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乙醇柴油混合燃料发动机的试验研究 摘要 燃料乙醇属于清洁可再生能源，探索燃料乙醇作为代用燃料在柴油机 上的应用对于实现“节能减排 具有重要的意义。 本文对正丁醇作为乙醇柴油混合燃料的助溶剂进行了可行性分析和 相溶性试验研究，并在y c 6 j 1 7 0 - 2 1 柴油机上进行了乙醇柴油混合燃料对 发动机动力性、经济性和排放影响的台架试验研究；进行了发动机燃用混 合燃料后，其他运行性能如起动性能、怠速性能、万有特性的试验研究； 进行了混合燃料的燃烧特性研究。 助溶剂试验结果表明：正丁醇可用作为乙醇柴油混合燃料的助溶剂， 当正丁醇以5 的体积比与乙醇、柴油混合时，含乙醇3 0 以下的乙醇柴油 混合燃料可获得较好的相溶稳定性，满足柴油机代用燃料的实用要求。 发动机台架试验研究了乙醇掺混比例分别为1 0 、2 0 、2 5 和3 0 的四 种混合燃料对发动机动力性、经济性和排放的影响。试验结果表明：柴油 机掺烧乙醇后，动力性有所下降，油耗率上升，但是能够通过增大供油量 恢复其功率、扭矩输出，且低速扭矩输出增大；当量油耗率在中高速工况 下与柴油基本相当，而在中低转速工况下比柴油稍有降低，这表明了乙醇 柴油混合燃料动力性、经济性良好。柴油机燃用乙醇柴油混合燃料后，总 体排放水平得到很大改善，并且随着乙醇一柴油混合燃料中乙醇比例的增 大，改善程度越明显。碳烟排放及n o x 排放降低，c o 与柴油基本相当，但 h c 排放有所恶化。如用混合燃料z 5 e 2 0 d 7 5 、z 5 e 3 0 d 6 5 的排放和纯柴油 进行对比：按外特性运行时，其碳烟排放最大降幅达到7 7 4 和8 3 9 ， n o x 排放最大降幅达到1 8 6 和3 1 o ，c o 排放与纯柴油的基本相当，均 小于0 0 1 的排放量，而h c 排放的最大增幅达到2 2 5 和3 5 0 ；在标定 转速下按负荷特性运行时，其碳烟排放最大降幅达到7 3 7 和7 9 6 ，n o x 排放最大降幅达到1 1 5 和2 5 5 ，c o 排放与纯柴油的基本相当，保持在 排放量不超过o 0 1 ，h c 排放增幅为8 0 和8 0 ；在最大扭矩转速下按 负荷特性运行时，其碳烟排放最大降幅达到7 1 2 和7 1 2 ，n o x 排放与 纯柴油基本相当，c o 排放在低负荷下较纯柴油有所增加，其最大增幅为 1 0 0 和1 1 0 0 ，h c 排放增幅为1 3 3 3 和2 0 0 。 从经济性方面考虑，从图3 _ - 4 可以看出乙醇比例为2 0 即z 5 e 2 0 d 7 5 时经济性最好，z 5 e 2 5 d 7 0 次之，其次是z 5 e 1 0 d 8 5 和z 5 e 3 0 d 6 5 ，而排放 方面都随着乙醇比例的变化呈现变化趋势，因此综合考虑，z 5 e 2 0 d 7 5 混 合燃料最适宜在发动机上使用。 在对z 5 e 2 0 d 7 5 混合燃料进行的柴油机其他运行性能试验结果表明： 含乙醇比例为2 0 的混合燃料起动性能良好；怠速稳定；减小柴油机供油 提前角能使n o x 排放急剧减少，但会导致碳烟排放上升，油耗率增加；其 万有特性图与柴油相比，中高速扭矩与柴油相差不大，低速扭矩明显比柴 油有所增加，说明其动力性良好；它的最经济区域相对于柴油曲线在纵向 上较长，说明柴油机燃用混合燃料时，负荷变化较大而转速变化不大的情 况下，油耗率变化较小，说明其功率适应性提高，适用范围提高，而且最 低油耗率值也较小，经济性改善。 燃烧特性试验表明：柴油机燃用同一种混合燃料，在相同转速下，随 负荷的增大，缸内压力和放热率增加，燃烧始点提前，燃烧持续期延长； 缸内压力出现双峰现象。 在大负荷工况下( 1 0 0 和7 5 负荷) ，混合燃料的缸内压力峰值大于 柴油，峰值压力出现的时刻滞后于纯柴油。且随着柴油中乙醇比例的增加， 缸内压力峰值增加，峰值滞后越明显；在中高转速( 2 6 0 0 r m i n 和 1 5 0 0 r m i n ) ，小负荷( 2 0 ) 工况下，缸内压力的双峰现象明显，在第一 峰值阶段，各种混合燃料的缸内压力基本相同，峰值出现时刻也相差不大， 但是到第二峰值阶段时，随着柴油中乙醇比例的增加，缸内压力峰值减小， 所对应的曲轴转角延迟；在低转速小负荷工况下，混合燃料的缸内压力峰 值小于柴油，压力峰值出现的时刻滞后于纯柴油。且随着柴油中乙醇比例 的增加，缸内压力峰值减小，峰值滞后越明显。 高转速大负荷下，纯柴油的放热率曲线呈典型的双峰形曲线，前一个 峰对应预混燃烧放热，后一个峰对应扩散燃烧放热；而加入乙醇后的组合 燃烧放热率曲线也呈现这样的放热规律。并且由放热率曲线还可以看出， 从第一峰值来看，柴油机燃用混合燃料的最大瞬时燃烧放热率峰值都高于 纯柴油，且较纯柴油有所推迟，放热率曲线整体后移，并且随着乙醇比例 的增大越发明显；到第二阶段峰值时，各种燃料的放热率基本相当，只是 始点有所滞后，燃烧终点都较为接近；在小负荷工况下，燃料的放热率曲 线呈单峰形曲线，最大放热率随着乙醇添加比例的增大而增大，放热峰值 滞后越多，燃烧推迟严重。 试验结果表明，在柴油机燃用乙醇柴油混合燃料具有较好的适应性， 可以在实际中应用和推广乙醇柴油。 i l l 关键词：柴油机乙醇柴油正丁醇性能燃烧特性 i v t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ne t h a n o l d i e s e l e n g d 汜 a bs t r a c t t h ef u e le t h a n o li sc l e a na n dr e p r o d u c i b l er e s o u r c e i ti sm e a n i n g f u lt oi m p l e m e n to u r c o u n t r y 、s e n e r g y - s a v i n ga n de j e c t i o n - d e c r e a s i n g p o l i c yt oe x p l o r ei t sa p p l i c a t i o no nt h e d i e s e le n g i n ea ss u b s t i t u t e df u e l a ni n v e s t i g a t i o no f1 - b u t a n o l sf e a s i b i l i t ya n a l y z ea ss o l v e n to fe t h a n o l d i e s e lf u e l b l e n d si sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r , t h e nw eu s e dt h eb l e n d st os t u d yt h ei n f l u e n c et ot h e e n g i n e so v e r a l lp e r f o r m a n c e so nt h ey c 6 j17 0 - 21d i e s e le n g i n e ，t h eo t h e rr u n n i n g p e r f o r m a n c e ss u c ha ss t a r t i n gp e r f o r m a n c e ，i d l i n gp e r f o r m a n c e ，m a p p i n gc h a r a c t e r i s t i c s i sa l s o d i s c u s s e dw h i c hu s e db l e n d t h e nw ed i s c u s st h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h es o l v e n tt e s tr e s u l ts h o w st h a t , 1 - b u t a n o lc a nb eu s e da st h es o l v e n to fe t h a n o l d i e s e l f u e lb l e n d s w h e nl - b u t a n o li su s e d5 a sa d d i t i v e ，t h eb l e n df u e l sc o u l dr e m a i ng o o d s t a b i l i t y i ti ss a t i s f yt h ep r a c t i c a l i t yr e q u i r eo fe n g i n e o nt h ey c 6 j17 0 - 21d i e s e le n g i n e ，t h ee f f e c t st ot h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fd i e s e l e n g i n ew h i c hu s e dt h eb l e n d e df u e lw i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o n a lc o m p o n e n to fe t h a n o lw e r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h et o r q u eo fd i e s e le n g i n eo u t p u ts l i g h t l yr e d u c ew h e nu s e d t h ee t h a n o l d i e s e lb l e n d sf u e l ，t h eo i lc o n s u m p t i o nr a t er i s e d b u tt h ep o w e ra n dt o r q u eo u t p u t c a nb er e s t o r e db yi n c r e a s i n gt h ef u e l f e e d ，a n dt h ee q u i v a l e n to i lc o n s u m p t i o nr a t ew a sl o w e r c o m p a r e dt od i e s e lo i la tt h el o ws p e e d ，b u ti tw a sa l m o s tt h es a m ew i t ht h ed i e s e lo i la th i g h s p e e d ，e v e nr e d u c e ds l i g h t l yw h i c hp r o v e dt h a tt h ed i e s e le n g i n eh a dg o o de f f i c i e n c yw h e n i t i su s e dw i t ht h ee t h a n o l d i e s e lb l e n d e df u e l t h ee m i s s i o no fn o xa n ds o o tc o u l db e i m p r o v e do b v i o u s l y t h ee m i s s i o no fc oi sa l m o s tt h es a m ea sd i e s e l ，t h eh ce m i s s i o ni s w o r s e n i n g t h et e n d e n c yo ft h ec h a n g er e l a t i o na b o v ew o u l db el a r g e rw i t ht h ec o n t e n to f e t h a n o li n c r e a s i n g t a k eb l e n d sz 5 e 2 0 d 7 5a n dz 5 e 3 0 d 6 5f o re x a m p l e ，u n d e r i n gt h e v e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cm o d e ，t h eb i g g e s tr e d u c er a n g eo fs o o ti s7 7 4 a n d8 3 9 ，a n d n o x i s1 8 6 a n d31 o ，t h ec oe m m i s i o ni sc l o s e dt od i e s e l s ，b u tt h ei n c r e a s er a n g eo fh ci s 2 2 5 a n d3 5 0 ；u n d e r i n gt h el o a dc h a r a c t e r i s t i cm o d eo f2 6 0 0 r r a i n ，t h eb i g g e s tr e d u c e r a n g eo fs o o ti s7 3 7 a n d7 9 6 ，a n dn o xi s 11 5 a n d2 5 5 ，t h ec oe m m i s i o ni s c l o s e dt o d i e s e l s ，b u tt h ei n c r e a s er a n g eo fh ci s 8 0 a n d8 0 ；u n d e r i n gt h el o a d c h a r a c t e r i s t i cm o d eo f15 0 0 r m i n ，t h eb i g g e s tr e d u c er a n g eo fs o o ti s7 1 2 a n d7 1 2 ，a n d t h en o xi sc l o s e dt od i e s e l s ，b u tt h ei n c r e a s er a n g e o ft h ec oe m m i s i o na tt h el o wl o a di s 1 0 0 a n d11 0 0 ，t h ei n c r e a s er a n g eo f h ci s l 3 3 3 a n d2 0 0 a c c o r d i n gt oe c o n o m y ，b l e n dz 5 e 2 0 d 7 5i sb e t t e rt h a no t h e r s z 5 e 2 5 d 7 0t a k e st h e s e c o n dp l a c e ，t h e ni sz 5 e 1 0 d 8 5a n dz 5 e 3 0 d 6 5 t h ec h a n g et r e n d so fe m i s s i o n sa r e b e l o n g e dt ot h ep r o p o r t i o no fe t h a n 0 1 s og i v eac o m p o s i t i v ea d v i s e m e n t ，z 5 e 2 0 d 7 5i st h e m o s ts u i t a b l eb l e n df u e lf o rd i e s e le n g i n e t h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n ew h i c hu s e dt h eb l e n d e df u e lw i t he t h a n o l p r o p o r t i o no f2 0 i sw e l l ；a n dt h ei d l i n gp e r f o r m a n c e i ss t a b i l i z a t i o n w h i l et h ef u e ld e l i v e r y a d v a n c e da n g l er e d u c e d , t h ee m i s s i o no fn o kd r o p p e ds u d d e n l y , b u tt h es o o ti n c r e a s e d q u i c k l y , a l s o 谢mt h er i s eo ft h eo i lc o n s u m p t i o nr a t e ；m a p p i n gc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r eo n b l e n dz 5 e 2 0 d 7 5a n dd i e s e l ，b l e n dz 5 e 2 0 d 7 5h a sh i g h e rt o r q u eo u t p u ta tl o ws p e e d ，a n d n e a r l yt h es a m et h em i d d l e h i 曲s p e e d i ti sp r o v e dt h a tt h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i co fb l e n d z 5 e 2 0 d 7 5i sw e l l ；t h em o s te c o n o m i ca r e ao fb l e n dz 5 e 2 0 d 7 5i sl o n g e ra tp o r t r a i tw h e n c o m p a r e dt od i e s e l ，i ti ss h o w e dt h a tt h ec h a n g eo fo i lc o n s u m p t i o nr a t ei sl e s s e r t h el o w e s t o i lc o n s u m p t i o nr a t ei sl e s s e rt h a nd i e s e l i ti sp r o v e dt h a tt h ee c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i co f b l e n d z 5 e 2 0 d 7 5i sw e l l 、a sf o rt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ee n g i n el o a d ，i tg i v e sa i n c r e a s ei nt h ei n - c y l i n d e rp r e s s u r ea n dh e a tr e l e a s e ，a n dr e s u l t si nl o n g e ri g n i t i o na h e a d p e r i o da n dl o n g e rc o m b u s t i o nd u r a t i o nw h e nf u e l e dw i t ht h es a m eb l e n d s t h ei n - c y l i n d e r p r e s s u r ei sd o u b l e - p e a k a tm 曲l o a d ，c o m p a r et od i e s e l ，t h em a x i m u mo fi n c y l i n d e rp r e s s u r eo fb l e n d si s l a r g e rt h a nd i e s e l ，i t sa p p e a r a n c ed e l a y e d t h et e n d e n c yo ft h ec h a n g er e l a t i o na b o v ew o u l d v l b el a r g e rw i t ht h ei n c r e a s i n go fe t h a n o lp r o p o r t i o n a tm i d d l e h i g hs p e e d ，l o wl o a d ，t h e d o u b l e p e a kv a l u eo fi n c y l i n d e rp r e s s u r e i so b v i o u s ，i nt h ef i r s tp e a k ，t h em a x i m u m i n c y l i n d e rp r e s s u r ea n di t sa p p e a r a n c ea r ea l m o s tt h es a m ew h e nb u r n e dw i t hd i f f e r e n tf u e l s ， b u ti nt h es e c o n dp e a k ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fe t h a n o lp r o p o r t i o n , t h em a x i m u mi n c y l i n d e r p r e s s u r ei sl o w e r , a n di t sa p p e a r a n c ed e l a y e d a tl o ws p e e d ，l o w1 0 a d ，t h ei n - c y l i n d e rp r e s s u r e i ss i g n a lp e a kv a l u ec h iv e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fe t h a n o lp r o p o r t i o n ，t h em a x i m u mo f i n c y l i n d e rp r e s s u r er e d u c e s ，a n di t sa p p e a r a n c ed e l a y e d a th i g hs p e e d ，h i g hl o a d ，a st od i e s e l ，t h eh e a tr e l e a s er a t ec u r v eo fb l e n df u e l si st h e t y p i c a ld o u b l e - p e a kv a l u ec u r v e i nt h ef i r s tp e a k , t h ep e a kh e a tr e l e a s er a t eo fb l e n d s i s h i g h e l t h a nd i e s e l ，a n dt h e i ra p p e a r a n c ea r el a t e t h eh e a tr e l e a s er a t e c u r v em o v eb a c k w h o l e i nt h es e c o n dp e a k , t h ep e a kh e a tr e l e a s eh ea n di t sa p p e a r a n c ea r ea l m o s tt h es a m e w h e nb u r n e dw i t hd i f f e r e n tf u e l s a tl o wl o a d ，t h eh e a tr e l e a s er a t ec u r v ei ss i g n a lp e a kv a l u e c u r v e ，t h eh e a tr e l e a s er a t ei si n c r e a s e ，t h ep e a kv a l u eo ft h eh e a tr e l e a s er a t e i sd e l a y e d ， c o m b u s t i o nd e l a y e dw o r s e l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fe t h a n o lp r o p o r t i o n i ns u m m a r y , e t h a n 0 1 d i e s e lf u e lb l e n d ss h o w e dg r e a ta d v a n t a g e so nt h ed i e s e le n g i n e t h u sp r o m o t i n ge t h a n o l - d i e s e lf u e lb l e n d so i lt h ed i e s e le n g i n ei sp r a c t i c a l k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e t h a n o l ；d i e s e l ；1 - b u t a n o l ；p e r f o r m a n c e ；c o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s v h 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：2 0 0 8 年6 尿珀 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 田即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作一：镟翩躲曩许，破2 0 0 8 么月幻 广西大学硕士掌位论文乙醇柴油混合燃料发动机的试验研究 第一章绪论 1 1 引言 能源是国民经济繁荣和发展的重要保证条件。2 0 世纪7 0 年代以来出现的石油危机 已经表明，有限的石油资源必使通用燃料( 汽油、柴油) 价格r 益昂贵和严重短缺。世 界各国由于石油引发的纷争，也在一步步地威胁着世界的和平与发展。随着世界经济的 发展，石油需求大量增加。从2 0 0 2 年开始，全球经济进入新一轮景气周期，主要发达 国家和发展中国家经济增长速度均有所加快，尤其是世界经济2 0 0 4 年经历了2 5 年间最 强劲的增长势头，从而带动石油等能源消耗较大幅度增长。2 0 0 4 年全球平均每天对石油 的需求是8 2 4 0 万桶，增长达到3 4 ，而2 0 0 5 年世界经济仍然高速增长，对石油的需 求增幅达到1 3 。石油的需求快速增长拉动了油价上涨1 ，如图1 1 所示。 眦【爹 1 9 92 0 0 0 双糖l 岌 0 22 32 的 雾 豳_ 挫襻i 搿咒瞥墨：om 吩麓。笠誓糟 ：牛p 一4 f l 瓢泛蟹i 致刍辁) 图1 - 1 世界经济增长与原油需求及油价的关系 f i g 1 1t h er e l a t i o nb e t w e e nw o r l de c o n o m yi n c r e a s i n ga n dr o c ko i l 、s r e q u i r e m e n ta n dp r i c e 目前，石油的主要用途是制取汽油、柴油等燃料供内燃机使用。在一般工业发达国 家里，消耗在内燃机上的燃料约占整个石油消耗量的6 0 左右。近年来，汽车保有量的 增加及内燃机的广泛使用将使得石油的消耗量还是逐年增加的，中国汽车技术研究中 心，国务院研究发展中心等的预测表明：2 0 1 0 年国内汽车保有量可达5 0 0 0 - - 6 0 0 0 万辆， 2 0 2 0 年将达到l 一1 5 亿辆。2 0 2 0 年的保有量值若为1 2 5 亿辆，则总量将名列世界第二。 根据预测，中国石油的进出口需求在未来1 0 年将按年均1 0 的速度增长，照此发展趋势， 至2 0 1 0 年将达到1 5 亿辆，即至l j 2 0 1 0 年我国石油需求的4 7 需要进口。原油短缺问题，将 广西大掌硕士掌位论文 乙醇柴油混合燃料发动机的试验研究 成为制约我国经济发展的长期压力。石油是不可再生能源，石油是储备量在逐年减少， 有统计分析表明，现已查明的易开采的石油只能维持5 0 年左右。随着经济和社会的发展， 我国已成为能源消耗大国，能源短缺的问题已成为需要迫切解决的问题。尽快采取有效 措施扩大利用石油资源，同时积极开展代用燃料的研究开发已势在必行。 另外，随着机动车保有量的激增，机动车尾气排放已逐渐成为城市空气污染的主要 污染源之一，且近年来呈现不断恶化的势头。c 0 2 排放剧增引发的全球气候变暖，自然 灾害频繁发生；酸雨现象的出现等等，都在严重威胁着人类赖以生存的环境和人们的身 体健康，制约着社会的发展。因此，限制汽车尾气有害排放已急不可待，全球关注，以 1 9 9 6 年美国加州颁布的第一个汽车排放法规为始点，治理汽车排放污染的工作逐渐在全 球展开，世界上很多国家相继颁布了各种限制尾气排放的法规，如欧洲汽车尾气排放标 准( 欧i 、欧i i 、欧i 、欧等) ，如表1 一l 所示。 表l l 欧洲排放标准 t a b l e1 1e m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n so fe u r o p e 法艘名称车翌 c oh cn o xh c + n o xp m 实施日期 )( 蛔)( 咖1 )( g ，i 皿)蜘) 欧洲i 号汽油车 2 7 2o - 9 70 1 4 形式认证1 9 9 2 7 1 柴油车3 1 61 。1 3o 1 8 一致性认证1 9 9 2 1 2 - 3 1 欧洲号汽油车2 20 5形式认证1 9 9 6 1 1 非矗喷10 7蝴一致性认证1 9 9 7 1 1 檗油车 直唆柴 l0 9o 1 油车 欧洲号汽油车 2 3o 20 1 5 形式认证2 0 0 0 1 1 柴油车 0 。“ o 。so - 5 60 0 5 一致性认迁2 0 0 1 1 。1 欧洲号汽油车lo 1o 0 80 0 2 5形式认证2 0 0 5 1 1 柴油车o 5n 2 50 b一致性认 正2 0 0 6 1 i 面临车用燃料日益短缺以及改善鸭排放等的繁重任务，科研人员研究各种技术 措施来缓解和改善现状：例如对内燃机进行技术改进；采用良好的进气系统、多气门技 术、可变气门升程与定时、多点喷射技术、提高燃油喷射压力等来改善燃烧过程：采用 电控技术来精确控制怠速、部分负荷和过渡工况的喷油量；采用e g r 技术、排气后处理 等净化措施来改善尾气排放等嘲。但是单纯依靠改进内燃机燃烧系统还不能同时解决能 2 广西大掌硕士掌位论文乙醇柴 由混合燃料发动机的试验研究 源短缺和改善环境污染两个问题。因此代用燃料也就应运而生。 综上所述，石油短缺的压力和环保是代用燃料发展的两大动力。 1 2 代用燃料的开发应用n 卜列 为汽车选择和开发的代用燃料必须具备如下要求： ( 1 ) 资源丰富，能长期供应，可供持续发展的，最好是可以再生的： ( 2 ) 必须是无毒或者经过严格试验研究及长期使用证明，包括燃烧前燃烧后产生 的物质，对人体健康及环境没有危害或危害极低； ( 3 ) 燃料的热值等理化性质不会明显对发动机的功率及汽车的主要使用性能产生 不利影响； ( 4 ) 能够利用现有燃料的储存、运输及分配使用的基础设施，不需要大量投资； ( 5 ) 燃料的价格适当，在发动机上使用的效率较高，不会给用户增加过多的费用。 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，发现了些可替代石 油作为内燃机燃料的清洁代用燃料，如图1 _ 2 所示。 图1 - - 2 车用燃料及其来源图 f i g 1 2t h es o u r c eo fc a rs u b s t i t u t e df u e l 1 2 1 天然气 天然气的主要成分是c h 。，作为代用燃料，天然气的主要特点为：( 1 ) 含碳少，c 0 2 排放低；甲烷的辛烷值为1 3 0 ，具有较高的抗爆性，压缩比可为1 2 ，允许压缩比可达1 5 ： ( 2 ) 天然气的体积和质量低热值略高于汽油，理论混合气热值比汽油低。甲烷含量愈 高，相差越大，纯甲烷理论混合气热值比汽油低1 0 左右。( 3 ) 天然气的可燃混合气有 很宽的着火界限，体积变化范围为5 - 1 5 ，过量空气系数变化范围为0 6 0 8 ，可大范 围改变空燃比，采用稀薄燃烧技术。( 4 ) 天然气比汽油着火温度高，火焰传播速度慢， 需要较高的点火能量。( 5 ) 天然气与空气同为气相，混合充分均匀，燃烧较完全，n o ， 3 广西大学硕士掌位论文乙醇柴油混合燃料发动机的试验研究 和微粒排放量低，排气烟度值为柴油机的1 1 0 。天然气燃烧温度低，n o x 生成量也较少。 所以，天然气可称作汽车的“清洁燃料 。天然气的未燃甲烷排放量高，且化学性质稳 定，虽对人体无害，但温室效应比c o ，高2 4 - 3 2 倍，是值得关注和研究的问题。 天然气的来源方面，我国天然气资源丰富，分布在全国1 5 个省区的1 8 个大型气田 总蕴藏量在亿万立方米以上。我国累计探明天然气地质储量2 0 6 万亿m 3 ，2 0 世纪9 0 年 代后，平均每年新增探明储量超过1 0 0 0 亿m 3 。天然气储量大于1 万亿m 3 的地区有塔 里木、四川、陕甘宁、东海、渤海湾、莺歌海、琼东南、珠江口、准噶尔和柴达木，这 1 0 个地区的天然气资源总量达3 2 2 6 万亿m 3 。最近在内蒙古伊克昭盟地区又发现了苏 里格特大型气田，天然气地质储量规模达到5 0 0 0 亿m 3 以上，最终可累计探明天然气地质 储量7 0 0 0 亿m 3 以上。为了确保国家能源安全，减轻对石油需求的压力，我国加快了天 然气的开发利用，国家已开始大规模天然气管网的建设，北方的陕京天然气管线；中部 的”西气东输”工程，已于2 0 0 4 年建成送气。 据美国e p a 报告，天然气汽车可以降低4 0 的h c 排放，5 0 的c 0 排放，无碳烟排放， 其中h c 排放的9 0 为甲烷类物质，光化学反应低，采用缸内直喷和稀薄燃烧技术可进一 步提高发动机效率，降低污染物排放，符合各国有关的环境排放标准。天然气汽车因为 其良好的排放特性及丰富的储量而成为各种代用燃料汽车的首选。 1 2 2 液化石油气 液化石油气( l p g ) 的主要成分是丙烷和丁烷，随产地的不同，其成分有所不同： 在我国，液化石油气成分主要是丙烷( 占6 2 7 2 ) 。在常温和常压下，液化石油气是 一种无毒、无色、无味的气体。液化石油气以液态的方式储存和运输。 液化石油气的低热值较汽油高6 左右，沸点比汽油低得多，沸点汽化热比汽油大， 以质量计的理论空燃比较汽油大，着火温度比汽油高2 0 0 c 以上；液化石油气的辛烷值 高，抗爆性能比汽油好。液化石油气的这些特点对发动机性能的影响主要表现为：发动 机着火性能显著变差，使发动机的冷起动性能差、加速性能差。但从排放角度看发动机 的净排放中c 0 和未燃h c 明显低于汽油机，c o z 排放量降低1 3 左右，液化石油气不含 p b ，含s 很低，几乎不产生日，s 和其他硫化物。 l p g 车低温起动性好，试验表明，在一3 0 c 时，无需采取特别措施仍可顺利起动。由 4 广西大掌硕士掌位论文乙醇柴油 昆合燃料发动机的试验研究 于l p g 在燃烧过程中不产生焦油、无积炭、呈气态、润滑油不会被稀释，因此机油更换 周期长、怠速运转平稳、噪声小。由于l p g 具有资源丰富、燃烧清洁、排放污染物少、 技术较成熟、安全可靠、经济可行等特点，在世界上发展迅速，具有广阔的发展前景。 但是l p g 和c n g 适用于具有能源资源的局部地区。根据l p g 和c n g 的特点，把双燃料汽 车作为过渡，研究开发单一的燃气汽车是今后发展的方向；发展小型化、高效率的加气 设备，并使其成本降低是需要解决的问题。但是它们依然属于石化燃料，尤其是液化石 油气，从节约石油资源的角度来看，它们不是理想的代用燃料。 1 2 3 二甲醚 二甲醚在常温、常压下为无色、无味气体，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，是世界各国公认的清洁燃料。 二甲醚成为压燃式发动机最具吸引力的代用燃料的主要原因可归纳为： ( 1 ) 二甲醚分子结构中没有c c 键，只有c - o 键和c - h 键，且含有3 4 的氧，因此，燃 烧后生成的c 0 、c h 和微粒少，发动机能承受较高的排气再循环率以降低n o x 的生成与排 放； ( 2 ) 二甲醚的十六烷值高于柴油，自燃温度低，滞燃期比柴油短，0 。排放与燃 烧噪音比柴油低； ( 3 ) 二甲醚的低热值为柴油的6 4 7 ，为了达到与柴油相当的动力水平，必须增大 每循环供油量。二甲醚理论混合气热值为3 0 6 6 7 k j k g ，而柴油的理论混合气热值为 2 9 1 1 k j k g 。因此二甲醚发动机的升功率不仅不会降低，反而会升高； ( 4 ) 二甲醚的汽化潜热为柴油的1 6 4 倍，如果按等放热量计算，二甲醚的汽化潜热 为柴油的2 5 3 倍，因此会大幅度降低柴油机最高燃烧温度，改善d 。的排放： ( 5 ) 低沸点的特点使得二甲醚在喷入汽缸后即能汽化，其油束的雾化特性将明显优 于柴油，有可能在低喷射压力下就能满足燃烧要求； ( 6 ) 二甲醚可以从来源丰富的煤、天然气和生物质中提炼，大规模生产时其成本约 为1 1 0 0 元吨，如果每年能生产1 0 0 万吨的话，二甲醚价格就可达到汽油与液化石油气 ( l p g ) 的一半左右。 国内外相关研究表明燃用二甲醚燃料的发动机，在对原柴油机的燃油系统进行必要 改造后，在保持原柴油机高热效率前提下，可使氮氧化物有大幅度降低，碳烟排放为零， 没有任何加速烟度，发动机燃烧噪声可降i 氐1 0 d b ( a ) 左右。使发动机氮氧化物、微粒、 5 广西大学硕士掌位论文 乙醇柴油混合燃料发动机的试验研究 一氧化碳、非甲烷碳氢和醛类有害排放具有达到世界上最严格的美国加州超低排放车 ( u l e v ) 标准的潜力。 二甲醚燃料的制取可以以煤、天然气、生物有机物等为原料产生合成气一氧化碳、 二氧化碳和氢气，然后常规通过二步法先制得甲醇，进一步脱水制成二甲醚。二甲醚是 一种较理想的代用燃料，但是目前d m e 的生产工艺以甲醇脱水法( 二步法) 为主，由于 规模小、流程长、生产成本高、缺乏竞争力，因而制约了其发展。 1 2 4 生物柴油 生物柴油的特殊性能与普通柴油相比生物柴油具有无法比拟的性能： ( 1 ) 具有优良的环保特性。主要表现在硫含量低使得二氧化硫和硫化物的排放 量低，可减少约3 0 。 ( 2 ) 具有较好的低温发动机启动性能，无添加剂冷滤点达一2 0 。c 。 ( 3 ) 具有较好的润滑性能。喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低使用寿命长。 ( 4 ) 具有较好的安全性能由于闪点高生物柴油不属于危险品。 ( 5 ) 具有良好的燃料性能。辛烷值高使其燃烧性优于柴油燃烧残留物呈微酸 性使催化剂和发动机机油的使用寿命加长 ( 6 ) 具有可再生性能。作为可再生能源，通过农业和生物科学家的努力可供应 量不会枯竭。 生物燃料主要是指由植物中获取的燃料，还包括从其他可再生资源如动物脂肪和已 经使用过的油和脂肪中提炼获取的燃料，其化学成分为高脂肪酸甲酯。植物油分子一般 由1 4 至1 8 个碳的链组成，与柴油分子的组成相似。所以，从植物油入手便可开发生物燃 料。世界上能提炼油脂的植物约有8 0 种以上，可以用作内燃机代用燃料的植物油有菜籽 油、棉籽油、大豆油等4 0 多种。这些植物的大部分品种我国都有。 生物柴油作为一种可再生能源，资源不会枯竭。生物柴油由于竞争力不断提高、政 府的扶持和世界范围内汽车车型柴油化的趋势加快而前景更加广阔。生物柴油由于其再 生性，也具有极大的发展前途，但植物油多与柴油混合使用，而前者成本高，能量消耗 高，只能作为补偿能源。 1 2 5 氢气 作为代用燃料。氢气有以下特点： ( 1 ) 质量热值高，但标态体积热值较低，理论值比汽油低1 5 。 6 广西大掌硕士学位论文乙醇柴 由混合撵i 料发动机的试验研究 ( 2 ) 着火界限较宽，在空气中的燃烧界限为4 1 一7 5 ，可以实现稀薄燃烧。 ( 3 ) 火焰传播速度很高，是汽油的7 7 2 倍，燃烧时比汽油出现爆震的可能性小得 多。 ( 4 ) 所需点火能量小，易燃烧。 ( 5 ) 氢气燃烧后产物只有水、q ，没有c o 、c o ：、碳烟、硫化物等，是一种最 清洁的燃料。 氢能源的优越性早在2 0 世纪7 0 年代就开始引起人们的广泛关注，到2 0 世纪9 0 年 代，氢能源成为研究与开发的热点之一。国际氢能曾报道：对不同能源的综合