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本科學(xué)生畢業(yè)論文 車用乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級(jí)： 車輛工程 B05-16班 學(xué)生姓名： 許 洋 指導(dǎo)教師： 朱榮福 職 稱： 助 教 黑 龍 江 工 程 學(xué) 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(xué)院本科生畢業(yè)論文 摘 要 我國(guó)是能源消耗的大國(guó)，發(fā)展乙醇在我國(guó)具有廣闊前景。對(duì)乙醇汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究也是很有現(xiàn)實(shí)意義的。能源結(jié)構(gòu)中低效、高污染能源占相當(dāng)比重，高效清潔能源所占比例很小，這樣的結(jié)構(gòu)不僅造成能源的大量浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境造成很大污染，偏離了世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)的主流。今后我國(guó)應(yīng)加速優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源和新能源的比重。 本論文是在給定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下結(jié)合以往相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比研究了汽油機(jī)燃用乙醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性,并對(duì)非常規(guī)排放進(jìn)行了研究。研究表明,在部分負(fù)荷下,汽油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩都有所降低,但在全負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率不變；燃油消耗率會(huì)增加5%～10%,發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)燃用汽油、柴油或醇燃料時(shí),排氣中都會(huì)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(yīng)增加,汽油的甲醛排放要高于柴油；同一種燃料進(jìn)行測(cè)試時(shí),甲醛排放隨著功率的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；雙三元催化轉(zhuǎn)化器對(duì)甲醛有一定的催化作用。 關(guān)鍵詞：乙醇；清潔能源；替代能源；非常規(guī)排放；動(dòng)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(guó)外發(fā)展概況 2 1.2.2國(guó)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?jī)?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(duì)比的優(yōu)勢(shì) 8 2.5 本章小結(jié) 9 第3章 乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究 10 3.1 相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備 10 3.1.1 實(shí)驗(yàn)用汽油機(jī) 10 3.1.2 測(cè)試系統(tǒng) 10 3.1.3 FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)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(yīng)式電渦流測(cè)功機(jī) 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(shí)驗(yàn)臺(tái)組成框架簡(jiǎn)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(dòng)力性能及燃油經(jīng)濟(jì)性 18 3.5車用乙醇汽油性能研究示例 20 3.6 對(duì)汽油機(jī)相關(guān)性能的影響 20 3.6.1汽油機(jī)動(dòng)力性 21 3.6.2汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性 24 3.6.3乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能 26 3.7 乙醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)其他性能的影響 28 3.8 本章小結(jié) 29 第4章 乙醇汽油在應(yīng)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(cè)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(jī)理 31 4.4 不同燃料產(chǎn)生甲醛的對(duì)比 31 4.5本章小結(jié) 34 結(jié)論 35 參考文獻(xiàn) 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?？稍偕茉窗ㄌ?yáng)能、風(fēng)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(chǔ)量有限并且已經(jīng)逐漸枯竭，造成世界各國(guó)普遍存在能源問題。 我國(guó)是能源消耗的大國(guó)，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(fèi)（約占75%）為主，石油約占17%。能源結(jié)構(gòu)中低效、高污染能源占相當(dāng)比重，高效清潔能源所占比例很小，這樣的結(jié)構(gòu)不僅造成能源的大量浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境造成很大污染，偏離了世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)的主流。今后我國(guó)應(yīng)加速優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，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(guó)石油對(duì)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(jìn)口國(guó)，進(jìn)口量急劇上升。特別是近期經(jīng)濟(jì)一直強(qiáng)勁增長(zhǎng)，按照目前的增長(zhǎng)速度計(jì)算，對(duì)進(jìn)口石油的依賴程度將越來越大，石油產(chǎn)品總體供應(yīng)形勢(shì)日趨緊張。如果不及時(shí)發(fā)展可代替能源，我國(guó)將面臨石油供應(yīng)問題而導(dǎo)致的各種危機(jī)，影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。為了減少對(duì)化石能源供應(yīng)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(guó)能源安全。燃料乙醇是現(xiàn)在階段最能體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)的一種新能源，大力推廣乙醇汽油等燃料的應(yīng)用，對(duì)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(yuǎn)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(xué)合成法。20世紀(jì)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(guó)古代就已開始，是迄今為止生產(chǎn)最成熟、經(jīng)驗(yàn)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(dá)的國(guó)家發(fā)展很快。化學(xué)合成法的生產(chǎn)過程雖然簡(jiǎn)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(jī)”的發(fā)生，使合成乙醇的發(fā)展受挫。世界上除美國(guó)有少量合成乙醇生產(chǎn)外，其他國(guó)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(jì)初葉，后因石油的大規(guī)模、低成本開發(fā)以及其經(jīng)濟(jì)性較差而被淘汰。如今，為了減輕對(duì)石油的依賴，人們都在尋找可再生能源。由于乙醇進(jìn)人燃料市場(chǎng)有重大的發(fā)展?jié)搫?shì)，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(dòng)力大大加強(qiáng)。同時(shí)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，造成糧食相對(duì)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(guó)外發(fā)展概況 燃料乙醇被認(rèn)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(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已十分成熟，具有價(jià)廉、清潔、安全、環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)。燃料乙醇的發(fā)展與國(guó)際原油供應(yīng)情況息息相關(guān)。 在燃料乙醇的生產(chǎn)、推廣和使用方面，美國(guó)和巴西走在了世界的前列，兩國(guó)產(chǎn)量的總和占全球總量的66%。我國(guó)2002年乙醇產(chǎn)量為213萬噸，僅次于美國(guó)及巴西。燃料乙醇的成本隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、生產(chǎn)技術(shù)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(guó)家主要是美國(guó)和巴西，歐盟自20世紀(jì)90年代初也開始生產(chǎn)、使用車用乙醇汽油。 美國(guó)是世界上燃料乙醇的主要生產(chǎn)國(guó)。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(jì)30年代，美國(guó)就已開展了燃料乙醇的研究及應(yīng)用工作。2001年1月，美國(guó)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(duì)美國(guó)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(yuǎn)的影響。據(jù)美國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，全面禁止MTBE使用，將極大地刺激車用乙醇汽油的需求增長(zhǎng)。目前，作為汽油的氧化添加劑，美國(guó)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(gè)巨大的乙醇市場(chǎng)。 按照最近美國(guó)國(guó)會(huì)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(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，美國(guó)能源部大力支持纖維素乙醇中試及產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項(xiàng)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(guó)政府實(shí)施燃料乙醇政策以來，給國(guó)家經(jīng)濟(jì)、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(jìn)了美國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，改善了環(huán)境，減少了原油進(jìn)口，為社會(huì)提供了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)。 巴西政府大力發(fā)展燃料乙醇行動(dòng)計(jì)劃始于1975年，原因有三：第一從國(guó)家能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展考慮，當(dāng)時(shí)巴西80%的燃料依賴進(jìn)口，國(guó)家的能源安全不能保證；第二是為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)、種植業(yè)的發(fā)展和保護(hù)農(nóng)民利益，巴西是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有全世界最大的甘蔗種植區(qū)；第三是為本國(guó)發(fā)展綠色可再生能源創(chuàng)出新路和保護(hù)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(fèi)國(guó)。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(gè)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(guó)家。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛均使用乙醇汽油?，F(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(jì)劃的實(shí)施，給巴西帶來了三大收益：一是形成了獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)能源運(yùn)行系統(tǒng)；二是刺激了農(nóng)業(yè)和乙醇相關(guān)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(guó)內(nèi)發(fā)展概況 我國(guó)燃料乙醇的使用始于抗戰(zhàn)時(shí)期，當(dāng)時(shí)汽油緊缺，就用發(fā)酵乙醇部分或全部替代。后由于汽油價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，燃料乙醇退出能源領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)再次開展燃料乙醇的研究及應(yīng)用工作始于20世紀(jì)80年代至今。 我國(guó)是能源消耗大國(guó)，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)大國(guó)。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(dāng)轉(zhuǎn)化為工業(yè)燃料，對(duì)緩解農(nóng)民賣糧難和調(diào)節(jié)國(guó)家糧食儲(chǔ)備有利，同時(shí)也是對(duì)傳統(tǒng)能源的補(bǔ)充，起到改善能源結(jié)構(gòu)的作用。目前我國(guó)每年汽油消費(fèi)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(fèi)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(fèi)1455萬噸乙醇，可轉(zhuǎn)化4500萬噸糧食，同時(shí)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(duì)農(nóng)業(yè)、酒精行業(yè)、副產(chǎn)品加工業(yè)以及國(guó)家能源安全等方面具有深遠(yuǎn)的意義。目前，我國(guó)已經(jīng)開始了燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的建設(shè)。正在全國(guó)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(chǎng)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(guó)家能源安全。石油作為礦物能源，不可再生，從國(guó)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(duì)石油的依賴。因此，利用我國(guó)部分糧食主產(chǎn)區(qū)相對(duì)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(duì)石油的需求，進(jìn)而減輕對(duì)石油的依賴。 改善城市大氣環(huán)境，提高人民生活質(zhì)量。國(guó)大部分城市污染程度嚴(yán)重。在47個(gè)全國(guó)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市中，有2／3空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。隨著城市調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、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(jī)動(dòng)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(yán)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(duì)國(guó)際原油供應(yīng)趨緊和價(jià)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(guó)油品消費(fèi)需求快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)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(diǎn)，在我國(guó)完全適用；符合我國(guó)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(shù)上成熟安全可靠。 1.4.2論文研究?jī)?nèi)容 本論文從乙醇汽油應(yīng)用在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用上入手，從動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性三方面來闡述燃料乙醇在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。分析現(xiàn)階段燃料乙醇發(fā)展形勢(shì)并且探討性說明燃料乙醇的非常規(guī)性排放特性對(duì)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(jì)人類面臨可持續(xù)發(fā)展的問題，對(duì)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(guó)國(guó)家計(jì)委產(chǎn)業(yè)發(fā)展司司長(zhǎng)談到“今后能源的多元化是一個(gè)趨勢(shì)，不是誰代替誰，而是各自根據(jù)它的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性的替及程度，各有各的角色，共同承擔(dān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(duì)內(nèi)燃機(jī)排放的改善情況各有不同。因在選擇代用燃料時(shí)要綜合考慮國(guó)家資源情況、工業(yè)發(fā)展水平、生產(chǎn)代用燃料的技術(shù)及效益，熱機(jī)的適應(yīng)性及發(fā)展趨勢(shì)、環(huán)境保護(hù)等。 表2.1 各燃料特性對(duì)比 名稱 汽油 甲醇 乙醇 天然氣 丙醇 化學(xué)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(jī)化合物，結(jié)構(gòu)式是C2 H5 OH，相對(duì)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(huì)產(chǎn)生對(duì)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(duì)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(jī)油替換。目前我國(guó)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(huì)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(duì)地下水造成污染。另外燃料乙醇價(jià)格低，經(jīng)濟(jì)性好。在新標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)用[3]。 燃料乙醇可作為基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)式可以看出，乙醇含有2個(gè)碳原子，含有1個(gè)氧原子，在燃燒時(shí)，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(jī)動(dòng)車對(duì)空氣的污染，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。根據(jù)美國(guó)和加拿大等國(guó)的檢測(cè)，在汽車中使用添加乙醇的汽油，所排放的臭氧會(huì)大大減少，減少了臭氧所造成的危害，對(duì)大氣的污染會(huì)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(cè)結(jié)果 汽油添加乙醇E10后檢測(cè)結(jié)果 減少百分率（%） CO含量 碳?xì)浠衔? 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(yáng)能的一種表現(xiàn)形勢(shì)，在自然界系統(tǒng)中，燃料乙醇的整個(gè)生產(chǎn)和消費(fèi)過程可形成CO2的閉合循環(huán)過程。對(duì)維持地球溫室氣體的平衡，將會(huì)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(dāng)乙醇和汽油溶解體系中含有足量的水時(shí)，由于水分子形成氫鍵的能力比乙醇強(qiáng)，水分子和乙醇分子以氫鍵方式相互締合，形成復(fù)雜的締合體。該締合體足夠大時(shí)，因表面張力作用收縮形成微小的液滴，液滴繼續(xù)生長(zhǎng)，依靠?jī)上嚅g的密度差慢慢地沉入容器底部，最終導(dǎo)致汽油和乙醇分層。因此要求乙醇汽油組分油中絕對(duì)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(jī)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(huì)導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧和臭氧層破壞等環(huán)境問題。為此，各國(guó)制定了大氣清潔法等法規(guī)，對(duì)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(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)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(gè)階段。我國(guó)汽油規(guī)格的改進(jìn)經(jīng)過了兩個(gè)階段：汽油牌號(hào)升級(jí)及汽油無鉛化。從2000年7月1日全國(guó)實(shí)現(xiàn)汽油無鉛化。 目前美國(guó)市場(chǎng)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(jìn)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(dòng)機(jī)汽油配方、組成和性質(zhì)，以滿足美國(guó)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(fù)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(dòng)液體。沸點(diǎn)范圍約初餾點(diǎn)30℃至205℃，空氣中含量為74～123g/m3時(shí)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(dú)作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，而是將其精制、調(diào)配，有時(shí)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(jī)的燃料。廣泛用于汽車、摩托車、快艇、直升飛機(jī)、農(nóng)林業(yè)用飛機(jī)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(jī)溶液，還可以做為萃取劑使用，目前作為萃取劑最廣泛的應(yīng)用為國(guó)內(nèi)大豆油主流生產(chǎn)技術(shù)：浸出油技術(shù)。浸出油技術(shù)操作方法為將大豆在6號(hào)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(jī)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(xué)性質(zhì)上決定了醇類可以作為內(nèi)燃機(jī)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(gè)碳原子、6 個(gè)氫原子和1 個(gè)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(xué)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(gòu)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(dāng)內(nèi)燃機(jī)燃用乙醇時(shí)，其進(jìn)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(dòng)機(jī)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(yuǎn)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(duì)于采用噴射方式供乙醇到內(nèi)燃機(jī)燃燒室是有利的，其破碎和霧化的程度會(huì)好于柴油。 （4）辛烷值乙醇的辛烷值與甲醇接近，遠(yuǎn)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?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，乙醇比較適合作為汽油機(jī)的代用燃料，也適宜于作為外源點(diǎn)火式乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。充分利用這一特點(diǎn)，提高壓縮比，噴射式供乙醇，汽油機(jī)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(guān)系。隨著溫度的升高，乙醇、甲醇、汽油與柴油的蒸氣壓均相應(yīng)升高，且升高趨勢(shì)亦大致相仿。在相同的溫度下，乙醇的蒸氣壓遠(yuǎn)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(yīng)值之間。甲醇、乙醇、汽油、柴油幾項(xiàng)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(xiàng)基本物理特性的比較 項(xiàng)目 密度（20℃）/（kg/L） 沸點(diǎn)/℃ 汽化熱/（kJ/kg） 液態(tài)黏度（20℃）/（Pa.s） 閃點(diǎn)/℃ 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(duì)比的優(yōu)勢(shì) 從現(xiàn)有資料和實(shí)際使用中看乙醇汽油具有以下優(yōu)勢(shì)： 1、乙醇可提高汽油的辛烷值。加入到汽油中以后，對(duì)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(gè)單位，抗爆指數(shù)大約增加2個(gè)單位。乙醇辛烷值高（RON為111）可采用高壓縮比提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和動(dòng)力性.加上其蒸發(fā)潛熱大,可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(guó)內(nèi)車用無鉛汽油普遍對(duì)氧含量有嚴(yán)格的限制，當(dāng)前汽油氧含量一般要求不大于27.0%；但是對(duì)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(jí)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(gòu)買其它添加劑的費(fèi)用開支，而且有利于提高機(jī)動(dòng)車的動(dòng)力性能，減少機(jī)動(dòng)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(huì)有所改善，有利于環(huán)境保護(hù)，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(chǔ)運(yùn)使用方便,與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有繼承性,特別是使用乙醇汽油混合燃料時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)變化不大。 6、資源豐富。我國(guó)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(duì)石油資源的依賴,有利于我國(guó)能源安全[7]。 2.5 本章小結(jié) 從以上對(duì)比可見，發(fā)展乙醇在我國(guó)具有廣闊前景。對(duì)乙醇汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究也是很有現(xiàn)實(shí)意義的。我們的主要研究任務(wù)是一方面對(duì)燃燒過程進(jìn)行分析，以達(dá)到認(rèn)識(shí)燃燒特性，合理組織燃燒的目的。另一方面要達(dá)到降低排放的目的。 第３章 乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究 3.1 相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備 3.1.1 實(shí)驗(yàn)用汽油機(jī) 汽油機(jī)采用哈飛4G1系列發(fā)動(dòng)機(jī)如圖3.1，該發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)，4618型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、排量適中、動(dòng)力性好、安全性高、用途廣泛等特點(diǎn)，是經(jīng)濟(jì)型轎車的理想動(dòng)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(diǎn)電子噴射等科技含量較高的新技術(shù)，使其不但完全滿足我國(guó)新的排放法規(guī)的要求，而且達(dá)到了“歐洲3"和“歐洲4"排放標(biāo)準(zhǔn)。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(dòng)機(jī) 3.1.2 測(cè)試系統(tǒng) 測(cè)試系統(tǒng)采用湖南湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司的配套測(cè)試設(shè)備，其中包括FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)、FC2210Z智能油耗儀、IC轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、DC1040發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，要不經(jīng)變動(dòng)、用現(xiàn)有的供油設(shè)備直接在內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)水溫調(diào)節(jié)器、南京中科電機(jī)有限公司W(wǎng)P225變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、CW160電渦流測(cè)功機(jī)等。 3.1.3 FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng) FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)如圖3.2在設(shè)計(jì)過程中吸取了奧地利AVL公司SUCK公司發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。測(cè)控儀采用數(shù)字增量電壓控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩且無擾動(dòng)切換控制；液晶顯示測(cè)量參數(shù)，使測(cè)控儀的易操作性、及發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)際流行的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)；各種不同的傳感器輸出的信號(hào)，集中到CAN智能模塊調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，并通過總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，可使多套測(cè)控系統(tǒng)組成局域網(wǎng)絡(luò)，便于集中管理。 圖3.2 FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng) FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)是為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中各種不同類型的柴油機(jī)、汽油機(jī)、天然氣、液化氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)而精心設(shè)計(jì)大型測(cè)控系統(tǒng)。它可與國(guó)內(nèi)外各種不同的水力、電渦流、電力測(cè)功機(jī)配套使用，用于控制和測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、燃油及燃?xì)庀牧?、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(cè)控器 FC2110油門、勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)單元 FC2210智能油耗儀 測(cè)控、數(shù)據(jù)處理軟件 FC2310角行程油門執(zhí)行器 CW160電渦流測(cè)功機(jī) FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或高檔PC機(jī) 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(diǎn)： （1）采用先進(jìn)的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS011898 （CAN）。 （2）具有簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)特性，并可使多套測(cè)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)的功能擴(kuò)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(fù)荷，保證控制的穩(wěn)定性。 （4）各種控制特性的無擾動(dòng)切換。 （5）多種控制特性可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的要求。 （6）模塊化設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，具有無可比擬的可靠性和可維護(hù)性。 （7）數(shù)字密碼授權(quán)，保證了測(cè)控儀關(guān)鍵參數(shù)不能越權(quán)操作。 （8）越限三級(jí)報(bào)警（報(bào)警、保護(hù)、緊急停車）。 （9）功能齊全的軟件支持。 （10）各測(cè)量參數(shù)的數(shù)字化標(biāo)定，取代了傳統(tǒng)的電位器標(biāo)定。 （11）用戶可隨意編制線性化表格，以運(yùn)用各種非線性輸出的傳感器。 技術(shù)指標(biāo)： 1．轉(zhuǎn)速測(cè)量精度：士lr/min 2.轉(zhuǎn)速控制精度：士5r/min 3.扭矩測(cè)量精度：士0.4％F. S 4.扭矩控制精度：士0．4％F. S 5.油耗測(cè)量精度：士0.2％F. S 6.變換工況過渡時(shí)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(shè)計(jì)的FC2000系列發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。主要用于測(cè)量各種汽油機(jī)，柴油機(jī)、電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗。FC2210Z智能油耗儀采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，油耗測(cè)量和顯示儀表集于一體，可以獨(dú)立的完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的測(cè)量。FC2210Z智能油耗儀采用先進(jìn)的CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)特性，使多臺(tái)測(cè)試儀器聯(lián)網(wǎng)成為可能。同時(shí)保留了標(biāo)準(zhǔn)的RS232C串行接口，可方便的與通用微型計(jì)算機(jī)或其它智能儀表組成更高級(jí)的測(cè)試系統(tǒng)，或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。FC2210Z智能油耗儀的稱重部分采用全密封設(shè)計(jì)，能在環(huán)境較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)正常工作，即使在電磁閥完全失靈的情況下，燃油也不會(huì)溢出，保證使用的安全，特別適用于大回油量的發(fā)動(dòng)機(jī)和電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。 圖3.3 FC2210Z智能油耗儀 FC2210Z智能油耗儀具有以下優(yōu)點(diǎn)： 采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，傳感器和二次儀表集于一體，是一個(gè)獨(dú)立而完整的油耗測(cè)量?jī)x器，并可根據(jù)用戶要求配置隔室控制儀表；采用先進(jìn)的CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)特性，使多臺(tái)測(cè)試儀器聯(lián)網(wǎng)成為可能；保留了標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口，可方便的與通用微型計(jì)算機(jī)或其他智能儀表組成更高級(jí)的測(cè)試系統(tǒng)，或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制；兼有平均油耗和瞬時(shí)油耗測(cè)量的雙重功能；平均油耗時(shí)間可任意設(shè)置，并有掉電保護(hù)功能；可以超量程測(cè)量；任何油面都可進(jìn)入測(cè)量，而不必每次測(cè)量前先充油，減少了電磁閥動(dòng)作次數(shù)，從而延長(zhǎng)了電磁閥使用壽命；采用先進(jìn)的數(shù)字標(biāo)定技術(shù)，使儀器的標(biāo)定十分方便而簡(jiǎn)單；設(shè)有標(biāo)定密碼，在無授權(quán)的情況下不能任意修改，保證參數(shù)的準(zhǔn)確性；全密封設(shè)計(jì)，燃油不會(huì)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(dòng)機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，顯示扭矩（N.m），轉(zhuǎn)速（r/min），功率（kW），油耗率（g/Kw.h）或機(jī)油壓力（KPa）等主要測(cè)試參數(shù)的大型壁掛式顯示屏。通訊方式有CANBUS和標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行兩種方式。 技術(shù)指標(biāo)： （1）FC2030外形尺寸：1056 X 404mm，數(shù)碼管尺寸：4時(shí) （2） FC2031外形尺寸：754 X 314mm數(shù)碼管尺寸：2時(shí) （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(yīng)式電渦流測(cè)功機(jī) CW160圓柱感應(yīng)式電渦流測(cè)功機(jī)，如圖3.4是用來測(cè)量動(dòng)力機(jī)械各種特性的試驗(yàn)儀 器。本機(jī)適用于中、小型功率電機(jī)、汽車、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)、工程機(jī)械、林業(yè)、礦山、石油鉆采等機(jī)械的性能試驗(yàn)，也可作為其它動(dòng)力設(shè)備的吸功裝置。 圖3.4 CW160圓柱感應(yīng)式電渦流測(cè)功機(jī) 主要特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維護(hù)方便。 （2）制動(dòng)力矩大，測(cè)試精度高，工作穩(wěn)定。 （3）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。 （4）與測(cè)控系統(tǒng)配套，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。 技術(shù)指標(biāo)： （1）最大勵(lì)磁電壓：CW6～CW16, DC 90V；CW25～CW40, DC 120V； （2）最大勵(lì)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(dāng)出水溫度升高時(shí)，適當(dāng)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(jìn)水、出水的溫差和吸收功率的大小。 （5）測(cè)功機(jī)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(cè)量精度：士0.3％FS。 （8）轉(zhuǎn)速測(cè)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(dòng)化控制過程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種形式的傳感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換而精心設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)控模塊。FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可以與FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)配套使用，成為一個(gè)子系統(tǒng)。FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了國(guó)際先進(jìn)的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，其通訊協(xié)議符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS011898（CAN），CAN現(xiàn)場(chǎng)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(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps, CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鍵路層功能可完成對(duì)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(yàn)，優(yōu)先識(shí)別等項(xiàng)工作。FC2020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用一根雙絞線連結(jié)現(xiàn)場(chǎng)CAN智能模塊，因而現(xiàn)場(chǎng)的連線很少，當(dāng)需要增加新的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)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(guān)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(diǎn)： （1）采用先進(jìn)的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工S011898 （CAN）； （2）具有簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)特性，多套測(cè)試系統(tǒng)可以連網(wǎng)； （3）系統(tǒng)的功能擴(kuò)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(kuò)展和調(diào)整，適應(yīng)各種復(fù)雜多變的現(xiàn)場(chǎng)； （5）采用數(shù)字標(biāo)定技術(shù)，使標(biāo)定簡(jiǎn)單，快捷； （6）線性化表格可編輯，適應(yīng)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(shè)置功能； （8）模塊化設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，可靠性提高，可維護(hù)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(kuò)展到歐洲Ⅳ號(hào)排放法規(guī)要求的排放濃度進(jìn)行精確測(cè)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(cè)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(cè)量管路分析單元，可用于催化器轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)，其四條采樣管路，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及整車臺(tái)架的共用需要。 AMA I60主要技術(shù)參數(shù) （1）根據(jù)標(biāo)定氣體的實(shí)際值，測(cè)量誤差必須不超過1% F.S； （2）濃度小于100ppm時(shí)，測(cè)量誤差必須不超過±1ppm； 3.1.9 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成框架簡(jiǎn)介 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是由多種設(shè)備組成的其中主要包括儲(chǔ)油箱、油泵、排放儀、汽油機(jī)、油耗儀、PC機(jī)、溫度傳感器等，具體組成連接圖如圖3.5實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置示意圖。 排放儀 油泵 儲(chǔ)油箱 汽油機(jī) 鼓風(fēng)機(jī) 油耗儀 溫度傳感器 測(cè)功機(jī) 油門控制儀 測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái) PC機(jī) 圖3.5實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置示意圖 3.2乙醇汽油的摻比方案 在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)中摻比多少醇及采用什么摻比方式較好時(shí)，要考慮如下幾點(diǎn): （l） 目前生成的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等能否適應(yīng)，如不適應(yīng)，結(jié)構(gòu)需要變動(dòng)的程度及投資情況； （2） 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放特性； （3） 車輛的冷起動(dòng)性能及熱驅(qū)動(dòng)性能； （4） 在石油燃料供應(yīng)不能保證時(shí)，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(shí)，就必須考慮助溶劑的供應(yīng)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(dòng)機(jī)的可靠性及壽命； （8） 乙醇燃料的供應(yīng)情況及摻比后的經(jīng)濟(jì)效益； 乙醇的主要理化性質(zhì)表明，可以在內(nèi)燃機(jī)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(jī)的燃料。為使發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇時(shí)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(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和避免氣阻。改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，如在汽油機(jī)上增加起動(dòng)時(shí)混合氣的加濃裝置，混合氣的預(yù)熱裝置，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、調(diào)整點(diǎn)火正時(shí)等[8]。在汽油機(jī)中摻燒乙醇的方式有兩大類，混合燃料法和熏蒸法?；旌先剂戏ㄊ菍⒁掖纪ㄟ^加入助溶劑或機(jī)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(jìn)氣沖程經(jīng)進(jìn)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，或稍作改變，還可利用發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的供油設(shè)備，而且混合燃料及汽油可以交替使用，擴(kuò)充加油站等分配供應(yīng)系統(tǒng)的投資也較少。然而助溶劑的供應(yīng)、混合燃料的穩(wěn)定性以及混合燃料的性質(zhì)對(duì)在汽車上使用的適應(yīng)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(shí)驗(yàn)以選取純乙醇（含醇99.5%）與90號(hào)汽油混合，摻醇的比例選擇為10%。必須指出的是，在柴油機(jī)或汽油機(jī)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(duì)燃燒的均勻性和發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的均勻性有明顯影響。這會(huì)造成熱效率下降，排污增加，同時(shí)增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲和機(jī)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(guān)。 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(dāng)?shù)闹苁侄危€對(duì)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(gè)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(yīng)乳化汽油乙醇，第二種是使用機(jī)械攪拌式的乳化裝置，第三種是加入助溶劑。通過相關(guān)試驗(yàn)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(shí)間里保持均勻，放置時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)分層，而且增加了乳化裝置，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，成本增加，給進(jìn)一步推廣應(yīng)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(zhǎng)時(shí)間保持均勻。可用的助溶劑較多，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(gòu)醇類比正構(gòu)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(duì)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(dòng)力性能及燃油經(jīng)濟(jì)性 燃料乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，主要受燃料乙醇含量、發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、發(fā)動(dòng)機(jī) 燃料的供給方式等的影響。當(dāng)燃料乙醇含量高到一定比例時(shí)其動(dòng)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(dòng)機(jī)的每工作循環(huán)燃料，乙醇或乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)仍然可以產(chǎn)生與燃用汽油時(shí)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?yàn)橛腥剂弦掖嫉拇嬖?，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆震性能，因而壓縮比可以適當(dāng)增加，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。 選擇10%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇汽油（E10）和15%乙醇汽油（E15）兩種混合燃料，在一臺(tái)汽油機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究表明：在汽油中混合比例10%～15%含水不高的乙醇，無需對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行改造及調(diào)整燃油供給系統(tǒng)；雖然發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的燃燒性能，降低能耗率，改善汽油機(jī)的排放。 此外，使用純醇E100發(fā)動(dòng)機(jī)和M100發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，比原汽油機(jī)高。醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能明顯地優(yōu)于原汽油機(jī)，在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明車用乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)電控汽油機(jī)改燃乙醇汽油時(shí)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)未作任何調(diào)整，實(shí)驗(yàn)所用燃料是93號(hào)普通汽油和93號(hào)乙醇汽油。實(shí)驗(yàn)用電控汽油機(jī)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(jī)的主要參數(shù)及燃料物化性質(zhì) 汽油機(jī)的主要性能參數(shù) 實(shí)驗(yàn)燃料 項(xiàng)目 93號(hào)汽油 93號(hào)乙醇汽油（E10） 標(biāo)定功率/kW 100 密度/（kg/m3） 0.69～0.79 0.741 標(biāo)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(shí)汽油機(jī)燃用乙醇汽油時(shí)動(dòng)力性會(huì)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?jǐn)?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(jī)改燃乙醇汽油時(shí)，由于原機(jī)ECU的燃油控制策略是基于純汽油標(biāo)定的，所以在空燃比閉環(huán)控制的工況，ECU會(huì)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(jī)改燃乙醇汽油時(shí)，在不改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)和電控單元的控制策略情況下，對(duì)空燃比閉環(huán)控制的工況其動(dòng)力性有輕微的降低，燃油消耗率會(huì)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(jī)的壓縮比來增加其動(dòng)力輸出；同時(shí)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(huì)引起乙醇燃料的混合氣形成及啟動(dòng)困難，滯燃期變長(zhǎng)。但對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)汽油機(jī)相關(guān)性能的影響 3.6.1汽油機(jī)動(dòng)力性 圖3.6是汽油機(jī)在50%、100%油門開度條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，在油門開度一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，汽油機(jī)燃用乙醇汽油和普通汽油動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率在整個(gè)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(shí)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(shí)（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(shí)，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(shí)油門開度越大進(jìn)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(duì)改