（载运工具运用工程专业论文）汽车代用燃料在电喷发动机上的应用研究.pdf

摘要 摘要 代用燃料经过多年的研究和发展如气体燃料、醇类燃料等都已经在改善能源结构、 降低排放污染方面起到了积极作用，可以说代用燃料多元化的局面已经出现并将长时间 保持。随着资源情况的变化、长期使用效果的展现及竞争的加剧，同时根据技术进展状 况的不同，将会出现几种主导燃料代替日益减少的汽油及柴油。 本文根据目前代用燃料的发展现状，在日益增鸯叠的电控燃油喷射汽车上进行几种常 用代用燃料的应用试验，目的在于评价几种代用燃料在电喷发动机上的性能特点及其影 响因素，为汽车代用燃料在电喷发动机上的应用提供理论依据，为汽车代用燃料在电喷 发动机上的推广应用奠定基础。 本文首先介绍了国内外代用燃料的发展现状及未来趋势，并且着重分析了l p g 和 醇类燃料的物理化学特性以及它们的应用特点和存在的问题。在发动机台架上进行了 9 3 撑汽油、e 1 0 、e 2 0 、m 1 5 、m 3 0 和i j p g 的动力性、经济性和排放性能试验，并且对这 几种燃料的万有特性曲线、全负荷速度特性曲线、负荷特性馥线以及摊放性能曲线作出 了理论分析。 试验结果表明：捷达电喷发动机在未作任何调整的情况下，燃用e t 0 秘e 2 0 同9 3 # 汽油相比，最大功率和扭矩基本相当，甚至在高转速段有所提高，燃油消耗率有所上 升，能耗率下降，c o 、h c 、n 仅的排放均有所降低，其中e 2 0 的尾气排放要优于 e 1 0 ；燃用m 1 5 和m 3 0 同燃用9 错汽油相比，最大功率和扭矩稍有下降，燃油消耗率有 所上升，能耗率下降，c o 、h c 、n o ；的排放均有所降低，其中m 3 0 的有害气体排放降 幅较大；燃月l p g 同燃用9 3 襻汽油相比，最大功率和扭矩有所降低，在低转速较为明 显，燃气消耗率有所下降，能耗率下降更多c o 、h c 、n o 。的排放均有所降低。 总之，本文应用在试验中得到的数据，对几种代用燃料在电喷发动机上的使用性熊 进行了分析，找出它们的应用特点及其影响因素，为在应用最为广泛的电喷车上充分发 挥这些清洁燃料的作用，缓解石油资源短缺和改善大气环境，以及代用燃料合理有效的 推广使用奠定了科学的基础，对指导代用燃料的推广具有相当的现实意义。 关键词代雳燃料：电喷发动机：应用研究 东北林业大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t hm a n yy e a r so fd e v e l o p m e n t ，s u b s t i t u t ef u e lh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l e i nr e d u c i n g t h ee x h a u s te m i s s i o na n da m e l i o r a t i n gt h es t r u c t u r eo ff u e l m a n yk i n d so fs u b s t i t u t ef u e l s d e v e l o p e di nt h es a m et i m ew i l lb er e t a i n e dal o n gt i m e w i t ht h ed i f f e r e n td e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g ya n di n t e n s ec o m p e t i t i o n ，m a y b eak i n do ff u e lw i l ls u b s t i t u t et h eg a s o l i n ea n dd i e s e l t h em o t i v eo ft h i st h e s i si se v a l u a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s es u b s t i t u t ef u e l sa n d p r o v i d i n gt h et h e o r yb a s i sa b o u te n l a r g i n gt h eu s i n go fs u b s t i t u t ef u e li nt h ee f ie n g i n e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h es e v e r a ls u b s t i t u t ef u e l s - - - - l i q u e f i e d p e t r o l e u mg a s ，m e t h y la l c o h o lp e t r o l ，e t h a n o lp e t r o la n dl o o k sf o r w a r dt 0t h e i rd e v e l o p m e n t t r e n d t h ec h e m i c a la n dp h y s i c a lp e c u l i a r i t ya n da p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fl p qm e t h y l a l c o h o lp e t r o la n de t h a n o lp e t r o la r ea n a l y z e d e x p e r i m e n t so ft h ee f ie n g i n ea r ec a r r i e do u t i n c l u d i n gd y n a m i c s ，e c o n o m ya n de x h a u s te m i s s i o nb yu s i n gu gm 1 5 ，m 3 0 ，e 1 0 ，e 2 0a n d 9 3 # g a s o l i n e t h ep e r f o r m a n c ec u l n c so fe x h a u s te m i s s i o n ，w a n y o u - t e - x i n g , f u l l l o a dv e l o c i t y a n dl o a d ( 2 0 0 0 r r a i na n d4 0 0 0 r m i n ) a g ea n a l y z e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sh a v es h o w n ：c o m p a r e dw i t ht h e9 3 # g a s o l i n e ，t h ee n g i n e u s i n ge 1 0a n de 2 0r e t a i n si t sh i g hd y n a m i c sp e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yi nt h eh i g hr o t a t i o ns p e e d a n dr e d u c e si t se x h a u s te m i s s i o n sa n di m p r o v e st h ef u e lc o n s u m p t i o n f o rt h em o r e ，t h e e x h a u s te m i s s i o no ft h ee n g i n eu s i n ge 2 0i sb e t t e rt h a ne i o ；h o w e v e r , c o m p a r e dw i t ht h e 9 3 # g a s o l i n e ，t h ee n g i n eu s i n gm 1 5a n dm 3 0d o e s n tr e t a i ni t sh i g hd y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n d i m p r o v e st h ef u e lc o n s u m p t i o na n dr e d u c e si t se x h a u s te m i s s i o n se s p e c i a l l ym 3 0 ；c o m p a r e d w i t ht h e9 3 # g a s o l i n e ，t h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n eu s i n gl p gi sd e t r a c t e d e s p e c i a l l yi nt h el o wr o t a t i o ns p e e da n dd e t r a c t e st h ef u e lc o n s u m p t i o na n dt h e e x h a u s t e m i s s i o n sd i s t i n c t l y b yc o m p a r i n gw i t hg a s o l i n ei nt h es a n l ec o n d i t i o na n df i n d i n go u tt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h es u b s t i t u t ef u e l s ，p e o p l ec a nc o m p r e h e n dt h e i rp r o p e r t yo fu s i n ga n d s e l e c t i n gr i g h tf u e la c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t k e y w o r d s s u b s t i t u t ef u e l ；e f ie n g i n e ；a p p l i c a t i o ns t u d y u 1 1 引言 1 绪论 能源是经济发展和社会文明的物质基础，任何国家的经济发展都与能源问题密切相 关，石浊作为2 0 世纪世界上最主要的能源己经得到了较为充分的开发，未来石油燃料 的产量将日趋减少。而当前内燃机主要使用石油作为燃料，般工业发达国家消耗在内 燃机上的燃料约占整个石油消耗量的6 0 左右。所以，石油短缺必然影响内燃机行业 及整个世界工业的发展。我国在1 9 9 3 年以后已成为石油净迸口国，原油进口以每年 8 0 0 - 1 0 0 0 万吨的幅度增长，照此发展趋势，到2 0 1 0 年我国石油需求的4 7 需要进口， 原油短缺闽题将成为制约我国经济发震的长期压力。 另一方面，随着世界汽车工业的快速发展，大量汽车排放污染物已经占到了空气污 染扬的6 0 8 0 ，对大气环境和人类健康影响最大的有害排放物有碳氢化合物f h c ) 、 一氧化碳( c o ) 、氮氧化合物( n o 。) 和微粒等。c o 会导致人体中毒；h c 包括烷烃、烯 烃、芳香烃等，其中烯烃与氮氧化物在太阻光的紫外线作甩下会形成有毒的光化学烟 雾：芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃( p a l l ) 及其衍生物有致瘸作 用：醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害；n o ；是地面形成光化学烟雾的主 要因素之一 ：j 。上世纪4 0 年代美国洛杉矾的光化学烟雾事件f e 是由汽车的有害排敢引 起的。人类面临越来越严峻的地球变暖、臭氧层空洞、光化学烟雾、酸雨等环境问题， 生存环境也越来越受到世界各国的普遍关注。因此，内燃机的能源消耗和有害尾气排放 是可持续发展的一项重要课题。 面对能源短缺和环境污染的双重挑战，许多科研人员都在研究各种技术来缓解和改 善现状。例如对内燃机进行改进：采用直喷、稀燃、多点喷射技术来改善燃烧过程：采 用黾喷、电控技术来改进点火系统和燃料供给系统：采用e g r 技术等净化措施来改善 尾气排放等。厘是单纯蔽靠改进内燃机燃烧系统来改善汽车排放已不能满足要求。因 此要同时解决能源短缺和改善环境污染两个问题最有效的办法是采用替代能源。 目前把代用燃料和电麓、氢麓等新型能源作为车用燃料的研究应用已经成为世界各 国关注的热点。它们都能在改善能源结构、降低排放污染等方面起到积极作用。可以说 经过多年的研究和发展，多方面努力促进车爝燃料多元化的局面已经出现。每种燃料都 有其应用的特点和应用范围，很难说哪一种能源将会取代石油成为未来的主要能源，在 枢当长的时间内，车用憨料会保持多元化魄姆局。荠且随着资源请况的变化、长期使用 效果的展现及竞争的加剐，同时根据技术进展状况的不同，将会出现2 - 3 种主导燃料代 替日益桔竭的汽油及柴油p l 。 ：。：。一：= ：一。：一：薹! ! 些奎茎坠兰堡姜三：= ：= ：一：一 1 2 代用燃料在国内外的应用研究情况 汽车工业的高速发襞给人类带来经济繁荣和生活便利的同贮也给城市带来了大气 污染和汽车能源的紧张。发达匡家早在几年前就已经开始研霞开发车嗣燃料的替代 品。目前汽车动力及燃料的发展爱状与趋葵如图1 1 昕示。图j 盎侧是传茏内燃机使嗣 燃料的情况，柴油和汽油是内燃机的主要燃料。图的中i 司部分是当前动力装置开发研究 及所用燃科多元化的情况，研究较为成熟的有醇类燃料、气体燃料、二甲醚等。图日j 右 侧部分是正在研究试验中的动力装置及燃料h j 。目前研究的电爱汽车、混合动力汽车及 多种代用燃料都有各自的优缺点下面分别介绍它们的应用研究情况。 原油天然气、煤能源植物光、电、水、凡能 乏 除 步 b 。； 柴油机、汽油机 混合动力裂解器+ 燃料电池电动装置燃料电池 1 2 1 气体燃料 图1 - 1 交通运输等动力装置及燃料的发展现状与趋势 气体燃料汽车从2 0 世纪3 0 年代在意大利开始发展到现在已经有了约8 0 年的发展 史。目前气体燃料汽车的相关技术已经日趋成熟，并进入商业化阶段，其电子控制技术 和排放控制技术的研究和应用水平已经达到与燃油汽车的相关技术同步发展的程度。一 些世界知名的汽车公司如福特、通用、丰田等都加入了开发和生产行列，均可按客户要 求生产单燃料或双燃料l p g 汽车1 5 i 。 气体燃料汽车根据其使用的燃料、燃料的使用形态和使用的方法不同，可分类如图 1 2 所示。从使用的燃料可分为单燃料燃气汽车、两用燃料汽车、双燃料燃气汽车。由 于考虑到加气站的建设和燃料问的灵活切换问题，目前世界各国研究较多的还是两用燃 料汽车。它是指具有两套燃料供应系统( 其中一套使用c n g 或l p g ) ，使用中可以在两 种燃料之间进行灵活切换的一类车辆。 1 绪论 燃 气 汽 奎 天 然 气 汽 生 液化天然气汽车 吸附天然气汽车 压缩天然气汽车 液化石油气汽车( l p g v ) 单燃料燃气汽车 两用燃料汽车 双燃料燃气汽车 图l 一2 气体燃料汽车的分类 现在国内较为普及的是在原车辆上安装开环混合器供气系统的两用燃料燃气汽车。 这种系统的安装比较简单，与汽油车相比在改善尾气排放上有一定效果，但排放水平上 达不到欧洲i 、i i 号排放法规的限值，并且它还存在各气缸间的混合气分配不均匀、混 合气浓度调节精度差、动力性下降等诸多问题1 6 1 1 7 1 。因此很多研究机构对这种开环混合 器供气系统进行了改进。例如浙江大学通过提高发动机压缩比、改变点火提前角以及进 气补给等措旌来改变发动机燃气时的燃烧特性，降低燃气时的功率损失：天津大学通过 去掉混合器来增加进气量、提高充气效率，以达到提高发动机功率的目的。这些措施都 取得了一些效果，但并不十分理想【8 “9 i 。 随着世界各国对汽车尾气排放限制的加强，普通l p g 汽化技术已很难满足尾气排 放上的要求，因此为了实现空燃比的精确控制和三元催化转换器能够高效率的工作，各 研究机构进行了闭环带电控动力调节阀的混合器供气系统的研究。例如荷兰设备制造商 开发的e u r og a s 系统，它是一个实行闭环控制的车用l p g 系统。它的电子单元接收到 发动机转速传感器和氧传感器的输入信号后，通过由电子单元控制的执行器一步进电机 来调节“压力调节器”和“混合单元”间的气体软管中的气流量来满足不同工况下供气量的 要求【1 0 】：上海交通大学开发的低排放控制系统经测试表明，在基本保持原发动机动力性 的基础上，可以使有害物排放大幅度下降，达到欧i 排敬标准u l l l l 。 闭环带电控动力调节阀的混合器供气系统虽然改善了发动机的排放，但仍然存在充 气效率降低、容易造成发动机回火而损坏进气管、不能精确地实现可燃混合气定量控制 等问题【1 3 】。因此研究人员在参考汽油电控喷射系统的基础上研究设计了l p g 电控喷射 系统。 l p g 电控喷射系统是将汽油喷射技术与l p g 供应系统相结合，形成微电脑控制的 l p g 喷射系统，达到比汽油电控喷射更低的污染物排放量，以适应未来的排放标准。它 分为气体喷射和液态喷射，对于电控喷气而言，气态l p g 的密度随着温度和压力的变 化而显著的变化，是实现l p g 气惫喷射的不利因素，因此并末对动力性下降的原因作 实质性的改变。而采用液态l p g 喷射时，液态l p g 占用了较，、的进气管客积，同时 由于其部分汽化吸热降低了混合气温度，提高了混合气密度，从而提高了充气效率，增 口丁进入气缸的混合气的量。另外采用电控液态喷射方式能确保高速高负荷下燃料的 ：= 一：一：一。些塞些垄尘：耋丝= ：= 一：一一：一：一： 充足供应，而不会象普通供气方式那样在高负荷下出现供气不足，因此动力性得到丁明 显的恢复。有关资料表明，与燃嗣汽油相比，液态l p g 喷射时扭矩提高丁4 2 ，功窭 提高了4 7 i “j i l 5 j 。浙江大学通过汽油喷射、l p g 气态喷射和液态喷射对比试验的研究 结果表明，燃用l p g ，怠速时发动机的有害气体排放比燃用汽油时有明显的改善。在高 转速和高负荷下，电控l p g 液态喷射的输出扭矩和功率均为最大，电控气态喷射的输 出功率低于汽油，最大输出功率低2 7 t “】。福特公司推出的维多利亚皇冠天然气汽 车，采用电控多点喷气技术、废气再循环技术和三元催化转换器，被加利福尼亚空气资 源局认定为超低排放车( u l e v ) 一次充气行驶里程可达3 2 0 k i n l ”j 。 国际上的液化天然气( l n g ) 发展开始于6 0 年代，主要是采取净化后低温制冷工 艺，在常压低温条件下将天然气转化为液态，使天然气更方便于存储、远距离输送和使 用。它在燃烧特性上与c n g 相同，而在液化过程中可对燃料进一步提纯，因此l n g 的 燃料组分变化小，是气体燃料中组分最稳定的燃料，它的开发近期为国外汽车行业所重 视1 1 8 】。目前美国一些汽车生产商可以制造l n g 汽车及燃气发动机，日本、德国、加拿 大、俄罗斯等国也在加紧l n g 汽车的开发和推广【1 9 1 - o l 。我国l n g 汽车发展已具备一 定条件“十五”期间，北京、深圳等城市均有组织开展l n g 单一燃料汽车示范工程的意 向。如北京市将在四环路建l n g 加气站，将首批开通5 0 辆使用l n g 的公交车【2 ”。 气体燃料汽车近两年来最引人注目的是燃气汽车专用发动机的研究，为了进一步降 低燃气汽车的排放水平，稀薄燃烧闭环控制的燃气发动机正在成为国外燃气汽车领域研 发的热点f 2 2 l i b 。 1 2 2 醇类燃料 醇类用作内燃机的燃料由来己久，世界上第一台内燃机即是以乙醇为燃料的。2 0 世 纪7 0 年代两次能源危机之后，醇类开始较大规模的获得应用。目前，世界上4 0 多个国 家和地区开发应用了醇类燃料汽车，以美国和巴谣应用最多1 2 4 】。 我国目前在黑龙江、吉林、河南及安徽等8 个省推广使用乙醇汽油，预计到2 0 0 5 年底，车用乙醇汽油的使用总量将达到1 0 0 0 万吨以上，约占全国汽油消费量的1 4 ( 删。 在甲醇燃料方面，我国从上世纪7 0 年代就进行了较为系统的研究。山西省煤炭资源丰 富，有发展甲醇汽油良好的基础条件，在2 0 0 1 年6 月甲醇燃料已推广到山西省6 个城 市的公交旅游车辆中使用，运行情况良好。目前山西省正在进行m 8 5 汽车的系统工程 示范1 2 6 j 。 在使用技术上，醇类燃料汽车的发展是经过m 3 m s ( 在汽油中掺入3 5 甲醇和助溶 剂) 和e l o ( 汽油中掺1 0 乙醇) 的低比例醇汽油燃料：m 1 5 、e 2 2 ( 在巴西推广) 中比例 醇汽油燃料；m 8 5 、e 9 5 高比例醇类专用的醇燃料汽车到既可燃烧汽油又可燃烧任何比 例醇汽油混合燃料的醇灵活燃料汽车f f v ( 美国、德国、瑞典政府等组织了大规模研 究开发，并在加利福尼亚等州长期示范运行) 1 17 1 。 由于甲基叔丁基醚( m t b e ) 对环境有污染，乙醇燃料将成为它的替代品，因此会 极大刺激乙醇汽油的发展，美国p u r d u e 大学发现了可将五碳糖转化为乙醇的转基因 酶，展现了纤维素、半纤维素制乙醇的良好前景1 2 7 】【2 9 l ，为乙醇燃料生产成本降低提 1 绪论 供了技术保证。 甲醇燃料在9 0 年代以后世界各国对它的研究兴趣有所下降，目前只有美国和我国 的山西省由政府支持发展甲醇汽车计划。但是，均质混合气压缩着火燃烧( h c c i ) 燃 烧新概念的提出以及以甲醇为燃料的燃料电池的开发有可能为甲醇汽车的发展开辟另一 方天地【1 7 】。 醇类燃料电池是一类新型的基于质子交换膜燃料电池的能量转换装置，对醇类燃料 电池的研究近年主要集中在甲醇、乙醇燃料电池上，其中以甲醇质子交换膜燃料电池 ( 亦称直接甲醇燃料电池，简称d m f c ) 的研究居多。d m f c 以甲醇为阳极燃料，无需 复杂的燃料重整，具有结构简单、燃料来源丰富、比能量高于环境等优点。近3 0 多年 来，直接甲醇燃料电池的研究与成功开发一直是各国燃料电池的追求目标【3 叭。 目前，日本、美国和欧洲众多公司及研究所对汽油机缸内直喷( g d i ) 技术的研究 极为活跃，已有相应的g d i 机型推出。西安交大开发了国内首台采用火花点火、缸内 直喷周向分层燃烧系统的醇类燃料发动机。通过试验研究表明醇类燃料发动机的燃烧由 主预混燃烧与扩散燃烧组成，具有非常快的燃烧速率而且非常稳定，与燃用乙醇相比， 燃用甲醇时滞燃期较短并且燃烧速率较快。由于采用分层燃烧，醇类燃料发动机具有与 直喷柴油机相当的热效率，且能实现无烟燃烧，c o 排放的增加低于1 ，h c 排放高于 柴油机1 3 1 j 1 3 2 1 。 1 2 3 其它替代能源 以电能作为动力源的汽车称为电动汽车，按动力源分类可分为纯电动汽车、燃料电 池电动汽车、混合动力电动汽车三种。o 世纪7 0 年代的石油危机推动了电动汽车快速 发展，各汽车大国十分重视电动汽车的研究开发，不仅注入巨额资金，而且给予特殊的 政策优惠。如美国许多州制定了强制性的电动汽车发展计划，规定1 9 9 8 年电动汽车的 销售量要占新车销售的2 ，2 0 0 3 年达到l o ”。 我国于9 0 年代把蓄电池电动汽车列为国家重点攻关项目，以清华大学为主开发出 的我国第一代蓄电池汽车，已经在清华校园作为绿色交通车使用i ”j 。“九五”期闾国家将 电动汽车项目确定为国家重大科技产业工程项目加以实施，并于1 9 9 8 年在广东省汕头 市建立了“国家电动汽车运行试验示范区”。 目前纯电动汽车的研究开发主要集中高性能车用动力电池方面，主要有高性能铅酸 电池、镍氢电池、锂离子电池以及固体电解哽里聚合物电池等。但目前还没有一种能够 胜任工作，蓄电池的最终目标，除了保持其零污染、噪声小等优势品质之外，在比能 量、比功率、快速添加能量和售价等方面应当向内燃机汽车看齐【1 “。 在燃料电池汽车方面，世界各大汽车公司相继推出以甲醇或汽油为燃料的燃料电池 汽车。但是目前，由于在车载重整制氢的氢源方面还没有取得全面突破，尽管各大汽车 公司以甲醇和汽油重整制氢为主流技术，值仍有一部分示范车以高压氢瓶、液氢、储氢 材料等方式供氢。 混合动力电动汽车是目前较为成熟的电动汽车，也可能是最先占领一部分市场的电 动汽车。丰田公司在1 9 9 7 年推出电汽油驱动的混合车全球销售量现已达到6 0 ，o o o 辆。2 0 0 1 年又推出f c h v - 4 混合动力系统输出功率达9 0 k w ，汽车最高时速为 1 5 0 k m l a ，续驶里程为2 5 0 k i n i ”】。电能作为汽车能源有许多的优点但还有成本较高、 行驶里程短、充电时间长等技术难题需要鳃决。 d m e ( 二甲醚) 以往曾作为燃料添加剂用于改善燃料的点火性能。在1 9 9 0 年丹麦 研制出了第一台以d m e 为燃料的自然吸气式小型柴油机以后，世界各国纷纷开始了 d m e 的相关研究。目前国际上d m e 发动机及整车还处于研究开发阶段，一些公司进展 较快已经开始组织进行d m e 车的示范运营。如瑞典的沃尔沃公司已经将d h l o a 柴油 机改造成为d m e 发动机，并将其安装在b 1 0 b l e 大型客车上，目前有三辆车正在示范 运彳亍。国内在这方面的研究也很多。西安交通大学周龙保教授对二甲醚在内燃机上的应 用做了大量的试验，认为二甲醚在内燃机中是一种很有前途的代用燃料。吉林大学在 d m e 喷射器流量特性及发动机性能方面进行了详细、系统的研究并且得到了一些具有 指导意义的结论。在发动机上燃用二甲醚可以与柴油一样采用高压缩比和缸内直接喷 射，若再采用e g r ，将能够满足欧和加州超低排放车辆标准。因此二甲醚被认为是 2 1 世纪最具吸引力的高效、低排放的柴油机代用燃料【：1 】。 氢气可用作氢气汽车的能源，按储存的方式可分为压缩氢汽车、液化氢汽车和吸附 氢汽车三种。德国研技部在1 9 8 8 年研制成功了最早的氢气汽车。它用作城市交通工 具，一次加气可行驶1 0 0 k m ，加气时间约为1 0 m i n 。1 9 8 6 年瑞典人奥洛夫戴克斯洛姆 也研制成功氢气汽车。2 0 世纪9 0 年代日本武藏工业大学推出武藏8 号氢气汽车，车速 可达1 0 0 k m h t ：1 】。氢气虽然是良好的内燃机清洁燃料，但一些技术问题如生产工艺、生 产成本及储存运输等，在短时间内还难以得到完善解决【，”。 1 3 课题研究背景和主要研究内容 1 3 1 研究背景 由于人类正面临着能源短缺和环境污染的双重危机，对能源多元化的需求趋势已经 展现，因此我们对各种代用燃料进行研究都很有必要。国家计委产业发展司司长谈到 “今后能源的多元化发展是一个趋势，不是谁代替谁，而是各自根据它的经济性和技术 性的替及程度，各有各的角色，共同承担国民经济发展和老百姓生活需要的能源供 给”1 2 】。目前，各种代用燃料的生产成本、理化性能、对内燃机排放的改善情况各有不 同，因而选择代用燃料时要综合考虑国家资源、工业发展水平、生产代用燃料的技术及 效益，内燃机的适应性及发展趋势、环境保护等方面的情况。 由于我国煤炭资源丰富，以煤为原料生产甲醇的技术已经比较成熟而采用粮食生产 乙醇可以将多余的陈化粮进行转化，调整农业结构，增加农民收入；l p g 又具有技术成 熟、价格低廉、排污少的优点，因此本论文选取这三种代用燃料为研究对象。 从2 0 0 0 年以来，国家颁布的排放法规已经不允许在轻型车上装用化油器发动机， 必须使用高压缩比的电喷发动机。因此在电喷发动机上进行几种代用燃料的应用试验研 究，分析燃用各种代用燃料对电喷发动机在动力性、经济性、有害气体排放等方面的影 响，对指导代用燃料的推广具有相当的现实意义。 1 绪论 1 3 2 研究内容 本课题来源于东北林业大学科研基金资助项目，其目的在于通过对l p g 、甲醇汽 油、乙醇汽油在同一台电喷发动机上使用时的动力性、经济性和排放与相同条件下该发 动机燃用9 3 # 汽油时的各项性能指标的对比试验以及它们之间的相互比较，结合不同工 况条件下混合气浓度、热值的变化，通过对试验数据的分析，评价几种代用燃料在电喷 发动机上的性能特点及其影响因素，为汽车代用燃料在电喷发动机上的应用提供理论依 据，为汽车代用燃料在电喷发动机上的推广应用奠定基础。 本文研究内容主要包括： 1 对l p g 、甲醇汽油( m 1 5 、m 3 0 ) 、乙醇汽油( e 1 0 、e 2 0 ) 的理化性质( 馏程、 辛烷值、热值等) 及应用特点进行分析，找出它们作为代用燃料的优缺点。 2 在捷达电喷发动机上不作任何改动进行9 3 # 汽油、甲醇汽油( m 1 5 、m 3 0 ) 、乙 醇汽油( e 1 0 、e 2 0 ) 的全负荷速度特性、负荷特性、怠速排放的发动机台架试验。 3 在捷达电喷发动机上安装闭环电控l p g 汽油两用燃料系统，进行l p g 的全负荷 速度特性、负荷特性、怠速排放的发动机台架试验。 4 应用试验中得到的数据，分析各种代用燃料对电喷发动机在动力性、经济性、排 放性等方面的影响。找出几种代用燃料在电喷发动机上的应用特点及其影响因素，以便 在应用最为广泛的电控燃油喷射车上充分发挥这些代用燃料的作用。 ：一：。：一： = 一：! 堕些耋塞垡塞圣：一：一一= ：一： 2 醇类燃料和l p g 的应用特点 汽车是一种数量大、普及面r u 、机动性高、对社会生活有巨大影响的运输工具这 就决定了汽车代用燃料必须具有一系列特性来满足各项要求1 2 l 】。 1 燃料来源具有广泛性 、 它是指这种燃料本身的储量或者能够经济合理的转换为这种能源的原料比较丰富。 我国的汽车总产量在2 0 0 3 年达到了2 3 3 4 4 万辆，预计在2 0 1 0 年达到6 0 0 万辆1 2 1 1 这 意味着每年都要消耗大量的能源若没有大量的储备和丰富的来源根本不可能作为汽车 的能源，即使作为过渡或局部地区应用的能源，其量值也不能太小。因此，来源丰富是 汽车能源的基本条件之一。 2 燃料具有低污染性 燃烧后的排气污染程度必须在国家标准规定的限度以内。 3 燃料具有高能量密度 它是指单位质量或单位容积能源所含的能量。对于汽车而言，其所用燃料的能量密 度对汽车的续驶里程、动力性、汽车的质量指标和汽车的有效装载质量等一系列性能指 标都有重要影响。 4 燃料具有良好的经济性 是指代用燃料应当在整个周期中具有赵好的经济性。 ( 1 ) 主机成本低：要求主机不太复杂，继承性好，制造或改装容易。 ( 2 ) 使用成本低：要求燃料的热效率高，市场价格低，并且主机的可靠性高，维修费 用少，寿命长。 ( 3 ) 配套设施经济合理：为推行某种燃料而配套的运输设备、储存设备和销售站点设 旌不能太昂贵，必须有合理的投资回收期和利益。 5 燃料具有良好使用性能 ( 1 ) 运输性好：燃料的储运方便、安全，添加速度快。 ( 2 ) 工作性能好：汽车的动力性、燃烧特性好，故障率低。发动机的起动性能好，驾 驶员的工作条件好。 2 - 1 醇类燃料的应用特点 2 1 1 醇类燃料的理化特性 内燃机燃用的柴油、汽油等是烃类燃料，而醇类是烃基与羟基( o h ) 组成的化台 物。醇类分子中含有o h 这一特点是醇类燃料与烃类燃料不同的根本所在。根据醇分子 中所含羟基数目的不同，醇类可以分为一元醇、二元醇和多元醇。甲醇和乙醇属于一元 醇。它们的来源较为丰富，并且具有一定的可再生性。生产甲醇的原料主要有天然气、 煤、木材、垃圾和海藻等。生产乙醇的原料主要有含糖作物、含淀粉作物以及纤维类 等。下面对甲醇和乙醇的物理和化学性质进行讨论，它们的物化特性见表2 1 。 ：矍耋堡墼皂坚呈墼堡望堂皇 表2 一l 代用燃料间的理化性质比较 性质 汽油甲醇 乙醇丙磊坐旦百 分子式 c 5 1 的烃混合物 c h 3 0 hc ：h s o hc 3 h 8 c a t l o 分子是 9 5 - 1 2 03 24 64 45 8 碳质量分数( ) 8 5 8 8 3 7 55 2 ，28 1 88 2 8 氢质量分数( ) 1 2 - 1 5 1 2 51 3 01 8 21 7 2 氧质量分数( ) 0 - 0 1 5 03 4 800 低热值( m j k 9 1 4 3 5 1 9 6 62 6 7 74 5 7 74 6 3 9 汽化潜热( k j 瓜g ) 2 9 71 1 0 18 6 2 4 2 23 7 2 2 研究法辛烷值( r o n ) 8 0 - 9 8 1 1 2 1 1 11 1 1 59 5 十六烷值0 1 0 388 42 1 着火极限 1 4 - 7 66 7 - 3 6 04 3 1 9 02 2 9 5 1 9 8 5 自燃温度( ) 2 2 0 - 2 6 04 7 04 2 04 3 24 3 2 火焰传播速度( m s ) 3 9 4 75 25 03 83 7 理论空然比 1 4 2 1 5 16 4 9 01 5 8 81 5 4 6 分子变化系数 1 1 2 1 1 1 4 - - 沸点( ) 3 0 2 0 06 4 87 8 5- 4 2 10 5 饱和蒸气压( k p a ) f 3 8 c 1 6 2 0 - 8 2 73 1 01 7 3 33 5 8 ，53 5 8 5 从表2 - 1 可以看出，甲醇和乙醇作为内燃机燃料具有如下特点： 2 1 1 1 辛烷值高 乙醇和甲醇的研究法辛烷值( r o n ) 分别为1 1 1 和1 1 2 ，若在汽油中添加甲醇或乙 醇可以有效提高汽油的辛烷值。如r o n 为9 0 。6 的催化裂化汽油添加1 0 ( 体积比) 乙 醇，r o n 可以增加3 4 个单位【3 3 i 。因此使用乙醇汽油或甲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 1 1 2 + 六烷值低 乙醇和甲醇的十六烷值很低，着火性能差而且自燃温度高，这使得在柴油机上直接 使用醇类燃料很困难，而要辅以外援点火或者添加着火促进剂。 2 1 1 。3 含氧量高 乙醇和甲醇的含氧量分别为3 4 8 和5 0 ，这有利于改善燃烧，降低排污。研究表 明当汽油中的乙醇含量为6 ( 体积比) 时，h c 排放会降低5 ，c o 排放降低 2 1 2 8 ，n o 、降低7 1 6 【驯。 2 1 1 4 着火界限宽 乙醇和甲醇的着火界限宽，火焰传播速度快，有利于采用稀混合气燃烧，提高经济 性并且降低排放污染。 2 1 1 5 沸点低 甲醇和乙醇的沸点低产生气阻的倾向大； 2 1 2 醇类燃料在汽车上的使用方式 醇类燃料在汽油发动机上的应用方式主要有以f 几种 东北林业大掌硕士学位论交 2 。1 2 1 纯烧 指的是发动机使用纯甲醇或乙醇作为燃料，通常需要对汽淮发动机进行以下改动： ( 1 ) 提高压缩比，以充分发挥甲酵或乙醇辛烷值高的优势。 ( 2 ) 加大输油泵的供油能力，避免气阻。 ( 3 ) 加大燃料箱，保证必要的续驶里程。 ( 4 ) 改善有关零件的抗腐蚀性和抗溶胀性 2 1 2 ，2 掺烧 指的是将汽油和醇类燃料按一定比例混合再加上助溶剂或经过乳化装置，形成不 分层的混合燃料，而后通过现有的化油器或低压喷嘴输入燃烧室内进行燃烧。由于汽油 同甲醇或乙醇掺烧可以利用发动机现有的供油设备，不必改变发动机的结构，而且混台 燃料及汽油可以交替使用，对扩充加油站等分配供应系统的投资也较少，所以掺烧汪得 到了较为广泛的用。但助溶剂的洪应、混台燃料的稳定性以及混合燃料在汽油机上使f _ i j 的适应性等仍是需要研究的问题。 确定醇类的掺烧比例时，应该考虑如下几点【二l j ： ( 1 ) 目前的汽车发动机等能否适应，如不适应，结构需要变动的程度及投资情况。 ( 2 ) 发动机的动力性能、燃油经济性及排放性能。 ( 3 ) 如果采用加助溶剂的混合燃料时，就必须考虑助溶剂的供直情况以及各种气侯条 件下混合燃料的稳定性。 ( 4 ) 发动机的可靠性及寿命。 2 1 2 3 灵活燃料 是指既可使用汽油，又可使用醇类或醇类与汽油以任何比例混合的燃料，发动机工 作时由燃料传感器识别燃料成分，通过e c u 向发动机提供最佳运行参数。 以上各种应用方式对甲酵和乙醇都是适用的，并且各有优缺点，目前尚无统一的试 验规范及要求，但随羞实践范围的扩大，将会使某些方式显得更为突出。 2 1 3 醇类混合燃料在实际使用中的问题 2 1 3 1 低温启动性较差 甲醇和乙醇的汽化潜热分别为1 1 0 1 k j k g 和8 6 2 k j k g ，比汽油( 2 9 7 k j k g ) 高许多， 这使得进气温度较低，影响燃料的充分汽化，导致低温启动性较差。 2 1 3 2 储存性能差 醇类分子中既含有羟基，又含有烃基，因此醇类既有亲油的特性，又有亲水的特 性，亲水性更为强烈，所以在汽油机中掺烧醇类容易出现醇油分层的阀题，这对发动机 工作过程的均匀性具有明显的影响，可能会导致热效率下降、排放恶化和噪声增加等问 题。 甲醇与汽油在常温下不能互溶，混合燃料存在分层。甲醇与汽油的互溶性与温度、 甲醇的含量和水的含量密切相关，如图2 1 所示1 1 ”。 2 醇类燃料和l p g 的应用特点 温度( c ) 3 0 2 0 o 0 2 04 06 08 0 甲酵舍量( ) ( v v ) 图2 1 甲醇与汽油的互溶持性 从图2 1 中可以看出，在同一配比下，甲醇与汽油的互溶性随着温度的升高而有所 改善。在甲醇含量较小的阶段，随着甲醇含量增加，甲醇与汽油的互溶性呈下降趋势， 分层区域扩大。当甲醇含量达到一定比例时，互溶性最差，继续增大甲醇含量，互溶性 又有所回升，分层区域减小。 乙醇与汽油可以互溶，但乙醇汽油对水较为敏感，少量的水即可导致乙醇与汽油发 生相分离，从而增加了储运的难度。乙醇汽油相分离温度与乙醇含量和水含量有关，如 图2 2 所示【3 5 】。 温度( 。c ) 2 0 0 04 b r 9 26 0 0 0 8 0 0 0 水含量加g 9 4 圈2 - 2 乙醇汽油相分离温度与水含量关系图 由图2 2 可以看出，随着变性燃料乙醇含量增加帽分离温度明显降低。随着水含 量的增加，车用乙醇汽油的相分离温度提高； 2 1 3 3 醇类混合燃料有腐蚀作用 醇粪混合燃料及其有关燃烧产物对铅锡镀层、黑色金属有腐浊作用，对橡胶有轻微 的腐蚀、溶涨、软化或龟裂作用，苷且燃用冒醇汽油育可能出现气阻以及磨损发动机零 部件等问题【 6 l 【3 7 1 。 m 加 如 枷 2 1 3 4 乙醇的生产成本高 乙醇如果以粮食为原料则成本较高，每吨可达3 2 0 0 元甚至4 0 0 0 5 0 0 0 元。生产成 本是乙醇汽油推广应用的主要障碍，晷家应给予必要的财政补贴和税收减免政策，但也 要靠乙醇生产企业积极开发新的乙醇生产原料及提高副产品综合利用水平来降低乙醇 的生产成本1 3 。 2 1 3 s 醇类燃料的热值较低 甲醇和乙醇的热值均较低，它们的低燕值分别为2 0 2 6 m j k g 和2 7 2 m j k g 只有汽 油( 4 4 5 2 m j k g ) 的6 4 和4 8 。尽管它们分别与空气组成的混合气的热值同汽油相比 差距没有这么大t 汽油、甲醇、乙醇的理论混合气热值分别为3 7 5m j m 3 ，3 5 5 7m j ；m 和3 6 6m j m - a ) ，但是如果不采取合理的按术措施对发动机的动力性还是会有一定的 影响。 2 2l p g 的应用特点 2 2 1l p g 的理化特性 液化石油气( l p g ) 是原油提炼过程中的副产品或天然气在炼制过程中所产生的气 体，主要成份是丙烷和丁烷。l p g 在常温常压下为气念，在一o 5 或常温0 8 m p a 的压 力下为液态。l p g 通常以液态储存和运输，需要注意的是，各地l p g 的组分值差别很 大，考虑到车用l p g 的要求，这里仅以丙烷和丁烷为主要成分对l p g 进行研究。从表 2 1 可以看出l p g 作为代用燃料有以下特点： 2 2 1 1 辛烷值高 l p g 的抗爆性好于汽油，它的研究法辛烷值在1 0 0 1 1 0 之间，因此可以适当增加压 缩比以提高发动机的动力性能和经济性能。 2 2 1 1 2 低热值高 l p g 中主要成分丙烷和丁烷的单位质量低热值高于汽油，但理论混合气热值要比汽 油( 3 ，7 5m j m ) 低6 左右。 2 213 安全性好 由汽油车改装成的l p g 汽车的钢瓶上设有安全阀，其开启压力为2 5 5 m p a ，当压力 过大时，它自动开启放散。钢瓶上还设有限流阀和紧急切断阀，当输液管发生断裂漏气 时，限流阀会在短时间内自动切断漏气。l p g 的自燃温度为4 5 8 4 8 1 ，比汽油 ( 2 2 0 2 6 0 c ) 高，并且其火焰传播速度较低且诱导期较长，因此即使发生意外碰撞也 不容易爆炸燃烧【3 9 】。 2 2 2l p g - 汽油两用燃料系统的发展阶段 由于加气站建设不足，我国多采用两用燃料系统，其发展可分为开环混合器供气系 统、闭环带电控动力调节阀的混合器供气系统、电控燃料喷射系统、缸内直喷系统四个 阶段。这些装置的不同之处主要体现在混合气的形成方式、对混合气浓度控制方式、以 及是单点喷射控制还是多点顺序喷射控制等少数部件上，其它专用装置基本相同i “1 。 2 2 2 1 开环混合器供气系统 这是两用燃料系统发展的第一阶段，即在化油器车或电喷汽车上加装l p g 装置， 在使用l p g 时实行开环控制。燃气空燃比只能由改装维护调试时调定的燃气动力阀开 度大小和混合气的进气流动特性配合确定，由于维护调试时要折衷考虑到大多