（机械电子工程专业论文）乙醇混合燃料在车用发动机上的应用研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 石油资源的短缺和环境污染的加剧，使得世界各国都在寻找新的汽车代用燃料。而 乙醇凭借其可再生性和燃烧清洁性，已成为国内外汽车代用燃料的研究重点之一。但是 乙醇的燃料性质与石油燃料有较大的差异，从而使得乙醇与柴油( 或汽油) 构成混合燃 料在汽车发动机上应用时会存在相分离和冷启动困难等难题。为了解决以上难题，本文 就国内外乙醇燃料技术领域中的两个热点柴油醇和高浓度汽油醇e 8 5 ，分别进行了基 本燃料性质和发动机应用技术的研究。 为了解决柴油醇应用中存在的相分离和十六烷值低下等问题，通过对微乳液原理和十 六烷值改进剂原理的理论分析和试验研究，选用含氧燃料甲基叔丁基醚作为柴油醇的助溶 剂。三元溶解相图和冷启动试验表明，本文所选用的几种配比燃料的溶解性较柴油明显提 高，其冷启动性己同于柴油的水平。稳定试验也表明，混合燃料可以保持数月稳定不分层， 从而验证了复合添加剂的可行性。 由发动机台架试验研究了三种配比( 9 0 柴油+ 1 0 m t b e ，8 5 柴油+ 1 0 m t b e + 5 乙醇，8 0 柴油+ 1 0 m t b e + l o 乙醇) 的混合燃料对柴油机动力性、经济性、排放特性 和燃烧特性的影响，试验结果表明：随着乙醇和m t b e 的掺加，混合燃料的燃油消耗率 相应增加，但是有效热效率却有所提高；使用混合燃料后，柴油机的主要尾气排放得到改 善，其中各种工况下的排气烟度都大幅度下降；t h c 、c o 的排放浓度略有提高，而随乙 醇和m t b e 掺合率增加，n o x 排放浓度呈下降趋势。由燃烧示功图和放热规律曲线也表 明了，与柴油相比，混合燃料的着火延迟期有所增加，但燃烧持续期则变短；在低负荷时， 缸内最高压力升高比和最高燃烧压力较柴油略有降低，但在高负荷时却又明显提高。 本文的另一个关注点是着眼于解决e 8 5 燃料在电喷汽油机上使用时存在的低温冷启 动困难，通过对不同乙醇掺合率汽油醇的饱和蒸汽压分析，提出利用拔头油来解决e 8 5 冷启动问题，并通过馏程试验、雷德蒸汽压试验和冷启动试验进行了可行性验证，结果表 明：在乙醇中加入1 5 拔头油后，e 8 5 的1 0 馏出温度相比汽油降低了4 ，雷德蒸气压 已达到8 3 6 k p a ，从而使得e 8 5 的挥发性得到改善。而冷启动试验也表明，e 8 5 的冷启动 性已接近汽油的效果。 关键词：乙醇混合燃料，e 8 5 ，添加剂，相分离，十六烷值，冷启动性 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h em o t o re n g i n ew i t he t h a n o lb l e n df u e l y a nh o n g w c i ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yx ub o y a n a b s t r a c t d u et ot h es h o r t a g eo fp e t r o l e u mr e s o u r c e sa n dt h ed e t e r i o r a t i o no fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , m a n yc o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l da r el o o k i n gf o rn e ws u b s t i t u t i v ev e h i c l ef u e l s b yr i g h to ft h e r e p r o d u c i b i l i t ya n dt h ec l e a nc 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 er e s e a r c ho fe t h a n o lh a sb e c o m eo n e o ft h em o s ti m p o r t a n ts u b j e c t si nt h es u b s t i t u t i v ev e h i c l ef u e lf i e l d b u tw h e nt h ef u e lc o n s i s t e d o fe t h a n o la n dd i e s e l ( o rg a s o l i n e ) i su s e do nv e h i c l ee n 百n e s ，t h eg r e a tf u e lp r o p e r t yd i f f e r e n c e s b e t w e e ne t h a n o la n dp e t r o l e u mf u e lw i l ll e a dt ot h ep h a s es e p a r a t i o na n dt h ep o o rc o l ds t a r t i n g p e r f o r m a n c e i no r d e rt or e s o l v et h e s ec h a l l e n g e s ，b o t hd i e s o h o la n de 8 5 ，w h i c ha r et w or e s e a r c h h o t s p o t si nt h et e c h n o l o g yf i e l do fe t h a n o lf u e l ，a r er e s e a r c h e do nb a s i cf u e lp r o p e r t i e sa n d a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g i e so fv e h i c l ee n g i n e s t h r o u g ht h et h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h so nm i c r o - e m u l s i o na n dc e t a n e n u m b e ri m p r o v e r , a na d d i t i v ec o m p o u n dc o n s i s t e do fm t b ea n di s o o c t y ln i t r a t ei sp r o p o s e dt o o v e r c o m et h ep h a s es e p a r a t i o na n dl o wc e t a n en u m b e r t h et e r n a r ys o l u b i l i t yp h a s ed i a g r a m a n dc o l ds t a r t i n ge x p e r i m e n t si n d i c a t et h es o l u b i l i t yo fb l e n df u e li si m p r o v e d ，a n dt h ec o l d s t a r t i n gp e r f o r m a n c ec a nb ea l m o s ta sg o o da st h a to fd i e s e l t h es t a b i l i t ye x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h eb l e n df u e lc a nk e e ps t a b l ew i t h o u tp h a s es e p a r a t i o ni ns e v e r a lm o n t h s ，w h i c hv a l i d a t e s t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sa d d i t i v ec o m p o u n d t h ee f f e c t so fd i e s o h o lw i t hd i f f e r e n te t h a n o la n dm t b eb l e n dr a t i o s ( 9 0 d i e s e l + 10 m t b e ，8 5 d i e s e l + 10 m t b e + 5 e t h a n o la n d8 0 d i e s e l + 10 m t b e + 1o e t h a n 0 1 ) o nt h ep o w e r , t h ef u e le c o n o m y , e m i s s i o n sa n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d b ye n g i n eb e n c ht e s t s a sar e s u l t ，t h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o no ft h eb l e n df u e li n c r e a s e s g r e a t l yw i t ht h ei n c r e a s eo fe t h a n o la n dm t b e b l e n dr a t i o ，b u ti t sb r a k et h e r m a le f f i c i e n c ya l s o i m p r o v e s f u e l e dw i t ht h eb l e n df u e l ，t h em a j o re m i s s i o n so ft h ed i e s e le n g i n ea r ei m p r o v e d ， t h es m o k en u m b e rd e c r e a s e ss h a r p l ya to v e r a l le n g i n eo p e r a t i o n ，b u tb o t ht h et h ce m i s s i o n a n dt h ec oe m i s s i o nd e t e r i o r a t e ，a n dt h en o xe m i s s i o nh a sad e c l i n et r e n dw i t ht h ee t h a n o l 山东建筑大学硕士学位论文 b l e n dr a t i oi n c r e a s i n g t h ep - r p d i a g r a ma n dt h eh e a tr e l e a s ed i a g r a mi n d i c a t et h a tc o m p a r e dt o d i e s e l ，t h ei g n i t i o nd e l a yp e r i o do fd i e s o h o li sp o s t p o n e d ，b u tt h ec o m b u s t i o nd u r a t i o ni s s h o r t e n e d ；t h ei n t e r n a l - c y l i n d e rm a x i m u mp r e s s u r ea n dt h em a x i m u mp r e s s u r ee n h a n c er a t i oo f t h eb l e n df u e ld e c r e a s eu n d e rl o wl o a dw h i l ei n c r e a s eu n d e r h i g hl o a d t h eo t h e rm a j o rc o n t e n ti nt h i sp a p e ri st or e s o l v et h ep o o rc o l ds t a r t i n gp e r f o r m a n c eo f e 8 5o ne l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d i n j e c t i o ng a s o l i n ee n g i n e t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h e s a t u r a t i o nv a p o rp r e s s u r eo fg a s o h o lw i t l ld i f f e r e n te t h a n o lb l e n dr a t i o s ，t h eo v e rh e a df u e li s s e l e c t e dt or e s o l v et h ev o l a t i l i t yo fe 8 5a tl o w t e m p e r a t u r e t h ed i s t i l l a t i o n 、r e i dv a p o rp r e s s u r e a n dc o l ds t a r t i n ge x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tb l e n d e dw i t h15 ( i nv o l u m e ) ，10 d i s t i l l a t i o n t e m p e r a t u r eo fe 8 5i sl o w e r4 ct h a nt h a to fg a s o l i n e ，a n dr e i dv a p o rp r e s s u r ec a nr e a c ht o 8 3 6k p a ，t h e r e f o r et h ev o l a t i l i z a t i o no fe 8 5i si m p r o v e d ，t h ec o l ds t a r t i n ge x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ec o l ds t a r t i n gp e r f o r m a n c ec a nb ea l m o s ta sg o o da st h a to fg a s o l i n e k e y w o r d s ：e t h a n o lb l e n df u e l ，e 8 5 ，a d d i t i v e , p h a s es e p a r a t i o n ，c e t a n en u m b e r , c o l d s t a r t i n g i i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：! 蛰室堡 日期型仝：! ! 导师签名孛鳓日期二哔旧 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 燃料乙醇产业的发展前景 燃料乙醇是2 0 世纪初面市的传统产品，后因石油的大规模、低成本开发，其经济性 较差而被淘汰。随着一些先进农业国劳动生产率的大幅度提高，以及2 0 世纪7 0 年代中期 以来四次较大的“石油危机”，又推动燃料乙醇工业在世界许多国家得以迅速发展。自巴西、 美国率先于2 0 世纪7 0 年代中期大力推行燃料乙醇政策以来，加拿大、法国、西班牙、瑞 典等国纷纷效仿，均已形成了规模生产和使用 卜3 1 。 燃料乙醇是一种可再生资源，它的使用除了可减少石油的消耗，保护宝贵的不可再生 资源外，还可大大改善大气环境。首先，燃料乙醇燃烧值高，加入汽油后能够促进汽车燃 料充分燃烧，减少一氧化碳等污染物的排放；而二氧化碳的排放量也可大大降低。其次， 乙醇完全燃烧只产生二氧化碳和水，产生的二氧化碳本质是由植物通过光合作用固定的， 并不加重温室气体二氧化碳的排放量。再次，乙醇的辛烷值比汽油高，既是抗爆剂，又是 助燃剂，所以用乙醇作燃料不用添加四乙基铅或m t b e ，就可以成为高标号燃料油，可 消除空气中铅的污染【4 - 5 1 。 随着各国加大乙醇汽油应用的力度，带动了世界燃料乙醇的产量逐年攀升。到2 0 0 5 年，世界燃料乙醇的消费总量已超过4 1 0 亿升，价值超过1 6 0 亿美元，大约占到世界汽车 燃料消费总量的1 。最近几年，由于石油价格的上涨，燃料乙醇的消费增长也在提速。 中国燃料乙醇产业起步较晚，但发展迅速，燃料乙醇在中国具有广阔前景。随着国内 石油需求的进一步提高，以乙醇等替代能源为代表的能源供应多元化战略已成为中国能源 政策的一个方向。 中国已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。2 0 0 6 年， 中国燃料乙醇的生产达到1 4 4 万吨，按照1 ：3 3 比例计算，大概消耗玉米4 7 5 万吨。截 止2 0 0 6 年，黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5 省及湖北、河北、山东、江苏部分地区 已基本实现车用乙醇汽油替代普通无铅汽油 6 - 7 】。 2 0 0 7 年9 月，国家发改委出台关于促进玉米深加工健康发展的指导意见，要求不 再建设新的以玉米为主要原料的燃料乙醇项目，并大力鼓励发展以非粮作物为原料开发燃 山东建筑大学硕士学位论文 料乙醇。2 0 0 7 年，燃料乙醇走向了非粮乙醇发展的道路，并得到了快速发展。 当2 0 0 8 年国际油价重挫曾一度冲破4 0 美元之时，作为替代能源之一的燃料乙醇的发 展前景也令人担心。但燃料乙醇拥有清洁、可再生等特点，可以降低汽车尾气中一氧化碳 和碳氢化合物的排放。未来我国燃料乙醇行业的重点是降低生产成本、减少政府补贴，实 现非粮乙醇的规模化。 未来，中国政府还将继续适度发展燃料乙醇行业。“十一五”期间，中国燃料乙醇的潜 在市场规模将急剧扩大。以中国四家燃料乙醇生产企业的产能来看，远远不能满足未来国 内对燃料乙醇的需求，燃料乙醇装置产能扩张不可避免。因此计划到“十一五”末，国内乙 醇汽油消费量占全国汽油消费量的比例将上升到5 0 以上，这意味着届时中国燃料乙醇 的产能和产量将会有一个质的飞跃 8 - 9 】。 1 1 2 国内外乙醇汽车的发展及研究现状 目前，乙醇在汽车上的应用方式主要有以下几种： 1 ) 纯烧，指单独使用纯乙醇作汽油机燃料； 2 ) 掺烧，指乙醇与石油燃料( 汽油或柴油) 的混合燃烧； 3 ) 变性燃料乙醇，指乙醇脱水后再添加变性剂而生成的以乙醇为主的燃料； 4 ) 灵活燃料，指既可以使用汽油，又可以使用乙醇或乙醇汽油以任何比例混合的燃 料。工作时由燃料传感器识别燃料成分，通过e c u 提供发动机最佳运行参数。 综合国内外研究文献，对乙醇燃料的研究和使用主要还是以乙醇和石油燃料的掺烧为 主。若按照掺烧的不同方式分类，主要有三种：汽油醇、柴油醇和灵活燃料汽车( f l e x i b l e f u e lv e h i c l e ) 。 1 1 3 汽油醇的发展及研究现状 随着油价的高涨，环境污染问题与能源短缺问题的突出，乙醇汽油应运而生，并逐渐 形成一个产业。 国外，在乙醇汽油的推广使用中，力度最大最成功的是巴西，其次是美国。巴西汽车 生产商协会于0 8 年3 月公布了巴西汽车产业报告，巴西自2 0 0 3 年以来己生产和销售超过 5 0 0 万辆可变燃料汽车。2 0 0 7 年汽车生产能力为3 5 0 万辆，居日本、美国、中国、德国、 韩国和法国之后，排名世界第七。2 0 0 7 年可变燃料汽车在巴西汽车市场的占有率达到 1 2 ，预计2 0 1 3 年占有率将达到5 2 。巴西0 7 年乙醇燃料产量为2 2 0 亿升。按巴西法律 规定，其国内所有加油站出售的汽油也必须添加2 5 的乙醇燃料，巴西国内生产的8 2 2 山东建筑大学硕士学位论文 的汽车都采用了混合燃料发动机，可以使用普通汽油也可以使用乙醇，或者两种燃料的混 合物。 美国生产三种乙醇汽油：一是乙醇量不超过1 0 的常规汽油，二是用乙醇替代含氧 化合物的新配方汽油，三是含8 5 乙醇和1 5 常规汽油的e 8 5 汽油。在这三种乙醇汽油 中，大多数乙醇是用于调常规汽油和新配方汽油。e 8 5 汽油只能用于设计用多种燃料的汽 车发动机，大多数美国汽车都不能使用这种燃料。行规是燃料和燃料添加剂条例：可再生 燃料标准说明书( e p a o a r 2 0 0 5 0 1 6 f r l8 0 1 6 9 ) 。美国可再生燃料乙醇用量的规定是： 今年6 1 亿加仑，占汽油消费量的4 2 ；2 0 1 0 年6 8 亿加仑，占汽油消费量的4 6 ；2 0 11 年7 4 亿加仑，占汽油消费量的4 9 5 ；2 0 1 2 年7 5 亿加仑，占汽油消费量的5 t l o 。1 2 】。 国内，按照中国的国家标准，乙醇汽油是用9 0 的普通汽油与1 0 的燃料乙醇调和 而成。它可以有效改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物的排 放。它不影响汽车的行驶性能，还减少有害气体的排放量。乙醇汽油作为一种新型清洁燃 料，是目前世界上可再生能源的发展重点，符合中国能源替代战略和可再生能源发展方向， 技术上成熟安全可靠，在中国完全适用，具有较好的经济效益和社会效益，成为普通汽油 与柴油的替代品。 生产燃料乙醇的效益是综合性的。中国政府希望推广使用车用乙醇汽油，从而减少 对原油的依赖。添加l o 体积燃料乙醇的车用乙醇汽油则可减少一氧化碳排放2 5 - - 3 0 ，减少二氧化碳排放约1 0 。此外，单单一个年产2 0 万吨木薯燃料乙醇项目，就可 以直接带动农民增收近7 亿元。中国于2 l 世纪初开始了对开发使用乙醇汽油的摸索，近 几年中国在全国几个省市进行了封闭式推广，皆取得了很好的成效。 目前中国大多数推广省市中乙醇汽油占汽油的销售使用量比例都较高，且还在进一步 提高，可是因为原料、成本和技术问题，中国在乙醇汽油的推广中也遇到了一些障碍，后 因政策支持，技术进步等原因，使得乙醇汽油的推广得以顺利进行。 总体看来，乙醇汽油的使用及推广是中国大势所趋，2 0 0 6 至2 0 1 0 年期间，车用乙醇 汽油将在国内更多地区推广。同时中国也将采取各种措施来增加乙醇汽油的产量。可见， 乙醇汽油行业发展前景光明，具有相当大的潜力 1 3 。15 1 。 1 1 4 柴油醇的发展及研究现状 国外早在上世纪7 0 年代就开始对柴油醇的稳定性和排放特性的研究。m o s e s 等提出 利用单一的商用表面活化剂来改善柴油醇的稳定性，并能保持数月稳定；b o r u f f 等提出了 山东建筑大学硕士学位论文 一种由离子型表面活性剂和几种清洁添加剂组成的微乳化剂，柴油醇中添加微乳化剂后可 形成透明稳定的微乳化液，并可以在1 5 5 c 保持稳定；m e i r i n 等利用乙酸乙酯作柴油醇的 助溶剂，但是在o 下柴油和乙醇醇完全互溶时，乙酸乙酯和乙醇的比例为1 ：2 ，因此添 加量过大；美国p u r ee n e r g yc o r p o r a t i o n 公司是第一家提出商用柴油醇添加剂的公司，在 1 5 柴油醇中添加2 5 的添加剂可以使柴油醇保持稳定：而英国a a et e c h n o l o g i e s 提 出利用1 和1 2 5 的添加剂可以改善7 7 和1 0 柴油醇的稳定性；以上两家公司提出的 添加剂都是可再生能源，而b e t z d e a r b o r n 公司利用石油化工制品来改善柴油醇稳定性 1 6 一1 8 】 o 在对柴油醇稳定性研究的基础上，很多研究者也提出了相应的添加剂的专利，如专利 u s p t 0 3 5 2 7 5 8 1 5 、u s p t 0 3 8 7 6 3 9 1 、u s p t 0 4 0 8 3 6 9 8 和w 0 9 9 3 5 2 1 5 中都介绍到利用乳化液技术 来解决柴油醇的稳定性i 多是利用2 种或多种高分子聚合物的酸或酯作助溶剂，但是由于 乳化液会进一步降低乙醇的蒸发，所以从而没有得到商业推广。而i a nw i l l i a m s o n 给出了 一种稳定澄清的掺醇柴油燃料，与前面介绍的几篇专利不同的是，使用不同酞胺类物质配 成的乳化液具有一定的低温稳定性，尾气排放也有所减少。u s p t 0 4 3 9 7 6 5 5 采用了缩酮或 缩醛来阻止相分离，缩酮或缩醛和其中的水发生反应生成醇，利用所生成的醇可溶于油中 因而形成均一的单相体。但是由于这种缩醛酮物质的摩尔质量是水的6 倍左右，而它和水 反应时的摩尔比是l ：1 ，考虑到该种物质的价格和乙醇柴油的成本，这方面研究还有待改 进。目前，只有美国的p u r ee n e r g y 公司、瑞典的a k z on o b e l 公司和英国的a a e 公司提 出的一些柴油醇助溶剂得到了商业化，但这些添加剂都有相应的专利且实际应用还不是十 分广泛 1 蛇。 我国早在“八五”期间就对乙醇柴油进行过研究，但研究方向大致都在排放和性能方 面。目前，清华大学王建昕等对柴油醇的动力性、经济性和排放特性进行了大量试验研究； 上海交通大学黄震、吕兴才等着重对柴油醇的性质和十六烷值进行了试验研究，但是都未 涉及柴油醇添加剂的研究，而大连理工大学提出利用汽油作柴油醇的助溶剂，但由于汽油 也属于石油资源且助溶效果差、十六烷值低，因此不易作柴油醇的助溶剂；华南理工大学 通过对表面活性剂的研究提出了一种微乳化助溶剂，但对十六烷值添加剂没有进行筛选 2 2 - 2 6 】。对柴油醇燃料的研究在我国只处于初步阶段，尤其是关于柴油醇添加剂以及添加技 术的报道很少。综上所述，对柴油醇的研究虽然已有近3 0 年的历史，但是其研究技术还 是不够成熟，因此尚未进行大范围地推广应用 2 7 - 3 0 。 4 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 5f f v 汽车的发展及研究现状 f f v 汽车( 即灵活燃料汽车) 是可以使用汽油、纯乙醇或任意浓度的汽油醇燃料。这 是因为f f v 汽车安装了乙醇浓度传感器，随时确定燃料中乙醇的掺合率，并根据乙醇掺 合率来调节供油量和点火时间，保证发动机在任何比例的乙醇汽油下都能正常工作。 r o c h am s 等对乙醇浓度传感器进行了研究，并提出了一种电容式乙醇浓度传感器，利用 乙醇和汽油的导电系数的不同来确定乙醇的掺合率；而m u n e y o s h in a m b a 则提出了一种 光电式乙醇浓度传感器，利用乙醇和汽油的折光率的不同来确定乙醇的掺合率。目前，日 本的m i t s u b i s h i 、丰田和本田公司，美国的通用和福特公司，德国的奥拓公司都在致力于 f f v 汽车的研究，并取得一定的研究成果。而现在推广的f f v 汽车多是使用汽油或e 8 5 的两用燃料汽车，由于需要对现有汽车安装乙醇浓度传感器并需要对e c u 进行重新设计， 因此f f v 在国内外并没有得到大面积推广【3 l - 3 4 1 。 综合考虑发动机开发生产成本和使用成本，结合当前不断严厉的排放法规，就目前来 看，使用低浓度汽油醇和柴油醇是当务之急，这不仅可以减少对石油资源的依赖，降低发 动机的有害气体排放，还可以尽量保持原有汽油机的结构，改装工作简单，成本也低，因 此可以预测这种改装方法在今后相当时期内具有较好的推广价值。而高浓度汽油醇可以使 汽车摆脱对石油资源依赖，因此具有很高的研究和推广价值。 1 2 乙醇的物理化学性质和燃烧特性 1 2 1 乙醇的物理化学性质 乙醇是由烷基( c 2 h 5 ) 和羟基( o h ) 组成的化合物，这就决定了它本身就是一种 很好的含氧代用燃料。羟基( o h ) 属于极性键，而石油中的烃分子都是非极性分子，因 此乙醇与普通的石油燃料有一定的差别，表1 1 列出了乙醇与柴油、汽油的主要物理化学 特性【3 5 】。由表1 1 可知，与石油燃料相比乙醇有如下特点：是含氧燃料，其燃料的“自携 氧性”可达到3 4 8 ；但是乙醇的低热值、凝固点、闪点、粘度和十六烷值都要比汽油和 柴油低，而辛烷值、自燃温度和汽化潜热相比汽油和柴油要高的多，其密度介于汽油和柴 油之间，沸点远远低于柴油，着火界限也较汽油和柴油宽广。 山东建筑大学硕士学位论文 表1 1 醇和汽油、柴油的主要物化特性的比较 燃料汽油柴油甲醇乙醇 化学分子式 c 4 c 1 2c 1 6 - c 2 3c h 3 0 hc 2 h 5 0 h 分子量 1 1 42 2 63 24 6 含氧量005 0 3 4 8 物理状态液液液液 车运存储状态 液液液液 液态密度g c m 3 o 7 2 o 7 5o 8 30 7 9 60 7 9 0 沸点 3 0 2 2 01 8 0 3 7 06 4 87 8 3 饱和蒸汽压k p a 6 2 o 8 2 76 9 o3 1 o1 7 3 3 质量低热值m j k g 4 4 5 24 32 0 2 62 7 2 0 低热值m j l 3 2 0 5 3 3 3 93 5 6 91 6 1 32 1 4 9 汽化潜热k j k g 2 9 72 5 01 1 0 18 6 2 自燃点2 6 0 3 7 02 5 04 7 0 4 2 0 闪点4 36 01 l2 1 催化裂化8 8 8 9 辛烷值( r o n ) 1 1 21 1 】 催化重整9 5 - 9 9 催化裂化7 7 7 9 辛烷值( m o n ) 9 59 4 催化重整8 3 - - 一8 6 十六烷值 2 74 0 5 038 最低点火能量o 2 5 o 3 空气中可燃体积比 1 3 7 6 5 5 3 0 4 3 1 9 理论空燃比( 质量比)1 4 81 4 56 4 79 9 8 理论空燃比( 体积比)5 8 4 8 4 2 7 1 4 1 4 3 比热k j k g 2 31 92 5 52 。7 2 凝固点5 71 一49 81 1 4 动力粘度2 0 。cc p o 4 23 7o 61 2 运动粘度2 0 c s t0 6 5 o 8 52 5 8 5 6 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 2 乙醇燃料的优缺点 由表1 1 可以看出，乙醇的物理化学性质相比石油燃料有较大的差异，因此乙醇燃料 在汽车发动机上应用时，虽然存在诸多优点，但也存在相应的缺点。 1 2 2 1 乙醇燃料的优点 1 ) 乙醇是含氧燃料，含氧量达到3 4 8 ，因此在燃烧过程中能够产生自供氧效应， 使得发动机的缸内燃烧更为充分和均匀，促使燃烧过程中局部缺氧的状况得到改善，从而 降低汽车尾气有害物质的排放，达到节能和环境保护的目的。 2 ) 乙醇具有极好的抗爆性能，其研究法辛烷值达到1 1 1 。若与汽油混合使用，乙醇 可以有效地提高燃料的辛烷值，调合辛烷值一般都在1 2 0 以上，它可有效提高燃料的抗 爆指数。目前，汽油机的压缩比一般在8 - 9 5 左右，根据研究，乙醇掺合率在1 5 - 2 0 时，可以适当的提高压缩比1 - - 2 ，从而获得更好的经济性和动力性。 3 ) 乙醇的含氧量高，理论空然比要比柴油低，同样的空气可以燃烧更多的燃料，因 此可以增大喷油量，提高发动机的功率。 4 ) 乙醇的汽化潜热很高，标准混合气的汽化温降为7 4 8 ，而汽油仅为1 8 。因此 乙醇在蒸发时，可以周围大量的吸收热量，从而降低气缸内的温度，从而可以增加进气 量，提高充气系数，而且还可以减少发动机爆震现象的产生。 5 ) 乙醇的着火界限宽，火焰传播速度快，而且过量空气系数变化范围为o 6 - 1 8 ， 因此有利于使用稀薄燃烧技术进一步提高发动机的经济性和减少有害气体排放。 1 2 2 2 乙醇燃料的缺点 1 ) 稳定性差 乙醇中的羟基与水易生成氢键，因此在汽油、柴油中掺入乙醇容易发生相分离。这是 由于乙醇对水很敏感，微量的水分就可以萃取混合燃料中的乙醇，促使柴油和乙醇分层。 此外混合燃料的热稳定性很差，温度的剧烈变化也可以引起燃料发生相分离，因此要在混 合燃料中加入助溶剂，提高燃料的稳定性。 2 ) 着火特性差 乙醇的十六烷值大约为8 ，远低于普通柴油的4 5 5 5 。因此柴油中加入乙醇后，十六 烷值要大幅度降低，着火特性变差，所以要在燃料中添加十六烷值改进剂，改善其着火特 性，这也是柴油中只能与少量乙醇掺烧的原因。 3 ) 冷启动性差 7 山东建筑大学硕士学位论文 乙醇的蒸发潜热较高，约为汽油的3 倍，柴油的3 5 倍；此外乙醇的标准混合气汽化 温降为7 4 8 ，而汽油仅为1 8 。因此在低温冷启动时，乙醇蒸发需要从周围吸收大量 的热量，进一步降低了缸内温度，从而蒸发进一步恶化，造成冷启动性恶化。所以使用乙 醇燃料后，汽车的低温冷启动性将恶化。 4 ) 有机排放提高 乙醇燃料在降低c o 、n o x 、t h c 排放的同时，由于未完全燃烧的乙醇或分子间发生 化学反应，因此相应地增加了有机物质的排放，如醛类和酮类排放。 5 ) 腐蚀性大 醇类具有较强的化学活性，能腐蚀铝、铅、锰、塑料、合成橡胶等，而这些材料是汽 油燃料汽车的典型材料，如燃油箱、油泵、油泵膜片、化油器、浮子和许多密封件等将迅 速损坏。另外，乙醇与汽油的混合燃料对橡胶、塑料的溶胀作用比单独的乙醇或汽油都强， 混合2 0 7 , 醇时，对橡胶的溶胀最大【3 6 】。 1 3 国内外乙醇汽车的发展及研究现状 目前，乙醇在汽车上的应用方式主要有以下几种： 1 ) 纯烧，指单独使用纯乙醇作汽油机燃料； 2 ) 掺烧，指乙醇与石油燃料( 汽油或柴油) 的混合燃烧； 3 ) 变性燃料乙醇，指乙醇脱水后再添加变性剂而生成的以乙醇为主的燃料； 4 ) 灵活燃料，指既可以使用汽油，又可以使用乙醇或乙醇汽油以任何比例混合的燃 料。工作时由燃料传感器识别燃料成分，通过e c u 提供发动机最佳运行参数。 综合国内外研究文献，对乙醇燃料的研究和使用主要还是以乙醇和石油燃料的掺烧为 主。若按照掺烧的不同方式分类，主要有三种：汽油醇、柴油醇和灵活燃料汽车( f l e x i b l e f u e lv 出i c l e ) 。 1 3 1 汽油醇的发展及研究现状 由于使用纯乙醇燃料时，容易造成冷启动困难或暖机时间过长等难题，所以在实际应 用中很少使用纯乙醇燃料作汽车燃料，而是将乙醇和汽油混合用作汽车燃料，称为汽油醇。 根据乙醇掺合率的不同，汽油醇又分为低浓度汽油醇和高浓度汽油醇。 低浓度汽油醇是以少量乙醇的掺烧为主( 如e 1 0 ，1 0 体积比的乙醇和9 0 汽油的混 合燃料) ，因此只能少量节约石油资源，故也被称为过渡燃料。而且由于乙醇的添加量较 少，对燃料性质的改变不大，可以直接在汽车上应用，因此在世界各国得到了大面积的推 r 山东建筑大学硕士学位论文 广使用。在乙醇汽油的推广使用中，力度最大最成功的是巴西，早在1 9 7 5 年，就制定并 实施了汽油醇全国计划，并颁布了国家汽油醇标准。巴西汽车生产商协会于0 8 年3 月公 布了巴西汽车产业报告，巴西自2 0 0 3 年以来己生产和销售超过5 0 0 万辆可变燃料汽车。 2 0 0 8 年汽车生产能力为3 5 0 万辆，居日本、美国、中国、德国、韩国和法国之后，排名 世界第七。2 0 0 8 年可变燃料汽车在巴西汽车市场的占有率达到1 2 ，预计2 0 1 3 年占有率 将达到5 2 。巴西0 8 年乙醇燃料产量为2 2 0 亿升。按巴西法律规定，其国内所有加油站 出售的汽油也必须添加2 5 的乙醇燃料，巴西国内生产的8 2 的汽车都采用了混合燃料 发动机，可以使用普通汽油也可以使用乙醇，或者两种燃料的混合物。巴西全国汽车生产 商协会公布的预测报告指出，由于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，到2 0 1 3 年达到1 5 0 0 万辆，比现在增加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 3 7 瑚】。 美国生产三种乙醇汽油：一是乙醇量不超过1 0 的常规汽油，二是用乙醇替代含氧 化合物的新配方汽油，三是含8 5 乙醇和1 5 常规汽油的e 8 5 汽油。在这三种乙醇汽油 中，大多数乙醇是用于调常规汽油和新配方汽油。e 8 5 汽油只能用于设计用多种燃料的汽 车发动机，大多数美国汽车都不能使用这种燃料。美国可再生燃料乙醇用量的规定是：今 年6 l 亿加仑，占汽油消费量的4 2 ；2 0 1 0 年6 8 亿加仑，占汽油消费量的4 6 ；2 0 11 年7 4 亿加仑，占汽油消费量的4 9 5 。2 0 1 2 年7 5 亿加仑，占汽油消费量的5 。2 0 0 7 年在美国底特律开幕的北美国际车展，沃尔沃、福特相继推出了可用e 8 5 乙醇汽油作为 燃料的概念车，之前，美国洛杉矾国际车展上，戴姆勒克莱斯勒和德国大众也展示了用 e 8 5 乙醇汽油作为燃料的汽车。目前，美国三大汽车公司( 福特、通用汽车，以及戴姆勒 克莱斯勒) 已经生产了5 0 0 万辆能使用8 5 乙醇混合燃料的汽车。福特公司随后宣布和 v e r as u n 能源公司建立合作伙伴关系，在美国中西部地区堪萨斯城和芝加哥中问修建5 0 个e 8 5 乙醇汽油站。在福特做出新战略调整的同时，戴姆勒一克莱斯勒也表示，到2 0 0 8 年汽车总产量中的1 4 将是乙醇汽油车。而通用汽车已经在全球范围生产了1 9 0 万辆可使 用高含量乙醇的车辆 3 9 4 0 】。 国内，“十一五”期间乙醇汽油的使用，将从“十五”期间的9 个省市试点转为除西藏、 青海、宁夏、山西、甘肃外的全国地区推广。生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五” 发展专项规划指出，“十一五”期间，我国将生产6 0 0 万吨生物液态燃料。其中燃料乙醇 5 0 0 万吨，生物柴油1 0 0 万吨。对于乙醇汽油汽车，我国两院院士同时也是正在制定中的 9 山东建筑大学硕士学位论文 生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划论证委员会主任委员的石元春提 出了这样一个问题：按巴西和美国的发展路径，己由过去的e 1 0 或者是e 2 0 的乙醇汽油 替代，开始大量使用e 8 5 乙醇汽油作为燃料的汽车。而且这些车可以称之为灵活燃料汽 车，既可以加纯汽油，也可以加e 1 0 乙醇汽油，更可以加e 8 5 乙醇汽油。中国随着乙醇 生产的不断规模化，也将走向这条路【4 1 4 3 1 。 一 1 3 2 柴油醇的发展及研究现状 柴油醇是由柴油和少量乙醇混和而成的燃料。由于乙醇极易溶于水，因此当乙醇和柴 油在混合时，若有微量水分存在，水分就可以萃取柴油醇中的乙醇，造成相分离；而且柴 油醇的热稳定性很差，当温度发生大幅度变化时，也会引起柴油醇发生相分离。此外，乙 醇的汽化潜热是柴油的3 5 倍，蒸发时进一步降低缸内温度，加之乙醇的十六烷值很低， 抗爆性很强，燃料不易压燃，因此也带来了低温冷启动困难和暖车时间过长等难题。柴油 醇的稳定性和冷启动性是限制其推广的重要难题，因此国外早在上世纪7 0 年代就开始对 柴油醇的稳定性和排放特性的研究。m o s e s 等提出利用单一的商用表面活化剂来改善柴油 醇的稳定性，并能保持数月稳定；b o r u f f 等提出了一种由离子型表面活性剂和几种清洁添 加剂组成的微乳化剂，柴油醇中添加微乳化剂后可形成透明稳定的微乳化液，并可以在 一1 5 5 保持稳定；m e i r i n 等利用乙酸乙酯作柴油醇的助溶剂，但是在0 下柴油和乙醇醇 完全互溶时，乙酸乙酯和乙醇的比例为1 ：2 ，因此添加量过大；美国p u r ee n e r g yc o r p o r a t i o n 公司是第一家提出商用柴油醇添加剂的公司，在1 5 柴油醇中添加2 - - - , 5 的添力h ! i u 可以 使柴油醇保持稳定；而英国a a et e c h n o l o g i e s 提出利用1 和1 2 5 的添加剂可以改善 7 7 和1 0 柴油醇的稳定性；以上两家公司提出的添加剂都是可再生能源，而 b e t z d e a r b o r n 公司利用石油化工制品来改善柴油醇稳定性。 目前，美国的p u r ee n e r g y 公司、瑞典的a k z on o b e l 公司和英国的a a e 公司提出的 一些柴油醇助溶剂得到了商业化，但这些添加剂都有相应的专利且实际应用还不是十分广 沔【4 4 4 7 t 一 o 我国早在“八五”期间就对乙醇柴油进行过研究，但研究方向大致都在排放和性能方 面。目前，清华大学王建听等对柴油醇的动力性、经济性和排放特性进行了大量试验研究： 上海交通大学黄震、吕兴才等着重对柴油醇的性质和十六烷值进行了试验研究，但是都未 涉及柴油醇添加剂的研究，而大连理工大学提出利用汽油作柴油醇的助溶剂，但由于汽油 也属于石油资源且助溶效果差、十六烷值低，因此不易作柴油醇的助溶剂；华南理工大学 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 脚】通过对表面活性剂的研究提出了一种微乳化助溶剂，但对十六烷值添