内燃机代用燃料发展前景探索 鲁明虎

1、毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目： 内燃机代用燃料发展前景探索姓 名： 鲁明虎 学 号： 20142001316 平顶山工业职业技术学院2017 年 6 月 1 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 专业 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计（论文）开始日期 年 月 日设计（论文）完成日期 年 月 日设计（论文）题目： A·编制设计 B·设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 系 专业，学生 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 专题（论文）

2、题目： 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 专业 年级 毕业设计（论文）题目： 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）摘 要随着国民经济的持续高速发展，我国原油供求矛盾日益突出，这将成为制

3、约我国国民经济发展的长期压力。现代汽车发动机向高压缩比高转速和大功率方向发展，于是人们想办法采用稀混合气燃烧技术来提高发动机的经济性能有效控制排放污染，采用电子点火方式，提高点火电压和点火能量，即使这样也不能彻底解决我国燃油危机。因此，发展替代燃料对于我国减少对进口原油的依赖具有十分重要的战略意义。现代所说的新能源主要类型有：液体、气体、电能和其他能源。液体类燃料主要包括甲醇、乙醇、汽油、柴油、合成油等；气体燃料主要包括氢气、天然气、二甲醚等；电能主要就是以电池为主作为汽车动力。本文将对这些可能作为未来汽车的燃料进行技术、经济上的可行性进行阐述分析，我们也将结合它的优点、缺点、应用中的一系列问

4、题进行探讨。关键词： 汽车 新能源 燃料 代用燃料AbstractWith the sustained and rapid development of the national economy, the contradiction between supply and demand of crude oil has become increasingly prominent, which will become a long-term pressure restricting the development of China's national economy. The

5、modern automobile engine with high compression ratio and high speed power direction, so people try to use lean mixture combustion technology to improve the economic performance of the engine to effectively control pollution emissions, the use of electronic ignition, improve the ignition voltage and

6、ignition energy, even if it can not completely solve the fuel crisis in china. Therefore, the development of alternative fuels for our country to reduce dependence on imported crude oil has a very important strategic significance. The main types of new energy sources are liquid, gas, electricity and

7、 other energy sources. Liquid fuels mainly include methanol, ethanol, gasoline, diesel oil, synthetic oil, etc.; gas fuels mainly include hydrogen, natural gas, two methyl ether, etc., and electric energy is mainly based on batteries as automobile power. In this paper, the possible technical and eco

8、nomic feasibility of future automotive fuels will be discussed and analyzed. We will also discuss the advantages, disadvantages and a series of problems in the application.Keywords: automobile, new energy, fuel, alternative fuel目录前言5第一章燃料61、代用燃料的定义62、代用燃料的分类63、代用燃料使用的标准64、发展代用燃料在汽车的意义7第二章气体代用燃料82.1气

9、体代用燃料的组成82.2气体燃料的性能特点82.3气体燃料汽车的应用及前景9第三章 醇类燃料113.1醇类燃料的物性113.2醇燃料发动机的热效率123.4醇类燃料的排放13第四章国内柴油机发展历程15第五章 使用新型动力16第六章降噪声、隔噪声措施17第七章 粉尘燃料197.1研制和开发197.2粉尘燃料内燃机的理论依据197.3粉尘燃料内燃机的独特发明、关键设计和重要措施197.5、粉尘燃料内燃机工作过程21第八章汽油机燃用甲醇燃料的应用研究238.1甲醇及汽油的燃料性质比较238.2汽油与甲醇汽油的比较258.3甲醇柴油的研究进展27第九章 丁醇31结 论32致 谢33参 考 文 献34

10、前言近年来, 随着我国经济的快速发展, 石油的需求量持续增长。1993年起我国己成为石油纯进口国,2009年我国原油进口比例已超过52% 。另外, 我国的汽车尾气排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。因此, 针对我国自然条件和能源资源特色, 逐步改变汽车能源结构, 发展汽车清洁代用燃料, 在发动机上实现高效、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课题。 据统计, 从现在起全球的石油资源还可以用6

11、7年, 天然气的储量也最多可以使用123 年, 所以寻找一种新型替代燃料成为当今社会的一个研究重点。 任何国家的经济发展都与能源问题密切相关，而内燃机对燃料的需求，在能源总消耗中占很大比例。当前内燃机主要用石油作为燃料，一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60%左右。未来石油燃料的产量终将日趋减少，许多世界能源机构及权威人士认为：现已查明易开采的石油维持50 年左右，1990 年左右世界石油产量达到过一个高峰，而后逐步下降，本世纪将出现石油短缺的现象。到2030 年液体燃料中40%左右要由煤的合成燃料来满足。因此，

12、为保证未来交通运输以及国民经济的持续发展，研究与开发代用燃料是势在必行。第一章燃料1、代用燃料的定义代用燃料指的是传统发动机燃料(如汽油和柴油)的替代品。美国能源政策法规将代用燃料定义为甲醇、非自然乙醇、其它酒精燃料或至少85%的这些燃料与汽油或柴油的混合燃料、CNG、LNG、LPG、氢气、煤炭衍生物的液体燃料以及生物质能源等。2、代用燃料的分类内燃机燃料是经过一系列演变发展过程的。早在1892 年狄赛尔就曾试图以煤粉作为柴油机的燃料，但未成功。长期以来，内燃机是以液体的碳氢化合物系燃料为主的。当燃料中C含量减少，H 含量增加时，燃料为轻质的，并演变为气体燃料。反之，当C含

13、量增加，H 含量减少，就成为重质燃料。未来内燃机燃料将向两极演变，即氢气和煤炭以及由煤炭派生出来的燃料，后者将主要是醇类燃料及人工合成的汽油等。在这种演变过程中，各种混合、乳化燃料，生物能类燃料及宽馏分燃料将在内燃机中得到不同程度的应用。由于代用燃料刚处于研究发展阶段，还难以提出完善的分类。从代用燃料的广泛含义来说，应包括： 品质更低劣的传统石油燃料，如过去一般不使用的劣质重油、残渣油； 使用形式变化了的燃料，如各种掺水的乳化燃料、固体粉末和液体混合的燃料； 人工模拟燃料，如将石油气和空气混合模拟成天然气使用；人工合成燃料，将两种以上元素或生产企业的副产

14、品人工合成可燃的燃料。3、代用燃料使用的标准良好的代用燃料应能满足下列要求： 资源丰富，价格适宜； 燃料的热值，尤其是混合气热值能满足内燃机动力性能的要求； 能满足车辆起动性能、行驶性能以及加速性能等方面的要求； 能量密度较高、储存运输方便； 发动机的结构变动较小，技术上可行； 现有的燃料储运分配系统能用得上； 对人类健康、环境保护以及安全防火等无有害的影响； 对发动机的寿命以及可靠性没有不良影响。一种代用燃料要全面良好地满足上述要求是困难的，但应满足主要要求，并在采取技术措施的情况下，能满足各方面的要求。4、发展

15、代用燃料在汽车的意义我国地大物博，但石油能源大部分靠国外进口，所以能源一直以来都受到重视。我国现行汽车能源动力系统发展战略走向的是，优化现有的车用能源动力系统发展节能汽车和开发新一代车用能源动力系统最终走向可持续发展的汽车能源动力之国。代用燃料的发展就是为了解决目前面临的燃料问题，可以在不会影响汽车使用的情况下发展代用燃料，其性能可能更优于一般的普通燃料。举例说明，拿油改气来说，如果一辆索纳塔出租车采用油改气的话，一天可节约燃料费25元，一月可节约750元，一年下来能节约9000元。而改装费只需8500元，不到一年便能收回成本。再如一种醇燃料酒精车来说，以一辆出租车每天跑350公里计算，酒精车

16、比汽油车一年可节约燃料费上万元。而油车改装成酒精车需3000元。改装时只要在汽油车上安装无触点高能点火装置，便能将高浓度有水酒精迅速燃烧，启动汽车。改装一辆汽油车只需1个多小时，只在油路和电路上稍作变动，其它部件基本不动。而且它们燃烧后的尾气也不会严重污染环境，相反可能要比汽油作为燃料更清洁。未来国家之间的工业发展的差别主要就是在于能源的优势，所以发展代用燃料是国家的后备力量，是实践可持续发展战略的重要行动。第二章气体代用燃料气体作为燃料就必须使用气体发动机，当前使用单气体燃料作为能力源的发动机，主要有LNG(液化天然气)发动机、CNG(压缩天然气)发动机和LPG(液化石油气)发动机三种。气体

17、发动机与同排量的柴油机相比，动力性相当，环保优势明显，更容达到国IV、国V排放。且当前生产技术趋于成熟，生产工艺设备与柴油机可通用。在油气价差保持的前提下，燃料经济性显著。不过气体发动机也有一定的缺陷，比如续驶里程短、燃料加注时间长、加气站的建设投资太大等。2.1气体代用燃料的组成目前常见汽车代用燃料的类型主要有天然气、石油气、氢气、液化石油气、液化气以及二甲醚等。2.2气体燃料的性能特点气体作为汽车代用燃料有别于普通燃料，它们共同点在存储、加注不同于以往的液体燃料，下面为了有助于更好的了解气体燃料的性能特点，让我们来分析以下它们各自存在的优缺点。天然气的优势：成本低廉、运行平稳。安全可靠使C

18、NG汽车具有较为广阔的发展前景，CNG作为车用燃料，在环保和能源安全方面有较大的优势，是具有发展潜力的汽车替代燃料。天然气的缺点：资源有限（主要工业及民用）、汽车续驶里程短、储运加注等基础设施要求高、投资大、只适用于在富产天然气的地区和大中城市推广。随着CNG运输管网分布范围的扩大以及加气站的增多，CNG汽车的应用范围可以扩大到城市之间。石油气的优势：燃烧清洁、安全可靠、经济可行等特点。石油气的缺点：LPG主要来源于石油，其供应性受到石油供应的限制价格也会随着石油价格变化而波动。LPG对加气站、管网等基础设施的建设要求也很高。氢气的优势：良好的行进加速性、良好的燃料适应性、低温起动性好、超低排

19、放全工况高效率等优点；氢具有巨大的价格优势和强大的工业基础。氢气的不足：利用可再生能源制氢还存在一定的问题，氢气能量密度最小、储运条件十分苛刻、续驶里程短、加注不方便；目前氢气的制取、储运、制。加注、氢能汽车成本等存在很多问题，短期内氢气作为汽车能源的发展受到了限。 但氢来源的广泛性、可再生性和燃烧清洁性使氢成为世界各国汽车代用燃料的长期发展战略目标。二甲醚的优势：二甲醚十六烷值高，自燃点低，在发动机气缸内蒸发速度快，有利于混合气的形成，燃烧速度快，滞燃期短。汽化潜热高于柴油，蒸发过程吸收热量较柴油多，可有效地降低气缸内最高燃烧温度，有利于降低NOX排放和噪声。作为含氧化合物，可提高燃烧效率，

20、在燃烧过程中几乎无碳烟生成，CO、PM的排放都比较小。以DME为燃料的发动机，其动力性和起动性与柴油机相当。二甲醚的不足：需要开发新的燃料供应系统及新的发动机技术和整车技术，发动机技术不成熟、储运不便、能量密度低，续驶里程短，液态密度随温度变化较大，容易使燃料供给系统运动件发生磨损。并CNG、LPG一样，对基础设施要求较高，受便利性、燃料加注基础设施等因素限制，发展空间有限，适合于在区域间运行的大型客车上应用。2.3气体燃料汽车的应用及前景2.3.1气体发动机发展现状我国20世纪50年代开始发展低压天然气汽车，80年代中后期改革开放之后气体燃料汽车开发应用的步伐加快。国内大型发动机厂和汽车厂如

21、玉柴、上柴、潍柴、东风和解放等厂家相继推出了各自的气体发动机产品在市场上推广应用。1988年我国从澳大利亚、兰、加拿大等国引进CNG加气站的全套设施、改装汽车部件及高压气瓶，分别建站于大庆等地开启了CNG汽车发展的新时代。相对于LNG发动机，CNG发动机和LPG发动机的技术成熟程度、经济成本等都更现实，目前CNG发动机已经广泛应用其第三代电控喷射CNG的技术，采用高压喷射，通过节气门传感器，气体流量传感器，转速传感器，水温传感器，进气温度传感器，压力传感器和氧传感器等经过中央处理单元来控制点火、空燃比等。更先进的LNG缸内直喷技术目前已得到小批试用，动力性、经济性和排放俱佳，但开发难度较大，费

22、用昂贵，成本也高，国内尚未开始研制。与传统柴油机相比，气体发动机取消了原柴油机的燃油喷射系统相关的零部件，增加了蒸发调压器(LPG发动机、减压器(CNG发动机)等供给气体燃料的相关零部件。传统柴油机是压燃式发动机，而气体发动机由于受燃料特性限制(抗爆振性能)，采用的是与汽油机一样的点燃方式。在取消了喷油器后，将原缸盖上的喷油器孔改为了火花塞孔。在取消了油泵后，在原油泵安装位置装上了一个点火传动装置，通过点火正时传感器获得发动机的点火正时信号。增加了以点火模块、点火线圈及火花塞等零件组成的点火系统。气体发动机的控制系统多采用电控，与机械式柴油机相比，各工况点的空燃比、点火提前角、增压压力都实现了

23、更精确更科学的控制。为满足这些控制要求，增加了相应的MAP、MAT、ECT、点火正时以及氧浓度等传感器。由于我国能源战略结构的调整，未来将有更多的气体燃料资源通过进口为国内使用。目前在国内正在实施LNG加气系统的城市有北京、乌鲁木齐、长沙等，约有近百辆LNG单一燃料公交示范车辆正在运营。CNG车则已在四川、重庆、北京、西安、内蒙等地推广。LPG环保节能型气体城市客车也在北京、上海、广东、四川、重庆、海南、甘肃等许多城市的公交系统已经试行。在国外，LPG被用作轻型车辆燃料已有许多年。2.3.2气体发动机发展前景气体发动机的电控系统和传统柴油机电控系统有所不同，其增压、后处理均有特殊要求，且将先进

24、的电子控制燃料喷射技术应用于气体发动机，以便根据发动机的温度、负荷、转速等关键参数对气体燃料的供给、混合气浓度、点火正时等进行精确控制，以提高发动机的功率和降低排气污染。空燃比控制在电子控制燃料喷射发动机的应用效果非常好，它通过监控发动机排放状态实时调节空燃比，并通过高能、精确点火等自动协调优化方式实现最佳的经济性和排放性。而从成本来看，气体发动机电控系统成本竟还稍低于柴油机电控系统。因此深入开发电控系统的潜力十分巨大，未来必将有更好的发展。第三章 醇类燃料目前内燃机上应用的醇类燃料主要包括甲醇、乙醇。醇类燃料具有高辛烷值的特点，故主要靠火花塞或高十六烷值燃料如柴油点燃。对于醇类燃料，甲醇是最

25、简单的醇燃料，其来源广泛，可由天然气合成，解决了天然气不易运输及火焰传播速度慢的缺点，也可由煤制取，更符合中国煤炭资源丰富的特点，具有广阔的应用前景。但在使用中需防范其可能产生的毒性危害，另外由于其对橡胶和金属的腐蚀性，还需考虑相关部件的防腐问题。近年来国外将研究对象转为含碳量更高的丁醇上，主要是看中了其与汽油相近的性质及较高的单位质量能量密度，故可直接用于现有的汽油机，同时丁醇由生物质制取，也是一种绿色燃料，但产量更少。3.1醇类燃料的物性醇类燃料主要指甲醇( CH3OH ) 和乙醇( C2H5OH) 。醇分子结构中含有氧, 易于燃

26、烧, 理化特性与汽油接近但其热值比汽油低得多其化学当量比所需的空气比汽油燃烧所需的空气少得多醇类的汽化潜热高, 汽化时所需的热量也比汽油多。醇类的饱和蒸气压比汽油低。低的蒸气压力和高的汽化潜热使其蒸发更困难因而对混合气形成系统提出了更高的要求。醇类的辛烷值高允许内燃机的压缩比高这对点燃式内燃机的燃烧特别有利。将汽油机改为醇类发动机不太困难。凡是能得到CO 和H2 的原料都能合成甲醇其原料丰富、工艺成熟但设备投资大。目前主要是用天然气和煤生产甲醇。甲醇是一种轻质、无色、略有臭味、低污染的燃料, 与水能无限互溶但甲醇本身有毒。甲醇只有一个C

27、0;原子, 无C- C 键, 含有50%的氧, 热值低。与汽、柴油相比, 甲醇的着火温度高、辛烷值较高抗爆性较好，且十六烷值很 低, 适用于点燃式发动机。甲醇燃烧时不易看到火焰, 具有较宽的着火界限, 闪点较高。从能源多元化和能源安全的角度出发, 发展甲醇有重大的战略意义。另外,使用汽油- 甲醇比使用汽油- 天然气更为便。乙醇的来源很广泛, 多由单糖类( 如甘蔗、甜菜等) 或淀粉类( 薯类、各种谷物) 植物制成, 或

28、由化学原料( 如乙烯) 合成, 或由木质纤维素( 如木屑、树枝、秸杆等) 发酵生产。乙醇同样是含氧燃料, 具有高的辛烷值, 热值比甲醇高, 汽化潜热则较低, 乙醇比甲醇更易和汽油及柴油相溶和乳化。3.2醇燃料发动机的热效率醇类燃料的热值低, 所需的循环供应量要大大增加; 高的汽化潜热可提高充气效率, 降低缸内温度, 因而压缩比可以提高; 燃烧速度加快可使热效率提高; 醇类燃料的C/ H 值比汽油和柴油的小, 完全燃烧

29、时产生的CO2 较少, H2O 较多, 对于相同的燃烧热值, 燃烧产物的比热相对较高这有利于热效率的提高。此外, 醇类燃料的着火界限较宽, 燃烧速度快, 在稀混合气中的火焰传播速度仍能保持较高, 这使燃烧的定容部分增加, 也有利于热效率的提高。循环压力的波动比汽油机小。6.3醇类燃料的使用醇类燃料的能量密度比汽油和柴油低, 但与气体燃料相比更适用于运输车辆。目前醇类燃料首先用来与其它燃料掺烧, 也在考虑使用纯醇类作发动机的燃料。醇类燃料的辛烷值高有一定的挥发性, 易

30、于与汽油混合较适合作点燃式内燃机的燃料。含甲醇较少的甲醇- 汽油混合燃料与汽油性质接近, 含甲醇或乙醇不超过15%, 现有汽油机不作大的变动就能使用。醇类燃料的十六烷值低, 不适宜直接在压燃式内燃机中使用, 但利用现代技术也可掺烧醇类燃料。在内燃机中掺烧醇类燃料的份额可用其在燃料中占的容积百分比或质量百分比来表示, 如M10表示甲醇占10% , E5 表示乙醇占5%。我国目前推广使用的乙醇汽油为E10。内燃机掺烧醇类燃料时, 应根据不同的掺烧方式调整燃料的性质, 改进内燃机结构,

31、60;设计良好的掺烧和控制装置。如调整汽油的组分或加入添加剂,以改善点燃式内燃机的启动性, 避免汽阻; 加入着火改善剂, 以改善压燃式内燃机使用时的着火性能。在内燃机结构方面, 在点燃式内燃机上增加启动时的混合气加浓装置、混合气预热装置; 在压燃式内燃机上增添辅助点火装置; 改变内燃机的压缩比、点火提前角及调整喷油提前角等。在掺烧及控制装置方面, 研究醇类燃料及石油燃料的机械混合乳化装置、多种燃料混合气形成方式及薰蒸装置、醇类燃料及空气量的控制措施及装置等。确定内燃机掺烧何种醇类燃料、采用何种方式,取决于下列因素:内燃机的动

32、力性、经济性及排放性能; 冷启动性及热机性能; 内燃机用掺烧燃料或纯石油燃料的互换性; 内燃机的可靠性及寿命; 醇类燃料的供应及掺烧后的经济性; 若加助溶剂, 助溶剂的供应及混合燃料的稳定性; 材料的相容性; 内燃机是否适用, 如需改动, 结构的改动程度及投资。点燃式内燃机掺烧醇类燃料, 可以以醇代油, 与燃烧纯汽油相比有如下优点: 提高辛烷值, 在无铅汽油中加入醇类燃料, 可达到含铅汽油所具备的抗爆能力; 可扩大混合气着火界限,

33、60;燃用稀混合气, 提高燃油经济性; 可提高压缩比, 从而提高内燃机的动力性和经济性; 减少燃烧室表面的燃烧沉积物; 改善排放性能。  目前对掺烧甲醇的研究较多的是M15, 这是发动机稍作变动可接受的最高掺烧比极限。在较高压缩比的实验中, 使用M30 对发动机性能几乎没有什么影响。采用M40 在压缩比为9. 7、过量空气系数为1 实验时, 其动力性和经济性接近汽油机。而排放则在使用汽油和纯甲醇之间。添加乙醇可提高汽油的辛烷值, 以提高抗爆性,E22

34、60;可完全代替含铅汽油。点燃式内燃机的掺烧方式有混合燃料法和薰蒸法两大类。混合燃料法是通过机械方法或加助溶剂的方法将醇类燃料和汽油溶混在一起, 由化油器或低压喷嘴喷入气缸。薰蒸法是利用醇类燃料的表面张力及粘度低的特点将醇燃料雾化, 再在进气冲程中经过气道送入气缸。由于醇类燃料存在十六烷值低, 着火性能差, 自燃温度高, 压燃困难, 汽化潜热大, 延迟期加长, 含OH 根, 与柴油不相溶, 乳化困难等问题, 在压燃式内燃机中使用醇类燃料需要将内燃机彻底改装。因压燃式内燃式的类

35、型和燃烧室型式很多, 可变动方案也较多, 具体方法有乳化液法、薰蒸法、醇类蒸汽法和双燃料法。3.4醇类燃料的排放内燃机燃用醇类燃料后, 排气中的NOx, HC,CO, CO2 及颗粒的排放量均会变化, 总体来说是有改善。未燃烧的醇类燃料和醛类有所增加。因醇类燃料的汽化潜热大, 混合气受到激冷时, 燃烧可能不完全, 会导致未燃烧的醇类燃料的排放增加, 在高负荷、高温时, 废气中未燃烧的醇较少。醛类排放物包括甲醛、乙醛、丙醛和丙稀醛等, 是使用醇类燃料内燃机的主要排放物

36、。醛有强烈的气味, 对人的呼吸系统和眼睛有害, 醛还会在大气中发生光化学作用,产生光化学烟雾。用M85 的实验表明, 因其不含硫和复杂的有机物, 生成臭氧的活性很低, 排放的苯和芳香烃一类的有害排放比汽油机低得多。但甲醛的排放量比汽油机高5 倍, 而甲醛有毒, 可能致癌。甲醛的光化学反应活性强, 基本抵消了甲醇在臭氧方面的排放效益。其 乙醛排放量接近乙醇- 汽油混合燃料的排放水平。乙醇燃料汽车排放的未燃烧乙醇、乙醛( 比汽油机高12 倍) 和甲醛比汽油机高

37、。若缸内氧气的浓度大, 当温度适宜时会促进甲醛的生成, 但工质中的OH 和H 有利于甲醛的消失。使用醇类燃料的内燃机, 可使用稀混合气, 排气中有足够的氧, 燃料中也不含铅和其它使催化剂中毒的物质, 采用简单的氧化催化器就可将醛类的排放降低。甲醇混合燃料的冷启动困难, 也会导致过量的未燃烧的HC 和CO 的排放。乙醇燃料车与汽油机相比, CO 和NOx 排放分别低20% 30% , 排放的颗粒物也低得多, 蒸发排放也

38、低。但在环境温度很低时,可能会因启动困难造成高的冷启动排放。第四章国内柴油机发展历程从发展历程上看，我国内燃机车发展经历了4代，相应地机车用柴油机的发展也是如此。表1列出了具有代表性的4代内燃机车和柴油机的主要参数，表中也列出了我国目前生产的NXN3和NXN5型内燃机车的参数。以DF型和DFH1型内燃机车为代表的第l代产品，其柴油机基本上是仿制产品。前者是仿制前苏联的10L207E型(2冲程、对置活塞、扫气泵扫气)柴油机；后者是先仿制前西德的12V175型4冲程高速柴油机，之后在此基础上进行了大量试验和改进。以DF4、BJ、DF8型内燃机车为代表的第2代产品，其柴油机完全是我国自主研发的，均是

39、4冲程带有废气涡轮增压器的柴油机，柴油机功率较第1代产品有成倍的增长，技术性能和可靠性有较大的提高。 以DF4D、DF8B(DF11)型交直流传动内燃机车为代表的第3代产品，其柴油机主要是在我国自主研制生产的产品基础上，通过与国外厂家合作开发的产品，技术性能和可靠性有很大的提高。以DF4DJ、DF8BJ、DF8CJ型交流传动内燃机车为代表的第4代产品，其柴油机主要是与国外合作开发的新型产品，均采用电子喷射系统DF型机车的柴油机装车功率达4 410 kW，已接近国际先进水平。第4代内燃机车目前还处于试运用阶段。从我国内燃机车和柴油机的发展历程可以看出，机车柴油机由仿制发展到自

40、主研制，再发展到与国外合作开发；由2冲程和4冲程、中速、高速柴油机，发展到全部采用4冲程、废气涡轮增压的中速柴油机；柴油机的功率由小到大，增长了23倍；柴油机缸径由175、180、200、207、240、280 mm等多种系列，发展到主型机车只采用240 mm和280 mm两种系列；柴油机喷射方式由传统的机械喷射方式发展到电子控制的喷射方式。第五章 使用新型动力我围每年都需要进口大量的石油。而且逐年在增长。石油资源逐渐枯竭，所以必须考虑替代燃料，目前已经应用和发展了多元化的燃料，包括天然气(CNG)、液化石油气(LPG)，甲醇、乙醇、氢。二甲醚及生物柴油等，其中天

41、然气、液化石油气、乙醇已经得到广泛应用。氧气是理想的清洁燃料是科研人员追求的目标月前，无论用水或生物质制氢都是效率低、成本高，包括储存的一些技术仍远未解决。纳米材料及纳米技术有助于解决这一一问题，但这需要较长时间的开发研究，宝马公司一直致力于氢气内燃机的研制，开发了多款氢气内燃机车，其中V12氢内燃机是世界上首批用于轿车上的内燃机该内燃机可使用氢气和汽油两种燃料；从20世纪80年代起国外就开始研究生物质能不断取得一些成果，但仍未达到商业化的水平，据专家预测，2010年左右可达到廉价工业化要求。我国有关大学及科研单位也在进行研究、开发和应用生物质能及燃料。这是经济可持续发展的必由之路。第六章降噪

42、声、隔噪声措施内燃机噪声是动力设备噪声的主要来源，随着内燃机的高速、轻型和大功率化，其振动噪声问题日益突出。世界各国大多制定了越来越严格的噪声控制法规。国内外研究者在噪声机理研究、噪声源识别技术、噪声预测、噪声控制等方面进行了大量理论及试验研究，推动着内燃机噪声控制技术的不断发展，下面主要总结在这几个方面的发展现状。内燃机噪声按激励源分类，有机械噪声、燃烧噪声和空气动力噪声。噪声源识别及分离技术是内燃机噪声研究的一个重要领域，它是进行噪声控制及噪声预测的基础。目前的研究趋势：一是基于噪声测试的噪声识别技术，主要是通过噪声测试，识别内燃机某部件的噪声大小及频谱特性；其次是基于试验及现代信号处理方

43、法进行噪声分离技术，如活塞敲击噪声与燃烧噪声的分离问题。当前，为了适应市场变化的要求，缩短产品设计周期，国内外许多研究者在内燃机噪声预测方面进行了深入的研究，提出了多种噪声预测方法，大致可分为振动法、神经网络法和数值解法三类。噪声传递过程大致可分为声源一传播途径接受者三个环节。对于内燃机，声源有燃烧激励力、机械激励力及气体动力激励。这些激励力通过各结构零件传递到内燃机的外表面上，形成表面振动。表面振动又激发介质(空气)质点的振动向外辐射噪声，如下图所示。相应地，噪声控制采取降低噪声源噪声，限制噪声的传播途径的原则。根据社会需求和目前该领域存在的问题，在未来发展中下面几方面会被引起足够的重视：开

44、展内燃机噪声源产生机理的研究，提高对内燃机噪声本质的认识。理论人手，研究影响燃烧噪声的特征因素，有助于提高对燃烧噪声机理的认识；探索内燃机进气噪声的来源和形成机理，为合理降噪提供技术支持。当前改善现有内燃机振动声学特性的可能性有限，而在设计阶段考虑内燃机的低噪声设计是解决问题的较好途径。力求在内燃机设计开发阶段考虑噪声问题，采取有效的方法降低内燃机噪声，达到改善内燃机性能和降低噪声等级。在材料科学迅速发展的前提下，探索新的隔声材料，研制开发新的隔声部件，减少内燃机噪声的传播；研究声辐射模态方法在内燃机噪声控制中的应用，确定影响内燃机辐射噪声的主要模态，达到有的放矢地控制内燃机噪声。研究和推广更

45、有效的噪声测量方法，掌握内燃机噪声在空间的分布情况及流动方向，更准确地定位噪声源；研究内燃机燃烧噪声和机械噪声的识别原理和快速分离技术，更清晰地认识噪声的特征。开展内燃机噪声预测方法的研究，解决目前噪声预测方法面临的困难，提高预测结果的精度。如：在特征波数处解的非唯一性问题是边界元方法研究在全波数范围内准确计算振动声辐射需要解决的关键性技术难题；内燃机工作过程中存在各种随机激励力，合理地对模型加载是噪声预测中重要问题；在整机预测方面，采用子结构法，考虑机体、曲轴、连杆、气缸盖、气缸套、主轴承盖、主轴瓦和各主要螺栓的联合作用，同时更加精确的模拟外力的传递也是提高预测精度的关键问题。第七章 粉尘燃

46、料 7.1研制和开发 粉尘燃料内燃机的紧迫性内燃机是重要的工业动力之一，现有的内燃机均采用汽油、柴油作燃料，不仅尾气排放污染了环境，而且其资源日益枯竭。专家估计，世界上已探明的石油储量最多够人类使用50 年。为解决世界石油危机，人们积极探索以煤代油、天然气代油、电代油、酒精代油、核能代油及生物柴油等等多种途径。但时至今日，在替代石油的再生能源的开发上，人类没有根本的进展。粉尘燃料内燃机是一种全新的往复式内燃机。它跟传统的汽油、柴油往复式内燃机截然不同，它利用“ 粉尘爆炸原理”，既可以直接燃烧精制的木炭粉、竹炭粉、淀粉等再生燃料产生工业动力，也可以直接燃烧精制的焦炭粉、煤炭粉等一次性燃料产生工业

47、动力。 7.2粉尘燃料内燃机的理论依据 100 多年前人们从多次的面粉厂爆炸事故中发现了一个重要的物理学原理粉尘爆炸原理。科学家发现，粉尘爆炸的发生必须具备三个条件（：1）粉尘燃料能充分地与空气混合（；2）粉尘燃料与空气混合后达到了一定的浓度（；3）粉尘燃料与空气达到了一定的温度。粉尘爆炸能量之大，爆速之高，引起了军火炸弹专家和发动机专家的极大兴趣，他们对该原理的应用进行了长期的探索和研究。在国家利益和大量资金的驱动下炸弹专家获得了成功：上世纪50年代美国和前苏联研究出了利用粉尘爆炸原理的高爆炸弹燃料空气炸弹。该种炸弹又称“ 云爆弹”“、环氧乙炔炸弹“”、小原子弹”。美国在伊拉克战争中使用的“

48、 炸弹之母”MOAB 炸弹，即是这种炸弹，内有8.16 吨装药，其威力仅次于原子弹。燃料空气炸弹研制的成功，关键在于解决了二次引爆技术，满足了粉尘爆炸的条件。该炸弹达到目标位置时第一次引爆，将弹体内的环氧乙炔燃料均匀地撒布空气中形成气溶胶云雾。这时再进行第二次引爆，向这些气溶胶云雾提供活化能（ 即一定的热能），使这些气溶胶云雾猛烈燃烧爆炸起来。该种炸弹爆炸时不仅爆炸能大，冲击波强，而且能夺取目标区域内的氧气，使人缺氧窒息而死。7.3粉尘燃料内燃机的独特发明、关键设计和重要措施粉尘燃料内燃机由三室汽缸、送料预热系统、阀门正时机构、活塞连杆机构等四大部分组成。该机型构思巧妙、设计新颖，精制过的木炭

49、粉、竹炭粉、淀粉以及焦炭粉、煤炭粉等粉尘燃料进入该内燃机后，不仅能充分形成粉尘爆炸的三个条件，会产生激烈的燃烧爆炸，而且能克服燃料供应、粉尘点火、活塞润滑、废气排放等等问题。因此该机型能连续运行，向外输出动力。7.3.1、独特发明三室汽缸粉尘燃料内燃机汽缸的缸盖与缸体之间安装有缸台，缸台下表面与活塞上端面形成的空腔为燃烧室，缸台上表面与缸盖内表面形成的空腔为储气室。缸台中有贯通其上下表面的调气管道和喷气管道，调气管道上端有控制调气口启闭的调气阀，喷气管道上下端分别有控制其启闭的小喷阀和大喷阀。缸台中有待料室，待料室位于喷气管道上部并与外装预热器的送料管相接通，送料管和贮料箱底部的压料管相接通7

50、.3.2、关键设计粉尘燃料的预热以前，狄塞尔柴油内燃机成功的关键设计在于：压缩空气和油嘴喷油；依靠压缩空气的高温点燃。油嘴喷出的柴油。现在，粉尘内燃机可实现的关键设计在于：隔绝空气的情况下将粉尘燃料预热到燃点，然后通过送料管和送料塞杆送入到缸体内的待料室中。爆发冲程开始时，新鲜空气从贮气室中高速喷向待料室，与高温粉尘燃料充分混合并发生激烈爆炸，推动活塞，输出动力。7.3.3 、重要措施闭锁连杆粉尘燃料内燃机的送料管和贮料箱底部的压料管相接通，送料管前端从缸台一侧进入待料室，送料管中有可前后移动的送料塞杆，送料塞杆后端靠铰接环与闭锁连杆一端铰接，行程轮与闭锁连杆另一端铰接。通过行程轮即可操纵闭锁

51、连杆的开、闭及送料塞杆的前后移动输送燃料。7.3.4 、活塞润滑由于精制的粉尘燃料粒度较小，平均尺寸在5m以下，而且经过炭化或焦炭化处理，所以进入汽缸的粉尘燃料本身就是很好的润滑剂，对活塞及活塞环起润滑作用。7.4、粉尘燃料的处理及要求再生性粉尘燃料的来源为树木、竹子、农作物秸杆及粮食淀粉等，它们可以进行大面积人工种植，属于再生性原料。虽然它们归属于生物质能的范畴，但其热能是很可观的，例如木炭的热值就是焦炭热值的1.13 倍。焦炭、煤炭属于一次性能源，但是它们在地球上的储量远远大于石油，还可以够人类使用300 多年。19 世纪雷诺发明汽油机以前的所有内燃机都是燃烧煤气的。20 世纪下半叶以来人

52、们再度兴起了以煤代油的研究，走的就是煤变柴油、煤水悬乳液、超细煤粉等路子。至今为止煤水悬乳液、超细煤粉做现行内燃机燃料的路子没有成功过；煤变柴油、煤变煤气很成功，但是投资大、成本高。由于粉尘燃料内燃机直接使用精制煤粉做燃料，不必使煤变气或者使煤变油，因此可以大大低燃料的成本。粉尘燃料须经去除杂质、超细粉碎、炭化或焦化处理。需要除去有害金属和有害物质，比如有害重金属、苯并芘或煤焦油等有害物质。粒度一般要求平均尺寸在5m以下。7.5、粉尘燃料内燃机工作过程粉尘燃料内燃机为四冲程往复式发动机，由吸气冲程、压缩冲程、爆发冲程、排气冲程构成一个工作循环。六、研制和开发粉尘燃料内燃机的重要意义粉尘燃料往复式内燃机是一种全新的内燃机，研制和开发粉尘燃料内燃机的重要意义在于：7.5.1该内燃机通过植物燃料的再生性，实现太阳能生物质能机械能的生态能量循环，不仅能永远地解决人类的能源危机，减少温室效应和环境污染；而且能使占人口大多数的农民从低产值的粮食生产中解脱出来，转移到高附加值的内燃机燃料栽培产业中来。粉尘燃料内燃机不仅能产生巨大的经济效益，而且会产生巨大的社会效益。7.5.2煤炭、焦炭虽然属于一次性化石燃料，但是在地球中的储量比石油大，够