（机械设计及理论专业论文）乙醇柴油混合燃料发动机特性与排放控制研究.pdf

摘要 燃料乙醇是一种可再生的清洁含氧燃料，探索其作为代用燃料在柴油机上的 应用，这对于我国的能源、环保、农业等问题具有重要意义。 本文进行乙醇在柴油机上适应性研究。研究乙醇柴油的相溶性，开发乙醇助 溶剂：研究乙醇掺烧比对发动机动力性、经济性、排放性能的影响，筛选出合适 的乙醇掺烧比；研究发动机供油系统参数对乙酵柴油混合燃料发动机性能的影 响，恢复乙醇柴油混合燃料发动机的动力性；研究催化净化技术对乙醇柴油混合 燃料发动机捧气净化的效果，解决乙醇柴油发动机h c 、c o 摊放相比原柴油机升 高的问题；本文还采用废气再循环技术进一步降低乙醇柴油发动机的n o x 排放， 进行e g r 阀的设计计算。 本文分析了乙醇柴油混合燃料的主要物化特性。研究乙醇柴油的互溶稳定 性，开发了一种助溶剂。结果表明，当添加6 的本研究开发的助溶剂，含有 1 0 2 0 乙醇的乙醇与柴油混合燃料可以稳定三个月以上。 在d l l 9 0 1 2 柴油机上，进行乙酵掺烧比的试验研究，研究了乙醇掺烧比分别 为1 0 、1 5 、2 0 的乙醇柴油混合燃料发动机动力性、经济性及排放特性。结 果表明在发动机结构与技术参数不变的条件下燃用混合燃料。发动机动力性能在 中小负荷下升高，大负荷下降低。升幅在8 以内；燃油消耗率有所升高；发动 机的碳烟排放和n o x 排放降低3 0 ，h c 和c o 的排放增加4 0 。通过模糊综合评 价方法得出d l l 9 0 1 2 发动机最佳的乙醇掺烧比为1 5 的结论。 本文试验研究了供油提前角和喷油压力对发动机性能的影响。结果表明，喷 油压力由1 7 5 m p a 增加到1 8 5 m p a ，发动机功率升高，油耗增加，烟度显著降低， n o x 排放变化不大，h c 、c o 的排放会增加。转速升高，喷油压力对h c 、c o 排 放的影响减弱。随着供油提前角从3 1o c a 增大到3 5 。c a ，发动机功率基本不变， 油耗先增加后降低，n o x 排放升高，烟度降低，h c 与c o 的排放呈先增大再降低 的趋势。 本文通过匹配排气氧化催化转换器进行降低乙醇柴油发动机h c 和c o 排放 的研究。试验结果表明所选择的k e m i r a 公司生产的e c o c a t t8 4 4 4 14 氧化型催化转 ：至三些銮兰三：翟圭兰些鲨吝 换器对c o 催化效率最高可以达到4 0 ，h c 的催化效率最高可以达到3 5 。随平均有 效压力的增大净化效率先增大后减小。 本文对e g r 系统关键部件e g r 阀的主量孔与升程进行了设计计算。应用a v l 公司的b o o s t 程序软件，建立了d l l 9 0 - 1 2 发动机e g r 系统模型，进行e g r z e 作过程 计算机仿真，计算了e g r 流量与e g r 率。进行了乙醇柴油d l l 9 0 1 2 发动机台架试验， 结果表明，加装e g r 后d l l 9 0 1 2 乙醇柴油发动机的n o x 可再降低2 0 以上，相比原 d l l 9 0 1 2 柴油机n o x 共降低5 0 9 0 。n o x 降低效果明显。 关键词：柴油机，乙醇掺烧，发动机特性，催化净化，e g r l i a b s t r a c t e t h a n o li sar e p r o d u c i b l ec l e a nf u e l i th a sa ni m p o r t a n tm e a n i n gt os t u d yt h e a p p l i c a t i o no fe t h a n o li nd i e s e le n g i n e sa sas u b s t i t u t e df u e lf o ro u rn a t i o n a le n e r g y s o u r c e s ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a g r i c u l t u r ea n ds oo n i tw a ss t u d i e dt h ea d a p t a b i l i t yo fe t h a n o la p p l i e di nd i e s e le n g i n e i tw a s s t u d i e dt h ed i s s o l v i n go fe t h a n o la n dd i e s e l ，a n dd e v e l o p e do n ek i n do f e t h a n 0 1 d i e s e lb l e n dr u e la d d i t i v e i tw a ss t u d i e dt h ee f f e c to fe t h a n 0 1 d i e s e lb l e n d r a t i oo ne n g i n ep o w e r ，f u e le c o n o m ya n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n di tw a s s e l e c t e da na p p r o p r i a t er a n g eo fe t h a n o la n dd i e s e lr a t i o i no r d e rt oi n c r e a s et h e p o w e ro ft h ee t h a n o ld i e s e lf u e le n g i n e ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c to ff u e ls u p p l y s y s t e mp a r a m e t e r so ne t h a n o ld i e s e lb l e n df u e le n g i n ep e r f o r m a n c e a n dt h i sp a p e r a l s os t u d i e dt h ee f f e c to fc a t a l y s i sp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo i lt h ee t h a n o ld i e s e l b l e n df u e le n g i n et or e s t r a i nt h ei n c r e a s eo fh c ，c oe m i s s i o nc o m p a r i n gw i t hd i e s e l e n g i n e f i n a l l y ，t h ep a p e rs t u d i e de g rt e c h n o l o g yt od e c r e a s en o xe m i s s i o n ，a n d d e s i g n e dt h ee g rv a l v e i tw a ss t u d i e dt h ed i s s o l v a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fe t h a n o la n dd i e s e lb l e n df u e l i t w a ss t u d i e dt h ep h y s i c a la n dc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee t h a n 0 1 d i e s e lb l e n d e d f u e l ，a n da na d d i t i v ew a sd e v e l o p e df o re t h a n o l - d i e s e lb l e n d e df u e l e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tw h e n6 o ft h ea d d i t i v ew a sa d d e di nt h eb l e n df u e l t h eb l e n d f u e lc o u l dr e m a i nt r a n q u i l i z a t i o nf o rm o r et h a n3m o n t h s i tw a st e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb l e n d e df u e le n g i n e ，t h er a t i oo fe t h a n o li s l o ，1 5 ，2 0 ，o nd l l 9 0 - 1 2d i e s e le n g i n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ew e r eb o t h u pa n dd o w nf o re n g i n ep o w e r & t o r q u e ，t h ev a r i a t i o nd e g r e ew a sl e s st h a n8 ，a n d t h ef u e lc o n s u m p t i o nw a si n c r e a s e dc o m p a r i n gw i t ht h eo r i g i n a ld i e s e lw i t h o u t c h a n g eo fe n g i n eb a s i cs t r u c t u r e w h e nu s i n gt h eb l e n d e df u e l ，b o t hp ma n dn o x e m i s s i o no ft h ee n g i n ec o u l db eo b v i o u s l yr e d u c e da b o u t3 0 ，h ca n dc oe m i s s i o n o ft h ee n g i n ec o u l db ei n c r e a s e da b o u t4 0 i tw a sc o n c l u d e dt h a t15 i st h eb e s t i l l ：銮三兰銮：三：譬：鳘兰吝 b l e n dr a t i oo fe t h a n o lf o rd l l9 0 l2e n g i n eb yf u z z yc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l m e t h o d i tw a sa l s os t u d i e dt h ee f f e c to ff u e li n j e c t i o np r e s s u r e & f u e ls u p p l ya d v a n c e a n g l eo nc h a r a c t e r i s t i c so fe t h a n o l d i e s e lb l e n de n g i n e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e e n g i n ep o w e ra n dt h ef u e lc o n s u m p t i o ni n c r e a s e d ，t h ee x h a u s ts m o k ee m i s s i o n d e c r e a s e dl a r g e l y ，n o xe m i s s i o nw a sc h a n g e dal i t t l ew i t hi n c r e a s eo ff u e li n j e c t i o n p r e s s u r e a n dh ca n dc oe m i s s i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ff u e li n je c t i o n p r e s s u r e ，b u tt h ei n c r e a s i n ge f f e c tw a sw e a k e n e dw i t ht h ee n g i n es p e e di n c r e a s e d w h e nf u e ls u p p l ya d v a n c ea n g l ei n c r e a s e d ，t h ee n g i n ep o w e rd i dn o tc h a n g e ，t h e f u e lc o n s u m p t i o nd e c r e a s e df i r s t l y ，a n dt h e ni n c r e a s e d ，n o xw a si n c r e a s e d ，e x h a u s t s m o k ee m i s s i o nd e c r e a s e d ，a n dh ca n dc oe m i s s i o ni n c r e a s e df i r s t l y ，a n dt h e n d e c r e a s e d t h i sp a p e rs t u d i e dc a t a l y t i cp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yt or e d u c et h eh ca n dc o e m i s s i o nf o re t h a n o l - d i e s e lb l e n de n g i n e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tr e d u c t i o no fc o c o u l db eu pt o4 0 ，h cc o u l db eu pt o3 5 w i t he c o c a t t8 4 4 4 1 # o x i d a t i o nc a t a l y s t p r o d u c e db yk e m i r ac o m p a n y ，w h e nt h em e a ne f f e c t i v ep r e s s u r ei n c r e a s e s ，t h e c a t a l y t i ce f f i c i e n c yi n c r e a s e sf i r s t l ya n dd e c r e a s e sa f t e r w a r d s i tw a sd e s i g n e dt h em a i nh o l ed i a m e n t e ra n dl i f to fe g rv a l v ew h i c hi st h ek e y p a r to fe g rs y s t e m a p p l y i n gb o o s tp r o c e d u r es o f t w a r eo fa v lc o m p a n y ，i tw a s s e tu pe g r s y s t e m a t i cm o d e lf o rd l l 9 0 1 2e n g i n e ，s i m u l a t e dt h ew o r kp r o g r e s so f e g r s y s t e m ，a n dc a l c u l a t e de g r f l o wa n de g rr a t eb yc o m p u t e r i tw a st e s t e dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ee g rs y s t e me q u i p p e do ne t h a n o ld i e s e lb l e n df u e le n g i n e d l19 0 12b ye n g i n ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dn o xe m i s s i o nw a sr e d u c e db y m o r et h a n2 0 w i t ht h ee g rs y s t e m ，a n dt o t a lo f5 0 一9 0 n o xe m i s s i o nc o u l db e r e d u c e db ye t h a n o ld i e s e lb l e n df u e le n g i n ee q u i p p e dw i t he g rd e v e l o p e db yt h e s t u d y ，c o m p a r i n gw i t ht h eo r i g i n a ld i e s e le n g i n ed l l 9 0 1 2 r e d u c t i o no f n 0 x e m i s s i o nw a so b v i o u s l y k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e t h a n o lb l e n d e d ，c h a r a c t e r i s t i co ft h ee n g i n e ，c a t a l y s tp u r i f i c a t i o n ， e g r i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字： 7 1 爹务魏 自鹋 7 - 7 年其s b 1 1 课题来源 第一章绪论 石油是我国的重要能源。随着我国经济的快速发展，石油总需求越来越大。 车辆是石油的主要消耗用户，广东省是我国经济发达省份，车辆保养量约占全国 的十分之一，车用燃油的消耗量也约占全国的十分之一，而且随着车辆保有量以 每年1 3 以上的速度急速增长，车辆对石油的需求量将不断增加。我国从1 9 9 3 年已成为石油净进口国，原油进口以每年8 0 0 1 0 0 0 万吨的幅度递增，2 0 0 0 年我 国进口石油己达7 0 0 0 万吨，据国际能源机构预测，中国2 0 1 0 年将进口石油1 5 亿吨，2 0 2 0 年将进口2 5 亿吨【”。目前，原油短缺问题已成为制约我国经济发展 的问题之一，广东地区自2 0 0 3 年以来车用柴油的供给已成紧张趋势。 乙醇是一种无色澄清液体，易流动，易燃烧的含氧生物燃料，可以从粮食及 植物中提取，是一种可再生的生物能源，发动机掺烧乙醇燃料还可以大幅度降低 排气中的有害污染物，因此被公认是最有发展前途的“代用燃料”。随着二十世 纪七十年代“石油危机”的发生，乙醇燃料的开发和利用得到了世界各国的普遍 重视。 巴西和美国是推广使用乙醇燃料最早的国家，已有2 0 多年的使用历史。巴 西是产糖大国，大量的制糖废料甘蔗渣可制乙醇，因此，1 9 7 5 年巴西开始实旆 大规模的“全国酒精计划”，到1 9 8 8 年，己投资7 0 亿美元用于乙醇的生产和推 广使用。巴西是目前世界上唯一不使用纯汽油燃料的国家，也是世界上使用含醇 燃料最多的国家，其含醇燃料主要以三种形式出售：即含水、m e g 燃料( 3 3 甲酵+ 6 0 无水乙醇+ 7 汽油) 和含醇汽油( 2 2 无水乙醇+ 7 8 汽油) ，目前烧 乙醇的汽车已超过4 0 0 万辆，平均每日消费乙醇2 l 万桶，而汽油消费量仅每日 1 1 万桶。 为了改善都市工业区空气污染问题，美国政府也给予含醇汽油( a b g ) 生产 者一定的优惠政策，目前，美国出售的汽油中约有1 2 掺有乙醇，乙醇添加量平 均为1 0 2 8 。瑞典、巴西、肯尼亚、菲律宾、泰国等其它国家也在采用乙醇燃 ：銮三：| ! ：銮：三：翟圭：竺兰吝 料，批准生产含醇汽油，乙醇添加量一般为8 1 0 。在柴油机上掺烧乙醇的研 究最早始于二十世纪七十年代的南非，其后德国和美国也相继开展了这方面的研 究工作，旨在减少柴油机微粒的排放、降低烟度。 本研究课题来自2 0 0 4 年度广东省科技计划项目“乙醇柴油混合燃料车用发 动机的开发研究”( 项目编号为2 0 0 4 8 1 0 2 0 1 0 3 3 ，研究时间：2 0 0 4 年9 月一2 0 0 7 年1 2 月) ，是该项目的主要研究内容之一，主要进行乙醇在柴油机上适应性研究， 研究乙醇柴油的相溶性、乙醇柴油混合燃料发动机特性，以及进行乙醇柴油混台 燃料发动机的排放控制技术的研究。 1 2 课题的意义 1 2 1 缓解能源危机 据世界能源大会资料表明，我国的能源资源，煤的保有储量约占世界的3 0 ， 可供开采数百年，但是石油的保有储量仅占世界的2 4 。我国的石油储量可供开 采只有大约3 0 年左右，而我国的能源消耗正在逐年快速增加，最近几年正以1 3 的速度递增。 在上一节也说到，我国石油对进口的依赖非常大，这对我国经济的发展和国 家建设都是非常不利的。按照国际上的共识，当一个国家石油进口超过5 0 0 0 万吨 时，就必须有保护运输安全的军事力量；当一个国家的石油进口量达到本国消费 量的一半时，它的能源安全则极易受到威胁。据有关专家分析，近年来。我国柴 油年消费都在1 亿吨以上，若燃料乙醇代替其中的1 0 的消费量，则每年在柴油 中使用的燃料乙醇将会达到1 0 0 0 万吨，产值超过6 0 0 亿元。这样就降低了对进口 的依赖，节约了外汇。 我省是柴油消费大省，油品生产的柴汽比低于消费的柴一汽比，在柴油车环 保要求提高的情况下，研究乙醇柴油应用更有现实意义。因此，开展乙醇在柴 油发动机上的适应性研究将对我省乙醇一柴油的推广使用，缓解我省柴油燃料短 缺具有重要的理论意义和现实意义。 2 第一章绪论 1 2 2 降低排放 柴油机由于其热效率高、h c 和c o 排放量低等优点，而获得了广泛使用。但 柴油机的n o x 和颗粒排放量高，限制了其使用范围。国际上早有关于柴油车严格 排放法规，且逐年升级加严。而我国长期以来，对柴油机排放控制策略、目标、 法规、相应的测试手段、新技术的研究与利用等未予足够的重视。因此，一些柴 油机产品水平落后，捧放污染相当严重。1 9 9 9 年我国政府颁布了严格的柴油机 车捧放法规，从2 0 0 0 年1 月1 日开始实施( 相当于欧洲i 号标准) ，目前采用的 是相当于欧洲i i 号标准，其中北京、上海和广州已实施国3 标准( 相当于欧i i i ) ， 并即将在全国范围内实施。要满足我国新的排放标准要求，部分落后机型将面临 淘汰，对于大多数柴油机机型来说急需进行改进和采用新技术。燃油系统的改进、 增压中冷、燃烧室与进气系统的优化、高压喷射与电控、排气后处理、废气再循 环以及代用燃料等都是重要手段。 一些柴油机上的试验结果表明乙醇可以较大的降低柴油机颗粒排放和n o x ， 而且对功率和其它排放物的影响不大，适合作为柴油机的代用燃料”“”。 1 2 3 促进农业生产 在柴油中掺烧乙醇，可以增大我国燃料乙醇市场需求，可以调整目前我国农 业产业结构，促进农业生产，增加农民收入。 为节约石油资源，解决玉米、甘蔗等粮食与经济作物的转化，促进农业生产 的良性循环，我国政府在2 0 0 1 年开始实施乙醇燃料的试点建设，并颁布了变性 燃料乙醇和车用乙醇汽油( g b l 8 3 5 1 - 2 0 0 1 ) 两个国家标准。中国科学院广州能源所 开发了甘蔗、木薯生产车用乙醇的技术，利用我省丰富的甘蔗、木薯生产资源， 在广东湛江、怀集地区建立了车用乙醇生产基地，为乙醇燃料在柴油机上的应用 创造了良好的燃料供应条件。据统计我国每年汽车消耗柴油约8 0 0 0 万吨，我省 若为全国的十分之一，若掺烧1 0 乙醇，则年需乙醇燃料8 0 万吨，转化甘蔗等 2 3 0 万吨，稳定和增加我省农民收入，促进农业生产的良性循环。 3 ：銮三兰查：三兰翟圭兰竺兰兰 1 3 国内外研究现状分析 1 3 1 国外研究现状 1 9 7 9 年，在石油危机的背景下，美国为减少对进口原油的依赖，联邦政府制 定了“乙醇发展计划”，开始大力推广车用乙醇汽油。作为重要的能源战略，美 国还制定了相关的法律和扶持政策，对车用乙醇汽油的生产和使用给予财政补 贴。目前，美国a d m 公司己开展了乙醇柴油的研究工作。含乙醇1 5 、其它添加 剂5 、柴油8 0 的乙醇柴油已在柴油车上进行了3 8 6 k m 的行车试验。结果表明， 乙醇柴油可使柴油车尾气中颗粒物的排放量减少2 0 - 3 0 ，但1 4 加仑( 3 7 8 5 升) 柴油的成本要上升5 美分，经济性比普通柴油要降低5 。 巴西政府于1 9 7 5 年推行使用乙醇汽油计划，并在税收，补贴和优惠贷款等 方面对燃料乙醇产业发展配套实施了完整的支持政策。巴西以甘蔗、糖蜜、砂糖 为主要原料生产乙醇、2 0 0 0 年其燃料乙醇总产量达7 9 3 万吨，约占该国汽油消 耗量的1 3 。目前，巴西是世界上最大的燃料乙醇生产和消费国，也是唯一不使 用纯汽油作为汽车燃料的国家。 日本洋马公司经多次试验，基本解决了乙醇与柴油混合的分层问题，正着力 进行柴油一乙醇混合燃料的发动机使用试验。美国a d m 公司己开展了乙醇柴油 的研究工作，含( 体积分数) 乙醇1 5 、其它添加剂5 、柴油8 0 的乙醇柴油已在 柴油车上进行了3 8 6 k m 的行车试验“1 。 最近，在美国，布什政府今年也表示，将采取措施，推广使用乙醇燃料。布 什总统已经签署法令，提出到2 0 1 7 年，美国的乙酵燃料使用量必须增长5 倍， 取代2 0 的石油燃料。 1 3 2 国内研究现状 近年来，我国政府为减少石油进口、保护环境和解决消化多余粮食三大问题， 高度注视发展生物乙醇燃料。 在2 0 0 6 年国家8 6 3 高技术发展计划现代交通技术领域和国家科技支撑计划指 4 南，要求针对生产燃料乙醇、乙醇在柴油机上的应用以及乙醇燃料区域示范等面 临的共性关键技术，开发出具有自主知识产权与市场竞争能力的重大新产品与新 技术，并建成一批生物质能源基地，为我国发展生物能源提供技术支撑与产业示 范。 国内醇类燃料在柴油机应用研究较国外要晚。2 0 世纪8 0 年代，在国家开展甲 酵燃料应用技术研究时，吉林工业大学、华中工学院、天津大学等进行了甲醇柴 油助溶剂的应用研究，并在柴油机上进行了试验。 目前乙醇柴油的研究主要集中在燃料机外混合后进入汽缸燃烧的方式。这样 可以在原机不作改动或是很少改动的情况下使用乙醇柴油混合燃料，满足发动机 经济性、动力性和环保的要求。主要工作表现在寻找能使乙醇和柴油互溶的助溶 添加剂，和柴油机上的适用性试验。目前，已经开发了数十种助溶添加剂，有些 还申请了专利。但这些助溶添加剂普遍较为昂贵，每吨价格为1 万元。许多科研 机构都参与到这个课题的研究，其中清华大学、吉林大学、上海交通大学等的研 究较有特色。他们就乙醇柴油混合燃料的燃烧为课题，对柴油机的动力、经济、 排放、燃烧等性能进行了研究，并取得了一定的进展。 河南天冠集团也对乙醇柴油技术进行了研发，先后进行了混配试验、台架试 验、行车试验、尾气排放测试和理化性能测试。到去年为止，在“乙醇柴油机械 混合法”和“乙醇柴油助溶剂法”方面取得突破性进展，乙醇的混配比例已达1 0 左右，且使用效果良好1 4 1 。 1 4 存在的问题 由于乙醇燃料与柴油的理化性质差别较大，与柴油的相溶性也较差，因此在 柴油机上掺烧或使用乙醇比在汽油机上难度大，遇到的技术问题也较多。 1 ) 乙醇的掺烧方式 目前乙醇在柴油机上的应用研究主要集中在掺烧方式的研究上。概括起来有 以下三种掺烧方式： ( 1 ) 熏蒸法。利用酵燃料表面张力及粘度低的特点，通过不同形式的装置( 化 油器、文丘利管、低压喷嘴等) 将醇燃料雾化并与空气混合，通过进气道在进气 过程送入气缸，由喷嘴在压缩终了喷入气缸的柴油引燃。 ：至三些銮兰三：翟主兰竺鲨三 ( 2 ) 双燃料系统法。柴油机具有两套分开的喷油泵一喷油器系统，其中一 套喷射醇燃料，而另一套喷射引燃柴油，或双油路喷油器，一条油路通醇燃料， 而另一条油路通柴油在压力室混合喷入气缸。 ( 3 ) 乳化液法。又分非稳定乳化液、准稳定乳化液、微乳化液，前一种使 用物理方法( 如液力剪切器超声乳化器等) 制各，后两种用化学方法( 如助溶剂) 制 各。准稳定乳化液稳定期短，不宜长时间存放或使用。微乳化液可以形成稳定期 根长，性能稳定的乳化液，当然助溶剂的性能是比较重要的。 上述三种掺烧方式中前两种，汽车和发动机的结构变化大，不易在现生产车 和正在使用的柴油机上推广。而第三种掺烧方式，发动机的结构可以不作变动而 掺烧乙醇燃料，易于推广应用，是目前国际上研究的热点和发展趋势，这种掺烧 方法的技术关键是开发出助溶性能高、无毒且成本低的助溶剂。 2 ) 乙醇替代柴油存在的主要问题 从目前的研究结果来看，乙醇替代柴油存在的问题主要有以下几点： ( 1 ) 由于乙醇的热值低于柴油，所以乙醇的燃烧消耗量高。 ( 2 ) 乙醇与柴油的互溶性差，大比例掺混有困难。乙醇和柴油的混合物性 质不稳定，掺入少量的水就可能引起分层。 ( 3 ) 乙醇的十六烷值低，自燃性差，着火延迟期长，而柴油机需要较高十 六烷值的燃料( 4 5 5 5 ) 以提高自燃性和减少点火延迟。 ( 4 ) 乙醇的润滑性低于柴油，不像柴油一样可以起到润滑剂的作用。 ( 5 ) 由于乙醇的自燃性差，着火延迟期长，乙醇蒸气的快速燃烧，易使发 动机工作粗暴，引起敲缸；其次，由于乙醇的气化潜热大。易引起火焰淬灭。 1 5 本文主要内容与技术关键 1 5 1 主要研究内容 根据国内外的研究现状和发展趋势，为了实现在现生产车和在用车上发动机 不做结构改变而应用乙醇燃料，本论文采用小比例掺烧的技术方案。本论文的研 究分为三大部分： 6 1 ) 混合燃料的配制及其理化性质的研究与乙酵柴油混合燃料助溶剂的开发 研究。 ( 1 ) 乙醇柴油混合燃料的热值、十六烷值等理化特性的研究。 ( 2 ) 乙醇柴油混合燃料助溶剂的开发研究。 2 ) 乙醇燃料在柴油机上的应用研究 ( 1 ) 乙醇掺烧比对d l l 9 0 - 1 2 发动机动力、经济和排放性能的影响的实验研 究。筛选出合适的掺烧比。 ( 2 ) 发动机燃料供油系统参数对发动机动力、经济和捧放性能的影响的实 验研究。主要研究喷油压力与供油提前角的影响。 3 ) 捧放控制技术研究 ( 1 ) 乙醇柴油混合燃料发动机捧气催化净化 主要进行催化剂的选型，及发动机排放净化效果的实验研究。 ( 2 ) e g r 系统降低发动机n o x 排放的研究 进行e g r 系统中关键部件e g r 阀关键参数的设计计算。 应用a v l - b o o s t 建立e g r 模型，进行e g r 工作过程计算机仿真，计算 e g r 循环流量，进而计算出e g r 率。 o e g r 在乙醇柴油发动机上应用效果实验研究。 1 5 2 本研究技术关键 ( 1 ) 本文的技术方案是发动机不做结构改变，小比例掺烧乙醇。掺烧的关键技 术是开发出适当的助溶剂使乙醇和柴油形成稳定的混合燃料。 ( 2 ) 合适的掺烧比范围，保证发动机综合性能指标最佳。 ( 3 ) 发动机排放控制技术。主要有排气催化技术的选配、e g r 阀的设计、e g r 率的设计。 7 ：至三兰銮兰三：篓圭兰竺鲨吝 第二章乙醇柴油混合燃料的理化特性及助溶剂的研发 乙醇有许多优点，但是它在柴油机上的应用还存在不少困难。由于乙醇柴油 难于混溶，目前一些乙醇在柴油机上应用的技术方案使用了两套燃料供给系统， 分别供给乙醇和柴油，两种燃料在进入喷油器之前进行混合，在进入汽缸。显然 这种技术方法涉及到对现有柴油机的改造，提高了成本，给推广应用带来困难。 要使得乙醇燃料可以在现有的柴油机上直接使用，必须解决乙醇柴油的混溶问 题。本章的内容进行乙醇柴油混合燃料的理化特性分析，得出乙醇柴油混合燃料 理化特性规律，研究乙醇与柴油的互溶稳定性，开发合适的助溶剂，寻求合理的 混合燃料配置工艺，得到一种乙醇和柴油可以混合均匀、性能稳定的混合燃料简 易制各方法，能够方便地在柴油机上直接使用。 2 1 乙醇柴油混合燃料的理化特性 由于乙醇和柴油的理化性质差异比较大，乙醇和柴油按照一定比例互溶后， 混合燃料的物理化学特性如密度、粘度、十六烷值、闪点、沸点、凝点等参数会 发生变化，而且按照不同混溶比例其理化性质也会发生不同的变化。 为了更好的研究乙醇柴油混合燃料对柴油机性能的影响，这里把乙醇燃料及 乙醇柴油混合燃料的重要性质分述如下。 2 1 1 几种燃料的理化特性对比 表2 1 列出了乙醇燃料与柴油、汽油的理化特性。 由下表可以看出，乙醇的辛烷值较高，闪点较低，着火温度较高，十六烷值 较低，因而乙醇和汽油的性质较接近，和柴油的性质相差较大，故乙醇在柴油机 上的应用较汽油机难度大；由于乙醇燃料“含氧”的特点，燃烧时理论上所需空 气接近汽油或柴油的一半，对于改善扩散燃烧时由于油气混合不均匀而生成碳烟 和微粒具有积极的作用。 8 2 - i 几种液体燃料的理化特性 t a b l e2 1m a i np h y s i c sa n dc h e m i s t r yn a t u r eo fs e v e r a lk i n d so f f u e l 性质汽油柴油乙醇 化学式c 4 1 2 c 1 6 2 3c 2 h 5 0 h 分子量9 5 - 1 2 01 8 0 2 0 04 6 含氧量，00 43 4 8 比重 o 7 o7 8o8 2 o 8 8o 7 9 理论空燃比 1 4 2 - 1 5l1 4 49 沸点，c3 0 2 0 01 7 5 - 3 6 07 85 凝点，+ c 5 7 ( 一i ) 一( 4 ) 1 1 4 粘度( 2 0 + c ) m p s s 0 4 2 3 7 1 2 低热值m j k g 4 3 54 2 52 6 7 7 汽化潜热k j k g 3 1 02 7 09 0 4 辛烷值，r o n8 4 9 4l l l 十六烷值 o 1 04 0 5 58 着火极限v 0 1 1 4 76 1 5 8 8 24 3 - 1 9 自燃温度，c2 2 0 2 6 02 0 0 2 2 04 2 0 闪点，c4 57 52 l 2 1 2 乙醇柴油混合燃料的理化特性 表征车用柴油的理化特性的主要参数有冷凝点、十六烷值、密度和热值、黏 度、蒸馏特性、相溶特性等，下文在以上等方面对乙醇柴油混合燃料的理化特性 进行分析。 2 1 2 1 冷凝点 冷凝点是国际上公用的、评价燃料油低温性能的指标。对于乙醇柴油混合燃 9 广东工业大学工学硕士学位论文 料，由于乙醇的凝点为1 1 4 ，因而混合燃料的冷凝点并不会因为乙醇的掺入 而下降，反而还会保持较好的低温使用性能。 2 1 2 2 十六烷值 十六烷值是表征柴油着火性能好坏的一种指标，乙醇燃料的十六烷值较低 ( 仅为8 ) ，因而混合燃料的十六烷值将根据乙醇掺混比例来确定。本文应用经验 公式对柴油乙醇混合燃料的十六烷值进行估算。计算公式如下： c n = a c n i + 6 c n 2 1 5 1( 2 1 ) 式中：c n 一一混合燃料的十六烷值： c n i 一一柴油的十六烷值； c 2 一一乙醇的十六烷值； a 一一柴油所占的体积百分比： b 一一乙醇所占的体积百分比； 取柴油的十六烷值4 8 ，密度为0 8 2 5 9 c m 3 ，计算结果如表2 2 。下表中柴油 含量为柴油在混合溶液的质量百分数。 表2 2 几种混合燃料的十六烷值 t a b l 2 - 2f u e io e l e a n en u m b e ro fi o l n eb i e n dr u e i 燃料柴油舍量( )十六烷值 e 1 09 0 6 4 4 4 e 1 5 8 5 9 1 4 2 e 2 08 1 1 5 4 0 e 3 07 1 5 4 3 6 图2 1 为十六烷值随乙醇掺烧比的变化关系图。 由图2 - l 可以看出，随着乙醇掺混比例的增加，乙醇柴油混合燃料的十六烷 值迅速下降，当乙醇的掺烧比达到3 0 时，乙醇柴油混合燃料的十六烷值为3 6 ， 所以在柴油机上使用时将影响到燃料的着火性能，尤其影响到燃料燃烧着火延迟 期的长短。故在掺混3 0 及以上比例的乙醇燃料时，由于混合燃料的十六烷值过 低，需要适当添加着火促进剂，才能保证顺利着火。 l o 第二章乙醇柴油混合燃料的理化特性及助溶剂的研投 5 0 4 0 箸，o 攫 拍 + 1 0 0 乙尊体积分赣 圈2 - l 十穴烷值随乙醇参烧比的变化关系圈 f i g 2 1e t h y la l c o h o lp r o p o r t i o n st ob l e n d e df u e lc e t a , n en u a b e r 2 1 2 3 混合燃料的密度和热值 燃料的热值有高热值和低热值之分。高热值是燃料完全燃烧后发出的热量加 上燃烧产物之一的水蒸气冷凝后放出的热量总和，它是燃料完全燃烧后所能发出 的总热量。低热值是高热值中减去水蒸气冷凝后放出的那部分热量后的热值。内 燃机排气中的水蒸气所含的冷凝热，实际上是难于回收的。所以，常用低热值表 示。内燃机是以热功转换为基础的热机，燃料所含热量是发动机输出功率的来源， 因而燃料的低热值是评价内燃机动力性和经济性的一个重要指标”1 。 一般醇等代用燃料的热值比石油燃料的热值低，混合燃料的热值将随加入的 代用燃料的比例不同而不同。对于柴油乙醇混合燃料，可用下列公式计算混合燃 料的低热值，计算结果见表2 - 3 。 h u c = 月i 1 x l + h u 2 z 2 】( 2 2 ) , a m = p l m + p 2 0 2 u 1 4 - 0 2 = l x l ：p 1 o 1 ，r 2 ：l n 俐 式中：舭、h u l ，协2 一一分别为混合燃料、柴油、乙醇燃料的低热值( k j k g ) ： n 、垃一一分别为柴油和乙醇的质量百分比； 册、p l 、p 2 一一分别为混合燃料的密度，柴油密度，乙醇密度； 0 1 、v 2 一一分别为柴油和乙醇的体积百分比： l l 二蛮三：! ：銮：三：翟圭：竺兰三 表2 3 几种燃料的密度和热值 t a b l e2 - 3t h ed e n s i t ya n dc a l o r i cn u m b e ro fs o m ef u e l 燃料类型密度( g c u ) 热值( k j k g ) 柴油 0 8 2 54 2 5 0 0 e 1 00 8 2 1 54 0 9 8 9 3 e 1 5 o 8 1 94 0 2 2 7 3 e 2 00 8 1 83 9 4 6 3 2 如表2 3 可知，随着乙醇掺烧比例的增加，柴油乙醇混合燃料的密度及热值 也逐渐降低，这一和乙醇的热值较低直接相关，二是因为柴油乙醇混合燃料的密 度随乙醉掺烧量的增加而下降，因而对于燃用柴油乙醇混合燃料的发动机而言， 如果燃油泵每循环供油量保持不变，则每循环喷入气缸的混合燃料的热值将低于 原柴油热值，因而柴油乙醉混合燃料的热值低是导致发动机动力性下降的重要因 素。 2 1 2 4 混合燃科的弦度 秸度是衡量流体内部摩擦阻力大小的尺度，是流体抵抗剪切作用的一种能 力。温度对燃油粘度的影响很大，温度升高时，液体燃料分子的震动加剧，削弱 了分子间的束缚力，增加了流动性，粘度因而下降。液体燃料的粘度随温度变化 关系( 粘温曲线) 是燃料、特别是代用燃料重要的质量特性。燃料的粘度主要取决 于其化学成分、馏程、温度和压力。 由于乙醇黏度明显低于柴油，所以柴油中加入乙醇会导致黏度降低，随着乙 醇添加比例的增大，混合燃料的粘度逐渐的降低。 从图2 - 2 据研究数据显示，可知随着乙醇添加比例的增大，混合燃料的粘度 逐渐降低，并且随着温度的升高，几种混合燃料的粘度将逐渐接近一致这是因为 乙醇的沸点为7 9 5 。c ，远小于柴油的沸点，因而混合燃料的温度升高大于乙酵 的沸点温度时，乙醇首先从混合燃料中大量的蒸发出来，当混合燃料温度达到1 0 0 时，乙醇已基本完全从混合燃料中蒸发出来，混合燃料中仅剩下柴油燃料本身。 所以当温度在1 0 0 以后，几种混合燃料的粘度基本相同。 1 2 第二章乙醇柴油混合燃料的理化特性及助溶剂的研发 困2 2 乙醇柴油不同掺烧比粘沮特性对比1 5 i f i g 2 2d i f f e r e n td e p u r a t i o nn i x e st h er a t i ot os t i c kt h ew i n t e rc o n t r a s t 2 1 2 5 混合燃料的蒸馏特性 燃料的馏程是燃料最本质的特性，它决定着能否用于内燃机的燃烧以及用于 何种类型的内燃机。燃料油的蒸馏曲线是其馏出率随温度的变化曲线。燃料油蒸 馏曲线的形态代表着燃料油中轻、中、重馏分的分布比例。而这种分配比例对于 燃料油在内燃机中的着火、燃烧和放热的时刻和强度