（载运工具运用工程专业论文）城市公交汽车燃用含氧柴油降低碳烟颗粒及nox排放的应用研究.pdf

摘要 随着我国城市化和现代化进程的加快 我国城市机动车数量迅速增长 人们在享受 城市机动车带来的便捷和效益的同时 也在承受机动车尾气对环境的污染和对人体健康 带来的危害 特别是城市公交车普遍以柴油作为燃料 其尾气中碳烟和n o x 的排放是 城市污染的主要污染源 国家 地方政府和企业针对城市公交柴油化的特点 投入大量 的人力 物力 财力研究开发控制柴油车排放的技术措施 作者在宁波市政府的资助下 根据在用柴油车结构更改困难 费用大的特点 通过在柴油中添加含氧燃料 碳酸二甲 酯 d m c 增加其含氧量 在少改变甚至不改变柴油车结构的条件下 探寻降低在用柴 油车碳烟和n 0 x 排放的技术措施 本研究首先通过发动机台架试验研究了不同d m c 添加比下柴油机有效热效率 发动 机功率 以及碳烟 n o x 的排放浓度在不同发动机转速 负荷下的变化情况 得出随d m c 添加比例增加 柴油机的有效热效率提高且速率趋缓 碳烟排放浓度下降且速率趋缓 n o x 变化不大 功率匀速下降 当d m c 添加比为1 5 时 热效率提高3 左右 碳烟 下降4 2 左右 功率下降约5 左右 从柴油与d m c 二者的互溶性以及柴油机的经济性 动力性和排放特性综合考虑得出d m c 和柴油的最佳混合比为1 5 通过对在用柴油车 燃用柴油与d m c 混合燃料 混合比1 5 和纯柴油的实车对比试验发现 碳烟排放平 均降低4 0 一6 0 与台架试验基本一致 在底盘测功机上测试 功率有所下降 平均 下降1 0 左右 因此 柴油机中燃烧高含氧燃料 对于大量的在用柴油汽车 特别是在 城市交通中 控制在用柴油公交车的碳烟颗粒和n o x 排放 是一条很有前途的技术路 径 关键词 在用柴油车 含氧燃料 d m c 排放污染物 控制 研究 a b s t r a c t w i t ht h eq u i c k e n i n go fu r b a n i z a t i o na n dm o d e r n i z a t i o ni nc h i n a r a p i dg r o w t ho ft h e q u a n t i t yo fm o t o r v e h i c l ei nt h ec i t yo fc h i n a w h i l ep e o p l ee n j o yt h ec o n v e n i e n c ea n db e n e f i t b r o u g h tb yt h eu r b a nv e h i c l e t h e yh a v et os u f f e rf r o mt h ep o l l u t i o no fm o t o re x h a u s ta n dt h e h a r mo fh u m a nh e a l t h e s p e c i a l l y t h eu r b a nb u sg e n e r a l l yt a k e st h ef u e lb yt h ed i e s e lo i l t h e e m i s s i o no fs o o ta n dn o xi ni t st a i lg a si st h em a i np o l l u t i o ns o u r c eo fu r b a np o l l u t i o n t h e n a t i o n a l t h el o c a lg o v e r n m e n ta n dt h ee n t e r p r i s ea c c o r d i n gt od i e s e l i z a t i o no ft h eu r b a nb u s i n v e s tt h et e c h n i c a lm e a s u r ew h i c ht h em a s s i v em a n p o w e r t h ep h y s i c a lr e s o u r c e t h ef i n a n c i a l r e s o u r c er e s e a r c hd e v e l o p m e n tc o n t r o ld i e s e lc a rd i s c h a r g e s u n d e rt h en i n g b om u n i c i p a l g o v e r n m e n t ss u b s i d i z a t i o n t h ea u t h o ra c c o r d i n gt od i e s e lv e h i c l ei nu s eu s e st h ed i e s e lc a r s t r u c t u r ec h a n g ed i f f i c u l t y t h ee x p e n s em a j o rc h a r a c t e r i s t i c b yi n c r e a s i n gi nt h ed i e s e lo i l i n c l u d i n gt h eo x y g e nf u e l m e t h y l c a r b o n a t e d m c i n c r e a s e si t so x y g e nc o n t e n t i nt h ef e w c h a n g e sd 0n o te v e nc h a n g et h ed i e s e lc a rs t r u c t u r eu n d e rt h ec o n d i t i o n i n q u i r e da b o u tt h a t r e d u c e si su s i n gt h et e c h n i c a lm e a s u r ew h i c ht h ed i e s e le a rc a r b o ns m o k ea n dn o xd i s c h a r g e t h i sr e s e a r c hf i r s ti n c r e a s e dt h r o u g he n g i n ep e d e s t a le x p e r i m e n t a ls t u d yd i f f e r e n td m c c o m p a r e dt ot h eu n d e rd i e s e le n g i n ee f f e c t i v et h e r m a le f f i c i e n c y t h ee n g i n ep o w e r a sw e l la s t h es o o t t h en o xe m i s s i o nc o n c e n t r a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n te n g i n es p e e d t h el o a dc h a n g e s i t u a t i o n o b t a i n si n c r e a s i n ga l o n gw i t ht h ed m ci n c r e a s e p r o p o r t i o n d i e s e le n g i n e s e f f e c t i v et h e r m a le f f i d e n c ye n h a n c e s a n dt h es p e e db e c o m e ss l o w e r t h ec a r b o ns m o k e e m i s s i o ns t r e n g t ht od r o pa n dt h es p e e db e c o m e ss l o w e r t h en o xc h a n g en o ti nab i gw a y t h ep o w e ru n i f o r ms p e e dt od r o p w h e nt h ed m ci n c r e a s er a t i oi s1 5 t h et h e r m a l e f f i c i e n c ye n h a n c e sa b o u t3 t h ec a r b o ns m o k et od r o pa b o u t4 2 t h ep o w e rc o a s t d o w n a p p r o x i m a t e l ya b o u t5 f r o mt h ed i e s e lo i la n dt h ed m c t h et w o sm u t u a ls o l u b i l i t ya sw e l l a sd i e s e le n g i n e se f f i c i e n c y k i n e t i ca n dt h ee m i s s i o n sc h a r a c t e r i s t i co v e r a l le v a l u a t i o n o b t a i n sd m ca n dt h ed i e s e lo i lb e s tm i x t u r er a t i oi s1 5 t h r o u g ht oi su s i n gt h ed i e s e lc a rt o b u m m i x t u r e r a t i o1 5 1a n dt h ep u r ed i e s e lo i ls o l i dv e h i c l ec o m p a r a t i v et r i a ld i s c o v e r e d w i t ht h ed i e s e lo i la n dt h ed m cb l e n d e df u e l t h es o o te m i s s i o n sa v e r a g er e d u c e s4 0 一6 0 w i t hb e n c ht e s tb a s i cc o n s i s t e n t t e s t so nt h ec h a s s i sm e a s u r e m e n to fp o w e rm a c h i n e t h e p o w e rd r o p s d r o p sa b o u te q u a l l y1 0 t h e r e f o r e i nt h ed i e s e le n g i n eb u m sh i g l lc o n t a i n i n g o x y g e nf u e l f o rm a s s i v ed i e s e la u t o m o b i l ei nu s e s s p e c i a l l yi nt h em u n i c i p a lt r a n s p o r t a t i o n t h ec o n t r o l l i n go fs o o ta n dn o xe m i s s i o n si nd i e s e lb u si nu s e i sap r o m i s i n gt e c h n o l o g y p a t h k e yw o r d d i e s e lb u si nu s e c o n t a i n i n go x y g e nf u e l d m c e m i s s i o np o l l u t a n t s c o n t r o l r e s e a r c h n 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 敝储躲 镓撕 矽口矛年j 月刁日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 东耖辟 i 导师签名 易 7 杰易 1 刁7 肿 胡 年 湃 6 飞 呦 叭 v 一 乜 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 伴随着我国城市化和现代化进程的加快 我国机动车数量迅速增长 人们在享受机 动车带来的便捷和效益的同时 也在承受机动车尾气对环境的污染和对人体健康带来的 危害 人类每分每秒都在呼吸着空气 人体每分钟呼吸1 6 2 2 次 每次吸入的空气量约为 0 4 l 计算可知 一个人每天需吸入空气量为9 2 1 6 1 2 6 7 2 l 约1 5 k g 其份量大大超过 对食物和水的需求量 根据一份公众调查 城市中人们每天在户外滞留时间见表1 1 从表中可以看出 人们在户外活动的时间还是比较多的 即使在机动车排放达标的情况 下 人体对污染物的吸入量也是相当可观的 形成总量污染 严重危害着人体健康 影 响人们的日常生活 表1 1 户外活动时间 年平均 时间段工作日周末 0 2h 4 1 2 1 3 5 3 5 h 3 6 2 4 0 7 6 h1 9 6 4 3 2 2 0 0 3 年世界卫生组织在 关于自然环境恶化的令人不安的总结 中指出 机动车交 通污染已经成为大气污染的罪魁祸首 在一些发达国家 汽车排放的污染物己经占大气 总污染物的3 0 6 0 2 0 0 7 年全世界汽车产销量6 4 0 0 万辆 其中柴油车占近2 5 在1 9 9 5 2 0 0 7 年间全 球汽车产量由4 9 0 0 万辆增至6 4 0 0 万辆 其中汽油车增加2 2 柴油车增加5 8 乜1 在欧洲大陆 轿车中4 0 是柴油车 公共汽车中8 0 是柴油车 货车则1 0 0 是柴油 车 有关国家的轿车数量中柴油轿车的百分比如下 奥地利 比利时 5 0 法国 西班 牙 4 0 英国 德国 1 0 丹麦 瑞士 希腊 1 0 在美国 柴油轿车数量少 但货车 中柴油车数量多 车辆总重量 g v w 3 5 8 t 的货车中7 0 以上是柴油车 g v w 8 t 以上的重 型车几乎1 0 0 是柴油车口 上世纪8 0 年代中期以后我国柴油车迅猛发展 重型汽车引进了斯太尔柴油机 中 第一章绪论 型汽车有6 1 1 0 等一系列国产柴油机投产 轻型车则引进了意大利依维柯 i v e c o 和日 本五十铃等柴油机 上世纪9 0 年代以来国产柴油汽车从7 5 8 万辆增到4 2 8 5 万辆 在 总产量中的比重从1 4 8 8 增至2 6 1 6 1 据2 0 0 7 年4 月2 0 日经济日报报道 2 0 0 7 年 度第1 2 届上海国际汽车工业展览会上 国内不少汽车厂商推出柴油版的轿车 如长城 华泰 雪铁龙 奇瑞等都展出了自己的柴油轿车 这预示着我国未来几年柴油轿车的产 销量将迅速增长 由于柴油机与汽油机相比具有高的热效率 经济性 长寿命和续航距离 从保护全 球环境方面可减少温室气体c 0 2 的排放量 因此 柴油代汽油势不可挡 柴油车数量不 断增加 我国近年来货车和客车的柴油化就是最好的证明 柴油机排放物的主要成分中水蒸气占2 6 0 9 6 c o 占7 1 0 0 2 占1 5 0 0 n 占7 5 2 1 尾气中微量成分包括颗粒物 占0 0 9 c o 未燃h c n o x s o 硫酸盐 醛 氨 气等口1 上述尾气成分中受排放法规控制的污染物成分是n o x h e c o 和颗粒物 p m 颗粒物 p m 主要包括固体碳粒 s o o t 或称为不可溶解部分 i n s o l 或i o f 液相碳 氢化合物 h c 或称为可溶解有机成分 s o f 和可挥发有机成分 v o f 和少量吸附其上 的h 2 s 0 4 或硫酸盐 s 0 2 虽不是汽车排放法规的控制对象 但其存在对后处理技术的使用 性能有很大的影响 一氧化碳 c 0 是汽车排放物中含量较高的一种 汽车排放c o 的贡献量约占城市空 气中c o 排放量的7 5 个别城市更高 据我国早期对1 1 城市 清洁区 调查统计 c o 浓 度日均值在0 8 6 8 2m g m 之间 有4 城市日均值在4 8m g m 3 之间 己超标 现在随 着汽车保有量的增大 c o 浓度进一步增加 c 0 进入人体血液后 生成羧基血红蛋白 c o h b 降低血液输氧能力 对人体心血 管和神经系统构成危害 这种危害与c 0 的浓度和人体暴露在c o 的时间有关 在公路建 设项目环评中将c 0 作为首选评价因子 氮氧化物 n o x 也是汽车的主要排放物 城市空气中的n o x 由车辆排放的约占5 0 以上 全国监测n o x 浓度的年日均值的混合平均值为0 0 4 6m g m 3 实测表明公路两侧 明显高于此值 汽车排放的n o x 中有9 5 以上的n o 与空气接触后 很快氧化成n o n 0 对人体和 动物的呼吸系统具有很强的毒性 研究还发现 n 0 2 和s 0 2 的协同作用可对一些植物造 成严重影响 悬浮颗粒物分为总悬浮颗粒物 t s p 空气动力学当量直径 l b o m 和可吸入颗粒物 2 长安大学硕士学位论文 p m 空气动力学直径 l o z m 是t s p 的一部分 监测结果表明 我国有6 5 的城市 t s p 最高日均浓度值接近0 6 5m g j m 3 是 空气环境质量标准 二级空气质量标准平均 浓度0 3 0 m g m 3 的2 1 4 倍 t s p 中的p m 有很大一部分来自车辆 特别是柴油车的排放物 车辆排放的p m 中 主要是碳烟和硫化合物 t s p 浓度超过o 1 m g m 3 时 造成大气能见度下降和到达地面的辐射能减少 p m 如 进入人体呼吸系统 对呼吸道和肺部产生严重影响 另外 碳烟的多孔碳附着的芳香烃 还是致癌物质 对人体健康有危害作用的光化学烟雾 是由汽车排放到大气中的碳氢化合物 h c 氮氧化合物 n o x 在太阳能 3 0 0 0 4 0 0 0 1 0 叫o m 紫外线的作用下进行光化学反应生成 臭氧 醛类和过氧酰基硝酸盐等形成的一种浅蓝色烟雾 它是一种强刺激性有害气体的 二次污染物 了解非甲烷总烃的浓度可判别光化学烟雾产生的可能性 光化学烟雾的主 要危害可归纳为四个方面 第一是光化学烟雾中的甲醛 过氧苯甲醛酰硝酸酯 p b z n p a n 和丙烯醛对眼睛的刺激 第二是光化学烟雾中的臭氧是强氧化剂 引起胸部压缩 刺激粘膜 头痛 咳嗽 疲倦等症状 第三是光化学烟雾中的臭氧对有机物质 如橡胶 棉布 尼龙和聚酯等 的损害 第四是使哮喘病增多 植物毁坏 表1 2 给出了机动车尾气中常见的污染物及其对人体的主要危害 表1 2 机动车尾气中主要污染物及其主要危害n 1 污染物主要危害 阻止血红蛋白向人体组织输送氧气 使体内缺氧 麻痹中枢神经系统 一氧化碳 c 0 长期处于低浓度污染状态 可患动脉硬化 脑溢血和末梢神经炎等疾 病 对胎儿和幼儿的生长发育有很大的影响 二氧化碳 c o 温室气体 对气候变化有影响 严重致癌物质 导致肺功能下降 导致富营养化 对水生态系统造成 严重影响形成酸沉降 增加湖泊的酸性 对植物及建筑造成严重损害 氮氧化物 n o x 在日光作用下 与烃类反应形成光化学烟雾 严重时 瞬时即可使人 群窒息 一些颗粒物的成分对酸沉降有影响 当颗粒物的浓度较高时 会影响 颗粒物 蹦 健康 能见度 心脏 呼吸系统的疾病是颗粒物的主要影响途径 碳氢化合物 h c 有很强的致癌作用 尤其是肺癌 肝癌发病率极高 柴油机排气特征如下 柴油机是在高的a f 比条件 2 0 一5 0 下燃烧 稀燃 燃烧后排气中0 浓度高 h c 3 第一章绪论 c 0 浓度低 p m 排放浓度高 n 0 x 排放量与汽油机接近 h c n o x 比相当低 柴油车在稳态运行时排气温度低 加速时温度上升 在城市街道中的运行工况下排 气温度在1 8 0 3 2 0 左右 在高速运行工况下也只有4 0 0 左右 由于柴油机燃烧特征决定柴油机排气中n o x 和p m 排放量大 并具有相互矛盾关 系 t r a d e o f f n o x 和p m 是柴油机排放的主要控制对策目标 1 1 2 研究目的和意义 柴油机由于空燃比大 排气中c o 和h c 的浓度低 因而降低柴油机污染主要是抑 制碳烟颗粒和n 0 排放 但要同时降低这两种排放物十分困难 由于世界各国排放标准 对这两种排放物的限制越来越严 为满足日益严格的汽车排放法规的要求 各国对降低 柴油机的n o 和碳烟颗粒进行了大量的研究工作 柴油机的碳烟颗粒排放可通过机内和 机外净化措施加以控制 由于机内控制措施涉及到发动机结构上的较大改动 结构较为 复杂 对大量在用车辆来说 在发动机结构难以改动的情况下 一般采用排气后处理装 置 即机外净化措施 例如采用催化转化器或微粒捕捉器 但这时对n o 排放基本不起 作用 采用代用燃料可以同时降低n 0 和碳烟颗粒排放 例如采用c n g l p g 但由 于需对发动机燃料供给系统进行专门设计 费用较高 因此车辆上大量使用的还是石油 基燃料 本项目采用燃用柴油与碳酸二甲脂 d m c 混合燃料 含氧柴油 在发动机结 构不做大的改动情况下达到降低碳烟颗粒和同时抑制n o 排放的目的 可以有效的改善 交通环境 对建设生态城市有重要意义 本项目提出的另一意义是该项目可以推动天然气应用领域的拓展和天然气化学工 业的发展 d m c 可以以天然气为原料在国内以较低成本制取 与柴油相当或略高 从而形 成新的产业 进而与柴油混合开发出一种新型含氧柴油 利用天然气制取的碳酸二甲脂 与柴油混合形成新型的含氧柴油燃料作为汽车的动力燃料 是天然气开发应用的一条新 的途径 也是节省石油燃料改变汽车能源结构的重要途径 对于能源安全有重要的战略 意义 1 2 国内外研究现状 随着柴油汽车的广泛应用 对环境的污染也越来越严重 为了保护环境 世界各国 相继制订和实施了严格的柴油机排放标准 为了满足越来越严格的排放法规 世界各国 在采用柴油机汽车的同时也对柴油机汽车采取了越来越先进的控制技术来控制其污染 物的生成和排放 4 长安大学硕士学位论文 1 2 1 与不同排放标准相适应的控制技术 欧i 排放标准要求相对比较低 对于直喷的柴油机 通过改进供油系统 采用分配泵 燃油系统 加上增压或增压中冷技术 即可达到欧i 排放标准 1 9 9 7 年南京依维柯公司推 出的8 1 4 0 系列柴油机 就是采用直喷及增压中冷技术 达到了欧i 排放标准 对于非直喷 柴油机 一般在采用了分配泵燃油系统后即可达到欧i 排放标准 为了满足欧i i 排放标准 一般是在满足欧i 排放标准的技术基础上采用高压燃油喷 射技术 例如 意大利f i a t 公司1 9 9 7 年推出了装有直喷式涡轮增压柴油机的a i f a r o m e o 1 5 6 型轿车 共有两种款式 1 9l4 缸7 7 k w 和2 4l5 缸l o o k w 1 9l 柴油机用的是带排气 门的g a r r e t tt1 5 型涡轮增压器和中冷器 2 4l 柴油机则采用f i a t 增压器 两机型都 使用e g r 和氧化催化转化器 该柴油机完全满足了欧 排放标准 1 目前国产柴油机燃油 系统通过进一步提高喷射压力 把喷油压力提高到1 2 2 2 1 4 0 m p 如采用电控燃油喷射技 术控制喷油提前角和喷油量 达到优化燃油喷射与燃烧过程 并配以增压中冷技术 在 发动机其它结构基本不变的前提下 排放指标也达到了欧 要求 例如 无锡柴油机厂 生产的c a 4 d f 2 c a 6 d f 2 采用b o s c hp 7 1 0 0 喷油泵p 型喷油器以及增压中冷 排放达到欧 i i 标准 玉柴机器股份有限公司生产的y c 6 m 系列车用柴油机采用b o s c hp 7 1 0 0 喷油泵p 型喷油器 生产的y c 6 1 0 5 z l q y c 4 1i o z l q 采用b o s c h r e 泵p 型喷油器 以及采用g t 系列 中冷增压器 同样排放达到欧i i 满足欧 标准的柴油机净化技术概括起来主要有 四气门技术 燃油高压喷射技术 燃烧室与涡流优化技术 涡轮增压中冷技术 可变喷嘴涡轮增压技术 高e g r 率及其冷 却技术和后处理技术等 电子控制技术是柴油机满足欧 标准的必要措施 只有通过电 子控制 才有可能使喷油定时 变涡流 增压中冷 e g r 后处理等各项技术的控制得到 协调 保证柴油机的燃油消耗 排放 扭矩特性 噪声等各项技术指标得到优化 例如 德国大众公司开发的采用四气门 高压喷射 v n t 可调e g r 氧化催化转化器和电子控 制等 1 2 2 应用高含氧燃料控制柴油汽车污染物排放 柴油机由于n o 和碳烟颗粒排放是汽油机的几十倍甚至更多 严重影响了柴油汽车在 城市交通中的应用 因此 在城市交通中 控制燃用柴油的在用公交车的碳烟 颗粒和 n o 排放已是城市交通环境控制的重要任务 为此各国科研工作者进行了不懈的努力 开 展了大量的研究工作瞄一1 但是 对于燃用柴油的在用汽车同时降低这两种排放物是十分困难的 例如 改进 5 第一章绪论 燃烧室设计 采用e g r 高压喷射 改进喷油规律 采用可变气门机构 增压中冷等措 施 这些措施涉及到发动机结构上的较大改动 结构较为复杂 对大量在用车辆来说难 以实现 在发动机结构难以改动的前提下 在用车辆采用排气后处理装置又往往达不到 排放要求 例如采用催化转化器时对碳烟颗粒基本不起作用 采用微粒捕捉器时对n 0 排放基本不起作用 况且柴油机排气后处理装置目前也没有达到成熟的实用化程度 采 用代用燃料可以同时降低n o 和碳烟颗粒排放 但由于需对发动机燃油供给系统进行专 门设计 费用较高 在在用汽车不可能大量使用 因此 在用汽车上要满足排放法规对n o 和碳烟颗粒的排放要求 必须采取新的技 术措施 寻求另外的技术途径 初步研究表明柴油机燃用高含氧燃料降低碳烟颗粒和n o x 排放 就是一条很有前途的技术路径 特别是对于在用车辆更具有实际的意义 高含氧 燃料由于含氧量高 汽化潜热高 故柴油中添加高含氧燃料后 能大幅度降低柴油机的 碳烟 同时高含氧燃料的汽化潜热比柴油大 汽化过程中要吸收大量热量 使得缸内的 温度下降 可以抑制n 0 的生成 因此在柴油中添加含氧燃料 将有利于降低碳烟 抑 制n o 的生成 另一方面由于高含氧燃料含氧量高 有利于采用较大的废气再循环 e g r 大的e g r 比例可抑制n o 生成 使n o 排放显著下降 目前研究的含氧燃料主要有醇类 酯类 醚类以及生物柴油 1 2 2 1 甲醇 乙醇 甲醇 乙醇是最先研究的含氧燃料 也是目前研究较多的醇类含氧燃料 甲醇可以 从煤 天然气 木材等原料制取 乙醇可由含糖植物 淀粉 纤维植物及废料等得到 来源广泛是它们突出的优点 它们的应用既可以缓解石油供应紧张局而又可以大大减少 废气排放 研究表明口1 柴油醇可明显降低烟度 1 5 的乙醇柴油在中低负荷下可使柴油 机烟度降低5 0 表1 3 n 出了甲醇 乙醇的主要理化性质 从表1 3 可以看出 甲醇 乙醇的性质与 柴油相差较远 特别是它们的十六烷值很低 只有在8 0 0 k 以上的温度下才能自燃着火 因此甲醇 乙醇不能直接在普通柴油机上燃用 需与柴油掺和并加着火改善剂 甲醇 乙醇性质的另一缺陷是与柴油互溶性差 试验表明甲醇与柴油在常温下不溶 而乙醇与 柴油在低温下出现分层 在最近一项研究中哺1 提出用乙二醇二甲醚作为乙醇与柴油的助 溶剂和发火改进剂 解决了乙醇柴油的互溶性和发火性问题 试验表明 在乙二醇二甲醚 与乙醇体积比为2 l 时 在0 以上 以任何比例加入柴油都能互溶 当乙二醇二甲醚与 乙醇体积比为l 2 时 在1 5 以上 以任何比例加入柴油都能互溶 在o 时 当加入量大 6 长安大学硕士学位论文 于2 0 也能完全互溶 掺和物掺烧到柴油中 着火延迟期略有提前 说明发火性能得到了 改善 随其掺和物 1 1 体积比 加入量的增加 碳烟 c 0 排放显著降低 掺入2 0 v 体 积分数 在1 8 0 0r m i n 下 碳烟下降了3 7 7 7 3 3 c o 下降了6 4 7 6 8 2 在2 3 0 0 r m i n 下 碳烟下降了5 7 1 8 4 c 0 下降了5 6 9 7 6 2 h c n o x 变化不显著 但是乙 醇被认为是与人类争粮食的燃料 在目前全球粮食短缺的今天 发展乙醇燃料是很不现 实的 以被多国政府叫停 表1 3 甲醇 乙醇与柴油理化性质的比较 理化性质柴油甲醇乙醇 沸点 1 8 0 一3 6 0 6 57 8 液体密度 g c m 司 0 8 40 7 9 10 7 8 9 液体粘度 1 0 4 p a s 5 3 5 6 2 40 6l 2 0 低热值 m j k g 4 2 51 9 92 6 8 爆炸极限 o 6 6 5 6 3 6 4 3 一1 9 自燃点 c3 1 54 5 04 3 4 十六烷值 4 0 5 535 8 理论空燃比 k g k g 1 1 4 66 49 o 汽化潜热 k j k g 1 2 5 01 1 0 48 4 1 1 2 2 2 生物柴油 生物柴油是近年来国际范围内特别关注的一种绿色燃料 所谓生物柴油就是利用动 植物油脂作为原料 经酯交换反应改性成为可供内燃机长期燃用的一种可再生能源 是 优质的石油燃料代用品 它较传统的植物油粘度大大降低 与柴油接近 而十六烷值又较 柴油高 发火性能好 因此大力发展生物柴油对国民经济的可持续发展 控制由汽车尾气 引起的大气污染具有重意义 已开发的生物柴油主要是采用动植物油脂与普通一元醇如甲醇 乙醇 丙醇 丁醇 和戊醇等通过酯交换反应得到的脂肪酸单酯 由于其含氧量低 排放性能难以得到大幅 度改善 最近一些研究报道四1 选用乙二醇乙醚来代替普通的一元醇 和精制食用大豆油 菜籽油 花生油通过酯交换反应合成豆油乙二醇乙醚酯 菜籽油乙二醇乙醚酯 花生油 乙二醇乙醚酯等新型生物柴油 这类生物柴油分子中既含有醚基团又含有酯基团 含氧 量得到提高 排放性能得到改善 以豆油乙二醇乙醚酯为例 燃烧其纯生物柴油 柴油机 烟度 c o 和h c 排放较柴油都大幅度地降低 烟度在1 8 0 0r m i n 降低了5 9 8 7 8 8 在2 3 0 0r m i n 降低了6 2 9 8 3 3 c 0 排放在1 8 0 0 r m i n 降低了4 7 7 一 6 4 3 在2 3 0 0 7 第一章绪论 r m i n 降低了5 5 6 一7 6 7 h c 排放在2 3 0 0r m i n 下降了4 8 9 一 6 4 7 柴油与豆油乙 二醇乙醚酯以l 1 体积比 掺烧 柴油机烟度 c o 和h c 排放也都明显减少 烟度在 1 8 0 0 r m i n 降低了3 7 5 7 1 2 在2 3 0 0 r m i n 降低了4 8 9 7 5 o c o 在1 8 0 0r m i n 降低了1 3 9 一 4 4 4 在2 3 0 0r m i n 降低了3 8 1 5 5 8 h c 在23 0 0r m i n 下降了 3 0 3 一4 5 7 在任何工况下 燃用豆油乙二醇乙醚酯 n o x 排放量较柴油都略有增加 此外 由于醚类物质有十六烷值高 发火性能好的优点 所以这些新型的生物柴油由于引 进了醚基团 十六烷值较传统生物柴油高 但是食用油作为生物柴油原料 也有与人类 争夺食物问题 不可能是长远的发展方向 1 2 2 3 醚 酯类燃料 醚 酯类燃料是目前国内外研究的热点所在 主要是由于它们的含氧量高 进而排放 性能十分突出 此外醚类物质发火性能优越 而且它们可以任何比例与柴油互溶 因此适 合作为柴油机燃料组分 到目前国内外研究报道的有 二甲醚 二甲氧甲烷 碳酸二甲 酯 乙醚 异丙醚 丁醚 二乙氧基甲烷 二甲氧基乙烷 二甲氧基丙烷 甲氧基乙醚 乙氧基乙醚 乙二醇二甲醚 二乙二醇二甲基醚 三丙二醇二甲基醚等 而在这些含氧 燃料中 研究更多的是二甲醚 d m e 碳酸二甲酯 d m c 二甲氧甲烷 d m m 表1 4 比较了 它们与柴油的物理和化学特性 表1 4 醚酯类含氧物质与柴油理化性质的比较 理化性质柴油 d m ed 删d m c 沸点 1 8 0 3 6 0 2 4 94 36 0 6 5 液体密度 g c m o 8 40 6 6 80 8 6 51 0 7 低热值 m j k g 1 4 2 52 8 4 3 2 2 4 1 5 7 8 自燃点 3 1 52 3 5 4 6 5 十六烷值4 0 一5 55 5 6 03 03 5 理论空燃比 k g k g 叫 1 4 6 8 97 13 5 汽化潜热 k j k g 2 5 04 1 03 8 53 6 9 由于d m e 分子结构中只有c h 和c 珈 没有c q 键 这样d m e 燃烧时就很难生成乙炔 和苯等中间体 而碳烟正是由这些中间体发生进一步缩聚反应生成的 且d m e 含氧量为 3 4 8 能够为燃烧提供充足的氧 因此能最大程度地降低碳烟排放 又由于d m e 的蒸发潜 热很大 大大降低了柴油机工作温度 从而能降低n 0 x 生成速率 研究表明n0 l 柴油机燃用 d m e 可以完全消除碳烟排放 n o x 排放降低7 5 并能有效地降低发动机燃烧噪声 燃料经 8 长安大学硕士学位论文 济性和动力性接近甚至优于燃用柴油 但是d m e 在常压下是一种气态燃料 这就要求对内 燃机燃料供给系统进行改造以适应d m e 气体燃料的使用 同时装有这种发动机的车辆也 要进行相应的改造以满足燃料供给系统的要求 d i e d 能与柴油以任何比例互溶 研究表明n 与柴油掺烧 碳烟随其加入量的增加而 降低 d m m 从0 增 j n n l o 时碳烟降低4 0 5 0 从1 0 增加到2 0 时降低2 0 3 0 c o 排放 量随加入量的增加逐渐降低 n o x 有少量增加 d m c 含氧量为5 3 3 是迄今为止研究的含氧量最高的一种含氧燃料 因此它的排放 性能比较好 又由于它无毒 无腐蚀 常温下为液体 沸点较高 生产成本低 可以和柴 油以任意比例互溶 倍受人们关注 研究表明n 2 1 d m c 以不同比例掺入柴油中 可使烟度大 幅度下降 热效率明显提高 在柴油中加入1 0 1 5 的d m c 可使碳烟下降4 0 5 0 热效 率提高6 9 左右 同时可以减少h c 和c o 的排放 n o x 有少量增加 但是它的十六烷值 3 5 较低 在高比例掺烧时也需要加入十六烷值改进剂 在最近一些研究中 采用来源丰富 廉价的化工原料合成了一类既含有酯基团 又含 有醚基团的醚酯型含氧燃料物质 集酯基团氧含量高和醚基团发火性能好优点于一体 达到了改善发火性能 降低排放的目的 合成的物质有乙酸一2 一甲氧基乙酯 乙酸一卜甲 氧基一2 一丙酯 碳酸甲基 2 甲氧基乙酯 碳酸甲基 2 乙氧基乙酯 乙二醇单乙醚乙酸 酯 研究表明n 朝 掺烧乙酸 2 甲氧基乙酯 柴油机碳烟排放大幅度降低 掺入其1 5 时 碳 烟降低约5 0 掺入2 0 时下降至6 0 最大下降幅度达7 8 8 h c c 0 都有所降低 n o x h 放 变化不显著 另一项研究表明n 引 掺烧乙酸 1 甲氧基 2 丙酯 在外特性下 c 0 碳烟排放大幅度 下降 且下降量随掺入量的增加而增大 掺入2 5 时 c o 下降了1 7 8 5 2 3 烟度下降 1 4 4 一 2 1 2 在2 0 0 0r m i n 负荷特性下 c 0 排放随掺入量的增多和平均有效压力的增 高而不断下降 当掺入2 5 时 柴油机平均有效压力在0 2 0 6 m p a 范围内 c 0 减少了 5 1 5 一5 9 1 碳烟也随加入量增大而不断下降 当掺入2 5 时 烟度下降3 0 7 8 3 3 h c 排放也有所降低 特别是在掺入量大 负荷大时更明显 在2 0 0 0r m i n 掺入2 5 当平均 有效压力大于o 6m p a 时 h c 排放减少5 0 1 0 0 n 0 x 排放变化不显著 对碳酸甲基 2 甲氧基乙酯研究表明n5 i 柴油中掺入该物质后 柴油机c o 碳烟排放 大幅度下降 且下降量随其掺入量的增加而增大 掺入2 5 时 在外特性下c 0 下降了 3 3 9 一4 4 4 烟度下降1 4 4 一2 1 2 在2 0 0 0r m i n 负荷特性下 在0 2 0 6 m p a 范围 内 烟度下降3 3 7 一5 0 c 0 下降了4 0 6 4 h c n o x 排放变化不显著 9 第一章绪论 对掺烧碳酸甲基一2 一乙氧基乙酯研究表明n 6 汀1 在发动机外特性上 掺 x 2 5 时 c 0 减 少2 9 2 4 0 5 1 掺烧1 5 时 n o x 最大减少1 5 9 20 0 0r m i n 转速的负荷特性上 掺入 2 5 时 c 0 减少4 6 7 一6 9 4 烟度降低2 7 3 一5 0 掺烧1 5 时n o x 最大减少2 2 8 发动 机动力性没有明显下降 但燃油消耗率有少许提高 掺烧乙二醇单乙醚乙酸酯的研究表明n 引 在柴油机外特性下 c o 烟度均大幅度下降 掺烧1 5 时c o 平均下降约3 0 掺烧2 5 时 c 0 平均下降约5 0 下降幅度随掺加量增加而增 大 在2 0 0 0 r m i n 负荷特性下掺烧时 c 0 和烟度排放下降 掺烧2 5 时 烟度下降可达7 5 以 上 1 3 研究思路和内容 1 3 1 研究思路 本研究在前人研究的基础上通过台架试验分析柴油与d m c 的混合燃料在不同混合比 时对柴油机动力性 经济性和排放性的影响 并通过对柴油与d m c 二者的互溶性研究及 柴油机在供给不同混合比的柴油与d m c 混合燃料条件下其动力性 经济性和排放特性状 况分析柴油与d m c 的混合燃料作为柴油机燃料的最佳混合比 根据柴油与d m c 最佳混合 比的混合燃料及纯柴油在在用公交车上的实车对比测试分析柴油与d m c 的混合燃料对在 用城市公交车动力性和排放性影响 进而分析柴油与d m c 的混合燃料在用公交车上的应 用价值 1 3 2 研究内容 1 分析柴油与d m c 的混合燃料在不同混合比时对柴油机动力性 经济性和排放 性的影响 2 试验研究柴油与d m c 的互溶性 3 试验研究柴油与d m c 的混合燃料作为柴油机燃料的最佳混合比 4 分析柴油与d m c 的混合燃料对在用公交车动力性和排放性影响 1 0 长安大学硕士学位论文 第二章柴油机燃用d m c 和柴油混合燃料后的特性研究 2 1 试验装置及试验方案设计 本课题试验在一台单缸直喷式柴油机上 通过用压电晶体传感器测录了示功图 同 时测量了发动机不同工况下的碳烟 n o 等排放 并用自制的辐射传感器测量缸内辐射传 热 测量了发动机缸内压力及其传热损失情况 2 1 1 发动机参数及测量设备 2 1 1 1 发动机参数 本课题的试验是在西安交通大学内燃机教研室的一台t y l l 0 0 柴油机试验台架上进 行的 试验用柴油机是一台立式 水冷 四冲程非增压直喷机 其主要性能指标和参数见 表2 1 所示 表2 1 试验用发动机的性能指标与参数 发动机型号 t y l l 0 0 气缸直径 1 0 0 m 活塞行程 1 1 5 m m 活塞排量0 9 0 3 升 燃烧室形式 型 压缩比 1 8 1 2 小时功率 1 l k w 1 5 p s 标定转速 2 3 0 0 姨f 食 供油提前角上止点前2 5 l 2 1 1 2 试验测量设备 试验中采用重量法和秒表计时来测量油耗 通过测量某一工况时燃用一定质量的燃 油所用的时间 然后计算得出该工况下的油耗率 进气流量的测量采用标准孔板流量计及u 型管 测得u 型管两侧的水柱的高度差 幽 m m 来换算进气流量 g 1 2 5 l o 口 占 d 以函了 千克 小时 式中口 流量系数 a 0 8 0 6 第二章柴油机燃用d m c 和柴油混合燃料后的特性研究 f 流体膨胀校正系数 f 0 9 8 2 8 d 流量计开孑l 直径 d 1 5 m m 进气密度 k g m 3 进气温度和冷却水温度用标准温度计测量 试验中使用的仪器设备列入表2 2 表2 2 试验验用仪器设备 名称型号 制造厂 备注 压力传感器 5 0 1 1 型 k i s t l e r 公司 辐射传感器自制 热电偶传感器镍铬一镍硅自制 五组分尾气分析仪 a v ld i g a s4 0 0 0 厦门海腾发动机测试设备有限公司 烟度计a v ld i s m o k e 厦门海腾发动机测试设备有限公司 电位差计 u j 3 7上海电工仪器厂 变频器i h f 1 1 k k s a n k e ne l e c t r i cc o 动态测试分析仪 c s 2 0 0 0 0 四川实时信号研究所 电涡流测功机 b w 3 长沙湘仪普联测器厂 2 1 1 3 压力传感器及其安装 示功图是研究和判断发动机工作状态和性能的重要数据源和不可缺少的资料 而表 征发动机燃烧过程的一系列参数都是直接或间接来自于示功图 试验中示功图的采集使用了k i s t l e r 公司生产的5 0 1l 型压力传感器和电荷放大器 数据采集系统为c s 2 0 0 0 0 动态测试仪 图2 1 为传感器的安装简图 1 2 长安大学硕士学位论文 眵 v 一 7 信号线 套筒 冷却水管 妻 门肚 j 一 77 j j 7 冷 却 水 吞 芸 惨 7 7 7 锨 o o i y 钐 甏 0 1 澎 o 图2 1 a 压力传感器安装简图 图2 1 b 压力传感器安装剖面图 2 1 1 4 上止点信号的测录 上止点信号利用自制的光电传感器进行测量 其电路及工作原理如图2 2 所示 上 止点信号测量装置的核心是一个光电开关 m o c 7 0 1 2 当电源接通后 发光二极管会发 出红外光线 发动机运转时 当光栅盘上的光缝转到二极管的透光处时 红外光线便通 过光栅盘上的光缝照射到光敏三极管上 此时三极管导通 信号端输出高电平 反之 当光缝转过去以后 二