车辆工程毕业设计（论文）车用乙醇汽油发动机性能的实验研究

1、本科学生毕业论文 车用乙醇汽油发动机性能的实验研究 系部名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 b07-2 班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲师 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二一一年六月 the graduation thesis for bachelors degree study on ethanol gasoline engine performance candidate：yao chunyu specialty：vehicle engineering class：b07-2 supervisor：lecturer. zhu rongfu heilongj

2、iang institute of technology 2011-06harbin 摘 要 本次论文的题目是车用乙醇汽油发动机性能的实验研究。为了缓解汽车工业的飞 速发展所带来的能源紧张和环境污染双重压力，研制开发清洁代用燃料以及合理的资 源利用已成为日益突出的现实性课题。所谓车用乙醇汽油，就是把变性燃料乙醇和汽 油以一定比例混配形成的一种汽车燃料。 本论文在对纯汽油（e0）和 e10 和 e20 做了部分工况外特性和负荷特性实验基础 上，对发动机的动力性、燃油经济性、排放特性和燃烧特性也做了一定的研究与分析， 发现燃用混合燃料的动力性有所降低，但与原机相差不大:以质量计的燃油消耗率明 显增

3、加，但以热值计的能耗率保持良好，燃油经济性有所降低燃烧特性分析从根本上 分析了乙醇汽油动力性不足的原因。燃用乙醇汽油混合燃料后，尾气排放中的 co 和 hc 能够明显得到降低，但同时也会引起个别工况下 nox 排放量的增加。燃料三元催 化转化效率与燃料的的含醇量以及发动机的负荷和转速有关。 关键词：乙醇汽油；动力性；燃油经济性；排放特性；燃烧特性 abstract the topic of the paper is ethanol gasoline engine performance study. in order to alleviate the rapid development of

4、automobile industry brought about by the energy shortage and environmental pollution dual pressures of clean alternative fuel research and development and the rational use of resources has become the reality of an increasingly prominent issue. the so-called vehicle ethanol gasoline, is to denatured

5、fuel ethanol and gasoline mixture to form a certain percentage of motor fuel. this thesis on pure gasoline (e0) and made a part of the e10 and e20 external characteristics and load conditions based on the experimental characteristics of the engine power, fuel economy, emission characteristics and co

6、mbustion characteristics are also done some research and analysis found that mixed fuel burning power performance decreased, but with little difference between the original machine: the mass of the fuel consumption rate was increased, but the energy consumption rate of heat value of the good, have l

7、ower fuel economy burn analysis of a fundamental lack of ethanol causes gasoline. fuel ethanol blended gasoline fuel, emissions of co and hc can be reduced significantly, but operating conditions will also cause the individual to increase nox emissions. catalytic fuel conversion efficiency and the a

8、mount of fuel containing alcohol as well as the engine load and speed related. keywords: ethanol gasoline; dynamics; fuel economy; emissions characteristics；combustion characteristics 目 录 摘要 i abstractii 第 1 章 绪论1 1.1 选题的目的及意义1 1.2 乙醇汽油混合燃料的研究现状2 1.2.1 国外研究现状2 1.2.2 国内研究现状2 1.3 研究内容3 第 2 章 乙醇汽油理化特性研

9、究4 2.1 乙醇理化性质4 2.2 乙醇汽油的热值计算5 2.3 本章小结7 第 3 章 乙醇汽油发动机性能研究8 3.1 实验装置仪器8 3.2 实验方案11 3.3 动力性分析12 3.3.1 影响因素分析12 3.3.2 实验结果分析13 3.4 燃油经济性14 3.5 排放特性分析18 3.5.1 怠速工况下排放特性分析18 3.5.2 一氧化碳（co）排放特性分析18 3.5.3 碳氢化合物（hc）排放特性分析21 3.5.4 氮氧化物（nox）排放特性分析23 3.6 本章小结26 第 4 章 乙醇汽油的三元催化转化性能研究27 4.1 三元催化转化器的构造及反应原理27 4.1

10、.1 三元催化转化器的构造27 4.1.2 三元催化剂的主要反应步骤27 4.1.3 三元催化转化器的化学反应27 4.2 乙醇汽油三元催化转化效率研究28 4.3 本章小结31 第 5 章 乙醇汽油燃烧特性的研究32 5.1 示功图分析32 5.2 燃烧持续期33 5.3 本章小结35 结论36 参考文献37 致谢39 附录 a40 附录 b 43 第 1 章 绪 论 1.1 选题的目的及意义 目前，世界的石油资源口趋减少，石油燃料的短缺现象已经出现，并且日益严重。 2004 年，我国每天的石油需求为 80 万吨，全年共消耗石油 3 亿吨，其中进口 1.2 亿 吨，比 2003 年增长 34

11、.8%，这对我国的能源安全造成了巨大的威胁。另外，随着汽 车保有量的增长，约占能源总需求量 40%的车用燃料的消耗量与日俱增，巨大的燃油 消耗不仅对口益枯竭的石油能源造成巨大压力，同时大量燃油燃烧不当所排放出的污 染物已成为威胁人类生存的主要因素1。因此，寻求资源丰富、环境友好和经济可行 的代用燃料已成为人类待解决的重大问题。国家在新颁布的汽车产业发展政策中明确 指出鼓励使用节约能源的柴油汽车和混合动力汽车，同时加大对使用可再生能源汽车 的推广，比如在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽等省燃用乙醇汽油。 发展生物能源，农民将直接受益。“三农”一直是党中央、国务院非常重视的问 题，推广乙醇汽油等生物

12、能源的初衷就是为了给丰产的玉米等农作物寻找出路、消化 陈化粮、避免谷贱伤农2。生物能源有助十带动大宗粮食深加工及相关产业的发展， 实现农副产品的增值和转化。现阶段，燃料乙醇的生产原料主要是陈化粮，陈化粮问 题解决后，燃料乙醇生产应立足于粮食主产区，作为调节市场供求的一种手段(以消 耗低品质粮食为主)，纳入到粮食生产、消费和饲料生产、消费的产业循环中，它只 会促进和保障粮食生产和粮食安全3。同时，还可以积极发展木薯、红薯、甘蔗、甜 高粱等不与口粮(小麦、稻谷)生产争地、争水的高产、高糖或耐旱、耐盐碱的代粮经 济作物，为生产燃料乙醇开发更多的原料储备4。从发展的眼光看，最终解决燃料乙 醇大量使用的

13、原料问题将转向纤维，依靠生物技术、基因技术等高新技术的发展。通 过筛选种植高能、高产的植物；利用我国大量的农业废弃资源(桔杆)和工业废弃物资 源，开发和实现利用纤维质生产酒精技术的产业化，可以为燃料乙醇生产提供取之不 尽、用之不竭的可再生植物原料5。 发展生物能源，在环保方面的意义同样深远。就乙醇汽油而言，由于加入燃料乙 醇，乙醇汽油中含氧量增加，作为尾气的一氧化碳和碳氢化合物的燃烧更充分，使汽 车尾气中的这两项指标分别下降 3.08%和 13.04 污染物的排放明显减少2，生产燃料 乙醇所需的玉米和小麦是可再生资源，在其生长过程中大量吸收二氧化碳。这对履行 新京都议定书规定的排放标准，缓解经

14、济高速发展所带来的人与环境保护方面的 矛后将大有裨益。 1.2 乙醇汽油混合燃料的研究现状 目前在乙醇汽油混合燃料的实验研究方面，国内外主要集中在混合燃料的燃烧和 排放特性方面，而国外在这两方面的研究都较为深入和成熟。 1.2.1 国外研究现状 在发动机燃用混合燃料后的动力性和燃油经济性方面，l 986 年 hamdan 和 jubran6两人发现，通过向汽油中添加 5的乙醇，可以使发动机获得最佳的功率输 出和部分负荷工况下 42 1的热效率的提高。a1hasan 发现使用乙醇汽油混 合燃料可以增加有效功率、扭矩、容积热效率和有效热效率，同时可以减少有效燃油 消耗率。 maceviz 和 fy

15、nksel7研究了燃用 e0、e5、e10、e15 和 e20 后 50 个循环 的燃烧循环变动，结果表明：混合燃料有利于降低循环变动，从而改善发动机的燃烧 和排放特性，提高发动机的动力性、经济性并改善排放性能。 国内在上述方面的研究还尚未见报道，而在尾气排放及其的催化转化方面，国内 的研究就比较深入了。 1995 年 guerrieri 和 caffrev8于 6 辆在用车上进行实验发现，当乙醇含量高于 25时，c02的排放减少；当乙醇含量提高到 40时，总碳氢化合物(thc)排放在最 初的时候先增加了一点，而后随着 co 的减少而逐渐降低。 maceviz 和 fyuksel7同时发现四种

16、混合燃料的 co 和 hc 的排放均低于汽 油，排放曲线呈先减小而后增大的趋势。2002 年 hsieh 等人8在一台闭环控制发动 机上研究发现，加入乙醇可以使 c0 和 hc 分别减少 1090和 2080，并且 nox 的排放与发动机的运行工况有很大关系，而与乙醇含量的多少关系不大，但这一 结论仍需进行实验验证。hsyucesu 等人9燃用 eo、e10、e20、e40 和 e60 进行 实验，发现 e40 和 e60 对减少尾气排放产生了重大的作用，在低转速下 co 的排放减 少量最大，两种混合燃料平均分别减少了 11和 10.8；与 co 相比，hc 的减少更 加明显，在高转速下，燃用

17、 e60 使得 hc 排放平均减少了 16.45。 1.2.2 国内研究现状 在动力性和燃油经济性方面，许沧粟和杜德兴10同时发现：发动机燃用混合燃 料后，不影响功率、扭矩等的使用性能，无须对发动机进行改装；掺烧乙醇后，有利 于改善发动机的燃烧状况，降低能耗率。 何帮全11等人在一台电喷汽油机上燃用 e0、e1o 和 e30 后发现：在怠速工况下， 燃用混合燃料可显著降低 co、nox 和总碳氢化合物(thc)的排放，e3o 的效果最明显。 高祥等人12在一台多点电喷汽油机上实验，发现在低转速时，三效催化器对排 放中 co 的净化效率普遍较高，而中高转速时随负荷的增加净化效率降低；对 thc

18、的 净化效率也较高；并且三效催化器的净化效率与乙醇的含量、发动机的转速和负荷有 关。 1.3 研究内容 目前，国内外对乙醇汽油混合燃料的研究主要集中在及一些高比例混合燃料(如 e50、e60 和 e85 等比例的燃料)上面，结合我国国情(资源条件、汽车工业水平等)， 本论文希望通过对三种低比例的混合燃料(e0、e1o 和 e20)的动力性能、经济性能、 排放和燃烧特性进行研究分析，从而为我国乙醇代用燃料汽车的研究和扩大应用范围 提供有价值的理论和技术支持。 研究目的在于通过对在同一台电喷发动机上燃用三种低比例乙醇汽油混合燃料后 的动力性能、经济性能、排放和燃烧特性进行对比实验，评价三种混合燃料

19、在电喷发 动机上的动力性能、经济性能、排放和燃烧特性，以便在实际应用中，充分发挥乙醇 燃料的优点，使其在电喷汽油发动机上发挥更好的作用，为乙醇燃料的继续推广应用 打好理论基础，拟从以下几个方面展开研究： 1.对乙醇和乙醇汽油(e0、el0 和 e20)的理化特性进行分析； 2.通过台架实验，测取分别燃用三种燃料后的常规特性数据和燃烧数据，评价发 动机燃用混合燃料后的动力性能和燃油经济性； 3.根据实验所得数据绘制出不同工况下各种燃料的排放曲线，对比分析燃用混合 燃料后的排放特性和三元催化转化效率； 4.根据实验所得数据绘制出不同工况下各种燃料的燃烧曲线，对比分析燃用混合 燃料后的燃烧特性。 第

20、 2 章 乙醇汽油理化特性研究 2.1 乙醇理化性质 乙醇俗称酒精，化学分子式为 c2h5oh。内燃机燃用的汽油、柴油等是烃类燃料， 而乙醇是烃基与羟基(oh)组成的有机化合物。乙醇分子中含有羟基这一特点是乙醇燃 料与烃类燃料不同的根本所在。乙醇含有一个羟基，属于一元醇，它的来源较为丰富， 具有一定的可再生性。表 2-1 列出了乙醇和汽油的主要理化性质: 表 2.1 乙醇与汽油的主要理化性质比较 项目乙醇汽油 化学分子式 c2h5oh c8h18（以辛烷为例） 氧含量（m%） 34.80 沸点（） c 78.3 30220 低热值（mj/kg） 26.7743.5 高热值（mj/kg） 29.

21、846.6 汽化潜热（kj/kg） 862297 自燃温度（） c 420 260370 辛烷值 11191 理论空燃比（m/m） 9.0514.8 着火极限（空气中的容 积比%） 4.3191.47.6 1.乙醇含有羟基(oh)，能与水以任意比例互溶，而烃类燃料憎水性强，因而乙醇 与烃类燃料的相容性较差。在常温下，只有醇含量很低或很高时，才可能互溶。 2.乙醇的含氧量高，约为 34.8%，在燃烧过程中有自供氧效应，这意味着同样质 量的燃料完全燃烧所需的空气质量就相对较少，有利于高原地区的应用;同时它能比 mtbe 以更少的添加量加入汽油中。若在同样的进气条件下，乙醇由于自身含氧则使 燃烧过程

22、得到改善，燃烧较为均匀，局部富氧和局部缺氧的概率减少，热效率提高， 燃烧过程组织的好，则发动机的动力性、经济性及排放性都可以得到改善。乙醇与汽 油掺烧，可使混合燃料即乙醇汽油也变成为含氧燃料。 3.乙醇的沸点及蒸气压都比汽油低，有助于燃油-空气混合气的形成，但会使产 生气阻的倾向大，并且其中缺少高挥发性成分，对冷起动不利。而且两者的凝固点都 比较低，在低温环境下都能正常使用。 4.乙醇的热值较低，只有汽油的 61.5%。因此，与燃用汽油相比，在同等的热效 率下，醇类燃料的有效质量燃油消耗率高。 5.乙醇的汽化潜热大，约是汽油的 2.9 倍。高的汽化潜热及低的蒸气压将导致混 合气形成和起动困难，

23、但它在进入进气管、进气道或者进入气缸后，能吸收沿途管道 壁面和燃烧室周围高温零件壁面的热量，使自己蒸发，有可能提高充气效率。通常通 过增加发动机进气加热系统或废气预热空气系统，提高进气温度，改善混合气形成及 燃烧，改善乙醇汽车的低温起动性。 6.乙醇的研究法辛烷值(ron)较高，为 111，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽 油的辛烷值。因此，使用乙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13 。 7.乙醇的着火燃烧浓度界限比汽油的相应范围要宽得多，比汽油更容易稀燃。能 在比较稀的混合气状态下工作，而且不会因空燃比得不到精确控制而导致间断着火; 能够允许在稀

24、混合气工作时，较大自由的选择运转工况，这将有利于提高经济性并且 降低排放污染。稀燃是一种节能燃烧和完善燃烧的形式，有利于提高热效率，而且压 缩比越高，负荷越大，越容易稀燃。 2.2 乙醇汽油的热值计算 燃料的热值有高热值和低热值之分。高热值是燃料完全燃烧后发出的热量加上 燃烧产物之一的水蒸气冷凝后放出热量的总和，它是燃料完全燃烧后所能发出的总热 量。低热值是高热值减去水的汽化潜热后的热值。发动机排气中的水蒸汽所含的冷凝 热，实际上是难以回收的，所以燃料的热值常用低热值表示。发动机是进行热功转换 的热机，燃料所含热量是发动机输出功率的能量来源，因而燃料低热值是评价燃料性 能的一个重要指标。 1.

25、质量低热值 乙醇汽油混合燃料的理论近似热值可以通过计算得到。根据混合燃料中乙醇和汽 油的体积分数，以及测取的混合燃料的密度，可以计算出混合燃料中乙醇和汽油的质 量分数，然后按照下式14对混合燃料的质量低热值 hu 进行计算: hu=mghg+mehe （2.1） 式中，hu乙醇汽油混合燃料的质量低热值，单位为 mj/kg； mg混合燃料中汽油的质量百分比，单位为%； hg汽油的质量低热值，单位为 mj/kg； me混合燃料中乙醇的质量百分比，单位为%； he乙醇的质量低热值，单位为 mj/kg。 根据混合燃料中各成分的体积百分比，可以通过下式换算得到相应的质量百分比 14: (2.2) eeg

26、g gg g vv v m + = me=1-mg (2.3) 以 e10 为例，其低热值计算过程如下: %33.94 8 . 01074. 090 74 . 0 90 1090 90 = + = + = eg g gm me=1-94.33%=5.67% 将计算得到的 mg和 me代入式(2.1)，得到 e10 的质量低热值: hu=94.33% 43.5+5.67% 26.77=41.71mj/kg 同样经过计算可得到其它四种混合燃料的质量低热值。实验用三种嫩料的质量低 热值如表 2.2 所列。 表 2.2 各燃料的质量低热值 e0e10e20 质量低热值 （mj/kg） 43.541.7

27、139.94 2.理论混合气热值 计算混合燃料理论混合气的热值，首先要计算混合燃料的理论质量空燃比，可以 按照下式14进行计算: (2.4) eegglmlml+= 式中，l-乙醇汽油混合燃料的理论空燃比(质量比): lg-汽油的理论空燃比(质量比)； le-乙醇的理论空燃比(质量比)。 汽油的理论空燃比(质量比)为 14.8，乙醇的理论空燃比(质量比)为 9.05，仍以 e10 为例，则它的理论质量空燃比: l=94.33% 14.8+5.67% 9.05=14.23 同样经过计算可得到其它三种混合燃料的理论质量空燃比。实验用燃料的理论空 燃比(质量比)如表 2.3 所列。 表 2.3 各燃

28、料的理论空燃比 燃料 e0e10e20 燃料理论空燃比 14.814.2313.58 根据燃料的热值和空燃比，可以按照下式14计算乙醇汽油混合燃料混合气的热值: (2.5) l hu hu + =1 式中，hu乙醇汽油混合燃料混合气的热值，单位为 mj/kg； 过量空气系数； l理论空燃比(质量比)。 在理论混合气状态下，过量空气系数=1，可以根据燃料的质量低热值和理论空 燃比计算混合燃料理论混合气的热值。仍以 e10 为例，则它的理论混合气热值: 739 . 2 23.1411 71.41 = + =hu 同样经过计算可得到 e20 的理论混合气的热值。实验用三种燃料的理论混合气的 热值的计

29、算结果见表 2.4 所示。 表 2.4 各燃料的理论混合气热值 燃料 e0e10e20 理论混合气热值 （mj/kg） 2.7532.7392.737 2.3 本章小结 本章概述了乙醇和乙醇汽油混合燃料的理化性质，并分别与汽油进行了对比，结 果表明: 1.通过与乙醇的掺混，乙醇汽油一定程度上变成了含氧燃料，辛烷值提高，可以 改善燃油品质，优化发动机燃烧，降低排放。 2.乙醇汽油混合燃料的质量低热值、理论空燃比和理论混合气热值均随着乙醇体 积含量的增加而逐渐降低。 3.乙醇的质量低热值远小于汽油，两种乙醇汽油混合燃料的质量低热值及其理论 混合气的热值与汽油相差不大，可以作为石油的替代燃料。 第

30、3 章 乙醇汽油发动机性能研究 3.1 实验装置仪器 实验是在我院汽车工程实验中心进行的。本论文实验数据采集，主要是通过 i双路直采排放分析系统测量、分析和记录排放数据;利用发动机 测试控制仪测量并由2000 测控系统软件来设置发动机各种工况，并记录各工况 下所需测量的实验数据。实验所用主要测量仪器名称、型号等参数见表 3.1, 测试系 统总体布置如图 3.1 所示。 表 3.1 实验用测量仪器 测量仪器名称用途型号 东安发动机研究对象 4g18 发动机测控系统控制各种工况 fc2000 智能油耗仪记录油耗 fc2100 双路直采排放分析系统排放信号采集 avl ama i60 电涡流测功机负

31、荷特性 cw-160 4g18汽油发动机 电涡流 测功机 测试控制系 统 燃烧分析系 统 双路直采分析仪计算机 图 3.1 测试系统总体布置示意图 1.发动机 表 3.2 发动机主要技术参数 排量 1.6l 压缩比 10 点火方式多点电喷 最大功率/转速 85kw/6000rpm 最大扭矩/转速 154n.m/4500rpm 冷却方式水冷 工作方式自然吸气 气缸排列形式 l 气缸数 4 2.电涡流测功机 电涡流测功机型号是 cw160 圆柱感应式，如图 3.4 是用所示，是用来测量动力机 械各种特性的试验仪器。本机适用于中、小型功率电机、汽车、内燃机、燃气轮机、 水轮机、工程机械、林业、矿山、

32、石油钻采等机械的性能试验，也可作为其它动力设 备的吸功装置。 图 3.2 cw160 圆柱感应式电涡流测功机 主要特点： （1）结构简单，操作维护方便。 （2）制动力矩大，测试精度高，工作稳定。 （3）转动惯量小，动态响应速度快。 （4）与测控系统配套，可实现自动化操作。 技术指标： （1）最大励磁电压：cw6cw16, dc 90v；cw25cw40, dc 120v； （2）最大励磁电流：cw6cw16 3a；cw25cw40 4a。 （3）冷却水压：0.040.1mpao 根据出水温度调节水压，当出水温度升高时，适 当加大水压使出水温度降低。 （4）冷却水流量：冷却水量取决于进水、出水的

33、温差和吸收功率的大小。 （5）测功机出水温度：小于 55。 （6）工作方向：左旋或右旋，连续工作。 （7）扭矩测量精度：0.3fs。 （8）转速测量精度：lr/min。 3.发动机测试控制系统 fc2000 发动机自动测控系统如图.所示，在设计过程中吸取了奥地利 avl 公 司 schck 公司发动机自动测控系统的成功经验。它是为满足发动机制造业不同类型柴 油机、汽油机、天然气、液化气性能试验和出厂试验而精心设计的大型测控系统，可 与国内外各种不同的水力、电涡流、电力测功器以及各种型号的烟度计、废气分析仪 等配套，用于控制和测量发动机的转速、功率、燃油/燃气消耗量、温度、压力、流 量等各种不同

34、类型的参数.本实验发动机测试控制仪分为自动测量控制和油门(水门) 励磁驱动控制两个单元，用于控制和测量发动机的转速、扭矩、功率、温度、压力、 流量等。 图.发动机测试控制系统 4.排放分析系统 该排放分析仪如图 3.4 所示，主要功能介绍: 指定工况测试功能:根据用户需要，将汽车发动机置于用户指定工况运行，可 测量此时的废气排放数据，可从事汽车及发动机排放性能测试和催化转化效率测试。 故障诊断、分析和维修指导功能:通过对测量的废弃参数变化情况的分析，帮 助判断汽车排放超标的原因，并提出修理建议，指导故障诊断和维修。如:判断废气 控制系统中三效催化器的好坏，空气滤清器是否过脏等。 气路泄漏自检功

35、能:将取样探头前端用阻塞帽阻塞，进行“气路泄漏自检”操 作，可检测整个气路有无泄露现象。 图 3.4 排放分析系统 3.2 实验方案 1.测量怠速工况下排放特性 实验目的 在怠速工况下，评定发动机的排放特性。 实验方法 在怠速工况下，待发动机运转稳定 2 分钟后开始测量。 测量项目 co, hc, nox 的排放值。 2.部分负荷工况实验 实验目的 在规定转速下，评定发动机部分负荷下的排放特性和燃油经济性。 实验方法 在适当转速下进行，发动机转速不变，从小负荷 10n.m 开始，逐渐开大节气门， 每次多加载 10n.m 直至 80n.m 进行测量。转速分别固定在:1600r/min， 2000

36、r/min、2400r/min 和 2800r/min，在每个测量点，待发动机运转稳定 2 分钟后开 始测量。 测量项目 co, hc, nox 的排放值；燃油消耗率、三元催化转化效率。 3.80%油门开度下实验 实验目的 在规定转速下，评定发动机 80%负荷下的排放特性、燃烧特性和动力性。 实验方法 在适当转速下进行，节气门保持全开，发动机转速不变。测量点:1500r/min, 2000 r/min，2500 r/min，3000 r/min 和 3500 r/min 在每个测量点，待发动机运转 稳定 2 分钟后开始测量。 测量项目 co，hc，nox 的排放值、有效功率、转矩、不同的曲轴转

37、角对应的缸压、瞬时放 热率和累计放热率。 3.3 动力性分析 3.3.1 影响因素分析 汽油发动机的动力性能可以用平均有效压力 pme来进行衡量，它是发动机单位气 缸工作容积输出的有效功，而平均有效压力可以通过下式来进行计算15。 aevme l hu p = （3.1） 式中，pme-发动机的平均有效压力，单位为 mpa； hu-乙醇汽油混合燃料的质量低热值，单位为 mj/kg； -过量空气系数; l-理论空燃比(质量比)； -发动机的充气效率； v -发动机的有效热效率； e -发动机进气管状态下的空气密度（kg/m3） 。 a 下面对式(3.1)中的参数分别进行分析。 1.发动机充气效率

38、 ，和进气密度 va 发动机的充气效率，是实际进入气缸的新鲜工质量与进气状态下充满气缸工作 v 容积的新鲜工质量的比值。乙醇的汽化潜热值约是汽油的 2.9 倍，其产生的冷却效应 可以有效降低压缩负功，提高发动机的充气效率;而发动机的进气密度与温度有关， a 乙醇汽油混合燃料的汽化潜热较高，混合燃料蒸发汽化，一定程度上可以使进气温度 得以降低，使进气密度升高。因此充气效率，和进气密度提高，平均有效压 ava 力 pme 就得以提高。 2.发动机有效热效率。 e 发动机的有效热效率是内燃机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，可以 用下式进行计算15。 （3.） huge e = 3 106 .

39、 3 式中，发动机的有效热效率； e 有效燃油消耗率，单位为 g/kw h ； e g hu乙醇汽油混合燃料的质量低热值，单位为 mj/kg。 发动机的有效热效率和有效燃油消耗率成反比，知道其中一个，就能计算出另外 一个。根据实验记录的数据，可以计算出对比实验中，发动机燃用 e0、e10 和 e20 的 有效热效率，实验中发动机燃用三种燃料后的有效热效率都不高，e10 和 e20 的有效 热效率都低于燃用 e0 的有效热效率。可见，有效热效率降低，会导致平均有效压 e 力 pme 有所降低。 3.燃料热值和空燃比 在发动机实际运行当中，过量空气系数和混合气的空燃比 a/f 都是变化的，这里讨

40、论的是理论空燃比状态下的情况，即=1，式子(3.1)中的分式部分可以表示为 hu/l，从表 3.3 可以看出:两种低比例的乙醇汽油混合燃料的 hu/l 值略低于汽油，但 与汽油相差不大;随着混合燃料掺醇比例的增大，混合燃料的 hu/l 值是逐渐减小的。 所以在理论空燃比下，两种低比例乙醇汽油混合燃料 e10,e20 略低于与汽油。根据的 数据计算得到的结果见表 3.3 表 3.3 各种燃料的 hu/l 值 燃料 e0e10e20 hu/l 值 2.9392.9312.920 3.3.2 实验结果分析 在实验中，为了解掺醇率对发动机动力性能的影响，对油门开度 80%工况下，发 动机燃用三种燃料后

41、的输出和转矩进行了测取，如图 3.5 所示。 60 75 90 105 120 135 150 1000150020002500300035004000 转速（r/min） 转矩（n.m） e0e10e20 图 3.5 80%油门开度时转矩 从图 3.5 中可以看出:80%负荷工况运行时，发动机燃用各种燃料后得到的转矩曲 线变化趋势相同，燃用 e0, e10 和 e20 的扭矩相差不大。 发动机在 80%负荷工况下运行时，节气门开度一样，电喷汽油机的控制策略为开 环控制，混合燃料喷射持续时间与 e0 的相同，那么喷入的燃料体积与 e0 相同，由于 混合燃料的热值低，发动机燃烧同样体积喷油量的乙

42、醇汽油混合燃料后所释放的总热 值有所降低，将会导致循环放热量减少造成发动机功率和扭矩有所下降。然而另一方 面，乙醇的汽化潜热值约是汽油的 2.9 倍，其产生的冷却效应可以有效降低压缩负功， 混合燃料的蒸发汽化，可以使进气温度得以降低，充气效率得以提高，使得平均有效 压力 pme有所提高，一定程度上又可以保证发动机的动力不致降低。所以，在不改动 发动机的情况下，发动机燃用乙醇汽油混合燃料时，动力性能与 e0 基本相当，只是 略低于 e0。 3.4 燃油经济性 图 3.6、3.7 和 3.8 是发动机在部分负荷工况下燃用各种燃料后测得的燃油消耗 率变化曲线。从图中可以看出三种工况下，伴随着负荷的逐

43、渐加大，燃油消耗率曲线 呈现出降低的趋势；同时混合燃料的燃油消耗率基本上均高于 e0，并且随掺醇比例 的增加而依次增加，这是因为乙醇汽油混合燃料的质量低热值和理论混合气热值均低 于 e0，所以在同样的运行工况下，为了使发动机输出相同的动力，就需要燃烧更多 的混合燃料，并不是燃烧热效率的恶化所致。 200 300 400 500 600 700 800 01020304050607080 转矩(n.m) 燃油消耗率(g/kw.h) e0e10e20 图 3.6 1600r/min 时的燃油消耗率 200 300 400 500 600 700 800 01020304050607080 转矩(n

44、.m) 燃油消耗率(g/kw.h) e0e10e20 图 3.7 2000r/min 时的燃油消耗率 200 300 400 500 600 700 800 0102030405060708090 转矩(n.m) 燃油消耗率(g/kw.h) e0e10e20 图 3.8 2400r/min 时的燃油消耗率 因为乙醇的热值远低于汽油的热值，所以用燃油消耗率来比较乙醇汽油混合燃料 的经济性并不全面。因此，为了提高发动机燃用混合燃料时燃料消耗的可比性，在比 较燃油消耗率的同时引入能量消耗率(能耗率)来进行不同燃料在不同工况下为发动机 提供总能量的比较。其处理公式如下所示: ee=be hu (3.3

45、) 式中，ee能耗率，单位为 mj/kwh； be燃油消耗率，单位为 g/kwh； hu混合燃料的质量低热值，单位为 mj/kg。 10 15 20 25 30 01020304050607080 转矩(n.m) 能耗率(mj/kw.h) e0e10e20 图 3.9 1600r/min 时的能耗率 10 15 20 25 30 01020304050607080 转矩(n.m) 能耗率(mj/kw.h) e0e10e20 图 3.10 2000r/min 时的能耗率 10 15 20 25 30 0102030405060708090 转矩(n.m) 能耗率(mj/kw.h) e0e10e2

46、0 图 3.11 2400r/min 时的能耗率 计算后得到能耗率画出曲线图 3.9、3.10 和 3.11。从图中看出三种工况下，与 e0 相比，混合燃料的能耗率略有降低，并且随着负荷的增加，e0 的能耗率逐渐与混 合燃料逐渐接近。因为乙醇具有较宽的着火极限，燃烧速度快，并且混合燃料含氧， 混合气燃烧相对更充分，使得燃烧热效率和能量利用率得以提高，降低了混合燃料的 能量消耗率。 3.5 排放特性分析 3.5.1 怠速工况下排放特性分析 图 3.2 给出了怠速时的排放特性，图中以纯汽油时的排放为 100，使用 e10 和 e20 时的排放值为其实际值与使用 e0 时的比值。由图可知，随乙醇含量

47、的增加，co 和 hc 排放均得到了改善，但 nox排放没有明显的改善。 0 20 40 60 80 100 120 cohcnox 排放量/% e0e10e20 图 3.12 怠速工况下排放 3.5.2 一氧化碳（co）排放特性分析 根据实验各个工况对燃用三种实验燃料(e0、e10 和 e20)后测得的 co 排放值，绘 制出下列各图。 0 400 800 1200 1600 2000 01020304050607080 转矩(n.m) co（ppm) e0e10e20 图 3.13 1600r/min 时 co 排放特性 0 500 1000 1500 2000 2500 01020304

48、050607080 转矩(n.m) co（ppm) e0e10e20 图 3.14 2000r/min 时 co 排放特性 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 020406080100 转矩(n.m) co（ppm) e0e10e20 图 3.15 2400r/min 时 co 排放特性 图 3.13、3.14 和 3.15 分别是发动机在三种不同转速下 co 的排放曲线。从图上 可以看出: 1.燃用 e0、e10 和 e20 时 co 排放曲线的变化趋势几乎相同，即在一定转速下， 随着负荷的加大，三种燃料 co 的排放曲线缓慢变化最后出现上升趋势

49、达到最大值。 这是由于电控发动机在中小负荷工况时是实行闭环控制的，根据安装在排气管上 的氧传感器的反馈信号控制过量空气系数基本保持在 1.0 左右，此时汽油机用经济混 合气工作，基本上可以保证燃料充分燃烧;另一方面，随着掺烧乙醇比例的增大，电 控系统使发动机进气量自动减小，以维持过量空气系数保持在 1.0 左右。因此，在中 小负荷工况，各种燃料的 co 排放变化都不大，趋势比较平稳而在大负荷时，电喷汽 油机为了输出较大的功率将会增加喷油量以形成浓混合气，导致过量空气系数小于 1.0，这就使得 co 的排放开始上升。 2.燃用 e0 的排放始终最高，两种混合燃料的排放效果均优于燃用 e0 时的排

50、放， 并且随着掺烧乙醇比重的增加，co 排放有明显改善。 这是因为乙醇汽油燃料自携氧要比空气中的氧更有助十充分燃烧，或者说原子氧 要比分子氧更容易参加化学反应，加之混合燃料中乙醇的 c/h 小于汽油，汽化潜热大 于汽油，有利十混合气的充分燃烧。乙醇化学结构中的轻基 oh 使其燃烧反应特点与 汽油中的各种烃类的有所不同，其燃烧速度和火焰传播速度高十汽油，这也是掺烧乙 醇后 co 排放得以改善的另一个原因16。 图 3.16 是 80%油门开度时燃用三种燃料的 co 排放变化实验结果曲线。从图上可 以看出:燃用 e0,e10 和 e20 的 co 排放曲线的变化趋势都是开始较为平稳，后来上升 很快

51、;同时，随着掺醇率的提高，co 的排放依次降低。这是由于电控喷油发动机的空 燃比控制策略来决定的，在发动机达到某一转速或者负荷时，就要增大喷油量，以形 成功率混合气，而高转速段混合气的形成时间较短。所以，在高转速段 co 的排放均 有所上升。同样也是由于乙醇汽油混合燃料富氧特性的作用，使得混合燃料的排放仍 然低于 e0。 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 1000150020002500300035004000 转速（r/min） co(ppm) e0e10e20 图 3.16 80%油门开度下 co 排放 3.5.3 碳氢化合物（hc）排放特性分析 根据实

52、验各个工况对燃用五种实验燃料(e0、e10 和 e20)后测得的 hc 排放值，绘 制出下列各图。 0 50 100 150 200 250 300 01020304050607080 转矩(n.m) hc（ppm） e0e10e20 图 3.17 1600r/min 时 hc 排放特性 0 20 40 60 80 100 120 140 01020304050607080 转矩(n.m) hc（ppm） e0e10e20 图 3.18 2000r/min 时 hc 排放特性 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0102030405060708090 转矩(n.m) h

53、c（ppm） e0e10e20 图 3.19 2400r/min 时 hc 排放特性 图 3.17、3.18 和 3.19 分别是发动机在三种不同转速下 hc 的排放曲线。从图上 可以看出: 燃用 e0 e10 和 e20 时 hc 排放曲线的变化趋势相近，混合燃料 e10 和 e20 的排放效果均优于燃用 e0 时的排放，并且随着掺烧乙醇比重的增加，hc 的排放依次 降低。这是因为在闭环控制区域内，ecu 的控制策略使过量空气系数保持在 1.0 到 1. 05 之间，三种燃料基本上都可以完全燃烧。然而由于乙醇的含氧量高，当乙醇加入 后，混合燃料的含氧量获得提高，也使燃烧得以改善，燃料含氧降低

54、了中小负荷工况 下因为混合气过稀引起的 hc 淬熄排放，也降低了高负荷工况下因为混合气过浓导致 的 hc 不完全燃烧排放从而降低了未燃 hc 的排放量。由此可知，即使在不缺氧的闭环 区域，乙醇燃料的加入或者燃料含氧量的增加仍可改善燃烧。这也说明燃料自携氧对 降低 hc 效果要优于空气中的氧气17。 图 3.20 是油门开度 80%时三种燃料的 hc 排放变化实验结果曲线。 80 100 120 140 160 180 1000150020002500300035004000 转速（r/min） co(ppm) e0e10e20 图 3.20 油门开度 80%时 hc 排放特性 从图上可以看出:

55、 1.随着发动机转速的提高，hc 的排放逐渐降低； 2.掺醇率越高，未燃 hc 的排放就越低。 这是由于节气门开度保持一致时，随着转速的提高，燃烧速度得以提高，一定程 度上降低了因火焰在到达壁面前由于膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气 大容积淬熄的可能性，所以，hc 排放得以降低。同时，hc 在排气系统中的氧化一般 要求排放系统仍有富氧和较高的温度，而发动机在全负荷工况运行时也使得排气温度 获得提高，一定程度上为 hc 在排气系统中的氧化创造了条件18。另外，乙醇汽油混 合燃料含氧，其含碳量比汽油低，加上燃烧最高温度低，又集中在定容区内燃烧，后 燃的现象较少，也使排气中 hc 含量减少

56、，掺醇比例越大，hc 排放改善越明显。 3.5.4 氮氧化物（nox）排放特性分析 根据实验各个工况对燃用三种实验燃料(e0、e10 和 e20)后测得的 nox 排放值， 绘制出下列各图。 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 01020304050607080 转矩(n.m) nox（ppm） e0e10e20 图 3.21 1600r/min 时 nox排放特性 0 100 200 300 400 500 600 700 800 01020304050607080 转矩(n.m) nox（ppm） e0e10e20 图 3.22 2000r/min 时 nox

57、排放特性 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 020406080100 转矩(n.m) nox（ppm） e0e20e10 图 3.23 2400r/min 时 nox排放特性 图 3.21、3.22 和 3.23 分别是发动机在 3 种不同转速下 nox 的排放曲线。从图上 可以看出: 1.动机燃用各种燃料时，随着负荷的增加，nox 的排放都是先升高后降低。这是 由于发动机在小负荷时，缸内温度比较低，因而 nox 排放较低;发动机在中等负荷时， 混合气浓度变化不大，但是缸内温度上升了，所以排放有所增加。而发动机在大负荷 时，供给较浓混合气，氧不足，即使此时缸内温

58、度较高，nox 的生成也被抑制了。 2.e10 和 e20 放均高于燃用 e0 时排放，并且随掺烧乙醇比重的增加，nox 的排放 依次增加。这是由于乙醇含氧，可使缸内燃烧温度变高，燃烧速度变快，燃烧放热也 比较集中，使 nox 的排放得以增加，虽然，乙醇的热值低，汽化潜热约为汽油的 2.9 倍，有使进气温度降低、火焰传播速度减慢，缸内最高燃烧温度降低的趋势，可能使 nox 有所降低，但其影响不够大，于是两者因素共同作用后的结果是 e10 和 e20 这两 种混合燃料 nox 的排放比 e0 要高。 600 650 700 750 800 850 900 10001500200025003000

59、35004000 转速（r/min） nox(ppm) e0e10e20 3.24 油门开度 80%的 nox 排放特性 图 3.24 是油门开度 80%时三种燃料的 nox 排放变化实验结果曲线。从图上可以看 出:节气门开度一样时，随着转速的提高，nox 的排放先升高后降低而后又升高，并 且两种混合燃料的排放始终低于 e0。都是由于燃料的含氧量、燃烧峰值温度以及混 合气浓度不同等诸多因素综合在一起形成的19。 3.6 本章小结 1在油门开度 80%工况下，燃用乙醇汽油混合燃料后的动力性能与原机基本相 当，只是略低 e0； 2.燃用混合燃料后燃油消耗率明显升高，燃油经济性变差，但能量消耗率有所

60、降 低，如果用能耗率来评价燃油经济性的话，燃油经济性相差不大； 3.用两种比例乙醇汽油混合燃料后可以显著降低 co 和 hc 的排放，但同时会引起 个别工况下 nox 排放的增加； 4 .co 的排放随着掺烧乙醇比重的增加，co 排放依次有明显改善 部分负荷工况 下，随着负荷的加大, hc 的排放在 3 种工况下，发动机燃用 e0 的 hc 排放始终最高； 5.nox 的排放部分负荷工况下时，随掺醇比例的增加，nox 的排放依次升高。在 部分负荷工况下，随着负荷的增加，nox 的排放都是先增加再减少。 第 4 章 乙醇汽油的三元催化转化性能研究 4.1 三元催化转化器的构造及反应原理 4.1.