车用乙醇汽油发动机性能研究

本科学生毕业论文车用乙醇汽油发动机性能研究二九年六月The Graduation Thesis for Bachelors DegreeStudy on Performance of Ethanol-gasoline EngineHeilongjiang Institute of Technology2009-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业论文I摘 要我国是能源消耗的大国，发展乙醇在我国具有广阔前景。对乙醇汽油双燃料发动机性能的研究也是很有现实意义的。能源结构中低效、高污染能源占相当比重，高效清洁能源所占比例很小，这样的结构不仅造成能源的大量浪费，而且对环境造成很大污染，偏离了世界能源结构发展趋势的主流。今后我国应加速优化能源结构，增加清洁能源和新能源的比重。本论文是在给定实验数据的情况下结合以往相关实验数据，对比研究了汽油机燃用乙醇汽油对发动机经济性、动力性和排放性,并对非常规排放进行了研究。研究表明,在部分负荷下,汽油机的功率和转矩都有所降低 ,但在全负荷时发动机的输出功率不变；燃油消耗率会增加 5% 10%,发动机的经济区范围变窄。在燃料乙醇非常规排放方面，发现发动机燃用汽油、柴油或醇燃料时,排气中都会产生醛类排放物,随着混合燃料中的醇含量增加,排气中醛类排放物也相应增加,汽油的甲醛排放要高于柴油；同一种燃料进行测试时,甲醛排放随着功率的增加呈先增大后减小的趋势；双三元催化转化器对甲醛有一定的催化作用。关键词：乙醇；清洁能源；替代能源；非常规排放；动力性黑龙江工程学院本科生毕业论文IIABSTRACTEnergy 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黑龙江工程学院本科生毕业论文I目 录摘要 .IAbstract.II第 1章 绪论 .11.1 概述 .11.2 燃料乙醇研究发展现状 .11.2.1 国外发展概况 .21.2.2 国内发展概况 .31.3 推广乙醇汽油的意义 .31.4 本论文研究的目的与内容 .41.4.1 论文研究目的 .41.4.2 论文研究内容 .4第 2章 乙醇汽油理化特性研究 .52.1 燃料乙醇的理化特性 .52.2 汽油的理化特性 .62.3 燃料乙醇与汽油理化特性的比较 .72.4 乙醇燃料汽油与无铅汽油对比的优势 .82.5 本章小结 .9第 3章 乙醇汽油发动机性能研究 .103.1 相关实验台设备 .103.1.1 实验用汽油机 .103.1.2 测试系统 .103.1.3 FC2000 发动机自动测控系统 .113.1.4 FC2210z 油耗仪 .12黑龙江工程学院本科生毕业论文II3.1.5 FC2030 大屏幕显示器 .133.1.6 CW160 圆柱感应式电涡流测功机 .143.1.7 FC2020 数据采集系统 .163.1.8 AVL i60 智能排放仪 .163.1.9 实验台组成框架简介 .163.2 乙醇汽油的掺比方案 .163.3 混合燃料的配置 .173.4 汽车动力性能及燃油经济性 .183.5 车用乙醇汽油性能研究示例 .203.6 对汽油机相关性能的影响 .203.6.1 汽油机动力性 .213.6.2 汽油机燃油经济性 .243.6.3 乙醇汽油发动机排放性能 .263.7 乙醇对发动机其他性能的影响 .283.8 本章小结 .29第 4章 乙醇汽油在应用中的非常规排放特性 .304.1 燃料乙醇现阶段排放检测方法及状况 .304.2 燃料乙醇非常规排放中的物质 .314.3 甲醛的基本性能与生成机理 .314.4 不同燃料产生甲醛的对比 .314.5 本章小结 .34结论 .35参考文献 .36致谢 .37附录 A .38附录 B .43黑龙江工程学院本科生毕业论文1第章 绪 论1.1 概述地球上能源种类很多，总体上可分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源包括太阳能、风能、生物质能、水能及由可再生资源衍生出来的生物燃料等；不可再生能源包括石油、天然气、煤炭、核能等。目前消耗量最大的是石油、煤炭和天然气这些不可再生能源，由于其储量有限并且已经逐渐枯竭，造成世界各国普遍存在能源问题。我国是能源消耗的大国，占世界一次能源（以石油、天然气、核电和煤炭等优质能源为主）需求总量的 10%以上。而能源以煤炭消费（约占 75%）为主，石油约占 17%。能源结构中低效、高污染能源占相当比重，高效清洁能源所占比例很小，这样的结构不仅造成能源的大量浪费，而且对环境造成很大污染，偏离了世界能源结构发展趋势的主流。今后我国应加速优化能源结构，增加清洁能源和新能源的比重。由于受油气资源短缺的影响，我国石油对外依存度增加。自 1993 年以来，已经连续多年成为石油净进口国，进口量急剧上升。特别是近期经济一直强劲增长，按照目前的增长速度计算，对进口石油的依赖程度将越来越大，石油产品总体供应形势日趋紧张。如果不及时发展可代替能源，我国将面临石油供应问题而导致的各种危机，影响国民经济的可持续发展。为了减少对化石能源供应的依赖性，我们需要大力发展新能源和可再生能源，以保障我国能源安全。燃料乙醇是现在阶段最能体现优势的一种新能源，大力推广乙醇汽油等燃料的应用，对现阶段燃料需求和未来的资源可持续发展具有深远意义 1。1.2 燃料乙醇研究发展现状乙醇的生产方法，有以生物质为原料的发酵法和以石化产品为原料的化学合成法。20 世纪 50 年代以前，乙醇主要依靠生物发酵法生产，所用原料可以是淀粉质、糖蜜、纤维原料等。普通乙醇生产在我国古代就已开始，是迄今为止生产最成熟、经验最丰富、历史最悠久的可再生能源。50 年代以后，随着世界石油化工的迅速发展，乙烯经加温加压水合就能生成乙醇，这种方法在石化工业发达的国家发展很快。化学合成法的生产过程虽然简单，但受原料来源的限制，随着 1976 年第一次世界范围内“石油危机”的发生，使合成乙醇的发展受挫。世界上除美国有少量合成乙醇生产外，其他国家都没有大规模的工业化生产。黑龙江工程学院本科生毕业论文2燃料乙醇作为一种工业化大规模生产的能源，和以往小规模、食用型的乙醇生产并不完全相同。燃料乙醇产生于 20 世纪初叶，后因石油的大规模、低成本开发以及其经济性较差而被淘汰。如今，为了减轻对石油的依赖，人们都在寻找可再生能源。由于乙醇进人燃料市场有重大的发展潜势，引起了世界性的重视，因此发酵法生产燃料乙醇的发展动力大大加强。同时农业的快速发展，造成粮食相对过剩，这一切都使燃料乙醇产业的重新崛起、迅速发展成为必然。1.2.1 国外发展概况燃料乙醇被认为是替代和节约汽油的最佳燃料之一，能和汽油以一定比例混配成一种车用燃料。这项技术在国外已十分成熟，具有价廉、清洁、安全、环保、可再生等优点。燃料乙醇的发展与国际原油供应情况息息相关。在燃料乙醇的生产、推广和使用方面，美国和巴西走在了世界的前列，两国产量的总和占全球总量的 66%。我国 2002 年乙醇产量为 213 万吨，仅次于美国及巴西。燃料乙醇的成本随着生产规模的扩大、生产技术和综合利用能力的提高而不断下降。目前使用车用乙醇汽油的国家主要是美国和巴西，欧盟自 20 世纪 90 年代初也开始生产、使用车用乙醇汽油。美国是世界上燃料乙醇的主要生产国。主要以玉米为原料生产燃料乙醇，所耗玉米占全美玉米总产量的 7%8% 。早在 20 世纪 30 年代，美国就已开展了燃料乙醇的研究及应用工作。2001 年 1 月，美国参议院审议并通过了在 2004 年禁止使用 MTBE的决议。此举必定对美国乃至全世界的炼油及 MTBE（甲基叔丁基醚，一种汽油添加剂常用于无铅汽油和低铅油的调合） ，乙醇的生产和使用产生深远的影响。据美国可再生能源协会预测，全面禁止 MTBE 使用，将极大地刺激车用乙醇汽油的需求增长。目前，作为汽油的氧化添加剂，美国每年至少需要 440 万吨的乙醇和 1263 万吨的MTBE。若全部取代 MTBE，则每年需要 664 万吨的乙醇，这无疑是一个巨大的乙醇市场。按照最近美国国会提议的立法，要求大力发展乙醇工业，今后 15 年乙醇的使用将翻三番。为了进一步降低生产成本，美国能源部大力支持纤维素乙醇中试及产业化攻关项目，目的是利用木材、稻草、玉米秆等纤维素废料生产燃料乙醇。美国政府实施燃料乙醇政策以来，给国家经济、农业生产、贸易、人民生活等多方面带来了极大的益处，促进了美国农业的发展，改善了环境，减少了原油进口，为社会提供了大量的就业机会。巴西政府大力发展燃料乙醇行动计划始于 1975 年，原因有三：第一从国家能源安全和经济发展考虑，当时巴西 80%的燃料依赖进口，国家的能源安全不能保证；第黑龙江工程学院本科生毕业论文3二是为了促进国内农业、种植业的发展和保护农民利益，巴西是一个农业大国，拥有全世界最大的甘蔗种植区；第三是为本国发展绿色可再生能源创出新路和保护环境。目前，巴西年产乙醇 1200 万吨左右，高居世界首位，是世界上最大的燃料乙醇生产和消费国。巴西每年消耗燃料乙醇的数量已占到每年消耗车用汽油的 33%，约 40%的小汽车完全以乙醇做燃料，其余则以 22%的燃料乙醇和 78%的车用汽油的混合物作为燃料。每年有 470 万吨无水乙醇、 480 万吨含水乙醇用于车中，在全巴西 2. 6 万个加油站有燃料乙醇销售。巴西是世界上唯一不使用纯汽油作为汽车燃料的国家。汽油发动机车辆均使用乙醇汽油。现在，巴西共有约 370 万辆以乙醇为燃料的专用汽车。燃料乙醇计划的实施，给巴西带来了三大收益：一是形成了独立的经济能源运行系统；二是刺激了农业和乙醇相关行业的发展；三是大气质量和生态环境显著改善 2。 1.2.2 国内发展概况我国燃料乙醇的使用始于抗战时期，当时汽油紧缺，就用发酵乙醇部分或全部替代。后由于汽油价格的优势，燃料乙醇退出能源领域。国内再次开展燃料乙醇的研究及应用工作始于 20 世纪 80 年代至今。我国是能源消耗大国，同时也是农业大国。近年来，随着科技的发展，农副产品连年丰收，如果能将粮食适当转化为工业燃料，对缓解农民卖粮难和调节国家粮食储备有利，同时也是对传统能源的补充，起到改善能源结构的作用。目前我国每年汽油消费已超过 3500 万吨、柴油 6200 万吨，若有 20%的汽油、柴油是含有 15%乙醇的汽油、柴油，每年将消费 290 万吨乙醇，可转化 900 万吨粮食。若全部汽油、柴油是含有 15%乙醇的汽油、柴油，每年将消费 1455 万吨乙醇，可转化 4500 万吨粮食，同时还产出约 1500 万吨 DDGS（是酒糟蛋白饲料的商品名，即含有可溶固形物的干酒糟）饲料。所以发展燃料乙醇对农业、酒精行业、副产品加工业以及国家能源安全等方面具有深远的意义。目前，我国