車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究

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畢業(yè)設計（論文）過程管理材料 題 目 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研 究 學生姓名 許 洋 系部名稱 車輛工程系 專業(yè)班級 B05-16 指導教師 朱榮福 職 稱 助教 教研室 C315 起止時間 教 務 處 制 SY-025-BY-1 畢業(yè)設計（論文）題目審定表 指導教師姓名 朱榮福 職稱 助教 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 課題適用專業(yè) 車輛工程 課題類型 Z 課題簡介：（主要內(nèi)容、意義、現(xiàn)有條件、預期成果及表現(xiàn)形式。） 選題意義：能源短缺和環(huán)境污染是當今世界的兩個重大問題。與汽油相比，利用生物制取的燃料乙醇是一種更清潔的能源。作為車用替代燃料，乙醇以小比例與汽油摻混的方式得到了廣泛的應用，此外，乙醇汽油還能夠有效地降低汽車排放。 主要內(nèi)容： （1）分析乙醇汽油的理化特性； （2）通過乙醇汽油與汽油的發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)，對比研究其動力性、經(jīng)濟性及排放性能。 預期成果及表現(xiàn)形式：對不同配比的乙醇汽油發(fā)動機功率、油耗、排放等實驗數(shù)據(jù)進行對比及分析，論文一份（2萬字以上）。 指導教師簽字： 年 月 日 教 研 室 意 見 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合度 □好 □較好 □一般 □較差 2 對學生能力培養(yǎng)及全面訓練的程度 □好 □較好 □一般 □較差 3 選題與生產(chǎn)、科研、實驗室建設等實際的結合程度 □好 □較好 □一般 □較差 4 論文選題的理論意義或?qū)嶋H價值 □好 □較好 □一般 □較差 5 課題預計工作量 □較大 □適中 □較小 6 課題預計難易程度 □較難 □一般 □較易 教研室主任簽字： 年 月 日 系（部）教學指導委員會意見： 負責人簽字： 年 月 日 注：課題類型填寫 W.科研項目；X.生產(chǎn)（社會）實際；Y.實驗室建設；Z.其它。 SY-025-BY-2 畢業(yè)設計（論文）任務書 學生姓名 許洋 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程B05-16 指導教師姓名 朱榮福 職稱 助教 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 一、設計（論文）目的、意義 能源短缺和環(huán)境污染是當今世界的兩個重大問題。與汽油相比，利用生物制取的燃料乙醇是一種更清潔的能源。按照我國的國家標準，乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成。它可以有效改善油品的性能和質(zhì)量，降低一氧化碳、碳氫化合物等主要污染物排放。它不影響汽車的行駛性能，還減少有害氣體的排放量。 作為車用替代燃料，乙醇以小比例與汽油摻混的方式得到了廣泛的應用。近年來，乙醇汽油在世界范圍內(nèi)，已得到了較為廣泛的應用。 二、設計（論文）內(nèi)容、技術要求（研究方法） 論文內(nèi)容： 查閱文獻資料，根據(jù)國內(nèi)外相關實驗，研究以下內(nèi)容： （1）分析乙醇汽油的理化特性； （2）對比分析研究其動力性、經(jīng)濟性及排放性能。 技術要求： （1）試驗過程符合國家標準； （2）試驗數(shù)據(jù)及分析合理。 三、設計（論文）完成后應提交的成果 論文一份，兩萬字以上，附發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)。 四、設計（論文）進度安排 1. 選題，領取任務書，撰寫開題報告 第1～2周(3月2日-3月15日) 2. 分析論文研究內(nèi)容，擬出試驗方案 第3～5 周(3月16日-4月5日) 3. 搭建臺架，發(fā)動機試驗 第6～8 周(4月6日-4月26日) 4. 期中檢查 第9周(4月27日-5月3日) 5. 分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫論文大綱 第10～12周(5月4日-5月24日) 6. 撰寫論文并提交指導老師審核 第13～14周(5月25日-6月7日) 7. 更改并最終完成論文，準備答辯 第15～16周(6月8日-6月21日) 8. 畢業(yè)答辯 第17周(6月22日-6月28日) 五、主要參考資料 [1] 何學良.燃料乙醇與車用乙醇汽油[M].北京:中國石化出版社,2004. [2] 張君濤.粱生榮.陳志東.馮霄.國內(nèi)外混合代用燃料的研究進展［J］.現(xiàn)代化 .2005.7. [3] 高海洋.內(nèi)燃機代用燃料簡介[J].河北工業(yè)大學學報2000，4期7-18. [4] 程勇,王建昕,慶人雋.清潔燃料生產(chǎn)技術[J].內(nèi)燃機學報,2002,20(1):62—68. [5] 邊耀章.醇類燃料在發(fā)動機上的應用[J].汽車實用技術.2003.3． [6] 周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999,219—230. 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 SY-025-BY-3 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 許 洋 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程B05-16 指導教師姓名 朱榮福 職稱 助教 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 一、課題研究現(xiàn)狀,選題的目的、依據(jù)和意義 我國是能源消耗的大國，占世界一次能源需求總量的10％以上。高效清潔能源所占比例很小，這樣的結構不僅造成能源的大量浪費，而且對環(huán)境造成很大污染，偏離了世界能源結構發(fā)展趨勢的主流。今后我國應加速優(yōu)化能源結構，增加清潔能源和新能源的比重。 燃料乙醇作為一種清潔能源，是指向汽油或柴油中加入一定比例的無水乙醇作為燃料使用。乙醇又名酒精，是由碳、氫、氧3種元素組成的有機化合物，結構式是C2 H5 OH，相對分子質(zhì)量為46,是一種無色透明、易揮發(fā)、易燃燒的液體。燃料乙醇具有良好的互溶性，燃燒性能與礦物燃料相似，能夠完全燃燒，不會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，可直接用作液體燃料或與其他液體燃料混合使用，減少對不可再生資源的消耗。燃料乙醇的理化性質(zhì)接近于汽油，易與汽油以一定比例混溶形成混合燃料。 本論文是在給定實驗數(shù)據(jù)的情況下,研究汽油機燃用乙醇汽油對發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的影響。  二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1、論文研究的基本內(nèi)容 （1）乙醇汽油及前景應用 （2）乙醇汽油的理化特性 (3)乙醇汽油和純汽油的對比研究 2、擬解決的主要問題 （1）原料的分析 對現(xiàn)階段燃料應用廣泛度進行了解,并比較與汽油之間的動力性、經(jīng)濟性和排放性。 （2）數(shù)據(jù)的分析： 動力性、經(jīng)濟性、排放性性能對比實驗。  三、研究方法： 1、文獻研究法，通過查閱文獻研究乙醇汽油的理化特性及其應用現(xiàn)狀，以及乙醇汽油和汽油理化特性的差異。 2、數(shù)據(jù)調(diào)研法：通過對近幾年權威實驗室做出的實驗對比分析乙醇汽油和純汽油的主要差別。 四、進度安排 1. 選題，領取任務書，撰寫開題報告 第1～2周(3月2日-3月15日) 2. 分析論文研究內(nèi)容，擬出試驗方案 第3～5 周(3月16日-4月5日) 3. 分析調(diào)研報告和綜述內(nèi)容，提出并優(yōu)選論點和方案，并加以論證和確定 第6～8 周(4月6日-4月26日) 4. 期中檢查 第9周(4月27日-5月3日) 5. 分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫論文大綱 第10～12周(5月4日-5月24日) 6. 撰寫論文并提交指導老師審核 第13～14周(5月25日-6月7日) 7. 更改并最終完成論文，準備答辯 第15～16周(6月8日-6月21日) 8. 畢業(yè)答辯 第17周(6月22日-6月28日) 五、參考文獻 [1] 何學良.燃料乙醇與車用乙醇汽油[M].北京:中國石化出版社,2004. [2] 張君濤.粱生榮.陳志東.馮霄.國內(nèi)外混合代用燃料的研究進展［J］.現(xiàn)代化 .2005.7. [3] 高海洋.內(nèi)燃機代用燃料簡介[J].河北工業(yè)大學學報2000，4期7-18. [4] 程勇,王建昕,慶人雋.清潔燃料生產(chǎn)技術[J].內(nèi)燃機學報,2002,20(1):62—68. [5] 邊耀章.醇類燃料在發(fā)動機上的應用[J].汽車實用技術.2003.3． [6] 周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999,219—230. [7] 王偉華,金啟前,曾小華,等.燃料乙醇與中國[M].經(jīng)濟科學出版社, 2005. [8] 胡鐵剛,劉圣華,梁小強.內(nèi)燃機的代用燃料[J].內(nèi)燃機學報,2007,25(3):235—240. [9] 何邦全.王建昕.郝吉明.閏小光.乙醇汽油的應用［M］.煉油設計.2002. [10] 劉圣華.汽油醇混合燃料發(fā)動機經(jīng)濟性研究[J].北京:天津大學學報,1999.40-55. [11] 蔣德明.汽車發(fā)動機構造與原理[M].西安:西安交通大學出版社,2001. [12] 錢葉劍,張永光.車用乙醇汽油對電噴汽油機性能影響的實驗研究[J].內(nèi)燃機學報，2006，24(4)：320-325. [13] 劉圣華,李暉,呂勝春,等.乙醇汽油發(fā)動機排放特性研究[J].西安交通大學學報,2006,40(7):745-447,775. [14] David Kim Irick. Application of fuel ethanol in Brazil. Knoxville：A dissertation Presented for the Doctor of Philosophy Degree of The University of Tennessee，1997． [15] Brent Bailey ,Chris Colucci. Unconventional fuel ethanol emissions study. Renewable Energy，1997，10（2/3）：273-278. 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 SY-025-BY-4 畢業(yè)設計（論文）指導記錄 日期 地點 指導方式 指導記錄 （指導內(nèi)容、存在問題及解決思路） 學生（記錄人）簽名： 指導教師簽名： 日期 地點 指導方式 指導記錄 （指導內(nèi)容、存在問題及解決思路） 學生（記錄人）簽名： 指導教師簽名： 日期 地點 指導方式 指導記錄 （指導內(nèi)容、存在問題及解決思路） 學生（記錄人）簽名： 指導教師簽名： SY-025-BY-5 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 填表日期 2009年4月27日 迄今已進行 8 周剩余 8 周 學生姓名 許洋 系部 汽車工程 專業(yè)、班級 車輛工程B05-16班 指導教師姓名 朱榮福 職稱 助教 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 學 生 填 寫 畢業(yè)設計（論文）工作進度 已完成主要內(nèi)容 待完成主要內(nèi)容 （1）調(diào)研，資料收集，完成開題報告； （2）分析搜集到相關資料 （3）完成了對部分數(shù)據(jù)的讀取工作； （4）論文主體框架基本完成。 （1）完成剩余的數(shù)據(jù)讀取 （2）進行燃料乙醇的數(shù)據(jù)對比 （3）完成論文主要部分和非常規(guī)排放部分； （4）畢業(yè)設計答辯準備及答辯。 存在問題及努力方向 相關數(shù)據(jù)沒有全面采集，論文燃料乙醇和純汽油的性能對比部分滯后，需要盡快完成數(shù)據(jù)的讀取工作。 學生簽字： 指導教師 意 見 指導教師簽字： 年 月 日 教研室 意 見 教研室主任簽字： 年 月 日 SY-025-BY-6 畢業(yè)論文指導教師評分表 學生姓名 許洋 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程、B05-16 指導教師姓名 朱榮福 職稱 助教 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；選題的理論意義或?qū)嶋H價值 10 3 查閱文獻資料能力；綜合運用知識能力 15 4 研究方案的設計能力；研究方法和手段的運用能力；外文應用能力 25 5 文題相符程度；寫作水平 15 6 寫作規(guī)范性；篇幅；成果的理論或?qū)嶋H價值；創(chuàng)新性 15 7 科學素養(yǎng)、學習態(tài)度、紀律表現(xiàn)；畢業(yè)論文進度 10 得 分 X= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　 指導教師簽字： 年 月 日 SY-025-BY-7 畢業(yè)論文評閱人評分表 學生 姓名 許洋 專業(yè) 班級 B05-16 指導教 師姓名 朱榮福 職稱 助教 題目 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究　 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 15 2 題目工作量；選題的理論意義或?qū)嶋H價值 10 3 查閱文獻資料能力；綜合運用知識能力 20 4 研究方案的設計能力；研究方法和手段的運用能力；外文應用能力 25 5 文題相符程度；寫作水平 15 6 寫作規(guī)范性；篇幅；成果的理論或?qū)嶋H價值；創(chuàng)新性 15 得 分 Y= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　 　 　 　 　 　 　 　　 　 　 　 　 　 評閱人簽字： 年 月 日 SY-025-BY-8 畢業(yè)論文答辯評分表 學生 姓名 許洋 專業(yè) 班級 B05-16 指導 教師 朱榮福 職 稱 助教 題目 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 答辯 時間 月 日 時 答辯組 成員姓名 出席 人數(shù) 序號 評 審 指 標 滿 分 得 分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況，題目難易度、工作量、理論意義或價值 10 2 研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力、綜合運用知識的能力、應用文獻資料和外文的能力 20 3 論文撰寫水平、文題相符程度、寫作規(guī)范化程度、篇幅、成果的理論或?qū)嶋H價值、創(chuàng)新性 15 4 畢業(yè)論文答辯準備情況 5 5 畢業(yè)論文自述情況 20 6 畢業(yè)論文答辯回答問題情況 30 總 分 Z= 答辯過程記錄、評語： 　 　 　 　 　 　 　 　 　 答辯組長簽字： 年 月 日 SY-025-BY-9 畢業(yè)設計（論文）成績評定表 學生姓名 許洋 性別 男 系部 汽車工程系 專業(yè) 車輛工程 班級 B05-16 設計（論文）題目 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 指導教師姓名 朱榮福 職稱 助教 指導教師 評分（X） 評閱教師姓名 職稱 評閱教師 評分（Y） 答辯組組長 職稱 答辯組 評分（Z） 畢業(yè)設計（論文）成績 百分制 五級分制 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 注：1、指導教師、評閱教師、答辯組評分按百分制填寫，畢業(yè)設計（論文）成績百分制=0.3X+0.2Y+0.5Z 2、評語中應當包括學生畢業(yè)設計（論文）選題質(zhì)量、能力水平、設計（論文）水平、設計（論文）撰寫質(zhì)量、學生在畢業(yè)設計（論文）實施或?qū)懽鬟^程中的學習態(tài)度及學生答辯情況等內(nèi)容的評價。 SY-025-BY-10 優(yōu)秀畢業(yè)設計（論文）推薦表 題 目 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 類別 論文 學生姓名 許洋 系、專業(yè)、班級 汽車工程系、車輛工程、B05-16 指導教師 朱榮福 職 稱 助教 設計成果明細： 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 備 注： 注：“類別”欄填寫畢業(yè)論文或畢業(yè)設計 本科學生畢業(yè)論文 車用乙醇汽油發(fā)動機性能研究 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級： 車輛工程 B05-16班 學生姓名： 許 洋 指導教師： 朱榮福 職 稱： 助 教 黑 龍 江 工 程 學 院 二○○九年六月 The Graduation Thesis for Bachelor's Degree Study on Performance of Ethanol-gasoline Engine Candidate：Xu Yang Specialty： Vehicle Engineering Class：B05-16 Supervisor：Assistant. Zhu Rongfu Heilongjiang Institute of Technology 2009-06·Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 摘 要 我國是能源消耗的大國，發(fā)展乙醇在我國具有廣闊前景。對乙醇汽油雙燃料發(fā)動機性能的研究也是很有現(xiàn)實意義的。能源結構中低效、高污染能源占相當比重，高效清潔能源所占比例很小，這樣的結構不僅造成能源的大量浪費，而且對環(huán)境造成很大污染，偏離了世界能源結構發(fā)展趨勢的主流。今后我國應加速優(yōu)化能源結構，增加清潔能源和新能源的比重。 本論文是在給定實驗數(shù)據(jù)的情況下結合以往相關實驗數(shù)據(jù)，對比研究了汽油機燃用乙醇汽油對發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和排放性,并對非常規(guī)排放進行了研究。研究表明,在部分負荷下,汽油機的功率和轉(zhuǎn)矩都有所降低,但在全負荷時發(fā)動機的輸出功率不變；燃油消耗率會增加5%～10%,發(fā)動機的經(jīng)濟區(qū)范圍變窄。在燃料乙醇非常規(guī)排放方面，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機燃用汽油、柴油或醇燃料時,排氣中都會產(chǎn)生醛類排放物,隨著混合燃料中的醇含量增加,排氣中醛類排放物也相應增加,汽油的甲醛排放要高于柴油；同一種燃料進行測試時,甲醛排放隨著功率的增加呈先增大后減小的趨勢；雙三元催化轉(zhuǎn)化器對甲醛有一定的催化作用。 關鍵詞：乙醇；清潔能源；替代能源；非常規(guī)排放；動力性 ABSTRACT Energy consumption in China is a big country, the development of ethanol has broad prospects in China. Of ethanol gasoline dual-fuel engine is also useful properties of practical significance. Inefficient energy structure, high-energy account for a significant proportion of the pollution, the proportion of clean energy efficient is very small, the structure of such a large number of not only a waste of energy, but also cause great pollution to the environment, a departure from the development trend of world energy structure of the mainstream. The future, China should accelerate the optimization of energy structure, clean energy and increase the proportion of new energy sources. This paper is the experimental data in a given combination of the past circumstances related to the experimental data, comparative study of the gasoline engine fueled with ethanol gasoline on the engine of economy, power and emissions, and emissions of non-conventional research. Studies have shown that in some of the load, the gasoline engine power and torque are reduced, but in the full load output power when the engine has remained unchanged; fuel consumption rate will increase 5% ~ 10%, engine narrowing the scope of the economic zone. Non-fuel ethanol in the emissions and found that the engine fueled with gasoline, diesel or alcohol fuels, exhaust emissions will have aldehydes, with the mixed fuel to increase the alcohol content, the exhaust emissions of aldehydes is also a corresponding increase in gasoline formaldehyde emissions than diesel fuel; with a test fuel, formaldehyde emissions increase as power was first increased and then decreased trend; dual three-way catalytic converter to a certain degree of catalytic effect of formaldehyde. Key words：Ethanol;Clean Energy; Alternative Energy; Emissions Of Non-conventional; Dynamic II 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 概述 1 1.2燃料乙醇研究發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.1國外發(fā)展概況 2 1.2.2國內(nèi)發(fā)展概況 3 1.3推廣乙醇汽油的意義 3 1.4本論文研究的目的與內(nèi)容 4 1.4.1論文研究目的 4 1.4.2論文研究內(nèi)容 4 第2章 乙醇汽油理化特性研究 5 2.1燃料乙醇的理化特性 5 2.2汽油的理化特性 6 2.3 燃料乙醇與汽油理化特性的比較 7 2.4 乙醇燃料汽油與無鉛汽油對比的優(yōu)勢 8 2.5 本章小結 9 第3章 乙醇汽油發(fā)動機性能研究 10 3.1 相關實驗臺設備 10 3.1.1 實驗用汽油機 10 3.1.2 測試系統(tǒng) 10 3.1.3 FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng) 11 3.1.4 FC2210z油耗儀 12 3.1.5 FC2030大屏幕顯示器 13 3.1.6 CW160圓柱感應式電渦流測功機 14 3.1.7 FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 16 3.1.8 AVL i60智能排放儀 16 3.1.9 實驗臺組成框架簡介 16 3.2乙醇汽油的摻比方案 16 3.3混合燃料的配置 17 3.4 汽車動力性能及燃油經(jīng)濟性 18 3.5車用乙醇汽油性能研究示例 20 3.6 對汽油機相關性能的影響 20 3.6.1汽油機動力性 21 3.6.2汽油機燃油經(jīng)濟性 24 3.6.3乙醇汽油發(fā)動機排放性能 26 3.7 乙醇對發(fā)動機其他性能的影響 28 3.8 本章小結 29 第4章 乙醇汽油在應用中的非常規(guī)排放特性 30 4.1 燃料乙醇現(xiàn)階段排放檢測方法及狀況 30 4.2 燃料乙醇非常規(guī)排放中的物質(zhì) 31 4.3 甲醛的基本性能與生成機理 31 4.4 不同燃料產(chǎn)生甲醛的對比 31 4.5本章小結 34 結論 35 參考文獻 36 致謝 37 附錄A 38 附錄B 43 46 第１章 緒 論 1.1 概述 地球上能源種類很多，總體上可分為可再生能源和不可再生能源。可再生能源包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、水能及由可再生資源衍生出來的生物燃料等；不可再生能源包括石油、天然氣、煤炭、核能等。目前消耗量最大的是石油、煤炭和天然氣這些不可再生能源，由于其儲量有限并且已經(jīng)逐漸枯竭，造成世界各國普遍存在能源問題。 我國是能源消耗的大國，占世界一次能源（以石油、天然氣、核電和煤炭等優(yōu)質(zhì)能源為主）需求總量的10%以上。而能源以煤炭消費（約占75%）為主，石油約占17%。能源結構中低效、高污染能源占相當比重，高效清潔能源所占比例很小，這樣的結構不僅造成能源的大量浪費，而且對環(huán)境造成很大污染，偏離了世界能源結構發(fā)展趨勢的主流。今后我國應加速優(yōu)化能源結構，增加清潔能源和新能源的比重。 由于受油氣資源短缺的影響，我國石油對外依存度增加。自1993年以來，已經(jīng)連續(xù)多年成為石油凈進口國，進口量急劇上升。特別是近期經(jīng)濟一直強勁增長，按照目前的增長速度計算，對進口石油的依賴程度將越來越大，石油產(chǎn)品總體供應形勢日趨緊張。如果不及時發(fā)展可代替能源，我國將面臨石油供應問題而導致的各種危機，影響國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。為了減少對化石能源供應的依賴性，我們需要大力發(fā)展新能源和可再生能源，以保障我國能源安全。燃料乙醇是現(xiàn)在階段最能體現(xiàn)優(yōu)勢的一種新能源，大力推廣乙醇汽油等燃料的應用，對現(xiàn)階段燃料需求和未來的資源可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義[1]。 1.2燃料乙醇研究發(fā)展現(xiàn)狀 乙醇的生產(chǎn)方法，有以生物質(zhì)為原料的發(fā)酵法和以石化產(chǎn)品為原料的化學合成法。20世紀50年代以前，乙醇主要依靠生物發(fā)酵法生產(chǎn)，所用原料可以是淀粉質(zhì)、糖蜜、纖維原料等。普通乙醇生產(chǎn)在我國古代就已開始，是迄今為止生產(chǎn)最成熟、經(jīng)驗最豐富、歷史最悠久的可再生能源。50年代以后，隨著世界石油化工的迅速發(fā)展，乙烯經(jīng)加溫加壓水合就能生成乙醇，這種方法在石化工業(yè)發(fā)達的國家發(fā)展很快?；瘜W合成法的生產(chǎn)過程雖然簡單，但受原料來源的限制，隨著1976年第一次世界范圍內(nèi)“石油危機”的發(fā)生，使合成乙醇的發(fā)展受挫。世界上除美國有少量合成乙醇生產(chǎn)外，其他國家都沒有大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。 燃料乙醇作為一種工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的能源，和以往小規(guī)模、食用型的乙醇生產(chǎn)并不完全相同。燃料乙醇產(chǎn)生于20世紀初葉，后因石油的大規(guī)模、低成本開發(fā)以及其經(jīng)濟性較差而被淘汰。如今，為了減輕對石油的依賴，人們都在尋找可再生能源。由于乙醇進人燃料市場有重大的發(fā)展?jié)搫?，引起了世界性的重視，因此發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)展動力大大加強。同時農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，造成糧食相對過剩，這一切都使燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的重新崛起、迅速發(fā)展成為必然。 1.2.1國外發(fā)展概況 燃料乙醇被認為是替代和節(jié)約汽油的最佳燃料之一，能和汽油以一定比例混配成一種車用燃料。這項技術在國外已十分成熟，具有價廉、清潔、安全、環(huán)保、可再生等優(yōu)點。燃料乙醇的發(fā)展與國際原油供應情況息息相關。 在燃料乙醇的生產(chǎn)、推廣和使用方面，美國和巴西走在了世界的前列，兩國產(chǎn)量的總和占全球總量的66%。我國2002年乙醇產(chǎn)量為213萬噸，僅次于美國及巴西。燃料乙醇的成本隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大、生產(chǎn)技術和綜合利用能力的提高而不斷下降。目前使用車用乙醇汽油的國家主要是美國和巴西，歐盟自20世紀90年代初也開始生產(chǎn)、使用車用乙醇汽油。 美國是世界上燃料乙醇的主要生產(chǎn)國。主要以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇，所耗玉米占全美玉米總產(chǎn)量的7%～8%。早在20世紀30年代，美國就已開展了燃料乙醇的研究及應用工作。2001年1月，美國參議院審議并通過了在2004年禁止使用MTBE的決議。此舉必定對美國乃至全世界的煉油及MTBE（甲基叔丁基醚，一種汽油添加劑常用于無鉛汽油和低鉛油的調(diào)合），乙醇的生產(chǎn)和使用產(chǎn)生深遠的影響。據(jù)美國可再生能源協(xié)會預測，全面禁止MTBE使用，將極大地刺激車用乙醇汽油的需求增長。目前，作為汽油的氧化添加劑，美國每年至少需要440萬噸的乙醇和1263萬噸的MTBE。若全部取代MTBE，則每年需要664萬噸的乙醇，這無疑是一個巨大的乙醇市場。 按照最近美國國會提議的立法，要求大力發(fā)展乙醇工業(yè)，今后15年乙醇的使用將翻三番。為了進一步降低生產(chǎn)成本，美國能源部大力支持纖維素乙醇中試及產(chǎn)業(yè)化攻關項目，目的是利用木材、稻草、玉米稈等纖維素廢料生產(chǎn)燃料乙醇。美國政府實施燃料乙醇政策以來，給國家經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、貿(mào)易、人民生活等多方面帶來了極大的益處，促進了美國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，改善了環(huán)境，減少了原油進口，為社會提供了大量的就業(yè)機會。 巴西政府大力發(fā)展燃料乙醇行動計劃始于1975年，原因有三：第一從國家能源安全和經(jīng)濟發(fā)展考慮，當時巴西80%的燃料依賴進口，國家的能源安全不能保證；第二是為了促進國內(nèi)農(nóng)業(yè)、種植業(yè)的發(fā)展和保護農(nóng)民利益，巴西是一個農(nóng)業(yè)大國，擁有全世界最大的甘蔗種植區(qū)；第三是為本國發(fā)展綠色可再生能源創(chuàng)出新路和保護環(huán)境。 目前，巴西年產(chǎn)乙醇1200萬噸左右，高居世界首位，是世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)和消費國。巴西每年消耗燃料乙醇的數(shù)量已占到每年消耗車用汽油的33%，約40%的小汽車完全以乙醇做燃料，其余則以22%的燃料乙醇和78%的車用汽油的混合物作為燃料。每年有470萬噸無水乙醇、480萬噸含水乙醇用于車中，在全巴西2. 6萬個加油站有燃料乙醇銷售。 巴西是世界上唯一不使用純汽油作為汽車燃料的國家。汽油發(fā)動機車輛均使用乙醇汽油。現(xiàn)在，巴西共有約370萬輛以乙醇為燃料的專用汽車。燃料乙醇計劃的實施，給巴西帶來了三大收益：一是形成了獨立的經(jīng)濟能源運行系統(tǒng)；二是刺激了農(nóng)業(yè)和乙醇相關行業(yè)的發(fā)展；三是大氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境顯著改善[2]。 1.2.2國內(nèi)發(fā)展概況 我國燃料乙醇的使用始于抗戰(zhàn)時期，當時汽油緊缺，就用發(fā)酵乙醇部分或全部替代。后由于汽油價格的優(yōu)勢，燃料乙醇退出能源領域。國內(nèi)再次開展燃料乙醇的研究及應用工作始于20世紀80年代至今。 我國是能源消耗大國，同時也是農(nóng)業(yè)大國。近年來，隨著科技的發(fā)展，農(nóng)副產(chǎn)品連年豐收，如果能將糧食適當轉(zhuǎn)化為工業(yè)燃料，對緩解農(nóng)民賣糧難和調(diào)節(jié)國家糧食儲備有利，同時也是對傳統(tǒng)能源的補充，起到改善能源結構的作用。目前我國每年汽油消費已超過3500萬噸、柴油6200萬噸，若有20%的汽油、柴油是含有15%乙醇的汽油、柴油，每年將消費290萬噸乙醇，可轉(zhuǎn)化900萬噸糧食。若全部汽油、柴油是含有15%乙醇的汽油、柴油，每年將消費1455萬噸乙醇，可轉(zhuǎn)化4500萬噸糧食，同時還產(chǎn)出約1500萬噸DDGS（是酒糟蛋白飼料的商品名，即含有可溶固形物的干酒糟）飼料。所以發(fā)展燃料乙醇對農(nóng)業(yè)、酒精行業(yè)、副產(chǎn)品加工業(yè)以及國家能源安全等方面具有深遠的意義。目前，我國已經(jīng)開始了燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的建設。正在全國范圍內(nèi)逐步推廣使用車用乙醇汽油，使其在兩三年內(nèi)占到市場份額的25%～30%。 1.3推廣乙醇汽油的意義 減少石油需求、保障國家能源安全。石油作為礦物能源，不可再生，從國家能源戰(zhàn)略出發(fā)，須加快替代能源，特別是可再生能源的開發(fā)，以減少對石油的依賴。因此，利用我國部分糧食主產(chǎn)區(qū)相對過剩的糧食資源，然后加工轉(zhuǎn)化成燃料乙醇，燃料乙醇以10%的比例添加到汽油中，可以減少對石油的需求，進而減輕對石油的依賴。 改善城市大氣環(huán)境，提高人民生活質(zhì)量。國大部分城市污染程度嚴重。在47個全國環(huán)境保護重點城市中，有2／3空氣質(zhì)量不達標。隨著城市調(diào)整能源結構、使用優(yōu)質(zhì)煤碳和工業(yè)污染源綜合治理的深人開展，機動車尾氣污染問題已日顯突出，人口和交通高度集中的大城市尤其嚴重。汽油中加入一定量的燃料乙醇后，含氧量增加，辛烷值提高，從而可降低汽車尾氣中有害氣體的排放。 1．4本論文研究的目的與內(nèi)容 1.4.1論文研究目的 針對國際原油供應趨緊和價位偏高的狀況，發(fā)展可再生生物車用燃料潛力很大，以及我國油品消費需求快速增長的市場前景廣闊。乙醇汽油作為新型清潔燃料，是目前世界上可再生能源的發(fā)展重點，在我國完全適用；符合我國能源替代戰(zhàn)略和可再生能源發(fā)展方向，改善了油品的性能和質(zhì)量，技術上成熟安全可靠。 1.4.2論文研究內(nèi)容 本論文從乙醇汽油應用在汽油發(fā)動機的應用上入手，從動力性、經(jīng)濟性和排放特性三方面來闡述燃料乙醇在汽油發(fā)動機上應用的優(yōu)勢。分析現(xiàn)階段燃料乙醇發(fā)展形勢并且探討性說明燃料乙醇的非常規(guī)性排放特性對燃料乙醇有更深入了解燃料乙醇的特性。  第２章 乙醇汽油理化特性研究 2.1燃料乙醇的理化特性 21世紀人類面臨可持續(xù)發(fā)展的問題，對能源的需求就要多元化。所以各種代用燃料的研究很有必要。中國國家計委產(chǎn)業(yè)發(fā)展司司長談到“今后能源的多元化是一個趨勢，不是誰代替誰，而是各自根據(jù)它的經(jīng)濟性和技術性的替及程度，各有各的角色，共同承擔國民經(jīng)濟發(fā)展和老百姓生活需要的能源供給?！?目前，LPG、氫氣、NG、醇類（主要是甲醇和乙醇）等代用燃料，它們的生產(chǎn)成本、理化性能、對內(nèi)燃機排放的改善情況各有不同。因在選擇代用燃料時要綜合考慮國家資源情況、工業(yè)發(fā)展水平、生產(chǎn)代用燃料的技術及效益，熱機的適應性及發(fā)展趨勢、環(huán)境保護等。 表2.1 各燃料特性對比 名稱 汽油 甲醇 乙醇 天然氣 丙醇 化學方程式 C8H18 CH3OH C2H5OH CH4 C3H8 十六烷值 0～8 3 8 —— —— 辛烷值（RON/MON） /80～90 114/95 114/94 /120 110/95 低熱值（MJ/Kg） 43.93 19.92 26.78 55.54/50.05 50.38/46.39 燃料乙醇作為一種清潔能源，是指向汽油或柴油中加入一定比例的無水乙醇作為燃料使用。乙醇又名酒精，是由碳、氫、氧3種元素組成的有機化合物，結構式是C2 H5 OH，相對分子質(zhì)量為46，是一種無色透明、易揮發(fā)、易燃燒的液體。燃料乙醇具有良好的互溶性，燃燒性能與礦物燃料相似，能夠完全燃燒，不會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，可直接用作液體燃料或與其他液體燃料混合使用，減少對不可再生資源的消耗。 燃料乙醇的理化性質(zhì)接近于汽油，易與汽油以一定比例混溶形成混合燃料，具體特性見表2.1。燃料乙醇辛烷值高，通常煉油廠所產(chǎn)汽油的辛烷值為88～90，而車用汽油的辛烷值一般要求為90或93，向汽油中添加燃料乙醇，由于其辛烷值為112.5，可提高汽油的抗爆性能，清潔汽車引擎，減少機油替換。目前我國已禁止使用含鉛汽油，一般通過添加MTBE來提高汽油辛烷值，而乙醇的辛烷值也高于MTBE，所以添加乙醇，會明顯提高汽油的辛烷值。用燃料乙醇替代MTBE、ETBE（乙基叔丁基醚），可避免對地下水造成污染。另外燃料乙醇價格低，經(jīng)濟性好。在新標準汽油中，乙醇還可以有效降低烯烴、芳烴含量，降低煉油廠的改造費用[3]。 燃料乙醇可作為基礎增氧劑，改善燃燒，降低有害物質(zhì)的生成，能有效降低汽車尾氣的排放。從乙醇的結構式可以看出，乙醇含有2個碳原子，含有1個氧原子，在燃燒時，有自供氧作用，與不含氧原子而碳原子又多得多的石化燃料相比，燃燒充分，排放物中有害物質(zhì)較少，能減少機動車對空氣的污染，達到節(jié)能和環(huán)保的目的。根據(jù)美國和加拿大等國的檢測，在汽車中使用添加乙醇的汽油，所排放的臭氧會大大減少，減少了臭氧所造成的危害，對大氣的污染會明顯減輕，汽車尾氣的成分變化如表2.2所示。 表2.2 車用汽油添加一定量乙醇后得到的檢測結果 汽油添加乙醇E10后檢測結果 減少百分率（%） CO含量 碳氫化合物 CO2 SO2 NOX 減少20～50 減少15～40 基本無區(qū)別 —— 減少0～15 更重要的是燃料乙醇是太陽能的一種表現(xiàn)形勢，在自然界系統(tǒng)中，燃料乙醇的整個生產(chǎn)和消費過程可形成CO2的閉合循環(huán)過程。對維持地球溫室氣體的平衡，將會起到積極作用。燃料乙醇也存在不利方面。由于乙醇分子與水分子之間易形成氫鍵，當乙醇和汽油溶解體系中含有足量的水時，由于水分子形成氫鍵的能力比乙醇強，水分子和乙醇分子以氫鍵方式相互締合，形成復雜的締合體。該締合體足夠大時，因表面張力作用收縮形成微小的液滴，液滴繼續(xù)生長，依靠兩相間的密度差慢慢地沉入容器底部，最終導致汽油和乙醇分層。因此要求乙醇汽油組分油中絕對不能含水[4]。 2.2汽油的理化特性 目前，汽油和柴油燃料是廣泛使用的內(nèi)燃機燃料。石油燃料燃燒后排出的廢氣成為大氣的主要污染源。這些物質(zhì)不僅污染大氣，還會導致酸雨、光化學煙霧和臭氧層破壞等環(huán)境問題。為此，各國制定了大氣清潔法等法規(guī)，對汽油、柴油規(guī)格不斷提出新的要求，降低汽油、柴油的芳烴及柴油的硫含量等。實現(xiàn)內(nèi)燃機燃料的清潔化發(fā)展，主要途徑：改善現(xiàn)用燃料性能，使其成為清潔燃料；開發(fā)清潔的汽油與柴油代用燃料。 汽油質(zhì)量的發(fā)展大致可分為：含鉛汽油→低鉛汽油→無鉛汽油→新配方汽油（也稱“清潔燃料” ）→世界燃料規(guī)范等幾個階段。我國汽油規(guī)格的改進經(jīng)過了兩個階段：汽油牌號升級及汽油無鉛化。從2000年7月1日全國實現(xiàn)汽油無鉛化。 目前美國市場銷售的汽油有：常規(guī)汽油、含氧化物汽油、新配方汽油、乙醇汽油。其中含氧化物汽油是一種加入了富氧化合物，如加人MTBE、乙醇的常規(guī)燃料，氧化物能促進清潔燃燒，減少CO排放。新配方汽油（RFG）是調(diào)整了成品發(fā)動機汽油配方、組成和性質(zhì)，以滿足美國環(huán)保局（EPA）根據(jù)清潔空氣法211款制定的新配方汽油法規(guī)。含氧汽油和新配方汽油屬于清潔汽油。 汽油為復雜烴類（碳原子數(shù)約4～12）的混合物。無色至淡黃色的易流動液體。沸點范圍約初餾點30℃至205℃，空氣中含量為74～123g/m3時遇火爆炸。主要組分是四碳至十二碳烴類,易燃。汽油的熱值約為44000kJ/kg。燃料的熱值是指1kg燃料完全燃燒后所產(chǎn)生的熱量,由石油分餾或重質(zhì)餾分裂化制得。原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、加氫裂化、催化重整等過程都產(chǎn)生汽油組分，但從原油蒸餾裝置直接生產(chǎn)的直餾汽油，不單獨作為發(fā)動機燃料，而是將其精制、調(diào)配，有時還加入添加劑（如抗爆劑四乙基鉛）以制得商品汽油。 用量最大的輕質(zhì)石油產(chǎn)品之一，是引擎的一種重要燃料。根據(jù)制造過程可分為直餾汽油、熱裂化汽油、催化裂化汽油、重整汽油、焦化汽油、疊合汽油、加氫裂化汽油、裂解汽油和烷基化汽油、合成汽油等。根據(jù)用途可分為航空汽油、車用汽油、溶劑汽油等三大類。主要用作汽油機的燃料。廣泛用于汽車、摩托車、快艇、直升飛機、農(nóng)林業(yè)用飛機等。溶劑汽油則用于橡膠、油漆、油脂、香料等工業(yè)。汽油還可以溶解油污等水無法溶解的物質(zhì)，可以起到清潔油污的作用。 汽油作為有機溶液，還可以做為萃取劑使用，目前作為萃取劑最廣泛的應用為國內(nèi)大豆油主流生產(chǎn)技術：浸出油技術。浸出油技術操作方法為將大豆在6號輕汽油中浸泡后再榨取油脂，然后經(jīng)過一系列加工過后形成大豆食用油[5]。 2.3 燃料乙醇與汽油理化特性的比較 內(nèi)燃機燃用的石油燃料（汽油、柴油等）是烴類燃料，而醇類是烴基和羥基組成的化合物。這就從化學性質(zhì)上決定了醇類可以作為內(nèi)燃機的代用燃料。從分子組成上來看，乙醇的分子式為C2H5OH ，含有2 個碳原子、6 個氫原子和1 個氧原子；而汽油則是碳原子為5～11的液態(tài)烴類混合物，不含氧元素。乙醇和汽油在自身的物理化學性質(zhì)上，有相似的地方，也有不同的地方。乙醇與汽油的理化性質(zhì)差異主要表現(xiàn)在： （1）密度乙醇的密度比甲醇小，但略大于汽油，而低于柴油。 （2）汽化熱 ①乙醇的汽化熱低于甲醇的汽化熱。正構烷基醇常壓汽化熱隨其分子中所含碳原子數(shù)的增加而迅速減小。②乙醇的汽化熱高于汽油和柴油的汽化熱，但溫度愈高，它們之間的差別愈小。乙醇的汽化熱高，當內(nèi)燃機燃用乙醇時，其進氣系統(tǒng)或供油系統(tǒng)和燃燒室壁面的熱量，被乙醇所吸收，這有利于提高發(fā)動機的熱效率。③乙醇的汽化熱隨溫度的升高而下降，而且，溫度愈高，下降的速度愈快。汽油與柴油的汽化熱隨溫度的變化遠較乙醇變化緩和。 （3）豁度乙醇的薪度高于甲醇和汽油，而低于柴油，這對于采用噴射方式供乙醇到內(nèi)燃機燃燒室是有利的，其破碎和霧化的程度會好于柴油。 （4）辛烷值乙醇的辛烷值與甲醇接近，遠高于汽油和柴油，因而乙醇是高辛烷值汽油的調(diào)和劑。汽油中加人一定量乙醇或甲醇，調(diào)和后的溶液辛烷值高于汽油本身的辛烷值，也明顯高于甲醇和乙醇本身的辛烷值。正因為這個特點，乙醇比較適合作為汽油機的代用燃料，也適宜于作為外源點火式乙醇發(fā)動機燃料。充分利用這一特點，提高壓縮比，噴射式供乙醇，汽油機燃用純乙醇的效率更高。 （5）蒸氣壓液體的蒸氣壓與溫度有關系。隨著溫度的升高，乙醇、甲醇、汽油與柴油的蒸氣壓均相應升高，且升高趨勢亦大致相仿。在相同的溫度下，乙醇的蒸氣壓遠低于汽油的蒸氣壓，與甲醇的蒸氣壓相近，并高于柴油（nc=10～30）的蒸氣壓。其中，冬用汽油的蒸氣壓又高于夏用汽油的蒸氣壓；甲醇與乙醇的蒸氣壓介于汽油與柴油相應值之間。甲醇、乙醇、汽油、柴油幾項基本物理特性的比較見表2.3 [6]。 表2.3 甲醇、乙醇、汽油、柴油幾項基本物理特性的比較 項目 密度（20℃）/（kg/L） 沸點/℃ 汽化熱/（kJ/kg） 液態(tài)黏度（20℃）/（Pa.s） 閃點/℃ 辛烷值RON 十六烷值CN 甲醇 0.792 64.5 1088 0.611 11～12 106～115 3～5 乙醇 0.7893 78.4 854 1.20 13～14 約110 8 汽油（C5～C12烴類） 0.72～0.78 40～210 310～340 0.28～0.59 -38～-45 80～98 5～25 柴油（C10～C21烴類） 0.82～0.86 180～370 250～300 3.0～8.0 65～88 約20 45～65 2.4 乙醇燃料汽油與無鉛汽油對比的優(yōu)勢 從現(xiàn)有資料和實際使用中看乙醇汽油具有以下優(yōu)勢： 1、乙醇可提高汽油的辛烷值。加入到汽油中以后，對汽油的辛烷值有比較大的影響。含無水乙醇10%的乙醇汽油的辛烷值大約增加3個單位，抗爆指數(shù)大約增加2個單位。乙醇辛烷值高（RON為111）可采用高壓縮比提高發(fā)動機的熱效率和動力性.加上其蒸發(fā)潛熱大,可提高發(fā)動機的進氣量,從而提高發(fā)動機的動力性。 2、燃料乙醇的加入，可使汽油的氧含量增加。含乙醇10%的乙醇汽油氧含量約為35.0%。國內(nèi)車用無鉛汽油普遍對氧含量有嚴格的限制，當前汽油氧含量一般要求不大于27.0%；但是對乙醇汽油的含氧沒有限制，只是要求乙醇汽油中不允許再添加其它含氧化合物（允許加入作為助溶劑的高級醇）。 3、有效防止積碳的形成減少故障。車用乙醇汽油中的乙醇具有自潔功能，不僅能有效防止燃油系統(tǒng)內(nèi)的積碳形成，保持油路暢通，減少為清洗疏通油路而需要購買其它添加劑的費用開支，而且有利于提高機動車的動力性能，減少機動車的故障率。 4、加入乙醇汽油降低汽車有毒尾氣排放。汽油中加入乙醇后燃燒性能將會有所改善，有利于環(huán)境保護，乙醇汽油可以有效的降低汽車尾氣中的有害物質(zhì)的排放量。 5、使用方便。乙醇常溫下為液體,操作容易,儲運使用方便,與傳統(tǒng)發(fā)動機技術有繼承性,特別是使用乙醇汽油混合燃料時,發(fā)動機結構變化不大。 6、資源豐富。我國生產(chǎn)乙醇的主要原料含有糖作物,含淀粉作物以及纖維類燃料,這些都是可再生資源且來源豐富,因而使用乙醇燃料可減少車輛對石油資源的依賴,有利于我國能源安全[7]。 2.5 本章小結 從以上對比可見，發(fā)展乙醇在我國具有廣闊前景。對乙醇汽油雙燃料發(fā)動機性能的研究也是很有現(xiàn)實意義的。我們的主要研究任務是一方面對燃燒過程進行分析，以達到認識燃燒特性，合理組織燃燒的目的。另一方面要達到降低排放的目的。 第３章 乙醇汽油發(fā)動機性能研究 3.1 相關實驗臺設備 3.1.1 實驗用汽油機 汽油機采用哈飛4G1系列發(fā)動機如圖3.1，該發(fā)動機動力表現(xiàn)優(yōu)異，采用單頂置凸輪軸4缸16氣門的4618型發(fā)動機，4618型發(fā)動機的排量為1.5升，壓縮比為9.5；最大功率為74.2KW/6000 r/min，最大扭矩為138N. m. 4G1系列發(fā)動機具有結構緊湊、排量適中、動力性好、安全性高、用途廣泛等特點，是經(jīng)濟型轎車的理想動力裝置，適合為家用轎車和多功能車配套。由于該產(chǎn)品采用4氣門多點電子噴射等科技含量較高的新技術，使其不但完全滿足我國新的排放法規(guī)的要求，而且達到了“歐洲3"和“歐洲4"排放標準。目前，主要為哈飛賽馬、賽豹和東南菱帥、菱利，比亞迪F3,眾泰2008等車型配套。 圖3.1 哈飛4G1系列發(fā)動機 3.1.2 測試系統(tǒng) 測試系統(tǒng)采用湖南湘儀動力測試儀器有限公司的配套測試設備，其中包括FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)、FC2210Z智能油耗儀、IC轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、DC1040發(fā)動機油溫由于乙醇燃料與汽油相比，熱值低、汽化潛熱大、十六烷值和粘度低，以及與石油燃料不易混溶等特點，要不經(jīng)變動、用現(xiàn)有的供油設備直接在內(nèi)燃機中燃用乙醇就能取得良好的效果，首先要采用一些較合適的摻比方案。調(diào)節(jié)器、FC2420發(fā)動機水溫調(diào)節(jié)器、南京中科電機有限公司W(wǎng)P225變頻調(diào)速電動機、CW160電渦流測功機等。 3.1.3 FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng) FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)如圖3.2在設計過程中吸取了奧地利AVL公司SUCK公司發(fā)動機自動測控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。測控儀采用數(shù)字增量電壓控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩且無擾動切換控制；液晶顯示測量參數(shù)，使測控儀的易操作性、及發(fā)動機轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩的控制穩(wěn)定性得到很大的提高。FC2000的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了國際流行的CAN現(xiàn)場總線通訊協(xié)議和模塊化設計技術；各種不同的傳感器輸出的信號，集中到CAN智能模塊調(diào)理成標準的數(shù)字信號，并通過總線網(wǎng)絡進行傳輸，可使多套測控系統(tǒng)組成局域網(wǎng)絡，便于集中管理。 圖3.2 FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng) FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)是為滿足發(fā)動機制造業(yè)中各種不同類型的柴油機、汽油機、天然氣、液化氣發(fā)動機性能試驗和出廠試驗而精心設計大型測控系統(tǒng)。它可與國內(nèi)外各種不同的水力、電渦流、電力測功機配套使用，用于控制和測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、燃油及燃氣消耗量、溫度、壓力、流量等各種不同類型的參數(shù)。 表3.1 FC2000系統(tǒng)基本配置表 FC2010C測控器 FC2110油門、勵磁驅(qū)動單元 FC2210智能油耗儀 測控、數(shù)據(jù)處理軟件 FC2310角行程油門執(zhí)行器 CW160電渦流測功機 FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 工業(yè)控制計算機或高檔PC機 PT100或Cu低溫傳感器 FC2030大屏幕顯示器 K或E型高溫傳感器 水溫油溫燃油溫度控制系統(tǒng) 主要特點： （1）采用先進的CAN現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，符合國際標準IS011898 （CAN）。 （2）具有簡化的網(wǎng)絡特性，并可使多套測控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)的功能擴展不需要重新布線，可就近接在原有的模塊上非接觸，無磨損的數(shù)字電位器給定方式。 （3）數(shù)字分段PID調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)速、負荷，保證控制的穩(wěn)定性。 （4）各種控制特性的無擾動切換。 （5）多種控制特性可滿足發(fā)動機試驗的要求。 （6）模塊化設計使結構簡化，具有無可比擬的可靠性和可維護性。 （7）數(shù)字密碼授權，保證了測控儀關鍵參數(shù)不能越權操作。 （8）越限三級報警（報警、保護、緊急停車）。 （9）功能齊全的軟件支持。 （10）各測量參數(shù)的數(shù)字化標定，取代了傳統(tǒng)的電位器標定。 （11）用戶可隨意編制線性化表格，以運用各種非線性輸出的傳感器。 技術指標： 1．轉(zhuǎn)速測量精度：士lr/min 2.轉(zhuǎn)速控制精度：士5r/min 3.扭矩測量精度：士0.4％F. S 4.扭矩控制精度：士0．4％F. S 5.油耗測量精度：士0.2％F. S 6.變換工況過渡時間：不大于los 3.1.4 FC2210z油耗儀 FC2210Z智能油耗儀如圖3.3是精心設計的FC2000系列發(fā)動機自動測控系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。主要用于測量各種汽油機，柴油機、電噴發(fā)動機的燃油消耗。FC2210Z智能油耗儀采用一體化設計技術，油耗測量和顯示儀表集于一體，可以獨立的完成發(fā)動機燃油消耗的測量。FC2210Z智能油耗儀采用先進的CANBUS現(xiàn)場總線技術，具有簡化的網(wǎng)絡特性，使多臺測試儀器聯(lián)網(wǎng)成為可能。同時保留了標準的RS232C串行接口，可方便的與通用微型計算機或其它智能儀表組成更高級的測試系統(tǒng)，或?qū)崿F(xiàn)遠程控制。FC2210Z智能油耗儀的稱重部分采用全密封設計，能在環(huán)境較惡劣的現(xiàn)場正常工作，即使在電磁閥完全失靈的情況下，燃油也不會溢出，保證使用的安全，特別適用于大回油量的發(fā)動機和電噴發(fā)動機。 圖3.3 FC2210Z智能油耗儀 FC2210Z智能油耗儀具有以下優(yōu)點： 采用一體化設計技術，傳感器和二次儀表集于一體，是一個獨立而完整的油耗測量儀器，并可根據(jù)用戶要求配置隔室控制儀表；采用先進的CANBUS現(xiàn)場總線技術，具有簡化的網(wǎng)絡特性，使多臺測試儀器聯(lián)網(wǎng)成為可能；保留了標準的RS232串行接口，可方便的與通用微型計算機或其他智能儀表組成更高級的測試系統(tǒng)，或?qū)崿F(xiàn)遠程控制；兼有平均油耗和瞬時油耗測量的雙重功能；平均油耗時間可任意設置，并有掉電保護功能；可以超量程測量；任何油面都可進入測量，而不必每次測量前先充油，減少了電磁閥動作次數(shù)，從而延長了電磁閥使用壽命；采用先進的數(shù)字標定技術，使儀器的標定十分方便而簡單；設有標定密碼，在無授權的情況下不能任意修改，保證參數(shù)的準確性；全密封設計，燃油不會溢出，保證使用的安全性。 3.1.5 FC2030大屏幕顯示器 FC2030大屏幕顯示屏是用于各種發(fā)動機測試現(xiàn)場，顯示扭矩（N.m），轉(zhuǎn)速（r/min），功率（kW），油耗率（g/Kw.h）或機油壓力（KPa）等主要測試參數(shù)的大型壁掛式顯示屏。通訊方式有CANBUS和標準的RS232串行兩種方式。 技術指標： （1）FC2030外形尺寸：1056 X 404mm，數(shù)碼管尺寸：4時 （2） FC2031外形尺寸：754 X 314mm數(shù)碼管尺寸：2時 （3）通訊接口：CANBUS或RS232 （4）電源：AC220V士22V （5）適用環(huán)境溫度：0-40℃ （6）適用環(huán)境濕度：≤85％ 3.1.6 CW160圓柱感應式電渦流測功機 CW160圓柱感應式電渦流測功機，如圖3.4是用來測量動力機械各種特性的試驗儀 器。本機適用于中、小型功率電機、汽車、內(nèi)燃機、燃氣輪機、水輪機、工程機械、林業(yè)、礦山、石油鉆采等機械的性能試驗，也可作為其它動力設備的吸功裝置。 圖3.4 CW160圓柱感應式電渦流測功機 主要特點： （1）結構簡單，操作維護方便。 （2）制動力矩大，測試精度高，工作穩(wěn)定。 （3）轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應速度快。 （4）與測控系統(tǒng)配套，可實現(xiàn)自動化操作。 技術指標： （1）最大勵磁電壓：CW6～CW16, DC 90V；CW25～CW40, DC 120V； （2）最大勵磁電流：CW6～CW16 3A; CW25～CW40 4A。 （3）冷卻水壓：0.04～0.1Mpao根據(jù)出水溫度調(diào)節(jié)水壓，當出水溫度升高時，適當加大水壓使出水溫度降低。 （4）冷卻水流量：冷卻水量取決于進水、出水的溫差和吸收功率的大小。 （5）測功機出水溫度：小于55℃。 （6）工作方向：左旋或右旋，連續(xù)工作。 （7）扭矩測量精度：士0.3％FS。 （8）轉(zhuǎn)速測量精度：士lr/min。 3.1.7 FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是為滿足工業(yè)自動化控制過程中對現(xiàn)場各種形式的傳感器進行信號轉(zhuǎn)換而精心設計的標準測控模塊。FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以單獨使用，也可以與FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)配套使用，成為一個子系統(tǒng)。FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計時采用了國際先進的CAN現(xiàn)場總線技術，其通訊協(xié)議符合國際標準IS011898（CAN），CAN現(xiàn)場總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps, CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鍵路層功能可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充，數(shù)據(jù)塊編碼，循環(huán)冗余檢驗，優(yōu)先識別等項工作。FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用一根雙絞線連結現(xiàn)場CAN智能模塊，因而現(xiàn)場的連線很少，當需要增加新的現(xiàn)場測量設備，可就近接在原有的CAN智能模塊上。由如下三部分組成：FC2021開關量輸入／輸出模塊，F(xiàn)C2022數(shù)據(jù)采集模塊，F(xiàn)C2023液晶顯示單元。 特點： （1）采用先進的CAN現(xiàn)場總線設計，符合國際標準工S011898 （CAN）； （2）具有簡化的網(wǎng)絡特性，多套測試系統(tǒng)可以連網(wǎng)； （3）系統(tǒng)的功能擴展不需要重新布線，可就近接在總線模塊上； （4）I／0通道可隨意擴展和調(diào)整，適應各種復雜多變的現(xiàn)場； （5）采用數(shù)字標定技術，使標定簡單，快捷； （6）線性化表格可編輯，適應各種非線性特性的傳感器； （7）高智能化，豐富的自檢，提示，和參數(shù)設置功能； （8）模塊化設計使結構簡化，可靠性提高，可維護性高； 3.1.8 AVL i60智能排放儀 AVL 公司生產(chǎn)的AMA I60雙路直采氣體排放分析系統(tǒng)配置滿足歐Ⅲ，具有擴展到歐洲Ⅳ號排放法規(guī)要求的排放濃度進行精確測試要求的能力。其組成主要包括樣氣處理單元、采樣單元和分析單元，可用于測量各種濃度范圍的CO、NOX、THC、O2、CH4、CO2等氣體排放。 AMA I60具有催化器前及催化器后測量管路分析單元，可用于催化器轉(zhuǎn)化效率試驗，其四條采樣管路，可滿足發(fā)動機臺架及整車臺架的共用需要。 AMA I60主要技術參數(shù) （1）根據(jù)標定氣體的實際值，測量誤差必須不超過1% F.S； （2）濃度小于100ppm時，測量誤差必須不超過±1ppm； 3.1.9 實驗臺組成框架簡介 實驗臺架是由多種設備組成的其中主要包括儲油箱、油泵、排放儀、汽油機、油耗儀、PC機、溫度傳感器等，具體組成連接圖如圖3.5實驗臺裝置示意圖。 排放儀 油泵 儲油箱 汽油機 鼓風機 油耗儀 溫度傳感器 測功機 油門控制儀 測試實驗臺 PC機 圖3.5實驗臺裝置示意圖 3.2乙醇汽油的摻比方案 在發(fā)動機中摻比醇燃料的多少，通常用醇燃料在總?cè)剂狭恐兴嫉娜莘e百分比（vol%）或重量百分比（wt%）表示。而且，如甲醇占10%則以M10；乙醇占5%則以E5表示。 確定發(fā)動機中摻比多少醇及采用什么摻比方式較好時，要考慮如下幾點: （l） 目前生成的汽車發(fā)動機等能否適應，如不適應，結構需要變動的程度及投資情況； （2） 發(fā)動機的動力性能、燃油經(jīng)濟性及排放特性； （3） 車輛的冷起動性能及熱驅(qū)動性能； （4） 在石油燃料供應不能保證時，能否迅速方便地由燒純石油燃料改為摻比乙醇，或者由摻比乙醇改為用純石油燃料； （5） 如果采用加助溶劑的混合燃料時，就必須考慮助溶劑的供應情況，以及各種氣候條件下混合燃料的穩(wěn)定性； （6） 材料的相容性； （7） 發(fā)動機的可靠性及壽命； （8） 乙醇燃料的供應情況及摻比后的經(jīng)濟效益； 乙醇的主要理化性質(zhì)表明，可以在內(nèi)燃機中摻比或全部燒醇，并可獲得較好的性質(zhì)。乙醇的辛烷值高，有一定的揮發(fā)性，又較易和汽油混溶，較適合做汽油機的燃料。為使發(fā)動機燃用乙醇時能有良好的效果，根據(jù)不同摻比方案需要調(diào)整燃料的性質(zhì)，改進發(fā)動機結構以及設計良好的摻比及控制裝置。調(diào)整燃料性質(zhì)，例如調(diào)整汽油的組分或加入添加物，以改善發(fā)動機的起動性能和避免氣阻。改變發(fā)動機結構，如在汽油機上增加起動時混合氣的加濃裝置，混合氣的預熱裝置，改變發(fā)動機的壓縮比、調(diào)整點火正時等[8]。在汽油機中摻燒乙醇的方式有兩大類，混合燃料法和熏蒸法。混合燃料法是將乙醇通過加入助溶劑或機械混合的方法，和汽油混溶在一起，再由化油器或低壓噴嘴送入缸內(nèi)。熏蒸法是將乙醇先變成霧狀，然后在進氣沖程經(jīng)進氣道送入缸內(nèi)。 本論文中所提及的均是混合燃料法即乙醇與汽油混溶法，乙醇與汽油混合燃料是將汽油和乙醇按一定比例混合，再加上助溶劑或經(jīng)過乳化裝置，形成不分層的混合燃料，而后通過現(xiàn)有的化油器或低壓噴嘴輸入燃燒室內(nèi)。如EIO、E15等。使用低醇量的混合燃料，可以不改變發(fā)動機的結構，或稍作改變，還可利用發(fā)動機現(xiàn)有的供油設備，而且混合燃料及汽油可以交替使用，擴充加油站等分配供應系統(tǒng)的投資也較少。然而助溶劑的供應、混合燃料的穩(wěn)定性以及混合燃料的性質(zhì)對在汽車上使用的適應性等，是這種摻燒方式要注意的問題。此外，這種摻比方案不能改變乙醇的摻混量。 3.3混合燃料的配置 一般實驗以選取純乙醇（含醇99.5%）與90號汽油混合，摻醇的比例選擇為10%。必須指出的是，在柴油機或汽油機中摻燒醇類，醇類與柴油或汽油必須均勻混合，最好是均勻混溶。如果醇油分層或醇含水而與油分層，則對燃燒的均勻性和發(fā)動機工作過程的均勻性有明顯影響。這會造成熱效率下降，排污增加，同時增加了發(fā)動機的振動、噪聲和機件的早期損壞。乙醇與汽油的互溶度與乙醇的含水率和溫度有關。 常溫下，純乙醇與汽油的互溶度較好，乙醇中含水以后，與汽油的互溶性便迅速下降。而乙醇極易吸收空氣中的水分，所以必須解決含水乙醇與汽油的互溶的問題。為了不使混合燃料分層，需要采取適當?shù)闹苁侄?，還對乙醇的含水量有限制，形成混合均勻的汽油乙醇混合燃料。有三個可供選擇的方案，一種是超聲波乳化作用，利用超聲波的空穴效應乳化汽油乙醇，第二種是使用機械攪拌式的乳化裝置，第三種是加入助溶劑。通過相關試驗比較發(fā)現(xiàn)，前兩種方案的乳化效果并不令人滿意，形成的乳化燃料只在較短的時間里保持均勻，放置時間稍長就會分層，而且增加了乳化裝置，使得結構復雜化，成本增加，給進一步推廣應用帶來不利因素。第三種方案的乳化效果則比較好，混合燃料可以長時間保持均勻?？捎玫闹軇┹^多，如醇類、苯、烴類、乙醚、丙酮、甲基叔丁基醚及雜醇等。從效果來說，乙醇的同系醇類是很好的助溶劑，而異構醇類比正構醇類效果好。在庚醇以下，隨著碳原子數(shù)增大，其助溶性較好，如異丁醇及異丙醇是較好的助溶劑。我們選擇異丁醇，它易溶于水、乙醇、乙醚，可以解決汽油與含水乙醇的分層問題，且異丁醇與乙醇同屬于醇類，對研究乙醇汽油混合燃料燃燒的不良影響較小。我們可以有以下幾種組合方案，形成不同比例的混合燃料，統(tǒng)稱為乙醇汽油[9]。組合方式如下: E1585%汽油+15%純乙醇 EIO90%汽油+10%純乙醇 E15W85%汽油+15%（工業(yè)乙醇+異丁醇） E10W90%汽油+10%（工業(yè)乙醇+異丁醇） 3.4 汽車動力性能及燃油經(jīng)濟性 燃料乙醇發(fā)動機的動力性能，主要受燃料乙醇含量、發(fā)動機壓縮比、發(fā)動機 燃料的供給方式等的影響。當燃料乙醇含量高到一定比例時其動力性下降。燃料乙醇的熱值與汽油的熱值差別較大，但增大燃料乙醇供量，即增加發(fā)動機的每工作循環(huán)燃料，乙醇或乙醇汽油發(fā)動機仍然可以產(chǎn)生與燃用汽油時同樣大的功率。 由于燃料乙醇的辛烷值高于汽油，車用乙醇汽油混合燃料因為有燃料乙醇的存在，增加了發(fā)動機的抗爆震性能，因而壓縮比可以適當增加，從而提高發(fā)動機的動力性。 選擇10%（體積分數(shù)）乙醇汽油（E10）和15%乙醇汽油（E15）兩種混合燃料，在一臺汽油機上進行實驗。研究表明：在汽油中混合比例10%～15%含水不高的乙醇，無需對汽油機進行改造及調(diào)整燃油供給系統(tǒng)；雖然發(fā)動機的功率、扭矩略有降低，但并不影響其使用，在汽油中摻入小比例的乙醇后，有利于改善汽油機的燃燒性能，降低能耗率，改善汽油機的排放。 此外，使用純醇E100發(fā)動機和M100發(fā)動機的性能，比原汽油機高。醇燃料發(fā)動機的性能明顯地優(yōu)于原汽油機，在汽車傳動系統(tǒng)設計合理的情況下，醇燃料汽車的主要性能優(yōu)于原汽油汽車，比能耗也較低[10][11]。 3.5車用乙醇汽油性能研究示例 根據(jù)給定實驗數(shù)據(jù)來說明車用乙醇汽油發(fā)動機的動力性能與燃油經(jīng)濟性。當電控汽油機改燃乙醇汽油時，其結構參數(shù)未作任何調(diào)整，實驗所用燃料是93號普通汽油和93號乙醇汽油。實驗用電控汽油機的主要參數(shù)及燃料物化性質(zhì)見表3.2。 表3.2 電控汽油機的主要參數(shù)及燃料物化性質(zhì) 汽油機的主要性能參數(shù) 實驗燃料 項目 93號汽油 93號乙醇汽油（E10） 標定功率/kW 100 密度/（kg/m3） 0.69～0.79 0.741 標定轉(zhuǎn)速/（r/min） 5500 最大轉(zhuǎn)矩/（N.m） 193 辛烷值（RON） 95.2 98.9 最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速/（min） 2500～3000 缸徑/mm 86.5 理論空燃比 14.7 14.1 行程/mm 100 壓縮比 10:1 熱值/（MJ/kg） 42.604 39.820 從表3.2可以看出，乙醇汽油的熱值低于普通汽油的熱值，這意味著在噴油量相等時汽油機燃用乙醇汽油時動力性會下降6%左右。從表中還可以看出，普通汽油的理論空燃比為14.7,而乙醇汽油由于添加了體積分數(shù)為10%的乙醇，其理論空燃比有所下降，大約為14.10電控汽油機改燃乙醇汽油時，由于原機ECU的燃油控制策略是基于純汽油標定的，所以在空燃比閉環(huán)控制的工況，ECU會發(fā)出指令增加乙醇汽油的供油量。根據(jù)兩種燃料的理論空燃比，理想狀態(tài)下乙醇汽油的供油增加量為4.3%。因此，從理論上分析可以得出：電控汽油機改燃乙醇汽油時，在不改動發(fā)動機總體結構和電控單元的控制策略情況下，對空燃比閉環(huán)控制的工況其動力性有輕微的降低，燃油消耗率會增加。 另外，乙醇的汽化潛熱和辛烷值要比普通汽油高，因此乙醇汽油的抗爆性好，可以通過提高汽油機的壓縮比來增加其動力輸出；同時較大的汽化潛熱可以降低壓縮功，提高充氣系數(shù)，但較大的汽化潛熱也會引起乙醇燃料的混合氣形成及啟動困難，滯燃期變長。但對實驗所用的乙醇汽油來說，由于摻混比例小（10%），其滯燃期和燃燒持續(xù)期反而因燃料的自含氧量高而減小。 3.6 對汽油機相關性能的影響 3.6.1汽油機動力性 圖3.6是汽油機在50%、100%油門開度條件下的發(fā)動機動力輸出隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，在油門開度一定時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，汽油機燃用乙醇汽油和普通汽油動力輸出相差就越多，這是由乙醇汽油的低熱值引起的。在部分油門開度下，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和功率在整個速度范圍內(nèi)都有所下降，且隨著油門開度的增加，下降幅度有所減少（在50%油門開度時轉(zhuǎn)矩平均降低5.76%，功率平均下降5. 78%）。而在100%油門開度時（即外特性上），兩種燃料的轉(zhuǎn)矩、功率輸出基本持平（最大功率轉(zhuǎn)速均為5000r/min，普通汽油的最大功率為101.03kW,乙醇汽油的最大功率為100.93kW；最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速為3000r/min時，普通汽油和乙醇汽油的轉(zhuǎn)矩分別為210N.m和211N.m。 （a）50%油門開度 （b）100%油門開度 圖3.6 普通汽油和乙醇汽油的速度特性曲線 可能原因分析：①即使在空燃比閉環(huán)控制下，相同轉(zhuǎn)速時油門開度越大進入缸內(nèi)的混合氣越多，乙醇的總量也越多，自含氧也越多，這樣對改