（动力机械及工程专业论文）甲醇在压燃式发动机上的应用研究.pdf

中文摘要 甲醇是最有前景的石油替代燃料以及未来车用燃料，但不易压燃，本课题针 对甲醇的特性，在柴油甲醇组合燃烧模式基础上，将甲醇作为燃料应用到压燃 式内燃机上以替代柴油。甲醇通过进气道喷射然后由柴油引燃，使两者在发动机 内实现共同燃烧。本文主要研究了在不同发动机类型上使用传统柴油和生物柴油 引燃甲醇后其经济及排放和燃烧性能并针对整车性能进行了实验。 首先，在增压和自然吸气式高速直喷柴油机上采用柴油甲醇组合燃烧方式 进行研究。实验结果表明，采用组合燃烧后发动机和纯柴油发动机相比，总体来 说，发动机的热效率略微增加；在低负荷时，随着喷入甲醇量的增加发动机的热 效率降低，而在中高负荷下，增加趋势明显；甲醇的喷入导致了h c 、c o 、n 0 2 和甲醛排放的增加，随甲醇量的增多，n o x 排放都显著降低；在烟度及微粒排放 上，随甲醇喷入量的增加，其排放也显著降低，至于超细微粒，在中低负荷总微 粒数目随甲醇的加入而降低，在高负荷有所增加，但在全部负荷下微粒粒径都变 小。加装氧化催化转化器前后将甲醇喷入时的十三工况测试循环下，h c 和c o 得到了极大的降低，和原机相比下降幅度分别达4 7 和7 0 ，微粒经氧化后比 原机也有所下降。 其次，对生物柴油引燃进气道喷射甲醇后其性能、气体和微粒排放特性进行 研究。通过改变不同的甲醇、柴油量进行了经济和排放对比实验。结果表明，引 入不同的甲醇后，发动机的热效率和c 0 2 排放没有明显的变化，而c o 和h c 增 加，n o x 和p m 降低，n 0 2 有大幅增加；同时，将甲醇熏蒸比为o 1 的结果同超 低硫柴油相比可以看出，c o 、h c 和n 0 2 仍增加较多，而n o x 排放降低达8 和微粒质量浓度降低达5 0 。利用生物柴油分别掺混和气道喷射体积比为1 0 的甲醇共同燃烧，和纯柴油相比，甲醇和生物柴油的混烧可以降低c 0 2 、n o x 和微粒质量浓度，同时也发现微粒的平均几何直径也有所降低。通过比较乳化和 喷射燃烧模式，在低负荷时乳化方式提升了热效率，而喷射方式增加了中高负荷 下的发动机热效率。和混合燃料燃烧相比，在喷射模式下，c o 、h c 和n 0 2 以 及微粒的排放量有所增加。 最后，对甲醇柴油组合燃烧发动机进行整车道路的经济性及加速性能实验， 实验结果表明，通常情况下，经济性能有略为提高，动力性和加速性能明显改善。 甲醇可以作为压燃式发动机的替代燃料，取代部分柴油，提高了发动机的经 济性和动力性能，改善了有害污染物的排放。 关键词：柴油机甲醇生物柴油柴油甲醇组合燃烧粒径分布道路实验 a b s t r a c t m e t h a n o ld e r i v e df r o mb i o m a s s ，c o a la n dn a t u r a lg a sp r e s e n t sap r o m i s i n g a l t e r n a t i v et os u b s t i t u t ef o s s i lf u e l s h o w e v e r , t h el o wo c t a n en u m b e ro fm e t h a n o l m a k e sa u t o i g n i t i o nd i f f i c u l ts ot h a td i r e c ta p p l i c a t i o no fm e t h a n o lt od i e s e le n g i n e si s h a r d t oa p p l ym e t h a n o li n t ot h ed i e s e le n g i n e s ，t h ec o n c e p to fad i e s e lm e t h a n o l c o m p o u n dc o m b u s t i o n ( d m c c ) h a sb e e np r o p o s e d i nt h em o d i f i e dd i e s e le n g i n e s ， m e t h a n o lh a sb e e ni n j e c t e di n t ot h ei n t a k ea i rf u m i g a t i o nt of o r mt h eh o m o g e n e o u s m i x t u r ei g n i t e db yp i l o td i e s e lf u e l t h es y s t e mw a sf i r s t l yt e s t e do nt w on a t u r a l l ya s p i r a t e da n dat u r b o c h a r g e de n g i n e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，a tl o wl o a d s ，t h eb r a k et h e r m a le f f i c i e n c y d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s ei nf u m i g a t i o nm e t h a n o l ；b u ta th i g hl o a d s i ti n c r e a s e sw i t h i n c r e a s ei nf u m i g a t i o nm e t h a n 0 1 t h ef u m i g a t i o nm e t h o dr e s u l t si nas i g n i f i c a n t i n c r e a s ei nh c ，c o ，a n dn 0 2e m i s s i o n s t h ec o n c e n t r a t i o no fn o xi ss i g n i f i c a n t l y r e d u c e de x c e p ta tc l o s et of u l ll o a dc o n d i t i o n t h e r ei sa l s oar e d u c t i o ni nt h es m o k e o p a c i t ya n dt h ep a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) m a s sc o n c e n t r a t i o n f o rt h es u b m i c r o n p a r t i c l e s ，t h et o t a ln u m b e ro fp a r t i c l e sd e c r e a s e sa tl o wa n dm e d i u ml o a d sb u t i n c r e a s e sa th i g hl o a d s i na l lc a s e s t h e r ei sas h i f to ft h ep a r t i c l e st o w a r d ss m a l l e r g e o m e t r i c a lm e a nd i a m e t e r , e s p e c i a l l ya th i g hl o a d s s e c o n d l y , t h ed m c cs y s t e ma l s oa p p l i e dt oan a t u r a l l ya s p i r a t e dd i e s e le n g i n e w i t ha n dw i t h o u ta no x i d a t i o nc a t a l y t i cc o n v e r t e r t h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c sw e r ec o m p a r e d ap r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o no ff o r m a l d e h y d ee m i s s i o n w a sc o n d u c t e do nt h ee n g i n e i nt h ed m c cs y s t e m ，t h e r ea r et w oc o m b u s t i o nm o d e s t a k i n gp l a c ei nt h ed i e s e le n g i n e ，o n ei sd i f f u s i o nc o m b u s t i o nw i t hd i e s e lf u e la n dt h e o t h e ri sp r e m i x e da i r m e t h a n o lm i x t u r ei g n i t e db yt h ed i e s e lf u e l e x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e da ti d l ea n da tf i v ee n g i n el o a d sa tt w ol e v e l so fe n g i n es p e e d st oc o m p a r e e n g i n ee m i s s i o n sf r o mo p e r a t i n go np u r ed i e s e la n do no p e r a t i n gw i t hd m c c ，w i t h a n dw i t h o u tt h eo x i d a t i o nc a t a l y t i cc o n v e r t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e f o r m a l d e h y d ee m i s s i o no fe n g i n e o u ti n c r e a s ec o m p a r e dw i t ht h eb a s e l i n e u s i n gt h e d m c cm o d ec o u p l e dw i t ha l lo x i d a t i o nc a t a l y s t ，t h ec o ，h c ，n o xa n ds o o t e m i s s i o n sc o u l da l lb er e d u c e d d i e s e lf u e lc a na l s ob er e p l a c e db yb i o d i e s e lm a d ef r o mw a s t e c o o k i n go i l s t h e t h i r ds e c t i o no ft h es t u d yi sa i m e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ff u m i g a t i o nm e t h a n o lo n t h ee m i s s i o n so fad i e s e l e n g i n e f u e l e dw i t l lb i o d i e s e la st h eb a s e l i n ef u e l e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e d o i la4 - c y l i n d e rn a t u r a l l ya s p i r a t e dd i e s e l e n g i n e o p e r a t i n ga tac o n s t a n ts p e e do fl8 0 0r e v m i nf o rt h r e ee n g i n el o a d s t h er e s u l t s i n d i c a t en os i g n i f i c a n tc h a n g ei nb r a k et h e r m a le f f i c i e n c ya n dc 0 2e m i s s i o n ，a n i n c r e a s ei nb o t hc oa n dh ce m i s s i o n s ，a n dad e c r e a s ei nb o t hn o xa n dp m e m i s s i o n s i np a r t i c u l a r , t h e r ei sa l s oa ni n c r e a s ei nn 0 2i nt h ee x h a u s tg a s t h e r e s u l t so b t a i n e dw i t hf u m i g a t i o no f10 m e t h a n o la r ec o m p a r e dw i t ht h o s ef o r u l t r a l o ws u l f u rd i e s e l ：t h e r ei sa ni n c r e a s ei nc oa n dh c ，b yaf a c t o ro fu pt ot w o ， a n da ni n c r e a s ei nn 0 2 ，b yaf a c t o ro f u pt of i v e ，w h i l et h en o xi sr e d u c e db yu pt o 8 a n dt h ep a r t i c u l a t em a s si sr e d u c e db yu pt o5 0 d e p e n d i n go nt h ee n g i n el o a d t h ef o r t hp a r to ft h i ss t u d yi sa l s oa i m e dt o c o m p a r et h ee f f e c to fa p p l y i n ga b i o d i e s e lw i t he i t h e r10 b l e n d e dm e t h a n o lo r10 f u m i g a t i o nm e t h a n 0 1 e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e do na4 - c y l i n d e rn a t u r a l l y a s p i r a t e dd i r e c ti n j e c t i o nd i e s e l e n g i n eo p e r a t i n ga tac o n s t a n ts p e e do f18 0 0r e v m i nw i t hf i v ed i f f e r e n te n g i n el o a d s t h er e s u l t si n d i c a t ear e d u c t i o no fc 0 2 ，n o x ，a n dp a r t i c u l a t em a s se m i s s i o n sa n da r e d u c t i o ni nm e a np a r t i c l ed i a m e t e r , i nb o t hc a s e s ，c o m p a r e dw i t hd i e s e lf u e l i ti so f i n t e r e s tt oc o m p a r et h et w om o d e so ff u e l i n gw i t hm e t h a n o li nc o m b i n a t i o nw i t h b i o d i e s e l f o rt h eb l e n d e dm o d e ，t h e r ei sas l i g h t l yh i g h e rb r a k et h e r m a le f f i c i e n c ya t l o we n g i n el o a dw h i l et h ef u m i g a t i o nm o d eg i v e ss l i g h t l yh i g h e rb r a k et h e r m a l e f f i c i e n c ya tm e d i u ma n dh i g he n g i n el o a d s i nt h ef u m i g a t i o nm o d e ，a ne x t r af u e l i n j e c t i o nc o n t r o ls y s t e mi sr e q u i r e d ，a n dt h e r ei sa l s oa ni n c r e a s ei nc o ，h ca n dn 0 2 a n dp a r t i c u l a t ee m i s s i o n si nt h ee n g i n ee x h a u s t ，w h i c ha r ed i s a d v a n t a g e sc o m p a r e d w i t ht h eb l e n d e dm o d e f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c e so ft h ep a s s e n g e rc a rp o w e r e db yad m c ce n g i n eh a v e b e e ne v a l u a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tm e t h a n o lc a nd i s p l a c ed i e s e lf u e lu pt o3 5 1 ， m e a n w h i l e ，f u e le c o n o m ya n da c c e l e r a t i o nh a v eb e e ni m p r o v e d i nc o n c l u s i o n ，m e t h a n o lh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt od i e s e le n g i n e st op a r t l y s u b s t i t u t ed i e s e lf u e l t h e r ea r ei m p r o v e m e n t si nt h ee n g i n ee f f i c i e n c ya n de x h a u s t e m i s s i o n sc o m p a r e dw i t ht h eb a s e l i n ee n g i n e sa ts o m ec o n d i t i o n s d m c cs y s t e m r e t r o f i r e di n t od i e s e le n g i n e sh a ss i g n i f i c a n t i m p l i c a t i o nt o t h es o c i o e c o n o m i c b e n e f i t so fc h i n ab e c a u s em e t h a n o lc a nb ed e r i v e df r o mc o a lw h i c hi sa b u n d a n ti n c h i n a k e yw o l m s ：d i e s e le n g i n e ，m e t h a n o l ，b i o d i e s e l ，d i e s e l m e t h a n o lc o m p o u n d c o m b u s t i o n ( d m c c ) ，p a r t i c l es i z e ，r o a dt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：孑降貉孝争签字日期：2 叫年哆月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论吝作者签名嗥锵 签字日期：上踟哆年够月p 2 日 导师签名 签字日期苦瓣肜月纱日 天津大学1 毒士学位论文甲醇在压髌式发动机上的应用研究 1 i 引言 第一章绪论 “m ye n g i n e i ss t i l l m a k i n ge n o r m o u sp r o g r e s sl r u d o i l d i e s e l 1 8 9 5 t 。j 内燃机以其热效率高，结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点受到广泛 应用。一百多年以来，内燃机的巨大生命力经久不衰。1 6 7 3 1 6 8 0 年荷兰物理 学家柯惠更斯( c h r i s t i a n h u y g e n s ) 首先提出了真空活塞式火药燃烧的高温燃气 在气缸中冷却后形成真空而带动活塞作功，在人类历史上第一次把燃气与活塞联 系起来，实现了“内燃”。1 8 7 6 年n i k o l a u sa u g u s t o t t o 发明了世界第一台四冲程 煤气机。图1 - 1 是奥托最初试制的缸径1 6 0 r a m ，行程3 0 0 r a m ，在1 8 0 r r a i n 时发 出3 马力功率的发动机1 2 。1 8 8 6 年b e n z 和d a i m l e r 按o t t o 的四冲程原理，造出 第一台车用汽油机。柴油机几乎是与汽油机同时发展起来的，德国狄塞尔博士于 1 8 9 2 年获得压缩点火压缩机的技术专利，如图1 _ 2 ，1 8 9 7 年制成了第一台压缩 点火的“狄塞尔”内燃机叩柴油机。 在科学技术发达的今天，发动机已被广泛地应用于科学技术的各个领域，作 为人类文明的一部分，给人类提供了无限的方便；然而，这种方便是阻巨大的能 源消耗和严重的环境污染为代价的，这些问题迫切需要去解决，使发动机这一人 类文明的产物与大自然协调一致，以开拓更加美好的未来社会。 8 蓍鏖 图l 一1o t t o 最早发明的发动机图1 _ 2 压缩点火发动机技术专利 第一章绪论 1 2 中国汽车发展及能源环境现状 从1 9 9 2 年到1 9 9 9 年，我国私人汽车保有量用了7 年时间从1 0 0 万辆增至 5 0 0 万辆。从2 0 0 0 年到2 0 0 3 年初，仅用3 年多的时间私人汽车保有量就从5 0 0 万辆增加到1 0 0 0 万辆。截至目前，我国私人购车比例达到6 0 私人汽车占整 个民用汽车保有量的近5 成，私人汽车增幅超过单位用车增幅2 0 多个百分点。 2 0 ：2 0 0 1撇 艄 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 年份 圈1 _ 3 今年来我国汽车产量 ；。i 形o , = 7 梦- s 徘翟一 皆 岂 圈i _ 4 世界石油产量与消耗量的趋势 圈1 _ 5 石油用途分布比例 啪 哪 咖 蝴 瑚 幂r捌钆扑蜒 愀 能 m 天津大学博士学位论文甲醇在压燃式发动机上的应用研究 自2 0 0 1 年底中国加入世界贸易组织以来，长期受到压抑的汽车消费得到释 放，汽车市场规模不断扩大，私人消费成为主流。自2 0 0 6 年起，中国取代日本 成为仅次于美国的世界第二大新车消费市场。中国同时还是仅次于日本和美国的 世界第三大汽车生产国。中国消费者对汽车有着巨大需求，在未来相当长一段时 图1 _ 6 我国石油对外依存度及预测趋势 间里，中国汽车市场将继续保持快速发展。图l - 3 给出了我国2 0 0 0 - - 2 0 0 8 年的 汽车产量。 到2 0 1 0 年，中国汽车保有量将超过6 0 0 0 万辆。汽车产量和保有量的大幅增 加，使得汽车消耗的燃油量与日俱增，汽车每天消耗的燃油数量惊人。图l - 4 显 示了世界石油产量与消耗量的趋势副引，其中大部分的石油被作为车用燃料，如 图l 一5 所裂4 1 。而中国的能源供给形势并不乐观，国际上油气资源丰富的地区， 政治安全形势不稳。所以在发展汽车产业的同时，提高汽车的燃油经济性，减少 石油资源的消耗，降低中国对进口石油的依赖性，已成为当务之急。我国为世界 第二大石油消费国。自2 0 世纪9 0 年代以来随着国民经济的快速发展，对石油的 需求不断增长，石油供需矛盾突出。从1 9 9 3 年起我国己由石油净出口国变为净 进口国，2 0 0 0 年我国石油净进口量突破7 0 0 0 多万吨，2 0 0 4 年突破1 亿吨大关， 为1 4 3 6 5 0 万吨，石油对外依存度达4 5 2 ，2 0 0 5 年略有下降，为1 3 6 1 7 6 万吨， 对外依存度达4 3 0 。未来随着我国石油需求的迅速增加，加之国内资源有限， 仅靠国内产量已不能满足需求，我国石油对外依存度将逐年增加，如图l _ 6 【5 】o 对于中国快速增长的客用汽车有着许多的能源和环境暗示。在用汽车已经引 起了一系列的问题，包括日益严重的城市空气污染，温室气体的排放。 汽车排气污染对于大都市空气质量的影响非常大。以北京为例，在1 9 9 5 年 们 如 如 o 爨、毯饕毯 第一章绪论 北京机动车排放对c o 和n o x 的年浓度分担率分别达到了7 6 5 和6 8 4 。而在 城市中心区，机动车排放对空气质量的影响更大，两种污染物的分担率分别达到 了8 6 3 和7 2 6 1 。而在1 9 9 5 年，北京市机动车总数不足1 0 0 万辆，虽然排放 法规严格很多，但是车辆总数增长的速度更大。 根据赵立蔚等对天津市的研究，天津市2 0 0 1 年时机动车排放的n o x ，c o 和t h c 总排放量的分担率分别达到5 5 ，8 3 和8 1 1 7 1 。 汽车排气不仅直接危害大气环境，而且会形成二次污染物，对大气环境构成 更严重的危害。汽车排气最为重要的二次污染物就是光化学烟雾。光化学烟雾是 指汽车排出的h c 和n o 在太阳光的作用下，发生复杂的光化学反应，生成以臭 氧、醛和过氧酰硝酸酯为主的光化学烟型8 9 】。 1 3 柴油机排放污染物的种类和形成机理 内燃机排放物主要是一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和微粒。 内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时，将只产生c 0 2 和h 2 0 ， 没有其它有害产物。不过高速内燃机燃烧过程占有的时间极短，可燃混合气不是 完全均匀，燃料的氧化反应不可能完全。排气中会出现不完全燃烧产物，例如 c o 和未完全燃烧甚至完全未燃烧的h c 。在柴油机中，不仅仅有c o 和h c ，由 于可燃混合气是在燃烧前和燃烧中极短的时间内形成的，混合不均匀程度比较严 重，在高温高压环境下缺氧的燃油会发生裂解、脱氢，最后生成碳烟粒子。这些 碳烟粒子又吸附了各种各样的未燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物，形成排气 微粒。内燃机排放的氮氧化物n o x 主要是n o ，n o 的主要来源是参与燃烧的空 气中的氮，在柴油机中，n o x 的生成主要受气缸内的达到的最高燃烧温度、高 温持续时间和含氧量的控制。在燃烧过程中，最先燃烧的混合气比例对n o x 的 生成有很大的影响。 这些排放物对人体的危害简述如下： ( 1 ) 一氧化碳c oc o 是一种无色无味的气体，它和血液中输送的氧的载 体血红蛋白的亲和力是氧的2 4 0 倍。c o 和血红蛋白结合生成羰基血红蛋白，就 剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中c o 的体积分数超过0 1 时， 就会导致人体中毒；超过0 3 时则可在3 0 m i n 内使人致命。 ( 2 ) 碳氢化合物h ch c 包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解 和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本 上无味，对人体健康不产生直接影响。烯烃是与氮氧化物一起在太阳光的紫外线 作用下形成的有毒的“光化烟雾”的罪魁祸首之一。芳香烃对血液和神经系统有 4 天津大学博士学位论文甲醇在压燃式发动机上的应用研究 害，特别是多环芳香烃( p a h ) 及其衍生物有致癌作用。醛类是刺激性物质，对 眼、呼吸道、血液有毒害。 ( 3 ) 氮氧化物n o x 内燃机排放的氮氧化物绝大部分是一氧化氮n o ，少 量是二氧化氮n 0 2 ，一般用n o x 表示。n o 是无色气体，本身毒性不大，但在 大气中缓慢氧化成n 0 2 ，成褐色，具有强烈的刺激味，对肺和心肌有很强的毒 害作用。n o x 是在地面附近形成光化学烟雾的主要因素之一。 ( 4 ) 微粒p m 排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到5 2 后用涂有聚 四氟乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。柴油机中排出的微粒大多小于 0 3 9 i n ，其主要成份是碳及其吸附的有机物质，其形态和成份如图1 _ 7 所示。吸 附物中有多种p a h ，具有不同程度的致癌作用。 柴油机的排气污染主要是微粒( p m ) 和n 0 x 1 0 1 ，据统计，大城市大气中 的n o x 约有一半来自机动车辆，其中柴油机排放的n o x 占一半，大约三分之一 的悬浮颗粒来自汽车【j 。 柴油机碳烟的生成条件是高温和缺氧。由于柴油机混合气极不均匀，尽管总 体上是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致了碳烟的生成。图1 8 为碳烟的大致形 成过程：燃油中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯； 乙烯和聚乙烯在不断脱氢后，聚合成以碳为主的，直径为2 n m 左右的碳烟核心； 气体中的烃在这个碳烟核心的表面凝聚，以及碳烟核心之间的凝聚，使得碳烟核 心的表面增大，成为直径为2 0 - 3 0 n m 左右的碳烟基元。至此，碳烟的质量已基 本确定。最后碳烟基元堆积成直径1 岬以下的微粒【1 2 】。 近年来，研究者不仅仅关注微粒排放的质量浓度，同时对微粒的数量浓度 和直径的大小也给予了极大的关注。一些研究表明：在先进柴油机上，虽然质量 排放降低的效果显著，然后数量浓度升高，微粒直径变小，这可能对人体健康危 害更大。 碳烟形成数量与温度及过量空气系数的关系见图1 _ 9 。碳烟的形成数量随着 过量空气系数的降低而增加。温度对碳烟形成数量的影响，则在1 6 0 0 - - 1 7 0 0 k 之间达到最大值【1 2 】。 柴油机排放微粒按粒径大小不同可以分为核态、聚集态和粗态三种模式1 1 3 】， 如图1 一1 0 。 核态( n u c l e a t i o nm o d e ) 粒径均小于5 0 n m ，为纳米级颗粒，主要由挥发性、 半挥发性有机物，含硫化合物、固体单质碳及金属盐类组成。这种形态的微粒粒 数浓度随温度、稀释比和驻留时间的不同会有很大的变化。 聚集态( a c c u m u l a t i o nm o d e ) 粒径在1 0 0 - 3 0 0 n m 之间，属于细颗粒。主要 由燃烧过程中形成的无定形碳及吸附在它表面的碳氢化合物和少量的无机化合 第章绪论 物，阻团聚物的形式存在。这部分颗粒物的粒数浓度一般比较稳定，测量的可重 复性高。 粗态( c o a r s em o d e ) 粒径大于2 5 岫1 ，属于可吸入颗粒物。主要来源于沉 积气缸和排气管表面的微粒这部分颗粒物对测量的粒数浓度几乎没有影响，但 是对颗粒物的总质量有很大的贡献。 l t 口洲脚k _ _ 血- d m 口p 衲 掣渗 ，一曦 、 t 1 l _ 一。_ 一。_ 二- 图1 0 柴油机微粒的形态和主要成份比例 k 图1 - 8 碳烟形成过程图l _ 9 碳烟数量与温度及过量空气系数的关系 柴油机n o x 的生成条件是高温、富氧及高温持续时间。内燃机排放物的n o x 主要是n o 和n 0 2 。n o 的主要来源是参与燃烧的空气中的氨气从大气中生成 n o 的化学机理是泽尔多维奇( z e l d o v i t c h ) 机理。在化学当量混合比( 咖= 1 ) 附近。导致生成和消失n o 的主要反应为： 0 2 = ，2 0 n 2 + o c - n o + n n + 0 2 c * n o + o n + 0 h o n o + h 瓣 天津大学博士学位论文甲醇在压燃式发动机上的应用研究 由于n o 的生成反应比燃烧反应慢，所以只有很少一部分n o 产生于很薄约 翻_ 嘲一 图1 1o 微粒粒径分布规律及其所对应的形态 为0 1 m m 的火焰反应带中。大部分n o 在离开火焰的燃气中生成。n o 的生成强 烈地依赖温度，氧浓度的提高也使n o 生成量增加【1 4 】。 图1 一ll 给出了p m n o x 的更为严格的排放限制的对应值【1 5 1 。 葛 卫 u 盆 - 点 口 量 k o123456 n o x ，g f k w - h r ；e s ct e s t 图l 1 1 排放法规制定的n o x 和p m 排放限值 碳烟和n o x 的不同生成条件同时在柴油机内出现，给治理其排放带来极大 的困难。在直喷式柴油中存在著名的“微粒- n o x 权衡曲线”( p a r t i c u l a t e - n o x t r a d e o f fc u r v e ) ，温度高，停留时间长，湍流混合良好，促使碳烟的氧化，则总 微粒将减少，但同时n o x 的生成将增加。到现在已被证明可以同时降低p m 和 n o x 排放的措施极少。最新的研究证明，增加燃料的h c 比，可降低碳烟排放， 占譬薯、i廿凸墨叠墨量詈暑q薹e墨 铒 住 m 佗 o 玑 仉 0 吼 吼 吼 吼 第一章绪论 一些含氧燃料，如甲醇、二甲醚燃烧几乎不产生碳烟。今后柴油机的发展前途显 然系于p m 和n o x 排放的合理解决【1 0 】。 当前关注的另一个热点就是c 0 2 的排放。随着c 0 2 排放量的增加，带来了 一系列的气候变化，造成温室效应。造成温室效应的气体称为“温室气体，它 们可以让太阳短波辐射自由通过，同时又能吸收地表发出的长波辐射。这些气体 有二氧化碳、甲烷、氯氟化碳、臭氧、氮的氧化物和水蒸气等，其中最主要的是 二氧化碳。近百年来全球的气候正在逐渐变暖，与此同时，大气中的温室气体的 含量也在急剧地增加。许多科学家都认为，温室气体的大量排放所造成温室效应 的加剧可能是全球变暖的基本原因。 人类燃烧煤、油、天然气和树木，产生大量二氧化碳和甲烷进入大气层后使 地球升温，使碳循环失衡，改变了地球生物圈的能量转换形式。自工业革命以来， 大气中二氧化碳含量增加了2 5 ，远远超过科学家可能勘测出来的过去1 6 万年 的全部历史纪录，而且目前尚无减缓的迹象。 图1 一1 2 给出了2 1 世纪全球气候预测图，对于大气c 0 2 浓度趋势来说，可 以基本肯定，化石燃料燃烧引起的c 0 2 排放还将起主要作用。在全球的c 0 2 排 放中，有1 4 是来自于以内燃机为动力的交通工具【l6 | 。 我国2 0 0 4 年制定出了乘用车燃料消耗量限制，为了进一步节约能源降低c 0 2 的排放i l 刀。欧盟委员会正考虑采用“2 0 1 2 年所有欧洲新车二氧化碳排放量要达到 1 3 0 9 k i n ”的排放标准。燃油经济性和c 0 2 排放的限制标准，如图1 一1 3 给出了各 主要国家对燃油经济性的限制【1 8 】。 置一 一寝撕毋 觌。畚矗；熬彬叫w y i ；零疆叩y p 缓j 霉 图l 一1221 世纪全球气候预测c 0 2 量及温度变化 8 天津大学博士学位论文甲醇在压燃式发动机上的应用研究 图l 1 3 各国对燃料消耗的限制情况 目前，氧化催化转化器已经应用到客车和轻型卡车、柴油轿车和重型柴油车 上 1 9 - 2 1 】。柴油机氧化催化器主要用来氧化柴油机尾气中的h c 与c o ，其氧化原 理与汽油机三效催化器氧化h c 和c o 的原理基本一样，柴油氧化催化装置的性 能受排气温度的影响，在排温较低的运转工况下它不起作用。起燃温度高于2 0 0 就可以有效的转化h c 和c o ；当排气温度低于1 5 0 时，催化剂基本不起作 用。随着温度的增高，由于s o f 被氧化，使微粒排放下降；而排温高于3 5 0 后， 由于硫酸盐大量生成，反而使微粒排放增加。因此，柴油机氧化催化器的最佳工 作温度范围是2 0 0 - 3 5 0 。但仅靠调整发动机工况很难控制排温总在这一最佳范 围内。柴油机氧化催化器还能氧化掉p m 中的一部分可溶性有机物s o f ，但同时 也将尾气中的部分s 0 2 氧化成硫酸盐。所以对于含硫量较高的柴油来说，使用氧 化催化器将使微粒物排放中的硫酸盐比例增大，这样就降低了氧化s o f 的效果， s 0 2 甚至增加，p m 的也排放增加。另外燃料中的硫还会引起催化剂中毒。所以 使用高硫柴油会极大地影响氧化催化器的净化效果，还会降低催化器的寿命。因 此，选择合适的催化器和使用低硫化燃油就显得尤为重要【2 2 | 。 1 4 车用替代燃料 如前所述，中国石油储量有限，而人口数量巨大，近些年来经济蓬勃发展， 对石油的需求量快速增加，而目前中国的石油进口受国际环境的制约比较大。据 预测，到2 0 2 0 年，汽车用油将超过石油总需求量的6 6 ，为了缓解石油消耗的 严峻形势，做好替代燃料在发动机的应用研究和推广工作，对于减轻我国在石油 对外依赖和环境问题上的压力具有重要意义。 ，-5，霹h幽t=举糟一堪奄臻寡羹 第一章绪论 因此如何在后石油时代，针对我国自然条件和能源资源特色，逐步改变车用 能源结构，发展车用清洁代用燃料，在发动机上实现高教、低污染的燃烧，控制 汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响，已成为我国能 源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研究课题口m 。 近年来人们一直在寻找内燃机高效清洁燃烧新技术，代用燃料是解决石油短 缺和内燃机污染的有效途径。 通常所指的汽车代用燃料包括口q ：气体燃料( 天然气、液化气、氢气) 、合成 燃料( 煤制油、天然气合成油) 、酵醚类滕抖( 甲醇、二甲醚、乙醇) 、生物质产品( 生 物质气化、生物柴油1 。 天然气( n g ) 和液化石油气( l p g ) 由于具有低的污染物排放被认为是内 燃机的较理想代用燃料已经被成功地应用于汽油机 王学台；王振锁】。利用柴 油引燃天然气的方式也成功的应用于柴油机上# 玷q 。 二q 璐0 ) i m e t h y le t h 们，是一种含氧燃料，它无毒性，常温常压下为气态， 常温时可在五个大气压下液化，具有与液化石油气相似的物性。二甲醚无c c 键其十六烷值大于5 5 ，具有优良的压燃性，非常适合于压燃式发动机，用作 为柴油机的代用燃料。 全球变暖是不争的事实。人们正在开发来源广泛的生物能源。生物燃料是指 从农作物或动物的脂肪中提取的可再生燃料。将植物油和动物脂肪与酒精反应， 脱去甘油三酸脂转变成甲醣或乙基酪之后就可阻在柴油机上使用，这些酯类物被 称为“生物柴油”。生物柴油中的富氧可以加快燃烧速度，减少c o 、h c 和微粒 排放旧。 图1 1 4 一名挪威司机采用燃烧木材作为替代汽油的能源 天津大学博士学位论文甲醇在压燃式发动机上的应用研究 提倡生物能源替代化石能源可以缓解石油消耗和价格上涨的压力。图l 一14 显示了在1 9 7 4 年的石油危机中，名挪威司机采用燃烧木材作为替代汽油的能 源【2 8 】。 1 5 具有前景的车用燃料一甲醇 2 0 0 3 年1 1 月，柴油紧张的呼声先是在南方一些地区响起，接着又迅速波及 到北方一些地区。造成此次柴油紧张的原因有很多：柴油消费增长快；我国油品 自给不足，在需求快速增长下只得在国际市场上加大采购；国际石油投机商利用 我国石油进口的增多，借机抬高油价；在国际油价涨高，国内油价没有调高的情 况下，石油经销商按现行国家对油价管理方法知道国家肯定也将调高油价，囤积 惜售，导致供应进一步紧张。另外，我国柴油总供应量与消费量之比也是一个重 要的影响因素，2 0 0 5 年5 月供消比为1 4 3 ：l 。业内人士认为，当其供求比值低 于1 6 时，市场将呈现供小于求的态势；如当其供求比值向下突破1 4 时，市场 供求紧张将变得十分严峻。解决我国能源紧缺，必须按照自身情况，在能源发展 战略上将能源多元化放在非常重要的位置，同时不断发展替代能源。作为生产资 料，大量公交车、重型卡车省油的发展趋势愈加明显，无论节油技术如何提高， 由于公交车尤其卡车具有大功率的特性，重型卡车常常被称为“油老虎”，运输成 本与油耗的矛盾愈发突出。在此背景下，替代燃料车的研发，就成为解决矛盾的 一个途径。 建设中国资源型的、以煤为本的车用替代燃料体系，煤制甲醇作为车用替代 燃料在国内将大有可为。醇类燃料甲醇和乙醇，具有辛烷值高、汽化潜热大、热 值较低等特点。作为汽车燃料，首先，甲醇本身含氧，燃烧速度快且为无烟燃烧， 排放也比传统燃料更环保；其次，价格上甲醇相对便宜很多，生产成本低，易推 广普及；再次，甲醇作