含氧燃料对发动机燃烧和排放性能的影响

1、含氧燃料对发动机燃烧和排放性能的影响关键字：含氧化合物；燃烧；排放；内燃机 摘要：列举醇类、醚类、醋类、生物柴油等及其作为含氧燃料添加剂与汽、柴油混 合的混合燃料性能，介绍部分纯质含氧燃料及其混合燃料对内燃机燃烧和排放的 影响。研究表明，醇类燃料及其与汽油的混合燃料能够降低点燃式发动机的Hc 和CO排放，使发动机的动力性和经济性提高；二甲醚燃料、柴油与DMC等的 混合燃料对降低压燃式发动机的微粒排放具有显著的作用。含氧化合物混人燃油 中有利于降低内燃机中HC等物质的排放。正文：环境污染和能源短缺是当今世界的两个重大问题。汽车是能源消耗的大户， 同时也是环境的主要污染源之一。随着经济的发展，汽车

2、产量和保有量逐年提高， 所消耗的石油也越来越多，而全球的石油资源是有限的。因此，开发新的对环境 友好的可再生清洁能源日益得到各国的重视。而在我国的“十一五规划纲要中， 也提出了新型燃料汽车的概念，即使用传统柴油、汽油以外的燃料，以内燃机为 动力的汽车。新型燃料主要包括燃气（天然气、液化石油气）、含氧类燃料（乙 醇、二甲醚等）、合成油、生物柴油、氢能等。而含氧燃料作为一种石油替代燃 料，可以单独或与汽油或柴油混合使用，不仅可以减少汽车工业对石油的依赖， 还可以获得优良的发动机动力性和低的排放性能，因此越来越受到人们的重视。1、含氧燃料的种类和性能含氧燃料通常是指分子中含氧元素的醇类、醚类酒旨类等

3、可以在发动机中单 独作为燃料或以添加剂的形式与汽油、柴油混合使用的物质。常见的有甲醇、乙 醇、二甲醚、生物柴油、碳酸二甲醋（1）MC）、二甲氧基甲烷等以及它们与汽油或 柴油的混合燃料。下面分别介绍每种含氧燃料对发动机燃烧和排放的影响。醇类燃料（甲醇、乙醇）的辛烷值高，但十六烷值低（十六烷值是评定柴油自 燃性好坏的指标），单独使用时，比较适合作为点燃式发动机的燃料，在压燃式 发动机中使用时，需要借助点火系统或双燃料引燃等技术措施，发动机才能正常 工作。醇类燃料难以与柴油互溶，所以混合使用时，必须解决互溶和助溶问题。 甲醇、乙醇分子中的氧含量均超过30%，因此燃烧时不会生成碳烟，有利于组织 稀薄燃

4、烧，降低CO排放。未燃醇的活性比使用柴油时排出的碳氢化合物的活性 弱，对减少大气中的臭氧有利。但挥发性和高汽化潜热是影响发动机性能的关键 问题之一。酹类燃料如二甲醚等普遍具有较高的十六烷值，着火性能好，可以作为压燃 式柴油机的替代燃料。二甲醚分子中的含氧量也超过30%，因此二甲醚发动机能 够实现无烟燃烧，对NOx的生成和排放也有一定的抑制作用，同时发动机还能 够承受较大的EGR来进一步降低Nox的排放。醚类燃料的热值低，因此要获得 与原柴油机相同的输出功率需要增加燃油喷射量闭。醚类燃料对非金属物质有一 定的腐蚀性，而且在废气中有醛类物质存在，会对空气产生一定的非法规性污染。生物柴油是由甲醇或乙

5、醇等醇类物质与天然植物油或动物脂肪中主要成分 羟酸发生酯交换反应产生。羟酸与醇类在催化剂作用下可以生成羟酸酯与水，使 原有的三元酯转变为单酯。如果是甲醇参加反应，则所得的羟酸酯为甲酯；如果 是乙醇参加反应，则所得的羟酸酷为乙酷。酯化反应减短油料碳链长度，降低油 料的粘度，改善油料的流动性和汽化性能，使之达到作为燃料使用的要求。酯化 后的生物柴油主要性能如表1所示。与普通柴油比较，生物柴油具有相对较高的 运动粘度，这使得生物柴油在不影响燃油雾化的情况下，提高了运动机件的润滑 性，降低机件磨，其闪点较石化柴油高，有利于安全运输、储存闭。作为一种无 毒、可生物分解、可再生的燃料，和普通柴油相比，生物

6、柴油十六烷值高，硫含 量及芳香烃含量低，挥发性低，燃油分子中含氧原子。这些本质上的特征决定了 燃烧生物柴油可能会减少CO、HC、碳烟及颗粒排放。所以燃用生物柴油其SO2 排放量比燃用常用柴油低很多，而S02会导致酸雨的形成。酯类燃料的十六烷值与柴油相差不大，具有较好的着火性能。柴油添加酯类 燃料后，可以较大幅度地降低其CO,HC和MP的排放并提高其热效率，但对NOx的 影响不大。甲酯的相对分子质量与柴油是同一数量级，其粘度比柴油略高。甲酯 燃料柴油机的氧化硫排放低，为安装氧化催化转化器进行尾气后处理提供了条件。目前研究较多的甲醇与汽油和乙醇与汽油的混合燃料，其中甲醇和乙醇被用 来作为含氧燃料添

7、加剂，以提高燃料的抗爆性能。并降低HC和CO的排放量。 这类含氧燃料的性能，如辛烷值、十六烷值等，与配方成分有很大的关系。2、含氧燃料对发动机燃烧和排放性能的影响1）汽油机a甲醇、乙醇可作为点燃式发动机的燃料单独使用。由于他们的辛烷值 高，发动机可以采用较高的压缩比，从而使醇类燃料的动力性、经济性得以 提高。甲醇可单独作为汽油机的替代燃料使用，亦有在较高压缩比下;用缸内 直喷火花助燃发动机进行研究的。乙醇价格昂贵，一般混合汽油中的氧含量 不低于2.7%。乙醇的辛烷值高，加入乙醇后的汽油辛烷值也会随之增加。并 且会升高它的压缩比，使汽车动力性和经济性都提高。也使发动机的HC和 CO的排放都降低，

8、排放物臭氧形成能力弱，因此，加入乙醇的汽油发动机的 性能提高，排放降低。b增加表面振动的阻尼，在齿轮室盖、油底壳、曲轴皮带轮、气缸盖罩、 机体侧盖、进气管等振动体的表面上涂敷粘弹性阻尼材料，如沥青、橡胶以及 某些高分子材料,可达到使物体减振和减小辐射噪声的目的。采用阻尼材料制 成正时齿轮室盖、气门室盖、油底壳等零件,也可取到良好的减噪效果。减少辐射噪声表面的面积，尽可能减小气缸体、气缸盖等基本结构的辐 射表面面积，可降低表面噪声。对齿轮室盖、气门室盖、油底壳等零件除了采用阻尼措施之外,采用橡 胶、复合材料隔振亦可以获得较好的减噪效果。采用弹性软管隔离排气歧管 传递的振动，可有效降低排气系统表面

9、辐射噪声。在噪声辐射较强的表面上装设隔声装置，如在油底壳、齿轮室盖、气缸 盖罩、排气管等辐射表面上装隔声罩壳，可进一步隔离辐射表面噪声。在解决 通风冷却问题的条件下，将整台内燃机用隔声罩壳完全罩起来,并在隔声罩壳 内面衬以吸声材料能取得良好的降噪效果。2）柴油机乙醇柴油混合燃料能有效降低柴油发动机的碳烟排放，并改善发动机的 热效率，发动机的动力性能不会受到明显影响，是一种良好的柴油含氧燃料， 具有良好的推广应用前景。例如碳酸二甲酯(DMC)/柴油混合燃料能有效降低 柴油发动机的碳烟排放和NOx排放，并改善发动机的燃烧性能，是一种优良 的柴油含氧替代燃料。甲缩醛(DMM)能有效改善柴油机发动机的

10、排放，但受 到应用条件的一定限制，而在改变燃料系统的条件下应用二甲醚(DME)具有广 阔的前景。因此在柴油中添加含氧添加剂能有效改善柴油机的性能和排放， 降低碳烟排放效果尤其明显。柴油机的碳烟排放随着含氧量的增加，排放量 呈单调下降的趋势。各种含氧燃料添加剂对降低柴油机的尾气排放都具有一 定的效果，其中NOx排放在含氧添加剂比例较低时基本不变或略有增加，而 含氧燃料添加剂的比例增大到一定程度时，由于缸内燃烧温度下降，发动机 的NOx排放有降低的趋势。Mani Natarajan和Williarn Piel等还对众多含氧化合物进行了筛选，得到 8种较为理想的含氧燃料，并对这8种燃料进行了对比实验

11、。在直喷压燃式 内燃机上的实验表明：TPE和EEE使全部HC排放降低，其它混合物对此几乎 没有影响；种混合燃料使总微粒排放平均降，26%，使十微粒平均降低42%。 DpE和EAE使发动机NOx的排放大约升高8% 12%，这是因为十六烷值的高 低影响着火延迟时间，而着火延迟时间又影响MP和NOx的排放。十六烷值 低，着火延迟时间长，油气混合充分，生成的MP减少，NOx则增加。反之， 则MP增加，NOx减少。通过对发动机各项性能参数，特别是动力性和排放 特性的综合比较，可以发现TPE和DBM是这几种物质中比较理想的化合物。 人们一直希望含氧50%的甲醇能与柴油混合，但由于二者溶解度小，易分层, 需

12、要解决混溶互溶及稳定性等问题。进一步的分析表明，ADMM-15排放的 PM中的可溶性有机成份是最少的，而可溶性有机成分在MP中所占的比重却 是最大的，这说明经过尾气氧化催化处理之后，ADMM-15所排放的MP是非 常低的。以美国为代表的几个国家已经将ALS，FT-100和ADMM-15机不用进 行大的改动，而且原有的柴油输送和分配系统仍可以使用。3、总结：为了满足日益严格的噪声法规的要求，世界各国都在积极开发低噪声内 燃机。要降低内燃机噪声必须研究分析内燃机的噪声源、噪声传递途径和噪 声辐射表面,明确降噪的对象和降噪的具体目标,在内燃机总体设计和开发阶 段就采取相应的降噪对策,以满足诸如内燃机

13、性能质量和噪声等级等各方面 的设计要求。由于控制内燃机噪声要受到内燃机性能方面的种种限制，技术上 也有不少困难,目前在内燃机燃烧过程控制,优化内燃机结果响应，对发出噪声 的零件采用先进材料等方面，还需进一步研究开发。4、图标说明：1)含氧化合物燃料特性参数及其与汽、柴油的比较:扣流值理论空燃比善火界限S)低热值厂叩叵密度可蛔项勺美W柴油(DF顼40-5515,01.4-7.643.2706,3汽油13171156,013.26B2甲醇很低S.451 3-36.9I9.9661.4乙醇55土 93.4-27.028354S.8一.乙断播M25li.t1 9站 030神“生物柴油?48J3.S38

14、.5W.2醵破二甲蜻iDMClJ5 - 363.5：5.781例2)柴油及其含氧混合燃料的物理特性参数:肯辄燃料添加剂牌比废十六烷值密度/：lgTll ：40 Y时的运醐,度1Enr/% )去面张方心W”)牌t:试腌化润滑昨低藐柴Rials.66-5Sl.92.W欢妫3483-濡土丸 4?一甲fiSriPEJ：9.8065.0841,62.735(fe1甲醒一1 ,2丙.1.醒【M?7,9257.2832.1?.口#伽g495嫦二内一.醇一中啪WW：9.4261.4W.32.545452-巳粮疝乙映乙脂EEA)：6,72队3839.?2.100.011 04902-乙恨基己醒【tEK)21.8

15、5皈4H34 22.090 0670双乙烷星,用n)LAJ】*7656.V皿62.55*Bog443三丁酸 1 f油聊 TrikityHn ：I8J552.6835 X3.06cro6375马雎二丁脂(DBM)21.6457.72.730 1舔甲醇、乙醇和汽油的性能参数比较一 性质会考汽油-用醉匕醇液态相肘密度(20究)四蛔，/) 0.72-t).750,79】40.7843M顷(1505部点阁程)代35-2106578里德悔和蒸气压jkpH55* 1。3323儒热值A呻官I)约 42.719.92ft. S嚣检潜如(虾切9约(U&1.17U.93理论空燃出14 816.45；19M1理论混合

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