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.docx
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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
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
黑龙江工程学院
二○一一年六月
TheGraduationThesisforBachelor'sDegree
StudyonEthanolGasolineEnginePerformance
Candidate：
YaoChunyu
Specialty：
VehicleEngineering
Class：
B07-2
Supervisor：
Lecturer.ZhuRongfu
HeilongjiangInstituteofTechnology
2011-06·Harbin
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
ThetopicofthepaperisEthanolGasolineEnginePerformanceStudy.Inordertoalleviatetherapiddevelopmentofautomobileindustrybroughtaboutbytheenergyshortageandenvironmentalpollutiondualpressuresofcleanalternativefuelresearchanddevelopmentandtherationaluseofresourceshasbecometherealityofanincreasinglyprominentissue.Theso-calledvehicleethanolgasoline,istodenaturedfuelethanolandgasolinemixturetoformacertainpercentageofmotorfuel.
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∙أحبكرةالقدم
Thisthesisonpuregasoline（E0）andmadeapartoftheE10andE20externalcharacteristicsandloadconditionsbasedontheexperimentalcharacteristicsoftheenginepower,fueleconomy,emissioncharacteristicsandcombustioncharacteristicsarealsodonesomeresearchandanalysisfoundthatmixedfuelburningpowerperformancedecreased,butwithlittledifferencebetweentheoriginalmachine:
themassofthefuelconsumptionratewasincreased,buttheenergyconsumptionrateofheatvalueofthegood,havelowerfueleconomyburnAnalysisofafundamentallackofethanolcausesgasoline.Fuelethanolblendedgasolinefuel,emissionsofCOandHCcanbereducedsignificantly,butoperatingconditionswillalsocausetheindividualtoincreaseNOxemissions.Catalyticfuelconversionefficiencyandtheamountoffuelcontainingalcoholaswellastheengineloadandspeedrelated.
Keywords:
EthanolGasoline;Dynamics;FuelEconomy;EmissionsCharacteristics；CombustionCharacteristics
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
4.1.1三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B43
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34.8%，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，l986年Hamdan和Jubran[6]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4％～21％的热效率的提高。
A1．Hasan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。
M．A．Ceviz和F．Ynksel[7]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Caffrev[8]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。
M．A．Ceviz和F．Yuksel[7]同时发现四种混合燃料的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10％．90％和20％．80％，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。
H．S．Yucesu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%）
34.8
0
沸点（
）
78.3
30～220
低热值（MJ/kg）
26.77
43.5
高热值（MJ/kg）
29.8
46.6
汽化潜热（kJ/kg）
862
297
自燃温度（
）
420
260～370
辛烷值
111
91
理论空燃比（m/m）
9.05
14.8
着火极限（空气中的容积比%）
4.3～19
1.4～7.6
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，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.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）
ME=1-MG（2.3）以E10为例，其低热值计算过程如下:
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
E0
E10
E20
质量低热值（MJ/kg）
43.5
41.71
39.94
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）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各燃料的理论空燃比
燃料
E0
E10
E20
燃料理论空燃比
14.8
14.23
13.58
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）
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:
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
E0
E10
E20
理论混合气热值（MJ/kg）
2.753
2.739
2.737
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ＡＶＬ ＡＭＡi６０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ＦＣ2000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
AVLAMAi60
电涡流测功机
负荷特性
CW-160
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、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。
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