终馏点不高于2 0 5 【3 l 】。 ( 3 ) 烯烃 烯烃是汽油中的高辛烷值组分，热稳定性差，容易在发动机高温部位 ( 气门、喷油嘴、燃烧室) 形成沉积物和积碳。在喷油嘴的针阀，阀孔表 面的沉积物，限制了燃料流量，使燃料喷射变形，燃烧恶化，导致动力性、 经济性和排放性能恶化。而且燃烧室沉积物具有较高的热容、导致局部过 热、增加爆震可能性。同时由于沉积物占据燃烧室空间，燃烧恶化，增加 了氮氧化物的排放。 美国汽车燃料空气质量改进研究计划( a q i r p ) 研究表明，汽油中的 烯烃含量从2 0 下降到5 ，h c 排放增加6 ，n o x 排放减少6 【3 2 1 。 ( 4 ) 芳香烃 1 2 芳香烃是指分子式中至少含有一个苯环的碳氢物质，也是汽油中的高 辛烷值组分，芳烃燃烧后可增加气缸中的积碳，使尾气排放增加。另外， 芳烃的燃烧会产生致癌物质( 如苯) ，减少汽油中芳烃含量可以显著减少尾 气中苯的排放，汽油中芳烃的含量由4 5 降到2 0 ，尾气中的h c 可减少 6 ，c o 可减少1 3 1 3 2 j 。 ( 5 ) 硫含量 汽油中的硫对排放的最明显的影响是降低催化剂活性并导致其失效，还 会导致氧传感器失效，使空燃比控制出现偏差，影响排放。降低汽油中的 含硫量，可使装有三效催化转化器车辆的h c ，c o 和n o x 排放量降低，同 时还可使一些有害物质( 如苯、l ，3 丁二烯、甲醛、乙醛) 排放降低。由 于汽油中硫含量的变化对机动车排放的氮氧化物影响最大，因此应该优先 减少硫含量。我国新的车用无铅汽油标准要求在2 0 0 9 年12 月31 日后，全 国范围内的无铅汽