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清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 题 目 : 高 低 比 例 甲 醇 汽 油 燃 烧 与 排 放 特 性 研 究 系 专 姓 别 : 汽 车 工 程 系 业 : 车 辆 工 程 名 : 兰 光 指 导 教 师 : 肖 建 华 高 级 工 程 师 21 年 6 月 28 日

中 文 摘 要 甲 醇 是 一 种 非 常 有 潜 力 的 替 代 燃 料, 目 前 煤 制 甲 醇 技 术 成 熟, 相 关 产 业 已 形 成 了 一 定 规 模, 经 济 性 较 好 甲 醇 的 理 化 特 性 与 汽 油 相 近, 储 运 携 带 使 用 都 和 传 统 的 汽 油 差 不 多 但 是 目 前 仍 存 在 非 常 规 排 放 冷 启 动 性 能 毒 性 等 关 键 问 题, 需 要 对 其 开 展 进 一 步 研 究 本 课 题 基 于 国 家 863 项 目 甲 醇 灵 活 燃 料 汽 车 技 术 开 发, 主 要 针 对 高 低 比 例 甲 醇 汽 油 在 普 通 汽 油 机 上 的 应 用, 研 究 其 动 力 性 经 济 性 燃 烧 性 能 以 及 常 规 与 非 常 规 排 放 特 性 在 华 普 JL479QA 进 气 道 多 点 电 喷 汽 油 机 上 进 行 高 低 比 例 甲 醇 汽 油 的 台 架 试 验 采 用 AVL 的 傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 多 组 分 分 析 仪 (SESAM-FTIR) 进 行 非 常 规 排 放 的 测 量 在 对 发 动 机 不 作 任 何 调 整 的 情 况 下, 获 得 了 汽 油 M5 M15 M3 的 外 特 性 及 负 荷 特 性 试 验 结 果 ; 通 过 修 改 ECU 的 目 标 空 燃 比, 对 发 动 机 的 喷 油 脉 宽 进 行 标 定 后, 获 得 了 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 M1 的 外 特 性 和 负 荷 特 性 试 验 结 果, 试 验 结 果 表 明 : 使 用 低 比 例 甲 醇 汽 油 时, 在 发 动 机 未 作 任 何 调 整 的 情 况 下, 发 动 机 在 2r/min 和 34r/min 下 的 负 荷 特 性 试 验 仍 然 能 够 进 入 闭 环 控 制, 等 热 值 有 效 燃 油 油 耗 率 略 有 下 降 ; 在 外 特 性 试 验, 使 用 低 比 例 甲 醇 汽 油 发 动 机 动 力 性 下 降, 对 发 动 机 进 行 标 定 后, 动 力 性 与 原 汽 油 机 相 当 使 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 时, 不 对 发 动 机 做 任 何 调 整, 发 动 机 已 经 无 法 正 常 工 作 对 发 动 机 进 行 标 定 后, 负 荷 特 性 下 等 热 值 有 效 燃 油 油 耗 率 下 降, 外 特 性 下 动 力 性 下 降 不 明 显 无 论 是 汽 油 低 比 例 的 M5 M15 M3, 还 是 高 比 例 的 M85,M1 催 化 剂 前 的 THC 随 着 甲 醇 比 例 的 增 大 逐 渐 降 低,NOx 和 CO 差 别 不 大 经 过 三 效 催 化 剂 后, 只 要 保 持 在 空 燃 比 14.6 即 催 化 剂 高 效 点 附 近, 催 化 剂 对 THC NOx CO 成 分 的 转 化 效 率 达 到 最 高 对 于 非 常 规 排 放, 甲 醇 汽 油 中 未 燃 甲 醇 以 及 甲 醛 的 排 放 随 着 甲 醇 比 例 的 增 加 而 增 加, 但 通 过 三 效 催 化 剂 后 能 达 到 与 汽 油 一 致 的 低 水 平 排 放 使 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 时, 发 动 机 最 大 缸 压 增 大, 燃 烧 起 始 点 和 最 大 缸 压 点 均 提 前, 压 力 升 高 率 增 大, 而 使 用 低 比 例 甲 醇 时 燃 烧 特 性 规 律 与 汽 油 相 近 关 键 词 : 甲 醇 汽 油 ; 非 常 规 排 放 ; 动 力 性 ; 经 济 性 ; 燃 烧 特 性 I

ABSTRACT Methanol is a kind of potential alternative fuels. The technique of producing methanol from coal is practicable. The coal-based methanol industry in China has formed a mass production. Methanol has a good economic performance. Its physical and chemical properties are similar to those of gasoline. Furthermore, the transportation, conservation and carrying are almost the same as gasoline. But there are series problems such as unregulated emissions, cold-start performance, toxicity and other key issues, which need thorough studies. This study was based on the national 863 project Development of methanol flexible fuel vehicle technologies, focusing on the power performance, economic performance, combustion process and regulated and unregulated emissions of different methanol-gasoline blended fuel. The tests were carried out on the engine bench by using different proportions of methanol-gasoline blended fuels. The engine used was a port fuel injection gasoline engine modeled JL479QA. AVL SESAM-FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) multi-components measurement system was used to measure the unregulated emissions. M5, M15 and M3 together with gasoline were tested on the engine without any adjusting while M85 and M1 were tested on the adjusted engine by changing the target-air-fuel ratio of ECU. The results show that when low-proportion methanol-gasoline blends were used, the unadjusted engine can still keep under closed-loop control at the speed of 2r/min and 34r/min. For the same power output, the specific energy fuel consumptions of the fuels are a little bit lower than that of gasoline. The power is almost the same as gasoline in the engine speed characteristics. When high-proportion methanol-gasoline blends M85 and M1 are used, the unadjusted engine cannot work steadily. But after being adjusted, the engine keeps the same power as using gasoline in the engine speed characteristics. The specific energy consumptions of the fuels are still lower with the increase of the methanol proportion. The regulated emission THC gets lower with more methanols in the fuel, while NO X and CO are similar for all the proportions of methanol-gasoline blends. As long as the A/F ratio is near the stoichiometry 14.6, the TWC (Three Way Catalyst) has a high conversion efficiency to keep the THC, NO X and CO around a very low standard. When high-proportion methanol-gasoline blends are used, the maximum pressure of cylinder becomes a little higher than that of low proportion and the cylinder pressure curves appear to be in advance. But the cylinder pressure of low-proportion methanol-gasoline blends has no remarkable difference with gasoline. Keywords : Methanol-gasoline; Unregulated emissions; Power performance; Economic performance; Combustion performance II

目 录 第 1 章 引 言...1 1.1 课 题 背 景...1 1.2 课 题 来 源 及 研 究 内 容...2 第 2 章 国 内 外 研 究 综 述...4 2.1 国 内 外 替 代 燃 料 研 究 进 展...4 2.1.1 天 然 气...4 2.1.2 液 化 石 油 气 (LPG)...7 2.1.3 生 物 柴 油...7 2.1.4 氢 能 源...9 2.1.5 醇 类 燃 料... 1 2.1.6 结 论... 12 2.2 甲 醇 物 理 化 学 特 性... 12 2.3 国 内 甲 醇 汽 油 研 究 进 展... 17 2.4 国 外 甲 醇 汽 油 研 究 进 展... 19 第 3 章 试 验 条 件... 21 3.1 发 动 机 台 架... 21 3.1.1 试 验 用 发 动 机... 22 3.1.2 测 功 机 及 控 制 系 统... 23 3.2 傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 仪... 24 3.3 常 规 排 放 分 析 仪... 26 第 4 章 试 验 结 果 分 析... 28 4.1 试 验 方 案 介 绍... 28 4.2 动 力 性... 29 4.2.1 未 调 整 发 动 机 参 数 动 力 性... 29 4.2.2 调 整 发 动 机 参 数 后 动 力 性... 31 4.2.3 排 温 特 性... 34 4.3 经 济 性... 35 III

4.3.1 外 特 性 下 经 济 性... 36 4.3.2 负 荷 特 性 下 经 济 性... 39 4.4 排 放 特 性... 43 4.4.1 常 规 排 放 特 性... 44 4.4.2 非 常 规 排 放 特 性... 53 4.5 燃 烧 特 性... 59 4.5.1 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 燃 烧 特 性 比 较... 59 4.5.2 不 同 点 火 提 前 角 燃 烧 特 性 比 较... 62 第 5 章 结 论 与 展 望... 64 5.1 结 论... 64 5.2 后 期 工 作 展 望... 64 插 图 索 引...66 表 格 索 引...69 参 考 文 献...7 致 谢...72 声 明... 错 误! 未 定 义 书 签 附 录 A 书 面 翻 译...74 IV

第 1 章 引 言 1.1 课 题 背 景 从 18 世 纪 中 叶 开 始 的 第 一 次 工 业 革 命 开 始, 到 现 在 的 25 年 里, 整 个 世 界 的 经 济 以 前 所 未 有 的 速 度 迅 猛 发 展, 世 界 人 口 急 剧 增 加, 对 能 源 的 消 耗 也 随 之 迅 速 增 长 据 联 合 国 统 计,1971 年 至 1995 年 全 世 界 一 次 能 源 需 求 量 的 年 增 长 率 为 2.2% 1995 年 世 界 一 次 能 源 的 需 求 量 约 可 折 合 成 83.41 亿 t 石 油 如 果 未 来 2 年 的 世 界 经 济 年 增 长 率 为 3.1%, 研 究 表 明, 世 界 一 次 能 源 的 需 求 量 将 以 平 均 2% 的 年 增 长 率 增 长, 到 22 年, 世 界 一 次 能 源 的 需 求 量 为 137.49 亿 吨 石 油 [1] 世 界 已 探 明 的 石 油 资 源 使 用 年 限 最 多 仅 能 维 持 39 年, 见 表 1.1 [1] 表 1.1 世 界 已 探 明 的 矿 物 燃 料 使 用 年 限 煤 天 然 气 石 油 世 界 221 8 39 中 国 85 62 19 [2] 图 1.1 1996 27 年 我 国 石 油 生 产 量 消 费 量 进 口 量 出 口 量 对 比 我 国 已 成 为 世 界 第 二 大 石 油 消 费 国 和 第 三 大 石 油 进 口 国 [4] 据 统 计,28 年 我 国 石 油 进 口 量 2.18 亿 吨 ( 其 中 原 油 1.79 亿 吨, 同 比 增 长 1%), 进 口 额 1589.15 亿 美 元 ( 其 中 原 油 1289.6 亿 美 元, 同 比 增 长 62%), 分 别 同 比 增 长 11% 66% 石 油 出 口 量 276.27 万 吨, 同 比 增 长 7% 我 国 石 油 净 进 口 量 为 1.98 亿 吨 ( 其 中 原 油 1.75 亿 吨 ), 对 外 依 存 度 为 5.9%, 年 度 首 超 5% [3] 石 油 进 口 依 存 度 的 不 1

断 增 加 和 国 际 油 价 的 居 高 不 下, 见 图 1.1 与 图 1.2, 这 不 仅 使 我 国 的 能 源 安 全 问 题 变 得 日 益 突 出, 而 且 对 我 国 经 济 的 可 持 续 发 展 影 响 越 来 越 大 据 有 关 部 门 预 测, 国 际 油 价 每 桶 增 加 1 美 元, 将 影 响 进 口 用 汇 46 亿 元 人 民 币, 直 接 影 响 我 国 GDP 增 长.43 个 百 分 点 [4] [3] 图 1.2 我 国 石 油 对 外 依 存 度 变 化 趋 势 世 界 交 通 能 源 消 耗 量 占 了 世 界 总 能 耗 的 4% 左 右, 而 汽 车 的 能 耗 量 又 占 了 交 通 能 耗 量 的 一 大 部 分 根 据 28 年 统 计, 汽 车 保 有 量 达 6289 万 辆, 消 耗 汽 油 6342 万 吨, 预 测 中 国 民 用 汽 车 到 21 年 将 达 7 万 辆 左 右, 年 耗 汽 油 7 多 万 吨 预 计 我 国 汽 车 保 有 量 自 25 年 至 22 年 的 16 年 内 将 维 持 8% 左 右 的 年 均 增 幅,22 年 将 达 到 1.4 亿 辆,23 年 达 到 2 亿 辆 左 右 预 计 21 年 汽 车 耗 油 占 石 油 消 费 总 量 的 比 重 将 上 升 到 43%,22 年 达 57%, 这 对 国 家 外 贸 进 出 口 平 衡 和 石 油 供 应 安 全 的 影 响 都 将 是 难 以 承 受 的 如 果 中 国 的 轿 车 工 业 也 建 立 在 石 油 为 能 源 的 基 础 上, 有 一 天, 中 国 汽 车 将 转 不 起 来 我 国 石 油 资 源 短 缺, 至 今 未 发 现 令 人 振 奋 的 大 油 田, 大 量 进 口 石 油 又 是 国 力 所 不 及 的 寻 找 石 油 替 代 品, 解 决 我 国 石 油 资 源 短 缺 是 国 家 长 远 的 能 源 政 策 [5] [5] 1.2 课 题 来 源 及 研 究 内 容 本 课 题 研 究 基 于 国 家 863 项 目 华 普 甲 醇 灵 活 燃 料 汽 车 技 术 开 发, 通 过 与 上 海 华 普 汽 车 有 限 公 司 的 合 作, 在 其 提 供 的 JL479QA 型 发 动 机 上, 完 成 以 下 试 验 内 容 : 1)M M5 M15 M3 M85 M1 甲 醇 汽 油 的 动 力 性 和 经 济 性 测 试 ; 2)M M5 M15 M3 M85 M1 甲 醇 汽 油 的 常 规 排 放 及 非 常 规 排 放 测 试 ; 3)M M5 M15 M3 M85 M1 甲 醇 汽 油 的 燃 烧 特 性 分 析 ; 2

4) 三 效 催 化 剂 对 各 种 比 例 甲 醇 汽 油 的 排 放 转 化 效 率 测 试 本 文 主 要 研 究 了 各 种 比 例 甲 醇 汽 油 ( 包 括 了 M M5 M15 M3 M85 M1 六 种 油 品 ) 应 用 于 发 动 机 台 架 上 时 的 动 力 性 经 济 性 排 放 特 性 及 燃 烧 特 性, 特 别 是 对 于 甲 醇 甲 醛 等 非 常 规 排 放 以 及 常 规 汽 油 车 用 三 效 催 化 剂 对 其 的 转 化 效 率 进 行 研 究 研 究 高 比 例 甲 醇 汽 油 时, 通 过 修 改 发 动 机 ECU 参 数 对 发 动 机 进 行 了 标 定, 获 得 了 原 机 高 中 低 比 例 甲 醇 汽 油 以 及 标 定 后 高 比 例 甲 醇 汽 油 试 验 的 大 量 数 据 最 终 对 于 高 低 比 例 甲 醇 汽 油 实 际 应 用 的 技 术 可 行 性 给 出 评 价 3

第 2 章 国 内 外 研 究 综 述 2.1 国 内 外 替 代 燃 料 研 究 进 展 我 国 的 石 油 资 源 紧 缺, 但 煤 炭 资 源 却 非 常 丰 富 到 1996 年 底, 我 国 煤 炭 已 探 明 保 有 量 大 于 1 万 亿 吨, 可 开 采 量 7 65 亿 吨, 经 济 可 采 储 量 达 1 145 亿 吨 1995 年 产 量 已 达 12. 8 亿 吨, 位 居 世 界 第 一 我 国 煤 炭 可 采 2 多 年 煤 炭 为 相 对 充 足 的 能 源 资 源, 价 格 低 廉, 可 获 得 性 好, 将 煤 炭 转 变 为 优 质 的 液 体 燃 料, 逐 步 建 成 中 国 煤 炭 液 化 新 产 业, 正 在 成 为 我 国 各 界 人 士 的 共 识, 对 解 决 石 油 短 缺, 保 证 能 源 安 全 稳 定 供 给, 具 有 重 大 战 略 意 义 和 现 实 意 义 [5] 世 界 交 通 能 源 消 耗 量 占 了 世 界 总 能 耗 的 4% 左 右, 而 汽 车 的 能 耗 量 又 占 了 交 通 能 耗 量 的 一 大 部 分, 目 前 绝 大 部 分 汽 车 上 所 使 用 燃 料 仍 然 是 汽 油 和 柴 油 由 于 发 动 机 中 燃 料 的 燃 烧 不 够 完 全 充 分, 排 气 中 产 生 了 大 量 的 THC NO X CO 炭 烟 等 有 害 污 染 物, 造 成 了 严 重 的 大 气 污 染, 尤 其 是 在 大 城 市 空 气 污 染 问 题 更 为 严 峻 为 了 实 现 世 界 经 济 的 可 持 续 发 展, 改 善 人 类 的 生 态 环 境, 必 须 从 以 下 两 条 途 径 努 力, 一 是 采 用 新 技 术, 努 力 提 高 汽 车 的 能 源 利 用 效 率, 使 燃 烧 更 加 完 全, 如 GDI 技 术, 混 合 动 力 技 术 等 ; 二 是 采 用 清 洁 的, 不 产 生 污 染 或 者 污 染 更 少 的 替 代 燃 料 等, 如 氢 气 生 物 柴 油 醇 类 燃 料 等, 使 能 源 供 应 多 样 化 我 国 的 石 油 资 源 紧 缺, 且 石 油 消 耗 量 逐 年 提 高, 对 外 依 存 度 已 经 超 过 5%, 严 重 威 胁 着 我 国 的 能 源 安 全 另 外, 目 前 石 油 煤 炭 等 化 石 燃 料 的 利 用 效 率 低 下, 燃 烧 不 充 分, 带 来 了 大 量 影 响 人 类 生 存 环 境 的 有 害 物 质, 环 境 问 题 日 益 突 出 因 此 在 当 前 这 种 形 势 下, 寻 找 储 量 丰 富 携 带 运 输 方 便 技 术 成 熟 且 清 洁 方 便 价 格 合 理 的 替 代 燃 料, 对 保 护 环 境, 减 少 污 染 以 及 维 护 我 国 的 石 油 能 源 安 全 显 得 尤 为 重 要 目 前 国 内 外 研 究 较 多 的 几 种 替 代 燃 料 是 甲 醇 乙 醇 LPG( 液 化 石 油 气 ) CNG( 压 缩 天 然 气 ) 和 氢 等 2.1.1 天 然 气 在 29 年 召 开 的 中 国 油 气 论 坛 天 然 气 专 题 研 讨 会 上, 世 界 石 油 理 事 会 中 国 国 家 委 员 会 主 任 原 石 油 工 业 部 部 长 王 涛 在 论 坛 开 幕 式 上 指 出, 我 国 的 天 然 气 资 源 是 比 较 丰 富 的, 最 新 的 油 气 资 源 评 价 表 明, 全 国 天 然 气 资 源 量 为 47 万 亿 立 方 4

米, 可 探 明 的 资 源 量 为 22 万 亿 立 方 米 ( 按 可 探 明 率 46.8% 计 ) 经 评 估, 天 然 气 可 采 资 源 量 为 14 万 亿 立 方 米 ( 按 可 采 率 63.6% 计 ) 截 至 27 年, 我 国 天 然 气 探 明 储 量 已 达 4.7 万 亿 立 方 米, 探 明 可 采 储 量 3.1 万 亿 立 方 米, 显 示 出 我 国 天 然 气 雄 厚 的 资 源 潜 力 和 良 好 的 发 展 前 景 天 然 气 是 一 种 多 组 分 的 混 合 气, 主 要 成 分 是 甲 烷, 及 少 量 乙 烷 丙 烷 C O N 2 等, 另 外, 随 产 地 的 不 同, 天 然 气 组 成 成 分 的 波 动 较 大, 其 中, 甲 烷 的 含 量 为 75%~96% 车 用 天 然 气 主 要 分 为 压 缩 天 然 气 (CNG,12-15MPa) 和 液 化 天 然 气 (LNG,-162 )2 种, 主 要 经 过 脱 硫 脱 烃 和 脱 水 等 过 程 精 制 后 压 缩 或 液 化 而 成 使 用 压 缩 天 然 气 CNG 作 为 车 用 燃 料, 与 液 化 天 然 气 LNG 相 比, 在 环 保 和 能 源 安 全 方 面 具 有 较 大 的 优 势, 且 CNG 作 为 汽 车 替 代 燃 料 技 术 较 为 成 熟, 使 用 更 加 广 泛, 因 而 这 里 主 要 介 绍 压 缩 天 然 气 CNG 天 然 气 的 辛 烷 值 为 118-12, 高 于 汽 油, 抗 爆 性 好, 有 利 于 增 大 发 动 机 的 压 缩 比, 提 高 热 效 率 其 着 火 温 度 为 595, 略 高 于 汽 油, 因 而 只 能 采 用 电 火 花 塞 点 火 或 者 少 量 柴 油 压 燃 后 再 引 燃 天 然 气 可 以 作 为 汽 油 机 和 柴 油 机 的 替 代 燃 料, 目 前 有 双 燃 料 发 动 机 和 单 一 天 然 气 发 动 机 两 种 在 正 常 的 汽 车 行 驶 和 环 境 条 件 下, 对 不 同 类 型 汽 车, 以 CNG 为 原 料 的 代 用 汽 车 燃 料 与 汽 油 相 比,CO 非 甲 烷 烃 类 (N MHC) 排 放 量 少 ; 与 柴 油 相 比, 氮 氧 化 物 固 体 颗 粒 排 放 量 要 少 ; 苯 等 化 合 物 排 放 基 本 为 零, 而 汽 柴 油 仍 有 苯 等 化 合 物 排 放 成 本 低 廉 运 行 平 稳 安 全 可 靠 为 CNG 汽 车 的 发 展 提 供 了 前 所 未 有 的 发 展 机 遇 [6] 用 天 然 气 作 为 发 动 机 的 代 用 燃 料, 对 改 善 和 标 定 我 国 的 能 源 结 构 和 减 少 发 动 机 的 排 放 污 染, 具 有 重 要 的 作 用 [7] 我 国 在 上 个 世 纪 5 年 代 开 始 进 行 压 缩 天 然 气 的 研 究, 在 8 年 代 引 进 国 外 先 进 技 术 成 功 研 制 了 压 缩 天 然 气 CNG 目 前 我 国 的 压 缩 天 然 气 CNG 汽 车 主 要 分 布 在 四 川 重 庆 等 地, 并 且 国 内 的 一 些 大 城 市 也 计 划 将 出 租 车 和 公 交 车 推 广 成 天 然 气 - 汽 油 双 燃 料 车 辆 目 前 我 国 对 天 然 气 在 车 用 发 动 机 上 的 应 用 研 究, 主 要 是 对 发 动 机 燃 烧 特 性 燃 料 控 制 系 统 设 计 和 为 使 天 然 气 发 动 机 和 双 燃 料 发 动 机 达 到 较 高 排 放 要 求 而 采 用 的 气 体 燃 料 电 控 喷 射 技 术 的 研 究, 以 及 天 然 气 发 动 机 专 用 催 化 转 化 器 的 研 究 [8] 随 着 世 界 能 源 危 机 日 益 突 出, 国 内 汽 车 制 造 企 业 及 各 科 研 单 位 也 加 强 了 对 天 然 气 发 动 机 和 双 燃 料 发 动 机 的 研 究, 并 取 得 重 大 突 破 22 年 3 月 大 型 公 交 车 用 单 一 燃 料 CNG( 压 缩 天 然 气 ) 电 喷 发 动 机 研 究 与 开 发 项 目 在 东 风 汽 车 公 司 通 过 了 国 家 鉴 定, 这 标 志 着 国 内 自 主 开 发 的 首 台 单 一 燃 料 天 然 气 发 动 机 研 制 成 功 5

国 家 清 洁 汽 车 行 动 项 目 总 体 组 在 验 收 时 指 出, 该 发 动 机 采 用 了 电 控 CNG 喷 射 增 压 中 冷 高 能 顺 序 点 火 稀 薄 燃 烧 等 高 新 技 术, 达 到 了 国 际 2 世 纪 9 年 代 水 平 同 时,22 年 3 月 一 汽 无 锡 柴 油 机 厂 达 到 欧 Ⅱ 排 放 标 准 的 154kW(21 马 力 ) CA611ZLA5N2 电 控 双 燃 料 发 动 机 也 通 过 了 国 家 级 鉴 定, 一 汽 锡 柴 厂 新 一 代 高 性 能 电 控 双 燃 料 发 动 机 突 破 了 常 规 双 燃 料 发 动 机 改 装 技 术, 采 用 了 先 进 的 发 动 机 电 控 CNG 进 气 总 管 喷 射 增 压 中 冷 技 术, 全 面 改 进 了 发 动 机 的 综 合 性 能 [9] 国 外 对 天 然 气 作 为 汽 车 替 代 燃 料 的 研 究 较 早, 技 术 也 更 为 成 熟 据 21 年 国 际 NGV( 天 然 气 汽 车 ) 协 会 (The International Association for NGV, 即 IANGV) 调 查 统 计, 全 世 界 天 然 气 汽 车 已 达 164 万 辆, 阿 根 廷 意 大 利 巴 基 斯 坦 和 美 国 已 经 拥 有 1 万 辆 以 上 的 CNG 汽 车 美 国 的 能 源 政 策 法 (EPACT) 的 目 标 是 到 21 年 代 用 燃 料 汽 车 达 到 3% 日 本 本 田 公 司 率 先 在 美 国 市 场 推 出 CIVIC GX 型 压 缩 天 然 气 汽 车, 并 打 入 欧 洲 市 场 本 田 对 CIVIC GX CNG 发 动 机 进 行 了 标 定 设 计, 采 用 进 气 管 多 点 顺 序 电 控 喷 气 技 术 该 机 为 4 缸,16 气 门,1.6L, 压 缩 比 12.5( 原 汽 油 机 为 9.4), 功 率 84.6kW/(65r/min); 采 用 VTEC( 液 压 控 制 配 气 定 时 和 气 阀 升 程 ) 和 EGR( 废 气 再 循 环 ), 有 2 个 氧 传 感 器 和 2 个 催 化 转 换 器 功 率 比 原 汽 油 机 提 高 3.7kW, 排 放 量 仅 是 美 国 超 低 排 放 标 准 限 值 的 1/1 福 特 公 司 推 出 了 维 多 利 亚 皇 冠 天 然 气 汽 车, 采 用 电 控 多 点 喷 气 废 气 再 循 环 和 三 元 催 化 转 换 器, 被 加 里 福 尼 亚 空 气 资 源 局 认 定 为 超 低 排 放 车 戴 姆 勒 B 克 莱 斯 勒 公 司 在 OM96LA 柴 油 机 技 术 基 础 上, 开 发 出 电 控 多 点 气 体 喷 射 稀 薄 燃 料 涡 轮 增 压 天 然 气 发 动 机 在 稀 燃, 燃 料 经 济 性 和 排 放 特 性 方 面 均 有 良 好 的 效 果 德 国 欧 宝 汽 车 公 司 21 年 开 发 出 微 型 厢 式 天 然 气 汽 车 发 动 机 1.6L,16 气 门, 最 大 输 出 功 率 为 74kW/(38r/min) 该 车 最 高 车 速 172km/h, 一 次 充 气 续 驶 里 程 达 4km 除 去 良 好 排 放 性 能 外, 其 经 济 性 相 当 突 出 在 21 年 德 国 莱 比 锡 国 际 汽 车 展 中, 瑞 典 沃 尔 沃 美 国 福 特 意 大 利 菲 亚 特 公 司 首 次 与 德 国 天 然 气 汽 车 开 发 商 共 设 展 车 宝 马 和 大 众 等 公 司 也 都 开 发 出 了 天 然 气 汽 车 [9] 以 现 代 电 控 技 术 为 基 础 以 压 缩 天 然 气 CNG 为 代 用 燃 料 的 天 然 气 车 用 发 动 机 和 双 燃 料 发 动 机 设 计 和 改 装 技 术 正 逐 步 成 熟 21 世 纪 压 缩 天 然 气 CNG 汽 车 发 展 迎 来 了 一 个 前 所 未 有 的 发 展 机 遇, 但 是 目 前 压 缩 天 然 气 汽 车 的 推 广 普 及 也 存 在 着 一 些 主 制 约 因 素, 是 加 气 网 络 少, 动 力 性 下 降, 续 行 里 程 短, 储 气 罐 较 重 而 储 存 容 器 的 绝 热 性 则 是 制 约 液 化 天 然 气 汽 车 发 展 的 重 要 原 因 之 一 6

2.1.2 液 化 石 油 气 (LPG) 液 化 石 油 气 (LiquefiedPetroleumGas, 简 称 LPG) 是 一 种 低 分 子 量 的 烃 类 混 合 物, 主 要 组 分 是 丙 烷 ( 超 过 95%), 还 有 少 量 的 丁 烷 LPG 可 分 为 油 田 LPG 和 炼 油 厂 LPG 油 田 LPG 一 般 不 含 烯 烃, 但 是 炼 油 厂 LPG 含 有 大 量 的 烯 烃 烯 烃 为 不 饱 和 烃, 在 汽 缸 内 燃 烧 后 结 胶, 积 炭 严 重, 容 易 引 起 火 花 塞 气 门 活 塞 环 等 积 炭, 不 适 合 直 接 作 为 车 用 燃 料 通 常 对 烯 烃 含 量 加 以 限 制, 规 定 烯 烃 的 含 量 要 低 于 6%, 才 能 用 作 车 用 燃 料 LPG 具 有 一 系 列 优 点 : 辛 烷 值 为 12-15, 高 于 汽 油, 抗 爆 性 好, 有 利 于 增 大 发 动 机 的 压 缩 比, 提 高 热 效 率 ; 经 济 性 比 酒 精 汽 油 柴 油 等 好 ;THC NOX 和 CO 等 污 染 物 的 排 放 量 低 于 汽 油 机 排 放, 炭 烟 和 颗 粒 物 排 放 很 低 ; 此 外 发 动 机 工 作 噪 声 低 LPG 的 主 要 缺 点 是 储 存 不 方 便, 需 中 压 储 液 罐, 比 汽 油 箱 笨 重, 存 储 空 间 利 用 率 低, 同 时 会 使 发 动 机 着 火 性 能 显 著 变 差, 使 发 动 机 的 冷 起 动 性 能 和 加 速 性 能 变 差 我 国 液 化 气 汽 车 的 应 用 研 究 处 于 刚 起 步 阶 段, 加 气 站 等 设 施 不 完 善, 目 前 对 LPG 发 动 机 的 研 究, 主 要 考 虑 以 现 有 车 用 发 动 机 为 基 础, 改 装 成 为 以 LPG 为 代 用 燃 料 的 双 燃 料 发 动 机 在 美 日 欧 韩 等 国 在 汽 车 上 使 用 LPG 已 成 为 一 种 相 当 成 熟 的 环 保 技 术 据 调 查, 意 大 利 荷 兰 俄 罗 斯 等 国 液 化 气 汽 车 均 超 过 7 万 辆, 日 本 的 出 租 车 有 96% 使 用 液 化 石 油 气 我 国, 自 1985 年 首 先 在 上 海 出 现 液 化 气 燃 料 汽 车 和 加 气 站 之 后, 北 京 广 州 深 圳 哈 尔 滨 新 疆 等 地 先 后 开 展 了 桑 塔 纳 富 康 捷 达 和 标 致 等 车 型 燃 用 液 化 气 的 改 装 试 验, 至 1997 年 底 全 国 运 营 的 液 化 气 汽 车 已 有 8 多 辆 23 年 底 中 国 各 主 要 城 市 的 LPG 加 气 站 近 3 座,LPG 汽 车 保 有 量 达 到 1 万 辆 但 是 考 虑 到 我 国 LPG 资 源 有 限, 民 间 生 活 用 LPG 的 一 部 分 还 要 靠 进 口 [11] LPG 并 不 适 合 我 国 替 代 能 源 的 发 展 方 向 2.1.3 生 物 柴 油 生 物 柴 油 是 由 大 量 的 长 链 脂 肪 酸 甲 酯 组 成 的 混 合 物, 生 物 柴 油 来 自 于 植 物 油 ( 玉 米 棉 籽 海 甘 花 生 油 菜 籽 大 豆 向 日 葵 ) 或 动 物 脂 肪 目 前, 国 外 大 多 数 生 物 柴 油 都 是 甲 基 酯, 美 国 生 物 柴 油 的 主 要 来 源 是 大 豆 油, 同 时 还 有 部 分 的 黄 油 牛 油 和 用 过 的 烹 调 油 ; 欧 洲 生 物 柴 油 的 主 要 来 源 是 菜 子 油 ; 而 日 本 主 要 以 用 过 的 烹 调 油 为 主 研 究 和 实 践 证 实, 得 自 于 动 植 物 油 脂 的 脂 肪 酸 甲 酯 在 燃 烧 特 性 上 与 石 化 柴 油 7

的 各 项 指 标 非 常 接 近 [12] 因 此 其 可 单 独 或 与 石 化 柴 油 混 合 在 柴 油 机 中 加 以 使 用 生 产 生 物 柴 油 的 原 料 来 自 于 动 物 或 植 物 油 脂, 另 外 生 物 柴 油 具 有 环 境 友 好 性, 大 气 污 染 小, 含 硫 量 低 等 优 点, 是 一 种 清 洁 可 再 生 燃 料 它 与 太 阳 能 风 能 潮 汐 能 一 道 被 称 为 21 世 纪 最 有 发 展 潜 力 的 可 再 生 资 源 与 其 他 3 种 能 源 相 比, 生 物 柴 油 具 有 易 储 备 来 源 广 以 及 不 受 当 时 自 然 因 素 影 响 的 优 点 [13] 生 物 柴 油 具 有 一 系 列 的 优 点 (1) 生 物 柴 油 具 有 可 再 生 性, 是 一 种 可 再 生 能 源, 资 源 不 会 枯 竭 可 以 实 现 能 源 的 可 持 续 发 展 ;(2) 生 物 柴 油 的 原 料 主 要 来 自 于 农 业, 我 国 广 大 的 山 地 高 原 和 丘 陵 都 可 以 种 植 木 本 油 料 作 物, 这 就 大 大 刺 激 了 当 地 农 业 经 济 的 发 展, 符 合 我 国 实 际 情 况, 同 时 降 低 了 对 国 外 成 品 油 的 依 赖 ;(3) 生 物 柴 油 有 较 好 的 发 动 机 低 温 启 动 性 能, 无 添 加 剂 时 冷 凝 点 达 -2 ;(4) 生 物 柴 油 自 身 含 氧, 而 且 十 六 烷 值 高, 燃 烧 性 能 好 ;(5) 生 物 柴 油 中 硫 含 量 低, 使 得 二 氧 化 硫 和 硫 化 物 的 排 放 低, 并 减 少 PM 的 排 放 量, 延 长 催 化 剂 的 寿 命 ;(6) 生 物 柴 油 的 开 口 闪 点 高, 储 存 使 用 运 输 都 非 常 安 全, 不 在 危 险 品 之 列 ;(7) 生 物 柴 油 中 不 含 芳 香 烃, 从 而 降 低 了 有 毒 物 的 排 放 研 究 表 明, 使 用 生 物 柴 油 可 降 低 9% 的 排 气 毒 性, 降 低 94% 的 患 癌 率 ;(8) 生 物 柴 油 粘 度 高 润 滑 性 好, 使 发 动 机 机 油 使 用 寿 命 加 长 [14] 目 前, 生 物 柴 油 也 存 在 大 量 的 不 足, 生 物 柴 油 的 燃 烧 残 留 物 呈 微 酸 性, 对 气 缸 有 轻 微 的 腐 蚀 性 NO X 排 放 不 好, 含 有 双 键 的 生 物 柴 油 存 贮 安 定 性 差, 在 空 气 中 细 菌 极 易 繁 殖, 导 致 生 物 柴 油 氧 化 变 质 生 物 柴 油 中 含 有 微 量 甲 醇 与 甘 油, 会 逐 渐 降 解 与 之 接 触 的 橡 胶 零 件, 如 橡 胶 膜 密 封 圈 燃 油 管 等 甘 油 容 易 形 成 甘 油 皂 堵 塞 输 油 管 道 和 喷 油 嘴 鉴 于 植 物 生 长 过 程 吸 收 的 CO 2 大 于 生 物 柴 油 燃 烧 排 放 的 CO 2, 欧 盟 为 了 履 行 京 都 议 定 书 中 减 轻 地 球 温 室 效 应 的 承 诺, 大 力 发 展 生 物 柴 油 ; 对 生 物 柴 油 采 取 差 别 税 收 刺 激 菜 籽 油 原 料 生 产 补 贴 等 措 施, 提 高 了 生 物 柴 油 对 石 油 柴 油 价 格 上 的 竞 争 力 欧 盟 23 年 生 物 柴 油 的 产 量 达 到 了 27 1 4 吨, 并 计 划 于 21 年 达 到 8 1 4 ~1 1 4 吨, 使 其 在 柴 油 市 场 中 的 份 额 达 到 5.75%, 计 划 在 22 年 达 到 2% 美 国 为 了 扩 大 大 豆 的 销 售 和 保 护 环 境, 十 多 年 来 一 直 致 力 于 使 用 大 豆 油 为 原 料 发 展 生 物 柴 油 产 业 22 年, 美 国 参 议 院 提 出 包 括 生 物 柴 油 在 内 的 能 源 减 税 计 划, 生 物 柴 油 享 受 与 乙 醇 燃 料 同 样 的 减 税 政 策 ; 要 求 所 有 军 队 机 构 和 联 邦 政 府 车 队 州 政 府 车 队 等 以 及 一 些 城 市 公 交 车 使 用 生 物 柴 油 22 年 生 产 能 力 达 到 22 1 4 吨, 211 年 计 划 生 产 115 1 4 吨, 216 年 到 33 1 4 吨 日 本 利 用 废 弃 食 用 油 生 产 生 物 柴 油 的 能 力 已 达 到 4 1 4 吨 / 年, 同 时 日 本 政 府 正 在 组 织 有 关 科 研 机 构 与 能 源 公 司 合 作 开 发 超 临 界 酯 交 换 技 术 生 产 生 物 柴 油 8

巴 西 22 年 重 新 启 动 生 物 柴 油 计 划, 采 用 其 丰 产 的 蓖 麻 油 为 原 料, 建 成 了 2.4 1 4 吨 / 年 的 生 物 柴 油 厂, 并 计 划 到 25 年 使 生 物 柴 油 在 矿 物 柴 油 中 的 掺 和 质 量 比 达 到 5%, 到 22 年 达 到 2% 韩 国 引 进 了 德 国 生 产 技 术, 以 进 口 菜 籽 油 为 原 料 于 22 年 建 成 1 1 4 吨 / 年 的 生 物 柴 油 生 产 装 置, 目 前 正 再 建 一 套 1 1 4 吨 / 年 的 生 产 装 置 菲 律 宾 政 府 已 宣 布, 与 美 国 合 作 开 发 用 椰 子 油 生 产 生 物 柴 油 的 技 术 在 我 国, 生 物 柴 油 产 业 化 首 先 在 民 营 企 业 展 开, 海 南 正 和 生 物 能 源 公 司 四 川 古 杉 油 脂 化 工 公 司 福 建 卓 越 新 能 源 发 展 公 司 等 都 建 成 了 1 1 4-2 1 4 吨 / 年 生 产 装 置, 主 要 以 餐 饮 业 废 油 为 原 料, 除 生 产 生 物 柴 油 外, 还 生 产 一 些 高 附 加 值 的 产 品 利 用 餐 饮 业 废 油 生 产 生 物 柴 油, 可 以 减 少 肮 脏 的 含 过 氧 化 基 的 脂 类 等 致 癌 物 质 及 其 他 污 染 物 排 入 环 境 或 重 新 进 入 食 用 油 系 统, 对 于 大 中 城 市 的 绿 色 化 具 有 重 要 意 义 另 外, 海 南 正 和 生 物 能 源 公 司 还 以 黄 连 木 树 果 油 为 原 料, 并 建 有 约 6 667 hm 2 (1 万 亩 ) 原 料 种 植 基 地 北 京 市 科 委 可 持 续 发 展 科 技 促 进 中 心 正 与 石 油 大 学 合 作, 利 用 北 京 市 餐 饮 业 废 油 为 原 料 来 制 造 生 物 柴 油 江 西 巨 邦 化 学 公 司 进 口 美 国 转 基 因 大 豆 油 和 国 产 菜 籽 油 生 产 生 物 柴 油, 正 在 建 设 1 1 4 吨 / 年 的 生 产 装 置 四 川 大 学 生 命 科 学 院 正 在 筹 备 以 麻 疯 树 果 油 为 原 料, 计 划 建 立 2 1 4 吨 / 年 的 生 产 装 置 [15] 生 物 柴 油 是 一 种 非 常 有 潜 力 的 替 代 能 源, 发 展 生 物 柴 油 对 我 国 实 施 可 持 续 发 展 战 略 具 有 重 要 意 义 但 是 生 物 柴 油 的 大 规 模 推 广 也 遇 到 了 一 些 挑 战, 首 先, 脂 肪 和 油 的 来 源 有 限, 且 原 料 成 本 占 到 生 物 柴 油 成 本 的 6%-75%, 原 料 的 供 给 是 发 展 生 物 柴 油 的 关 键 及 制 约 因 素, 尤 其 是 原 料 的 价 格 是 影 响 生 物 柴 油 成 本 的 主 要 因 素 以 使 用 过 的 食 用 油 为 原 料 可 大 大 降 低 成 本, 但 使 用 过 的 食 用 油 质 量 可 能 较 差 [16] 我 国 耕 地 面 积 有 限, 不 与 粮 食 争 地 的 前 提 下, 大 量 的 草 本 油 料 作 物 供 应 非 常 困 难, 所 以 只 能 趋 向 于 利 用 含 油 量 较 低 的 木 本 油 料 植 物 总 之, 生 物 柴 油 大 规 模 替 代 柴 油 汽 油 仍 需 时 日 2.1.4 氢 能 源 氢 气 的 分 子 为 H 2 氢 在 常 温 常 压 下 为 无 色 无 味 无 毒 的 气 体 氢 气 可 以 利 用 水 生 物 质 天 然 气 或 者 ( 气 化 ) 煤 炭 制 备 在 众 多 的 新 能 源 中, 氢 能 将 会 成 为 21 世 纪 最 理 想 的 能 源 这 是 因 为 氢 能 源 具 有 一 系 列 的 优 点 : (1) 燃 烧 时 只 产 生 H 2 和 少 量 NO X, 而 没 有 CO CO 2 HC 碳 烟 硫 化 物 等, 是 一 种 真 正 清 洁 的 燃 料 ;(2)H 2 的 质 量 燃 料 热 值 高, 为 12 MJ/kg, 是 汽 油 的 2.7 倍 但 理 论 空 燃 比 为 汽 油 的 2.5 倍, 折 算 到 理 论 体 积 混 合 气 发 热 量 要 小 于 9

汽 油 ;(3) 资 源 丰 富, 氢 可 通 过 太 阳 能 光 解 术, 太 阳 能 发 电 电 解 水 获 得 ; 氢 在 使 用 后 又 变 为 水 可 循 环 使 用, 制 氢 资 源 不 受 限 制 ;(4)H2 极 易 点 燃, 所 需 点 火 能 量 小, 同 时 火 焰 传 播 特 性 很 好, 传 播 速 度 是 汽 油 的 7.72 倍, 燃 烧 时 比 汽 油 出 现 爆 震 的 可 能 性 小 得 多, 易 实 现 稀 薄 燃 烧, 但 自 着 火 温 度 ( 大 气 压 力 下 ) 为 85 K, 高 于 柴 油 (625 K) 和 汽 油 (77K);(5) 用 途 广 泛 氢 作 为 原 料 已 广 泛 用 于 航 空 航 天 导 弹 火 箭 等 领 域, 作 为 燃 料 的 更 广 泛 应 用 技 术 正 在 开 发 研 究 之 中 氢 既 可 以 作 为 燃 料 供 给 发 动 机 直 接 燃 烧 提 供 动 力 输 出, 也 可 以 作 为 燃 料 电 池 的 燃 料 来 提 供 动 力 汽 油 车 较 易 改 成 氢 汽 车, 其 排 放 物 主 要 是 H 2 O N 2 O 2 和 少 量 NO X 但 是 由 于 氢 作 为 内 燃 机 燃 料 替 代 传 统 燃 油 所 带 来 低 排 放 的 优 势 越 来 越 不 明 显, 因 此 世 界 上 关 于 氢 能 汽 车 的 研 究 主 要 集 中 于 燃 料 电 池 汽 车 上 奔 驰 氢 燃 料 电 池 轿 车 已 批 量 生 产 6 辆, 在 欧 洲 日 本 新 加 坡 和 美 国 等 地 进 行 运 行 试 验, 该 车 采 用 质 子 交 换 膜 氢 燃 料 电 池, 应 用 65 kw 异 步 电 动 机 加 以 驱 动, 时 速 最 高 可 至 14 km/h, 行 程 达 162 km 在 我 国, 由 清 华 大 学 为 主 承 担 的 燃 料 电 池 城 市 客 车 整 车 技 术 等 有 关 研 究 课 题, 已 研 制 出 12 辆 16 座 中 巴 燃 料 电 池 轻 型 客 车 样 车 投 入 运 行, 该 车 额 定 功 率 18 kw, 驱 动 电 机 额 定 功 率 35 kw, 最 高 车 速 8 km/h, 最 大 爬 坡 度 15%,~4 km/h 的 加 速 时 间 不 大 于 15 s, 一 次 加 氢 续 驶 里 程 大 于 165 km 27 年, 我 国 第 四 代 燃 料 电 池 轿 车 研 制 成 功, 该 车 最 高 时 速 达 15 km/h, 最 大 续 驶 里 程 319 km 奥 运 会 期 间, 上 海 大 众 制 造 的 2 辆 帕 萨 特 领 驭 氢 燃 料 电 池 轿 车, 作 为 公 务 用 车 在 奥 运 中 心 区 投 入 示 范 运 营, 成 功 完 成 了 运 送 任 务 [17] 氢 能 源 相 对 于 碳 氢 能 源 具 有 一 系 列 的 优 点, 但 是 目 前 发 展 氢 能 也 面 临 着 很 大 的 挑 战 首 先, 氢 气 在 常 压 下 温 度 达 到 -252.6 时 才 能 液 化, 因 此 储 存 运 输 携 带 都 比 其 他 液 体 燃 料 ( 石 油 类 醇 类 ) 有 很 大 难 度, 目 前 的 技 术 还 没 有 能 够 达 到 发 展 氢 能 源 汽 车 的 要 求 另 外 目 前 9% 以 上 的 氢 气 是 由 化 石 燃 料 制 得, 在 制 氢 过 程 中 尽 管 也 排 放 CO 2 等 污 染 气 体, 最 具 有 前 途 的 制 氢 方 法 是 利 用 可 再 生 能 源 制 氢, 但 是 制 氢 成 本 过 高 2.1.5 醇 类 燃 料 醇 类 作 为 液 体 燃 料, 其 储 运 携 带 使 用 都 和 传 统 的 汽 油 柴 油 差 不 多 生 产 乙 醇 燃 料 的 原 料 主 要 来 自 农 作 物, 属 可 再 生 能 源, 用 生 物 技 术 路 线 取 代 化 学 技 术 路 线 进 行 生 物 燃 料 的 生 产, 已 成 为 全 球 各 国 能 源 规 划 的 核 心 内 容 燃 用 乙 醇 燃 料 可 以 减 少 大 气 中 CO2 排 放 许 多 国 家 如 日 本 规 定 在 汽 油 中 掺 烧 部 分 乙 醇, 日 本 在 24 年 推 出 汽 油 掺 烧 1% 乙 醇 的 试 用 车, 并 计 划 于 28 年 普 及 乙 醇 作 为 车 1

用 燃 料 在 美 国 和 巴 西 的 应 用 已 经 由 来 已 久 我 国 从 23 去 年 起 在 河 南 等 省 利 用 陈 化 粮 食 等 发 酵 蒸 馏 脱 水 制 得 乙 醇, 与 汽 油 按 1:9 兑 和 使 用 作 为 由 生 物 制 得 的 燃 料, 从 长 远 来 讲 乙 醇 是 最 有 利 于 实 现 可 持 续 发 展 的 [1] 但 是 目 前 乙 醇 的 生 产 原 料 来 源 主 要 是 依 靠 粮 食 作 物, 产 量 十 分 有 限, 无 法 作 为 最 终 替 代 燃 料 满 足 我 国 数 量 众 多 的 汽 车 的 要 求, 而 且 以 粮 食 作 物 作 为 原 料 生 产 的 乙 醇 价 格 居 高 不 下, 这 也 成 为 推 广 乙 醇 的 一 个 障 碍 甲 醇 的 生 产 技 术 成 熟 资 源 丰 富 价 格 便 宜, 如 采 用 煤 合 成 氨 联 产 获 得 的 甲 醇 不 仅 生 产 成 本 低 ( 一 般 低 于 1 元 / 吨, 而 利 用 高 硫 煤 多 联 供 生 产 甲 醇 单 位 产 品 成 本 仅 为 744 元 / 吨 ), 而 且 环 境 效 益 好, 非 常 有 利 于 用 作 汽 车 燃 料 [18] 甲 醇 作 为 内 燃 机 燃 料 有 许 多 优 点 :(1) 甲 醇 的 辛 烷 值 高, 抗 爆 性 能 好, 在 汽 油 中 添 加 甲 醇 可 以 提 高 汽 油 的 辛 烷 值, 从 而 可 以 适 当 提 高 发 动 机 的 压 缩 比, 从 而 提 高 发 动 机 的 动 力 性 ;(2) 甲 醇 自 身 含 氧, 甲 醇 分 子 中 含 有 5% 的 氧, 在 相 同 燃 料 和 进 气 量 的 情 况 下, 燃 烧 更 加 充 分, 提 高 了 能 源 利 用 率, 并 且 THC CO 的 排 放 大 大 降 低 ;(3) 甲 醇 在 常 温 下 是 液 体, 其 储 运 携 带 使 用 都 和 传 统 的 汽 油 柴 油 差 不 多 ;(4) 甲 醇 燃 料 水 溶 性 强, 生 物 降 解 快, 对 生 态 环 境 的 影 响 较 小 ;(5) 经 济 性 好, 目 前 在 国 际 油 价 居 高 不 限 的 情 况 下, 中 东 用 天 然 气 制 甲 醇 及 国 内 的 煤 制 甲 醇 具 有 较 大 价 格 优 势 ;(6) 来 源 丰 富, 我 国 煤 炭 资 源 丰 富, 煤 制 甲 醇 技 术 成 熟 国 内 外 对 甲 醇 汽 油 做 了 大 量 研 究 2 世 纪 8 年 代 中 期, 福 特 汽 车 公 司 就 开 发 了 一 种 甲 醇 灵 活 燃 料 汽 车 (FFV), 可 以 使 用 纯 汽 油 到 M85 之 间 任 何 比 例 的 甲 醇 汽 油 燃 料, 经 过 3 年 试 验, 获 得 较 好 的 结 果, 污 染 气 体 排 放 量 比 汽 油 减 少 3%, 福 特 公 司 已 生 产 FFV 汽 车 75 辆 美 国 加 州 能 源 局 (CEC) 在 1978~1998 年 开 展 加 州 甲 醇 汽 车 示 范 项 目, 包 括 低 比 例 甲 醇 汽 油 汽 车 高 比 例 甲 醇 燃 料 汽 车 和 灵 活 燃 料 汽 车 的 示 范 [19] 中 国 由 2 世 纪 7 年 代 就 开 始 了 甲 醇 燃 料 及 相 关 技 术 的 研 究 六 五 期 间, 国 家 科 委 交 通 部 等 开 始 支 持 山 西 省 进 行 低 比 例 甲 醇 燃 料 的 研 发 工 作 ; 七 五 至 八 五 期 间, 国 家 科 委 先 后 组 织 甲 醇 燃 料 的 应 用 公 关 项 目 ; 九 五 期 间, 原 经 贸 委 新 能 源 专 项 计 划 批 准 山 西 实 施 甲 醇 燃 料 示 范 工 程, 试 验 示 范 55 辆 使 用 M85 电 喷 甲 醇 发 动 机 的 中 巴 汽 车 ; 十 一 五 期 间, 科 学 技 术 部 国 家 攻 关 项 目 甲 醇 燃 料 汽 车 (M85~M1) 示 范 工 程 支 持 在 山 西 对 55 辆 M85~M1 甲 醇 车 进 行 示 范 运 营, 国 家 攻 关 项 目 M85 点 燃 式 甲 醇 燃 料 轻 型 汽 车 的 研 究 开 发 支 持 开 发 排 放 符 合 GB14762 22 标 准 的 多 点 电 喷 M85 甲 醇 发 动 机 及 整 车 除 11

了 国 家 重 点 扶 持 的 有 关 科 研 开 发 项 目 以 外, 各 科 研 院 所 和 企 业 也 进 行 了 大 量 的 应 用 研 究 奇 瑞 汽 车 公 司 对 发 动 机 的 燃 油 系 统 耐 蚀 材 料 冷 却 系 统 以 及 专 用 润 滑 油 进 行 了 系 统 的 开 发, 于 27 年 试 制 了 一 批 灵 活 燃 料 车 进 行 了 两 个 多 月 的 M85-M1 试 运 行, 经 专 家 鉴 定 认 为 甲 醇 汽 车 在 动 力 性 加 速 性 排 放 经 济 性 和 操 作 稳 定 性 均 优 于 汽 油, 解 决 了 冷 启 动 燃 油 泵 耐 蚀 材 料 和 专 用 润 滑 油 等 难 题,28 年 准 备 向 市 场 推 出 2 万 辆 的 甲 醇 灵 活 燃 料 车 [2] 上 海 华 普 汽 车 公 司 和 上 海 内 燃 机 研 究 所 于 26 年 合 作, 用 M1 的 甲 醇 燃 料 对 轿 车 发 动 机 的 燃 料 系 统 排 气 系 统 和 电 控 系 统 进 行 系 统 开 发, 计 划 28 年 4 月 投 入 批 量 生 产 [21] 山 西 佳 新 公 司 自 主 研 发 出 在 原 汽 油 车 基 础 上 改 造 为 M~M1 灵 活 燃 料 轿 车 技 术, 改 造 后 车 辆 技 术 性 可 靠 性 与 原 汽 油 车 相 同, 而 经 济 性 和 环 保 性 则 优 于 原 汽 油 车, 目 前 已 改 造 在 用 出 租 车 五 百 余 台 山 西 省 在 甲 醇 燃 料 的 开 发 使 用 方 面 一 直 走 在 全 国 前 列, 截 止 27 年 1 月, 全 省 累 计 销 售 甲 醇 汽 油 五 十 余 万 吨, 建 甲 醇 加 注 站 五 百 余 座, 参 与 掺 烧 的 车 辆 3 万 辆 次, 最 长 行 驶 里 程 36 万 公 里, 效 果 良 好 [22] 2.1.6 结 论 (1) 从 可 持 续 发 展 的 长 远 角 度 来 看, 以 上 在 几 种 替 代 能 源 中, 氢 能 的 对 环 境 的 污 染 最 少, 而 且 来 源 非 常 丰 富, 非 常 具 有 潜 力, 但 是 目 前 无 法 在 短 时 间 内 解 决 氢 的 存 储 及 生 产 成 本 问 题, 氢 能 源 最 终 取 代 碳 氢 能 源 尚 需 时 日 (2) 在 目 前 氢 能 还 不 能 大 规 模 投 入 使 用 的 情 况 下, 甲 醇 是 最 为 合 适 的 替 代 能 源, 当 前 煤 制 甲 醇 技 术 成 熟, 经 济 性 好, 我 国 煤 制 甲 醇 产 业 已 经 形 成 了 相 当 规 模, 而 且 甲 醇 作 为 替 代 燃 料 也 非 常 适 合 我 国 富 煤 缺 油 少 气 的 资 源 结 构 2.2 甲 醇 物 理 化 学 特 性 甲 醇 的 物 理 化 学 性 质 与 汽 油 相 近, 两 者 的 主 要 物 理 化 学 对 比 如 表 2.1 所 示 : 12

[22] 表 2.1 甲 醇 和 汽 油 物 理 化 学 性 质 对 比 性 质 甲 醇 汽 油 分 子 式 CH3OH C4~C14 相 对 分 子 质 量 32.4 约 1 密 度 /g.cm-1.793.693~.79 冰 点 / -96 < -6 沸 点 / 64.7 32~21 热 值 /kj.kg-1 283 4435 水 中 溶 解 度 /mg.l-1 互 溶 1~2 自 燃 温 度 / 5 456 发 火 温 度 / 47 24 气 化 潜 热 / 119 31 饱 和 蒸 气 压 /kpa 32 理 论 空 燃 比 /kg.kg-1 6.45 14.6~15.1 马 达 法 辛 烷 值 (MON) 9 7~84 研 究 法 辛 烷 值 (RON) 112 84~96 (MON+RON)/2 12 77~9 甲 醇 是 一 种 无 色 透 明 易 燃 易 挥 发 的 有 毒 液 体, 分 子 式 为 CH 3 OH, 常 温 下 对 金 属 无 腐 蚀 性 ( 铅 铝 除 外 ), 略 有 酒 精 气 味 分 子 量 32.4, 熔 点 -97.8, 沸 点 64.5, 闪 点 12.22, 自 燃 点 463.89, 蒸 气 密 度 1.11, 蒸 气 压 13.33kPa(1mmHg 21.2 ), 蒸 气 与 空 气 混 合 物 爆 炸 极 限 6~36.5 %( 体 积 比 ), 能 与 水 乙 醇 乙 醚 苯 酮 卤 代 烃 和 许 多 其 他 有 机 溶 剂 相 混 溶, 遇 热 明 火 或 氧 化 剂 易 燃 烧 热 效 应 甲 醇 的 低 热 值 为 2.kJ/kg, 相 当 于 汽 油 低 热 值 的 45.3%, 在 汽 油 中 掺 烧 汽 油 会 使 燃 料 的 低 热 值 下 降, 尤 其 是 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 和 M1 下 降 更 为 明 显, 如 图 2.1 所 示 如 果 在 发 动 机 上 直 接 使 用 中 高 比 例 的 甲 醇 汽 油, 而 不 对 发 动 机 做 任 何 调 整 的 话, 发 动 机 的 动 力 性 必 然 下 降 另 外 甲 醇 自 身 含 氧, 氧 占 总 质 量 的 5%, 甲 醇 完 全 燃 烧 所 需 的 空 气 量 比 汽 油 少 得 多, 而 甲 醇 和 空 气 的 理 论 混 合 热 值 与 汽 油 相 当, 同 时 甲 醇 燃 烧 速 度 更 快, 使 得 甲 醇 汽 油 的 燃 烧 得 更 加 充 分, 提 高 了 燃 烧 热 效 率 13

5 低 热 值 (kj/kg) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 汽 油 M5 M15 M3 M85 1 图 2.1 各 比 例 甲 醇 汽 油 低 热 值 抗 暴 性 甲 醇 的 抗 爆 性 能 好, 辛 烷 值 高 : 马 达 法 辛 烷 值 (MON) 为 16, 研 究 法 辛 烷 值 (RON) 为 112, 因 而 以 甲 醇 作 内 燃 机 燃 料 抗 爆 性 能 很 好, 无 须 提 高 辛 烷 值 便 可 达 到 较 好 性 能, 使 用 甲 醇 汽 油 无 需 加 入 添 加 剂, 因 而 降 低 了 经 济 成 本 并 减 少 环 境 污 染 另 外, 设 计 甲 醇 汽 油 专 用 发 动 机 时, 可 以 适 当 提 高 发 动 机 的 压 缩 比, 从 而 提 高 发 动 机 的 效 率 蒸 汽 压 甲 醇 的 沸 点 低 于 汽 油, 更 容 易 蒸 发, 因 而 在 发 动 机 上 使 用 时 容 易 产 生 汽 阻, 尤 其 是 在 炎 热 的 夏 季, 但 在 其 他 季 节, 由 于 温 度 较 低, 甲 醇 作 内 燃 机 燃 料 时 基 本 不 产 生 气 阻 问 题 甲 醇 的 气 化 潜 热 为 119 MJ/kg, 远 大 于 汽 油 的 气 化 潜 热 在 低 温 条 件 下, 甲 醇 的 气 化 性 变 差, 因 而 冷 启 动 性 能 恶 化 在 使 用 中 低 比 例 甲 醇 汽 油 如 M5 M15 M3 时, 发 动 机 的 冷 启 动 性 能 基 本 上 还 可 以 接 受, 但 是 使 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 M1 时, 发 动 机 冷 启 动 性 能 将 急 剧 下 降, 这 些 特 性 使 得 纯 甲 醇 作 为 燃 料 用 于 内 燃 机 时, 需 要 采 取 适 当 调 整 措 施 互 溶 性 汽 车 要 求 甲 醇 与 汽 油 必 须 溶 合 使 用, 甲 醇 与 汽 油 的 互 溶 性 是 研 究 的 难 题 醇 类 分 子 中 既 含 有 羟 基 ( 以 OH 代 表 ), 又 含 有 烃 基 ( 以 R 代 表 ) 因 此, 醇 类 既 有 亲 烃 油 的 特 性, 又 有 亲 水 的 特 性, 后 者 更 强 烈 所 以 在 柴 油 机 或 汽 油 机 中 掺 烧 醇 类, 14

容 易 出 现 醇 油 分 层 或 醇 含 水 而 与 油 明 显 分 层 的 问 题 这 些 问 题 对 燃 烧 的 均 匀 性 和 发 动 机 工 作 过 程 的 均 匀 性 都 有 明 显 影 响 这 还 会 造 成 热 效 率 下 降, 排 污 增 加, 同 时 增 加 了 发 动 机 的 振 动 噪 声 和 机 件 在 早 期 损 坏 在 甲 醇 与 汽 油 混 合 液 中 加 入 助 溶 剂 是 改 善 甲 醇 与 汽 油 互 溶 性 的 一 种 有 效 措 施 有 无 助 溶 剂 时 甲 醇 和 汽 油 的 互 溶 性 有 很 大 差 别 可 以 用 作 甲 醇 与 汽 油 的 助 溶 剂 的 物 质 有 : 异 戊 醇 异 丁 醇 正 丁 醇 异 丙 烯 加 基 叔 丁 基 醚 (MTBE) 乙 醇 杂 醇 等 使 用 乙 醇 作 为 助 溶 剂 的 试 验 实 验 结 果 如 图 2.3 所 示 : 图 2.3 甲 醇 与 汽 油 的 互 溶 性 当 温 度 在 零 下 15 度 以 上 时, 甲 醇 含 量 小 于 5% 或 大 于 7% 时 甲 醇 与 汽 油 不 需 要 加 助 溶 剂 就 可 以 以 任 何 比 例 完 全 互 溶 ; 在 甲 醇 含 量 为 3%~4% 时, 助 溶 剂 临 界 用 量 最 大 [23]. 互 溶 性 除 受 甲 醇 与 汽 油 各 自 的 物 化 性 能 的 影 响 外, 还 与 储 存 使 用 的 温 度 燃 料 中 水 分 的 含 量 助 溶 剂 的 种 类 与 数 量 等 密 切 相 关 低 比 例 甲 醇 和 较 高 比 例 甲 醇 与 汽 油 相 对 容 易 溶 合, 而 中 等 比 例 的 甲 醇 汽 油 则 较 难 以 溶 合 腐 蚀 性 甲 醇 对 汽 车 发 动 机 的 金 属 部 件 具 有 一 定 的 腐 蚀 作 用, 并 且 随 着 甲 醇 汽 油 中 甲 醇 体 积 分 数 的 增 加, 腐 蚀 性 能 增 强 腐 蚀 主 要 发 生 在 活 塞 环 和 汽 缸 壁 处 发 生 腐 蚀 的 原 因 主 要 有 (1) 甲 醇 本 身 及 其 燃 烧 中 间 游 离 基 反 应 (CH2OH+O2 >HCOOH+H2O), 生 成 的 氧 化 产 物 甲 酸 等 对 环 带 金 属 表 面 造 成 的 腐 蚀 ;(2) 由 于 甲 15

醇 蒸 发 潜 热 大, 气 化 不 良 而 流 入 气 缸 壁, 使 得 润 滑 油 膜 被 冲 刷 而 造 成 磨 擦 磨 损 ; 或 与 润 滑 油 添 加 剂 反 应, 导 致 后 者 失 去 防 腐 蚀 作 用 而 加 快 了 活 塞 和 气 缸 壁 的 腐 蚀 磨 损 在 燃 料 中 加 入 一 定 比 例 的 抗 腐 蚀 添 加 剂 具 有 明 显 的 抗 腐 蚀 效 果, 但 抗 腐 蚀 添 加 剂 的 种 类 与 添 加 量 需 进 行 标 定 溶 胀 性 甲 醇 对 汽 车 供 油 系 统 的 材 料 如 橡 胶 塑 料 具 有 溶 胀 和 龟 裂 作 用, 影 响 材 料 的 使 用 性 能, 见 表 2.2 所 示 : [24] 表 2.2 汽 油 和 甲 醇 对 橡 胶 密 封 材 料 的 溶 胀 作 用 橡 胶 ( 塑 料 ) 名 称 无 铅 汽 油 烷 烃 46.3% 芳 烃 5% 烯 烃 3.7% 甲 醇 1% 氟 ( 烷 ) 橡 胶 (HK) 1 1 氟 硅 ( 烷 ) 橡 胶 (FK) 18 9 聚 硫 橡 胶 27 3 F 7A 聚 乙 醚 胶 22 11 聚 氨 酯 橡 胶 21 18 海 帕 龙 (Hypalon) 61 1 表 氯 醇 橡 胶 (ECO) 33 31 丁 晴 橡 胶 (NBR) 51 14 氯 丁 橡 胶 (Neoperne) 96-4 聚 乙 烯 橡 胶 84-2 (2d,21, 以 膨 胀 百 分 率 表 示 ) 毒 性 甲 醇 具 有 较 强 的 毒 性, 这 也 是 目 前 推 广 甲 醇 作 为 替 代 燃 料 的 一 个 重 要 困 难 甲 醇 有 较 强 的 毒 性, 对 人 体 的 神 经 系 统 和 血 液 系 统 影 响 最 大, 它 经 消 化 道 呼 吸 道 或 皮 肤 摄 入 都 会 产 生 毒 性 反 应, 甲 醇 蒸 气 能 损 害 人 的 呼 吸 道 粘 膜 和 视 力 经 口 中 毒 多 为 误 服 据 研 究 人 1 次 口 服 5~1ml 甲 醇 可 致 严 重 中 毒,1 次 口 服 15ml 或 2d 内 分 次 口 服 累 计 达 124~164ml, 可 致 失 明 对 人 的 致 死 剂 量 个 体 差 异 较 大, 有 1 次 口 服 3ml 致 死 的 报 道, 也 有 口 服 7~1ml 致 死 的 报 道 甲 醇 的 急 性 毒 作 用 带 窄, 急 性 中 毒 后 果 严 重, 易 造 成 失 明 或 死 亡 [25] 甲 醇 燃 料 汽 车 尾 气 排 放 物 的 甲 醇 甲 醛 对 环 境 的 潜 在 危 害 也 需 要 进 行 深 入 的 研 究, 特 别 是 在 城 市 高 流 量 汽 车 环 境 中, 成 千 上 万 辆 甲 醇 汽 车 同 时 持 续 排 放 尾 气 所 排 放 的 甲 醇, 可 对 交 警 环 卫 工 人 人 行 道 人 群, 道 路 两 边 的 商 铺 和 居 住 的 人 群 健 16

康 构 成 威 胁 故 使 用 催 化 净 化 器 技 术 与 推 广 甲 醇 燃 料 汽 车 应 同 步 进 行 尽 管 甲 醇 的 毒 性 很 强, 但 是 只 要 不 误 服 甲 醇, 并 且 严 格 遵 守 相 关 要 求 的 情 况 下 使 用 甲 醇, 对 人 体 不 会 造 成 伤 害 北 京 医 科 大 学 的 三 院 职 业 病 科 眼 科 共 同 进 行 了 为 期 三 年 详 细 的 连 续 跟 踪 检 查, 结 论 是 只 要 遵 守 操 作 规 程, 没 有 发 现 人 体 健 康 异 常 从 事 研 究 的 科 研 人 员 和 生 产 人 员, 也 未 发 现 一 例 甲 醇 职 业 病 [26] 另 外, 甲 醇 在 贮 存 运 输 和 汽 车 加 注 过 程 中 有 甲 醇 蒸 发 逸 散 在 正 常 无 事 故 泄 漏 ( 大 量 排 放 ) 的 情 况 下, 对 大 气 质 量 无 明 显 影 响 2.3 国 内 甲 醇 汽 油 研 究 进 展 国 内 对 甲 醇 汽 油 的 研 究 主 要 是 由 各 大 高 等 院 校 开 展 的, 其 中 较 为 突 出 的 有 太 原 理 工 大 学 西 安 交 通 大 学 长 安 大 学 天 津 大 学 等 1998 年, 太 原 理 工 大 学 的 胡 真 杨 庆 佛 等 对 EQ 61 汽 车 发 动 机 压 缩 比, 化 油 器 混 合 气 预 热 和 点 火 角 度 进 行 了 技 术 改 造 和 参 数 的 标 定 匹 配, 其 中 他 们 采 用 减 薄 缸 盖 的 方 法 把 汽 油 机 的 压 缩 比 从 7 提 高 到 了 8.1 和 8.36, 然 后 进 行 了 高 比 例 M 85 的 台 架 试 验, 试 验 证 明 对 EQ 61 汽 油 发 动 机 改 装 成 M 85 甲 醇 发 动 机 后, 扭 矩 增 加 6.4 %, 功 率 增 加 15.57 %, 怠 速 污 染 排 放 比 国 家 规 定 的 汽 油 机 怠 速 污 染 排 放 CO 减 少 94 %,THC 减 少 65 %, 比 理 论 计 算 燃 油 供 给 量 减 少 17 % [27] 29 年 巩 利 平, 杨 庆 佛 等 在 465Q 汽 油 机 同 样 采 用 减 薄 缸 盖 的 方 法, 将 压 缩 比 由 9. 提 高 到 了 1.6, 并 将 部 分 零 件 更 换 为 防 腐 和 防 溶 胀 材 料 后, 燃 用 M85 进 行 发 动 机 台 架 试 验, 获 得 了 类 似 的 试 验 结 果, 即 功 率 和 扭 矩 高 于 原 汽 油 机, 燃 油 消 耗 率 明 显 低 于 原 汽 油 机 [28] 杨 庆 佛 教 授 等 人 进 行 甲 醇 汽 油 的 研 究 时, 适 当 的 提 高 了 发 动 机 的 压 缩 比, 使 发 动 机 燃 烧 M85 时 的 动 力 性 变 好, 但 是 他 们 并 未 对 发 动 机 的 排 放 特 性 尤 其 是 非 常 规 排 放 进 行 研 究 26 年, 西 安 交 通 大 学 的 刘 圣 华, 祁 东 辉 在 JL368Q3 型 电 喷 汽 油 机 上 未 进 行 任 何 调 整 的 前 提 下, 开 展 了 一 系 列 的 研 究 他 们 分 别 对 燃 用 汽 油 和 甲 醇 - 汽 油 混 合 燃 料 (M1 M2) 的 动 力 性 经 济 性 和 排 放 特 性 进 行 了 对 比 分 析, 其 中 他 们 使 用 气 相 色 谱 仪 测 量 了 尾 气 中 的 甲 醇 和 甲 醛 排 放, 得 出 如 下 结 论 :(1) 在 外 特 性 工 况 运 行 时, 甲 醇 - 汽 油 混 合 燃 料 发 动 机 的 输 出 功 率 在 高 转 速 时 略 高 于 汽 油 机, 有 效 燃 料 消 耗 率 比 汽 油 机 低, 有 效 热 效 率 比 汽 油 机 高 ; 在 负 荷 特 性 工 况 运 行 时, 混 合 燃 料 发 动 机 的 有 效 燃 料 消 耗 率 和 有 效 热 效 率 与 汽 油 机 基 本 相 当 ;(2) 随 着 混 合 燃 料 中 甲 醇 含 量 的 增 加,CO 排 放 明 显 降 低,NO X 排 放 基 本 保 持 不 变, 在 较 高 负 荷 时 THC 排 放 略 有 17

升 高 汽 油 机 的 甲 醇 排 放 比 混 合 燃 料 高, 而 混 合 燃 料 的 甲 醛 排 放 明 显 高 于 汽 油, 并 且 随 混 合 燃 料 中 甲 醇 体 积 分 数 的 增 加 而 增 大 排 气 经 三 效 催 化 转 化 器 后, 甲 醇 和 甲 醛 排 放 可 以 被 控 制 在 接 近 零 排 放 的 水 平 ;(3) 电 喷 汽 油 机 在 外 特 性 运 行 时 为 开 环 控 制, 而 在 中 小 负 荷 运 行 时 为 闭 环 控 制, 其 控 制 策 略 的 不 同 会 影 响 燃 用 甲 醇 - 汽 油 混 合 燃 料 时 的 排 放 特 性, 所 以 本 研 究 结 果 与 在 化 油 器 式 发 动 机 上 的 研 究 结 果 不 会 完 全 相 同 [29] 刘 圣 华 教 授 等 人 利 用 气 相 色 谱 仪 法 获 得 了 非 常 规 污 染 物 甲 醇 甲 醛 的 排 放 数 据, 但 是 气 相 色 谱 仪 法 德 精 度 较 低, 可 能 会 对 结 果 产 生 一 定 的 影 响 另 外, 刘 圣 华 教 授 还 指 出 了 发 动 机 的 控 制 策 略 会 对 发 动 机 燃 用 甲 醇 汽 油 时 的 动 力 性 产 生 影 响, 这 对 开 展 甲 醇 汽 油 研 究 有 重 要 作 用 26 年 以 来, 天 津 大 学 内 燃 机 燃 烧 学 国 家 重 点 实 验 室 的 汪 洋 张 仲 荣 等 在 HL495JIQ 火 花 点 火 式 电 控 甲 醇 发 动 机 上, 使 用 M85 和 M1 在 发 动 机 台 架 上 测 取 了 九 工 况 点 的 排 放 数 据, 得 到 该 发 动 机 常 规 排 放 物 的 九 工 况 法 排 放 指 标, 通 过 气 相 色 谱 法 检 测 和 分 析 了 甲 醇 和 甲 醛 非 常 规 污 染 物 的 排 放 特 性, 同 时 考 察 了 三 元 催 化 反 应 器 对 非 常 规 污 染 物 的 转 化 效 率 得 出 结 论 :(l) 电 控 M85 甲 醇 发 动 机, 其 九 工 况 法 常 规 排 放 物 指 标 :CO 为 1.15g/(kW h),thc 为.5 g/(kw h),no X 为.12 g/(kw h),co 排 放 相 当 于 GB14762 一 2 限 定 值 的 11.9%,THC 和 NO X 相 当 于 GB14762 一 2 限 定 值 的 4.4%, 因 此 从 常 规 排 放 角 度,M85 燃 料 属 于 清 洁 燃 料 ;(2) 按 照 九 工 况 法 折 算 的 非 常 规 碳 氢 排 放 : 甲 醛 为.4 g/(kw h), 占 THC 中 的 8%, 甲 醇 排 放 接 近, 因 此 电 控 甲 醇 发 动 机 的 非 常 规 排 放 问 题, 实 际 上 是 甲 醛 排 放 问 题 ;(3) 按 照 九 工 况 折 算, 三 效 催 化 反 应 器 对 甲 醛 和 申 醇 的 净 化 率 分 别 为 73.3% 和 1.%, 而 且 存 在 发 动 机 负 荷 越 大, 甲 醛 的 净 化 率 越 低 的 规 律 [3] 汪 洋 等 人 不 但 研 究 了 催 化 剂 前 非 常 规 污 染 物 的 排 放 特 性, 同 时 还 获 得 了 催 化 剂 后 非 常 规 污 染 物 的 排 放 数 据, 考 察 了 普 通 催 化 剂 对 非 常 规 污 染 物 的 转 化 效 率 目 前 国 内 对 甲 醇 汽 油 的 研 究 主 要 都 是 在 发 动 机 台 架 上 进 行, 无 法 反 映 汽 车 燃 用 甲 醇 汽 油 时 的 真 实 动 力 性 经 济 性 及 排 放 性 水 平 28 年, 北 京 理 工 大 学 的 葛 蕴 珊, 尤 可 为 等 在 北 京 现 代 汽 车 公 司 的 伊 兰 特 汽 油 轿 车 燃 烧 汽 油 和 工 业 甲 醇, 研 究 比 较 其 常 规 和 非 常 规 污 染 物 排 放 特 性. 采 用 热 脱 附 - 气 相 色 谱 / 质 谱 联 用 技 术 和 高 效 液 相 色 谱 法 对 汽 油 和 工 业 甲 醇 燃 料 的 非 常 规 污 染 物 排 放 进 行 定 量 及 定 性 研 究. 研 究 结 果 表 明 : 甲 醇 轿 车 的 常 规 污 染 物 CO,THC( 总 碳 氢 化 合 物 ) 和 NOx 排 放 低 于 汽 油 轿 车 ; 非 常 规 排 放 污 染 物 中, 甲 醇 汽 车 的 醛 酮 尾 气 排 放 高 于 汽 油 轿 车, 其 甲 醛 的 排 放 量 约 是 汽 油 车 的 6 倍, 而 其 挥 发 性 有 机 物 (VOCs) 排 放 的 总 量 只 有 汽 油 车 的 1/2 左 右 [31] 18

2.4 国 外 甲 醇 汽 油 研 究 进 展 国 外 早 在 2 世 纪 8 年 代 就 开 始 了 甲 醇 燃 料 的 研 究, 美 国 日 本 等 开 发 出 了 甲 醇 汽 油 车, 目 前 仍 有 在 路 上 运 行 国 外 对 使 用 甲 醇 汽 油 的 动 力 性 经 济 性 排 放 特 性 冷 启 动 性 能 等 都 做 了 相 应 研 究, 但 是 由 于 甲 醇 的 毒 性 价 格 等 因 素 的 制 约, 进 入 21 世 纪 以 来 国 外 对 甲 醇 汽 油 的 研 究 渐 渐 减 少 从 2 世 纪 8 年 代 开 始, 在 日 本 交 通 省 等 部 门 的 支 持 下, 低 排 放 汽 车 协 会 Organization for the Promotion of Low Emission Vehicles (LEVO)) 陆 续 推 出 了 奥 托 型 及 狄 赛 尔 型 甲 醇 燃 料 车 LEVO 研 究 了 甲 醇 燃 料 车 的 使 用 性 能 排 放 性 能 及 安 全 性 能, 同 时 更 改 了 甲 醇 燃 料 车 的 发 动 机 部 分 材 料 到 1999 年 3 月 时, 一 共 有 572 辆 甲 醇 燃 料 车 曾 在 公 路 上 运 行, 但 由 于 使 用 甲 醇 燃 料 经 济 性 低 于 使 用 柴 油, 实 际 仍 在 运 行 的 只 有 3 辆 LEVO 运 营 甲 醇 燃 料 汽 车 的 经 验 对 将 来 推 广 甲 醇 燃 料 很 有 帮 助 [32] 199 年, 日 本 三 菱 公 司 将 戈 蓝 轿 车 改 造 成 为 可 同 时 使 用 汽 油 和 M85 的 双 燃 料 汽 车, 研 究 人 员 认 为 和 普 通 汽 油 车 相 比 最 大 的 不 同 是 : 兼 容 的 材 料 ( 如 油 箱 油 管 的 材 质 ), 多 样 的 喷 油 控 制 和 着 火 时 刻, 以 及 可 能 出 现 的 非 常 规 排 放 针 对 冷 起 动 困 难, 使 用 了 对 混 合 气 加 热 的 方 法, 提 高 了 起 动 性 能 另 外 对 三 效 催 化 剂 进 行 预 热 使 其 快 速 起 燃, 可 以 大 大 降 低 冷 起 动 时 的 甲 醛 排 放 [33] 1993 年, 美 国 南 方 研 究 所 及 加 州 空 气 研 究 委 员 会 研 究 了 两 种 添 加 剂 对 发 动 机 常 规 排 放 和 非 常 规 排 放 的 影 响, 研 究 人 员 在 一 辆 大 众 杰 塔 牌 双 燃 料 汽 车 上 分 别 使 用 汽 油 M85 M1, 用 采 样 袋 收 集 THC CO CO 2 NOx, 同 时 也 采 样 醇 类 醛 类 和 酮 类, 收 集 的 样 气 用 气 相 色 谱 配 合 火 焰 离 子 化 检 测 (FID) 分 析 研 究 结 果 证 明 : 有 害 气 体 排 放 物 大 部 分 产 生 于 冷 启 动 阶 段, 使 用 添 加 剂 使 得 整 体 排 放 性 能 改 善, 但 在 排 气 中 会 生 成 某 些 特 殊 的 烃 类 [34] 1993 年, 埃 克 森 美 孚 石 油 公 司 和 田 纳 西 州 大 学 联 合 研 制 了 一 种 改 善 甲 醇 汽 油 冷 启 动 性 能 的 装 置, 基 本 原 理 装 置 带 有 一 种 专 用 催 化 剂, 在 启 动 发 动 机 时 能 够 快 速 氧 化 部 分 甲 醇, 产 生 的 能 量 促 进 剩 余 大 部 分 甲 醇 的 气 化, 从 而 改 善 发 动 机 的 冷 启 动 性 能 研 究 人 员 在 一 辆 1988 年 产 的 雪 佛 兰 M85 甲 醇 汽 油 专 用 汽 车 上 使 用 M1 进 行 了 -3 F 冷 启 动 试 验, 并 取 得 成 功, 试 验 证 明 在 室 温 为 -22 F 下, 发 动 机 具 有 稳 定 的 冷 启 动 性 能 [35] 28 年, 土 耳 其 Karadeniz 技 术 大 学 的 Atilla Bilgin 等 人 在 可 变 压 缩 比 四 冲 程 单 缸 火 花 点 火 式 发 动 机 上 使 用 了 无 铅 汽 油 含 铅 汽 油 M5 M1 M15 19

M2, 通 过 调 整 压 缩 比, 点 火 提 前 角 等 获 得 相 应 试 验 数 据 得 出 结 论 : 使 用 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料, 可 以 获 得 比 基 础 汽 油 含 铅 汽 油 无 铅 汽 油 更 高 的 平 均 有 效 压 力 使 用 甲 醇 汽 油 时, 有 效 热 效 率 随 着 混 合 燃 料 甲 醇 比 例 的 增 加 而 线 性 增 加 在 试 验 的 所 有 点 火 提 前 角 范 围 内,M2 的 有 效 热 效 率 始 终 最 高 并 且 他 们 依 据 土 耳 其 甲 醇 价 格 和 发 动 机 使 用 甲 醇 汽 油 时 的 燃 油 消 耗 率 得 到 了 经 济 性 结 论 [36] 2

第 3 章 试 验 条 件 本 章 主 要 介 绍 各 种 试 验 仪 器 设 备 甲 醇 汽 油 试 验 装 置 包 括 发 动 机 台 架 和 主 要 测 试 仪 器, 见 表 3.1 排 放 测 试 方 法 包 括 测 量 THC NOx 和 CO 的 常 规 气 态 排 放 物 分 析 仪 和 测 量 非 常 规 排 放 物 的 傅 立 叶 红 外 光 谱 仪 表 3.1 试 验 用 仪 器 设 备 仪 器 名 称 型 号 生 产 厂 家 试 验 用 发 动 机 JL479QA 上 海 华 普 发 动 机 厂 电 涡 流 测 功 机 CW16 湖 南 湘 仪 常 规 排 放 仪 CEB-II AVL 非 常 规 排 放 仪 SESAM-FTIR AVL 油 耗 仪 DF 312 日 本 小 野 空 然 比 仪 AF BOOST METER NOK SPARK PLUG 公 司 燃 烧 分 析 仪 INDIMODUL AVL 3.1 发 动 机 台 架 整 个 台 架 由 尾 气 测 量 系 统 燃 油 供 给 系 统 进 排 气 系 统 数 据 采 集 处 理 系 统 等 部 分 组 成 试 验 发 动 机 为 上 海 华 普 JL479QA 发 动 机, 发 动 机 排 气 管 配 以 双 排 放 仪 管 路, 利 用 一 个 三 通 阀 与 非 常 规 排 放 仪 连 接, 分 别 检 测 三 效 催 化 剂 前 后 的 常 规 和 非 常 规 排 放 情 况 采 用 AVL CEB-II 型 排 放 分 析 仪 和 AVL SESAM-FTIR 红 外 光 谱 多 组 分 分 析 仪 进 行 排 放 成 分 测 试 催 化 器 出 入 口 布 置 KEU 型 铠 装 热 电 偶 测 试 排 气 温 度 由 湘 仪 生 产 的 FC21 发 动 机 测 控 仪 测 功 机 系 统 实 现 发 动 机 台 架 试 验 自 动 控 制 使 用 小 油 箱 和 油 泵 进 行 供 油, 便 于 更 换 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油 催 化 剂 前 排 气 管 安 装 后 氧 传 感 器 与 空 燃 比 仪 连 接, 可 通 过 空 燃 比 仪 实 时 监 控 发 动 机 的 实 际 空 燃 比 大 小 图 3. 1 为 发 动 机 试 验 台 架 布 置 示 意 图, 图 3. 2 为 发 动 机 台 架 实 际 布 置 图 21

图 3. 1 发 动 机 试 验 台 架 布 置 示 意 图 图 3. 2 发 动 机 台 架 实 际 布 置 图 3.1.1 试 验 用 发 动 机 研 究 对 象 为 上 海 华 普 JL479QA 多 点 进 气 道 电 控 喷 射 汽 油 机, 主 要 技 术 特 点 是 : 4 气 门 双 顶 置 凸 轮 轴 选 用 Delphi 先 进 电 控 系 统 多 点 喷 射 图 3.3 是 华 普 JL479QA 汽 油 机 实 物 图, 表 3.2 是 华 普 JL479QA 汽 油 机 参 数 22

图 3.3 华 普 JL479QA 发 动 机 表 3.2 华 普 JL479QA 发 动 机 参 数 发 动 机 型 号 发 动 机 型 式 排 量 (L) 压 缩 比 最 大 功 率 (kw/r/min) 最 大 扭 矩 (N m/r/min) 6km/h 等 速 油 耗 (L/1km) 排 放 标 准 直 列 4 缸 16 气 门 顶 JL479QA 置 双 凸 轮 轴 多 点 电 喷 汽 油 机 1.498 9.8 69/6 128/34 5 国 Ⅳ 3.1.2 测 功 机 及 控 制 系 统 测 功 机 及 控 制 系 统 使 用 湖 南 湘 仪 动 力 测 试 仪 器 有 限 公 司 生 产 的 CW16 电 涡 流 测 功 机 FC21 发 动 机 测 控 仪 FC211 油 门 励 磁 驱 动 单 元 计 算 机 控 制 单 元 等 通 过 该 系 统 可 以 控 制 发 动 机 的 节 气 门 开 度 输 出 转 矩 转 速 等 参 数 图 3.4 为 试 验 时 所 用 的 控 制 台 实 物 图, 图 3.5 为 试 验 用 测 功 机 实 物 图 23

图 3.4 控 制 台 实 物 图 图 3.5 测 功 机 实 物 图 3.2 傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 红 外 光 谱 属 于 吸 收 光 谱, 是 由 于 化 合 物 分 子 振 动 时 吸 收 特 定 波 长 的 红 外 光 而 产 生 的, 化 学 键 振 动 所 吸 收 红 外 光 的 波 长 取 决 于 化 学 键 动 力 常 数 和 连 接 在 两 端 的 原 子 折 合 质 量, 也 就 是 取 决 于 分 子 的 结 构 特 征 这 就 是 红 外 光 谱 测 定 化 合 物 结 构 的 理 论 依 据 傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 (FTIR) 是 利 用 干 涉 仪 干 涉 调 频 的 工 作 原 理, 根 据 干 涉 图 和 光 谱 图 之 间 的 对 应 关 系, 通 过 测 量 干 涉 图 和 对 干 涉 图 进 行 傅 里 叶 变 换 获 得 光 谱 图, 它 能 同 时 测 量 记 录 来 自 光 源 所 有 谱 元 的 信 息, 高 效 率 地 采 集 来 自 光 源 的 辐 射 能 量 检 测 器 接 收 到 的 随 光 程 差 变 化 的 信 号 强 度 便 是 光 源 所 有 谱 元 的 贡 献 试 验 使 用 的 非 常 规 排 放 测 试 系 统 是 AVL 公 司 生 产 的 SESAM 4. 傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 (FTIR), 如 图 3.6 所 示 图 3.6 SESAM 4. 外 观 图 24

多 组 分 排 放 分 析 仪 SESAM 4. 在 正 式 使 用 前 要 进 行 标 定, 即 确 定 不 同 浓 度 的 各 种 测 量 物 质 在 傅 里 叶 变 换 红 外 分 析 仪 (FTIR) 得 到 的 吸 收 频 谱 图 中 对 应 的 出 峰 时 刻 和 峰 面 积 仪 器 出 厂 前 所 做 的 标 定 结 果 如 表 3.3 所 示, 表 中 给 出 了 各 种 测 量 成 分 的 化 学 式 名 称 标 定 范 围 和 相 对 误 差 表 3.3 SESAM 4. 出 厂 标 定 结 果 成 分 名 称 标 定 范 围 标 气 浓 度 相 对 误 差 (%) CH 4 甲 烷 1 ppm 911 ppm.5 C 2 H 2 乙 炔 1 ppm 54 ppm.47 C 2 H 4 乙 烯 1 ppm 293 ppm.27 C 2 H 6 乙 烷 1 ppm 52 ppm.37 C 3 H 6 丙 烯 1 ppm 77 ppm.4 C 4 H 6 1.3- 丁 二 烯 1 ppm 11 ppm.43 NC 5 正 戊 烷 1 ppm 924 ppm.27 IC 5 异 戊 烷 1 ppm 916 ppm.24 AHC 甲 苯 1 ppm 916 ppm.24 CO lo 一 氧 化 碳 ( 低 ) 8 ppm 96 ppm.29 CO hi 一 氧 化 碳 ( 高 ) 1 Vol.-% 91 ppm.29 CO 2lo 二 氧 化 碳 ( 低 ) 2.9 Vol.-% 286 ppm.22 CO 2hi 二 氧 化 碳 ( 高 ) 2 Vol.-% 1911 ppm.22 H 2 O 水 25 Vol.-% 2471 ppm.31 HCHO 甲 醛 1 ppm 112 ppm.38 MeCHO 乙 醛 1 ppm 33 ppm.5 ETOH 乙 醇 1 ppm 915 ppm.78 MEOH 甲 醇 1 ppm 313 ppm.35 NO 一 氧 化 氮 1ppm 935 ppm.36 NO 2 二 氧 化 氮 1 ppm 98 ppm.49 N 2 O 氧 化 二 氮 1 ppm 98 ppm.3 NH 3 氨 气 1 ppm 935 ppm.37 SO 2 二 氧 化 硫 1 ppm 12 ppm.36 COS 氧 硫 化 碳 2 ppm 11 ppm.25 从 表 中 可 以 看 出, 多 组 分 排 放 分 析 仪 能 够 同 时 测 量 尾 气 中 多 达 25 种 成 分 的 排 放 量, 相 对 误 差 不 超 过 1% 傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 还 具 有 在 线 连 续 采 样 的 能 力, 采 样 频 率 为 1Hz 光 谱 仪 在 经 过 出 厂 标 定 后, 在 使 用 过 程 中 无 需 再 次 标 定, 能 确 保 测 试 结 果 在 长 时 间 内 的 一 致 性 但 是 仪 器 本 身 的 价 格 比 较 昂 贵 25

3.3 常 规 排 放 分 析 仪 试 验 采 用 AVL CEB II 排 气 分 析 仪 对 排 气 中 的 CO CO 2 O 2 HC 和 NO X 浓 度 进 行 测 量 其 中,CO 和 CO 2 采 用 非 分 光 红 外 线 吸 收 型 分 析 仪 (NDIR),HC 排 放 采 用 氢 火 焰 离 子 化 型 分 析 仪 (FID),NO X 采 用 化 学 发 光 型 分 析 仪 (CLD) 实 物 图 如 图 3.7 所 示 图 3.7 AVL CEB II 排 气 分 析 仪 NDIR 分 析 方 法 是 基 于 某 种 待 测 气 体 对 特 定 波 长 红 外 辐 射 的 吸 收 程 度 与 浓 度 相 关 这 一 原 理 来 进 行 工 作 的 NDIR 方 法 是 目 前 测 定 CO 的 最 常 用 的 方 法 其 测 量 上 限 的 浓 度 为 1%, 下 限 可 进 行 微 量 (1-6 ) 以 至 痕 量 (1-9 ) 分 析 在 一 定 的 量 程 范 围 内, 即 使 气 体 浓 度 有 极 小 的 变 化 也 能 够 检 测 出 来 当 CO 排 放 浓 度 较 高 时, 排 气 中 干 扰 成 份 对 测 定 值 的 影 响 可 以 忽 略 不 计 NDIR 还 可 以 用 来 测 定 CO 2 和 HC 的 浓 度, 也 能 分 析 NO, 但 测 量 精 度 远 不 及 测 定 CO 时 的 精 度 FID 是 目 前 测 定 内 燃 机 排 气 中 碳 氢 化 合 物 的 最 常 用 的 方 法 FID 的 工 作 原 理 是 基 于 大 多 数 有 机 碳 氢 化 合 物 在 氢 火 焰 产 生 大 量 电 离 的 现 象 来 测 定 HC 的, 电 离 度 与 引 入 氢 火 焰 的 碳 氢 化 合 物 分 子 中 碳 原 子 数 成 正 比 其 检 测 极 限 最 小 可 达 1-9 数 量 级, 有 很 高 的 灵 敏 度 ( 比 热 导 检 测 器 精 度 约 高 一 千 倍 ), 对 环 境 温 度 及 大 气 压 力 不 敏 感, 除 了 单 独 作 为 碳 氢 化 合 物 总 质 量 测 定 之 用 外, 还 常 常 作 为 气 相 色 谱 仪 的 检 测 器 附 件, 利 用 色 谱 分 析 的 条 件, 对 各 种 碳 氢 化 合 物 含 量 分 别 进 行 检 测 CLD 是 目 前 测 定 NOx 浓 度 的 最 常 用 的 方 法 其 工 作 原 理 如 下 : 首 先 使 被 测 气 体 中 的 NO 与 O 3 反 应, 生 成 NO 2 分 子, 在 NO 2 由 激 发 态 衰 减 到 基 态 的 过 程 中, 会 发 出 波 长 为.6-3μm 的 光 量 子 ( 即 近 红 外 光 谱 线 ), 称 为 化 学 发 光 这 种 化 学 发 光 的 强 度 与 NO 浓 度 成 正 比, 因 而 通 过 检 测 发 光 强 度 就 可 确 定 被 测 气 体 中 NO 的 浓 度 CLD 从 原 理 上 讲 只 能 测 量 NO, 而 无 法 测 量 NO 2 实 际 应 用 中 可 以 先 通 过 适 当 的 转 换 将 NO 2 还 原 成 NO, 然 后 再 进 行 上 述 分 析 过 程 采 用 CLD 测 量 NOx 具 26

有 敏 感 度 高 ( 约.1 1-6 ), 反 应 速 度 快 ( 一 般 为 2 秒 -4 秒 ), 在 -1 1-2 范 围 内 输 出 特 性 呈 线 性 关 系, 适 于 低 浓 度 连 续 分 析 等 优 点 而 测 量 NO 的 NDIR 法 和 测 量 NOx 的 NDUVR( 不 分 光 紫 外 共 谐 吸 收 ) 法, 均 因 输 出 特 性 不 呈 线 性 关 系 和 干 扰 组 分 影 响 大, 已 经 退 居 次 要 地 位 了 AVL CEB II 排 气 分 析 仪 的 标 定 首 先 用 标 气 对 每 个 量 程 的 满 量 程 进 行 标 定, 其 中 CO 为 235 1-6 229 1-6 234 1-6,CO 2 为 13%,O 2 为 1.1% 2.6%, THC 为 24.3 1-6 219 1-6 462 1-6,NOx 为 96.2 1-6 793 1-6 395 1-6 ; 然 后 用 气 体 分 割 器 对 标 气 进 行 浓 度 等 分, 再 对 此 量 程 进 行 线 性 标 定 27

第 4 章 试 验 结 果 分 析 本 章 主 要 介 绍 外 特 性 和 2r/min 及 34r/min 负 荷 特 性 试 验 获 得 的 试 验 结 果 和 结 论 在 现 有 试 验 条 件 下, 利 用 华 普 JL479QA 专 用 甲 醇 发 动 机 完 成 了 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 六 种 油 品, 包 括 外 特 性 2r/min 及 34r/min 负 荷 特 性 下 的 台 架 试 验, 对 高 低 比 例 甲 醇 汽 油 的 动 力 性 经 济 性 燃 烧 及 排 放 特 性 进 行 了 深 入 的 研 究 和 探 讨 4.1 试 验 方 案 介 绍 试 验 用 汽 油 是 从 北 京 市 场 直 接 购 买 的 93# 国 Ⅳ 标 准 油 经 检 测, 汽 油 密 度 (2 ) 为.738g/mL, 低 热 值 为 43.5MJ/kg 试 验 用 甲 醇 是 从 燕 山 石 化 公 司 直 接 购 买 的 高 纯 度 工 业 用 甲 醇, 标 称 纯 度 为 99.9% 经 检 测, 甲 醇 密 度 (2 ) 为.792g/mL, 低 热 值 为 2.26MJ/kg 使 用 气 相 色 谱 仪 测 得 的 甲 醇 纯 度 为 99.85% 试 验 用 常 规 排 放 测 试 系 统 为 AVL CEB II 排 气 分 析 仪 ; 非 常 规 排 放 测 试 系 统 为 AVL SESAM 4. 多 组 分 排 放 仪 ; 油 耗 测 量 仪 器 为 日 本 小 野 仪 器 油 耗 仪 ; 燃 烧 分 析 系 统 采 用 AVL INDIMODUL 型 燃 烧 分 析 仪, 配 合 AVL MICRO IFEM 型 电 荷 放 大 器 和 AVL ZF43 F7DPRT 型 火 花 塞 式 缸 压 传 感 器 根 据 不 同 体 积 比 分 别 配 制 M5 M15 M3 M85 M1 甲 醇 汽 油, 以 及 将 纯 汽 油 作 为 基 准 一 起 进 行 试 验 在 JL479QA 汽 油 机 上, 先 在 不 经 任 何 调 整 的 情 况 进 行 中 低 比 例 M5 M15 M3 和 汽 油 的 外 特 性 试 验 以 及 在 2r/min 和 34r/min 下 的 负 荷 特 性 试 验, 对 动 力 性 经 济 性 和 排 放 性 进 行 分 析 对 比, 考 查 未 经 调 整 的 普 通 汽 油 机 对 低 比 例 甲 醇 汽 油 的 适 应 性 当 使 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 M1 时, 按 照 原 本 汽 油 标 定 的 电 控 策 略 已 经 较 难 使 发 动 机 工 作 在 正 常 状 态, 此 时 通 过 调 整 目 标 空 燃 比 闭 环 值 来 调 整 喷 油 量, 使 燃 烧 后 尾 气 中 氧 含 量 和 使 用 汽 油 时 一 致, 即 保 证 催 化 剂 入 口 处 测 得 的 实 际 空 燃 比 和 汽 油 一 致, 来 控 制 燃 烧 的 充 分 性, 此 过 程 在 下 文 中 称 为 标 定, 这 样 通 过 发 动 机 适 应 燃 油 的 标 定 后, 来 考 查 高 比 例 甲 醇 M85 M1 外 特 性 动 力 性 和 经 济 性 为 了 更 好 地 进 行 对 比 分 析, 在 M3 试 验 时, 也 进 行 了 类 似 的 标 定 来 一 同 比 较 28

最 后 进 行 了 M M5 M15 M3 M85 燃 烧 特 性 试 验, 在 2r/min 下, 分 别 取 高 中 低 三 个 负 荷, 控 制 5 种 燃 料 在 相 同 的 实 际 空 燃 比 下, 考 查 缸 压 曲 线 和 放 热 率 曲 线 的 变 化, 来 分 析 甲 醇 汽 油 的 燃 烧 特 性 4.2 动 力 性 4.2.1 未 调 整 发 动 机 参 数 动 力 性 在 对 发 动 机 不 做 任 何 调 整 的 情 况 下, 试 验 获 得 了 汽 油, 及 低 比 例 甲 醇 汽 油 M5 M15 M3 从 12r/min 到 6r/min 的 外 特 性 扭 矩 功 率 油 耗 等 数 值 由 于 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 大, 发 动 机 的 动 力 性 逐 渐 下 降, 尤 其 在 高 转 速 时, 下 降 尤 为 明 显 ; 另 外 随 着 转 速 提 高, 发 动 机 排 温 急 剧 增 加, 其 中 52r/min 时, 燃 用 M3 发 动 机 排 温 已 经 超 过 了 9, 为 保 护 催 化 剂, 故 M3 外 特 性 最 高 转 速 只 做 到 52r/min 13 12 11 扭 矩 (N m) 1 9 8 汽 油 M5 M15 M3 7 6 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.1 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 外 特 性 扭 矩 曲 线 从 图 4.1 可 知, 发 动 机 输 出 扭 矩 随 着 使 用 的 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 大 而 减 小, 从 图 4.2 可 知, 发 动 机 输 出 功 率 也 有 类 似 规 律, 及 输 出 功 率 随 着 使 用 的 燃 用 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 大 而 减 小, 即 发 动 机 的 动 力 性 随 着 使 用 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 大 而 降 低, 这 是 由 甲 醇 的 低 热 值 远 低 于 汽 油 决 定 的 29

7 6 功 率 (kw) 5 4 3 2 汽 油 M5 M15 M3 1 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.2 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 外 特 性 功 率 曲 线 从 图 4.3 和 图 4. 4 可 知, 使 用 M5 时, 发 动 机 的 扭 矩 和 功 率 输 出 损 失 都 在 2% 左 右 ; 使 用 M15 时, 发 动 机 的 扭 矩 和 功 率 输 出 损 失 都 在 6% 左 右 ; 而 使 用 M3, 发 动 机 的 扭 矩 和 功 率 输 出 损 失 已 经 超 过 了 12% 18 16 扭 矩 损 失 百 分 比 (%) 14 12 1 8 6 4 2 M5 1 M15 M3 图 4.3 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 扭 矩 损 失 百 分 比 3

功 率 损 失 百 分 比 (%) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 图 4. 4 M5 1 M15 M3 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 功 率 损 失 百 分 比 由 以 上 试 验 数 据 可 以 得 出 结 论 : 如 果 只 从 动 力 性 角 度 考 虑, 不 考 虑 发 动 机 排 放 等 因 素, 直 接 使 用 M5 和 M15 都 是 可 以 接 受 的, 而 不 必 对 发 动 机 做 任 何 调 整 4.2.2 调 整 发 动 机 参 数 后 动 力 性 试 验 中 发 现 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 M1 无 法 进 行 外 特 性 试 验 这 是 由 于 一 方 面 高 比 例 甲 醇 汽 油 低 热 值 太 低,M85 低 热 值 仅 为 汽 油 低 热 值 的 53.%, 而 M1 低 热 值 仅 为 汽 油 低 热 值 45.3%, 导 致 动 力 性 输 出 急 剧 下 降, 无 法 进 行 外 特 性 试 验 ; 另 外, 在 不 对 发 动 机 做 任 何 调 整 的 前 提 下 进 行 各 种 比 例 甲 醇 汽 油 外 特 性 试 验 时, 如 图 4.5 所 示, 发 动 机 的 实 际 空 燃 比 偏 高, 高 于 ECU 控 制 的 目 标 空 燃 比, 导 致 混 合 气 过 稀, 使 得 动 力 性 下 降 当 然, 这 也 为 燃 用 甲 醇 汽 油 时, 对 发 动 机 进 行 标 定, 从 而 为 获 得 较 高 动 力 性 提 供 了 可 能 在 实 际 运 用 时, 不 可 能 不 对 发 动 机 做 任 何 调 整, 直 接 燃 用 中 高 比 例 甲 醇 汽 油, 为 了 获 得 燃 用 中 高 比 例 甲 醇 汽 油 时 发 动 机 最 大 动 力 性 数 据, 对 发 动 机 ECU 参 数 进 行 了 标 定 试 验 用 华 普 JL479QA 发 动 机 为 普 通 汽 油 机, 依 据 获 得 的 燃 用 汽 油 时 发 动 机 外 特 性 实 际 空 燃 比 数 据, 在 进 行 M3 M85 标 定 外 特 性 试 验 时, 修 改 ECU 目 标 空 燃 比, 从 而 减 小 发 动 机 的 实 际 空 燃 比, 使 混 合 气 加 浓, 改 善 动 力 性 图 4.6 为 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 的 空 燃 比 特 性, 其 中 燃 用 M85, 转 速 到 达 48 r/min 时, 发 动 机 工 作 极 其 不 稳 定, 无 论 如 何 调 节 ECU 目 标 空 燃 比, 实 际 空 燃 比 都 已 经 无 法 降 低 到 预 期 标 定 值 了 ; 另 外 考 虑 到 排 温 过 高 的 问 题, 标 定 M3 31

外 特 性 试 验 转 速 最 高 也 做 到 了 52 r/min 18 17 16 15 A/F 14 13 12 11 汽 油 M5 M15 M3 1 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.5 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 空 燃 比 14.5 14 13.5 13 A/F 12.5 12 11.5 11 汽 油 M3 M85 标 定 1.5 1 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.6 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 空 燃 比 试 验 用 华 普 JL479QA 发 动 机 使 用 德 尔 福 生 产 的 电 控 系 统 标 定 后 所 得 的 试 验 结 果 如 图 4.7 和 图 4.8 所 示, 从 图 上 可 知, 经 过 标 定 后 燃 用 M3 和 M85 时 输 出 动 力 性 较 之 前 大 幅 度 提 高 32

13 12 11 扭 矩 (N m) 1 9 8 汽 油 M3 M85 7 6 8 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.7 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 外 特 性 扭 矩 7 6 功 率 (kw) 5 4 3 2 汽 油 M3 M85 1 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.8 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 外 特 性 功 率 如 图 4.9 所 示, 经 标 定 燃 用 M3 扭 矩 下 降.5% 左 右, 燃 用 M85 矩 下 降.7% 左 右 ; 经 标 定 后 燃 用 M3 和 M85 功 率 输 出 已 和 燃 用 汽 油 已 经 完 全 一 致 33

2 1.8 扭 矩 损 失 百 分 比 (%) 1.6 1.4 1.2 1.8.6.4.2 M3 1 M85 图 4.9 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 扭 矩 损 失 百 分 比 4.2.3 排 温 特 性 外 特 性 下 使 用 甲 醇 汽 油 时, 排 温 急 剧 升 高, 尤 其 是 在 未 对 发 动 机 做 任 何 调 整 的 情 况 下, 如 图 4.1 所 示, 使 用 M15 M3 时 排 气 最 高 温 度 均 已 超 过 9, 将 大 大 缩 短 催 化 剂 的 使 用 寿 命 使 用 甲 醇 汽 油 排 温 过 高 的 原 因 是, 发 动 机 为 普 通 汽 油 机, 外 特 性 开 环 下, 发 动 机 的 喷 油 策 略 是 针 对 汽 油 适 用 的, 这 就 造 成 使 用 甲 醇 汽 油 时 空 燃 比 偏 大, 喷 油 过 稀, 排 温 急 剧 升 高 95 9 85 排 气 温 度 ( C) 8 75 7 65 6 汽 油 M3 M15 M5 55 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.1 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 外 特 性 排 温 34

对 发 动 机 进 行 标 定 后, 提 高 了 喷 油 脉 宽 后, 排 温 有 明 显 下 降, 如 图 4.11 所 示 95 9 排 气 温 度 ( C) 85 8 75 7 65 6 汽 油 M3 M85 55 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.11 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 外 特 性 排 温 从 以 上 试 验 结 果 中, 可 以 得 出 以 下 结 论 : (1) 在 不 对 发 动 做 任 何 调 整 前 提 下, 燃 用 甲 醇 汽 油, 发 动 机 输 出 动 力 性 会 下 降, 且 燃 料 中 甲 醇 比 例 越 高, 这 种 下 降 趋 势 越 明 显, 以 至 于 燃 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 时, 发 动 机 已 经 无 法 正 常 工 作 ; (2) 在 不 对 发 动 做 任 何 调 整 前 提 下, 燃 用 低 比 例 甲 醇 汽 油 M5 M15, 发 动 机 动 力 性 能 下 降 不 明 显, 仅 从 动 力 性 角 度, 汽 车 可 以 直 接 使 用 低 比 例 甲 醇 汽 油 而 无 需 对 发 动 机 进 行 调 整 ; (3) 对 发 动 机 进 行 标 定, 燃 用 甲 醇 汽 油 时, 调 整 目 标 空 燃 比, 增 大 喷 油 脉 宽, 从 而 使 混 合 气 加 浓, 可 以 大 大 提 高 发 动 机 的 动 力 性, 经 标 定 后 燃 用 中 高 比 例 甲 醇 汽 油 M3 M85, 发 动 机 动 力 性 可 以 达 到 原 有 水 平 (4) 考 虑 排 温 的 影 响, 不 对 发 动 机 做 任 何 调 整 使 用 M15,M3 时, 排 温 已 经 大 大 超 出 了 催 化 剂 的 适 宜 温 度 范 围, 因 而 必 须 对 发 动 机 进 行 标 定 4.3 经 济 性 在 进 行 发 动 机 外 特 性 和 负 荷 特 性 试 验 时, 使 用 日 本 小 野 公 司 生 产 的 DF-312 型 油 耗 仪 测 量 油 耗 量, 设 定 36 秒 为 一 个 周 期, 每 个 工 况 点 测 3 次 油 耗 量, 取 其 平 均 值 v 计 算 得 有 效 燃 油 消 耗 率 b e, 单 位 为 g/kw h, 计 算 公 式 如 下 : v ρg (1 γ) + ρm γ 1 be = (4-1) P e 35

其 中 γ 为 燃 料 中 甲 醇 体 积 分 数, P e 为 发 动 机 有 效 功 率, 单 位 kw, 取 汽 油 和 甲 醇 的 密 度 分 别 为 ρ =.74 g/ ml, ρ =.795 g/ ml g m 同 时 换 算 成 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率, 计 算 公 式 如 下 : H BSFC = BSFC V + V ρ m m equivalent actual g m H g ρ g (4-2) 其 中 γ 为 燃 料 中 甲 醇 体 积 分 数, 取 汽 油 和 甲 醇 的 密 度 分 别 ρ =.74 g/ ml, ρ m =.795 g/ ml H m H 分 别 为 甲 醇 和 汽 油 的 低 热 值, 取 Hm = 19.9 MJ / kg H = 44 MJ / kg g 4.3.1 外 特 性 下 经 济 性 g g 4 等 热 值 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 35 3 25 2 15 1 5 汽 油 M5 M15 M3 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.12 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 如 图 4.12 所 示, 在 外 特 性 条 件 下 不 对 发 动 机 做 任 何 调 整, 发 动 机 燃 用 甲 醇 汽 油 的 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 低 于 燃 用 汽 油 的 燃 油 消 耗 率, 而 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加, 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 逐 渐 减 小, 即 说 明 甲 醇 汽 油 中 甲 醇 比 例 越 大, 燃 烧 效 率 越 高, 燃 料 利 用 率 越 好 这 是 由 于 甲 醇 自 身 含 氧, 完 全 燃 烧 需 要 的 氧 气 较 少, 发 动 机 在 相 同 进 气 量 的 情 况 下, 燃 用 等 量 甲 醇 汽 油, 则 可 以 燃 烧 得 更 完 全, 且 甲 醇 比 例 越 高 燃 烧 越 完 全 从 图 4.13 可 以 看 出, 虽 然 燃 烧 甲 醇 汽 油 可 使 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 降 低, 但 是 实 际 燃 油 消 耗 量 是 增 大 的, 这 是 因 为 甲 醇 的 热 值 远 低 于 汽 油, 故 甲 醇 汽 油 的 热 值 也 低 于 汽 油, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 下 降, 产 生 1 kw h 的 功 需 要 消 耗 的 燃 料 质 量 自 然 更 多, 因 而 有 效 燃 油 消 耗 率 是 增 加 的 对 发 动 机 进 行 标 定 后, 36

获 得 了 燃 用 M3 M85 时 的 外 特 性 燃 油 消 耗 率 数 据, 如 图 4.14 及 图 4.15 所 示 可 知 经 过 标 定 后, 虽 然 燃 用 中 高 比 例 甲 醇 汽 油 和 燃 用 汽 油 时 的 动 力 性 输 出 相 差 不 大, 但 是 燃 用 M85 和 M3 时 的 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 仍 然 是 高 于 汽 油 的, 且 随 甲 醇 比 例 的 增 大, 当 量 燃 油 消 耗 是 不 断 下 降 的, 原 因 与 上 面 相 同 但 是 经 过 标 定 后, 燃 用 甲 醇 汽 油 时 的 有 效 燃 油 消 耗 率 大 大 增 加 4 35 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 3 25 2 15 1 5 汽 油 M5 M15 M3 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.13 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 有 效 燃 油 消 耗 率 45 等 热 值 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 4 35 3 25 2 15 1 5 汽 油 M3 M85 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.14 调 整 发 动 机 参 数 后 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 从 柱 状 图 4.16 可 知, 标 定 后, 燃 用 M85 时 有 效 燃 油 消 耗 率 增 加 了 约 7% 如 果 在 汽 车 上 使 用 M85 的 话, 不 改 变 汽 车 油 箱 容 积 的 前 提 下, 汽 车 的 续 航 里 程 会 大 幅 度 下 降, 为 保 证 一 定 的 续 航 里 程, 油 箱 的 容 积 要 适 当 增 加, 但 是 这 又 会 影 响 37

发 动 机 底 盘 结 构 的 布 置 以 及 增 加 汽 车 整 车 重 量, 因 而 需 要 额 外 考 虑 6 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 5 4 3 2 1 汽 油 M3 M85 1 2 3 4 5 6 7 转 速 (r/min) 图 4.15 调 整 发 动 机 参 数 后 有 效 燃 油 消 耗 率 8 燃 油 消 耗 率 增 加 百 分 比 (%) 7 6 5 4 3 2 1-1 M3 M85 有 效 燃 油 消 耗 率 1 M3 M85 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 图 4.16 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 燃 油 消 耗 率 增 加 百 分 比 从 以 上 试 验 结 果 中, 可 以 得 出 以 下 结 论 : (1) 直 接 燃 用 甲 醇 汽 油, 可 以 提 高 发 动 机 的 燃 烧 效 率, 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 下 降, 提 高 了 燃 料 的 利 用 率, 但 是 有 效 燃 油 消 耗 率 增 加 (2) 经 标 定 后 燃 用 甲 醇 汽 油, 当 量 燃 油 消 耗 仍 然 低 于 汽 油, 但 有 效 燃 油 消 耗 率 大 大 增 加 38

4.3.2 负 荷 特 性 下 经 济 性 进 行 了 原 机 汽 油 M5 M15 M3 和 标 定 M85 标 定 M1 六 种 油 品,2 r/min 和 34r/min 两 个 转 速, 共 12 个 负 荷 特 性 试 验 其 中 2 r/min 是 发 动 机 常 用 的 换 挡 转 速,34r/min 是 试 验 用 华 普 JL479QA 发 动 机 最 大 扭 矩 转 速, 因 而 更 能 反 映 发 动 机 的 真 实 性 能 水 平 试 验 中 燃 用 M5 M15 M3 仍 能 进 入 闭 环 控 制, 也 尝 试 了 燃 用 M85 进 行 负 荷 特 性 试 验,2 r/min 转 速 下, 燃 用 M85 时 仍 能 工 作, 但 是 发 动 机 已 经 无 法 进 入 闭 环 控 制, 实 际 空 燃 比 过 稀, 排 放 恶 化, 且 发 动 机 工 作 不 稳 定, 而 在 34 r/min 转 速 下, 发 动 机 根 本 无 法 正 常 工 作 由 于 发 动 机 的 最 大 扭 矩 约 为 12N m, 负 荷 特 性 试 验 选 定 6 个 工 况 点, 分 别 为 最 大 扭 矩 点 1 N m 8 N m 6 N m 4 N m 和 2 N m 等 热 值 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h)) 6 5 4 3 2 1 汽 油 M5 M15 M3..2.4.6.8 1. 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.17 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 如 图 4.17 和 图 4.18 所 示, 在 2 r/min 和 34r/min 转 速 下, 汽 油 M5 M15 M3 负 荷 特 性 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 基 本 一 致 39

5 等 热 值 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 汽 油 M5 M15 M3..2.4.6.8 1. 1.2 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.18 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 8 7 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 6 5 4 3 2 1 汽 油 M5 M15 M3..2.4.6.8 1. 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.19 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 有 效 燃 油 消 耗 率 如 图 4.19 和 图 4.2 所 示, 在 2 r/min 和 34r/min 转 速 下, 四 种 油 品 负 荷 特 性 有 效 燃 油 消 耗 率 规 律 基 本 相 同, 即 甲 醇 汽 油 的 有 效 燃 油 消 耗 率 高 于 汽 油, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 增 加 原 因 与 前 面 外 特 性 下 甲 醇 汽 油 的 有 效 燃 油 消 耗 率 高 于 汽 油 相 同, 即 主 要 是 因 为 甲 醇 的 热 值 远 低 于 汽 油, 故 甲 醇 汽 油 的 热 值 也 低 于 汽 油, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 下 降, 产 生 1kW h 的 功 需 要 消 耗 的 燃 料 质 量 自 然 更 多, 因 而 有 效 燃 油 消 耗 率 是 增 加 的 4

6 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 5 4 3 2 1 汽 油 M5 M15 M3..2.4.6.8 1. 1.2 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.2 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 有 效 燃 油 消 耗 率 标 定 后 的 燃 油 消 耗 率 只 对 原 机 汽 油 M3 和 标 定 M85 M1 进 行 比 较, 分 析 结 果 如 下 所 示 : 6 等 热 值 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 5 4 3 2 1 汽 油 M3 M85 标 定 M1 标 定..2.4.6.8 1. 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.21 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 2r/min 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 如 图 4.21 和 图 4.22 所 示, 在 2 r/min 和 34r/min 转 速 下, 高 比 例 甲 醇 汽 油 的 负 荷 特 性 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 略 高 于 汽 油 和 M3 41

5 等 热 值 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 4 3 2 1 汽 油 M3 M85 标 定 M1 标 定..2.4.6.8 1. 1.2 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.22 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 34r/min 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 1 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 8 6 4 2 汽 油 M3 M85 标 定 M1 标 定..2.4.6.8 1. 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.23 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 有 效 燃 油 消 耗 率 如 图 4.23 和 图 4.24 所 示, 标 定 后 负 荷 特 性 实 际 燃 油 消 耗 量 规 律 与 之 前 的 标 定 后 外 特 性 有 效 燃 油 消 耗 率 规 律 相 同, 并 且 高 比 例 甲 醇 汽 油 的 有 效 燃 油 消 耗 率 增 加 更 为 明 显 42

12 有 效 燃 油 效 率 (g/kw h) 1 8 6 4 2 汽 油 M3 M85 标 定 M1 标 定..2.4.6.8 1. 1.2 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.24 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 有 效 燃 油 消 耗 率 从 以 上 试 验 结 果 中, 可 以 得 出 以 下 结 论 : (1) 负 荷 特 性 下, 直 接 燃 用 甲 醇 汽 油 时 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 基 本 相 同, 经 过 标 定 后 高 比 例 甲 醇 汽 油 的 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 略 低 于 汽 油 (2) 负 荷 特 性 下, 高 比 例 甲 醇 汽 油 的 实 际 燃 油 消 耗 明 显 高 于 汽 油, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 增 大, 燃 用 M1 时, 增 加 量 已 经 超 过 1% 4.4 排 放 特 性 试 验 中 使 用 非 常 规 排 放 测 试 系 统, 即 AVL 公 司 生 产 的 SESAM 4. 傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 (FTIR), 同 时 测 量 了 催 化 剂 前 后 THC NO X CO 三 种 主 要 常 规 污 染 物 的 排 放 量, 以 及 甲 醇 和 甲 醛 两 种 非 常 规 污 染 物 的 排 放 量, 具 体 试 验 结 果 分 析 如 下 : 43

4.4.1 常 规 排 放 特 性 1 THC 排 放 在 以 预 制 均 匀 混 合 气 进 行 燃 烧 的 汽 油 机 中,THC 是 一 种 不 完 全 燃 烧 的 产 物, 因 而 与 过 量 空 气 系 数 密 切 相 关 汽 油 机 中 THC 生 成 的 主 要 机 理 是 不 完 全 燃 烧 壁 面 淬 熄 效 应 及 缝 隙 效 应 3 25 THC 排 放 (1-6 ) 2 15 1 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后 5..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.25 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minTHC 排 放 量 3 25 THC 排 放 (1-6 ) 2 15 1 汽 油 M85 M1 汽 油 后 M85 后 M1 后 5..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.26 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minTHC 排 放 量 44

25 2 THC 排 放 (1-6 ) 15 1 5 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.27 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minTHC 排 放 量 25 2 THC 排 放 (1-6 ) 15 1 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 5..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.28 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minTHC 排 放 量 如 图 4.25 图 4.26 图 4.27 图 4.28 所 示, 从 2r/min 和 34r/min 的 负 荷 特 性 THC 排 放 曲 线 中 可 以 看 出, 燃 用 甲 醇 汽 油 可 使 THC 排 放 下 降, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 下 降 燃 用 M1 时, 催 化 剂 前 的 THC 排 放 量 只 有 几 十 个 ppm, 已 经 低 于 汽 油 催 化 剂 后 的 排 放 量 THC 是 燃 料 不 完 全 燃 烧 的 产 物, 而 甲 醇 中 富 含 氧, 因 而 可 以 促 进 燃 料 燃 烧 更 加 完 全, 使 THC 排 放 下 降 45

12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.29 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minTHC 转 化 效 率 12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.3 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minTHC 转 化 效 率 如 图 4.29 和 图 4.3 可 知, 燃 用 不 同 比 例 甲 醇 汽 油, 催 化 剂 对 THC 的 转 化 效 率 都 维 持 在 95% 以 上 两 幅 图 中 M1 转 化 效 率 低 于 9% 的 点, 催 化 剂 前 的 THC 排 放 非 常 低, 催 化 器 后 THC 排 放 已 经 在 1ppm 以 内, 可 以 忽 略 其 排 放 了 46

2 NOX 排 放 发 动 机 燃 烧 过 程 中 主 要 生 成 NO, 另 外 有 少 量 的 NO 2, 一 般 情 况 下 N 2 O 极 少 可 忽 略 不 计 生 成 NO 的 三 要 素 是 温 度 氧 浓 度 反 应 时 间 混 合 气 过 浓 参 与 NO 反 应 的 氧 气 不 够 ; 而 在 足 够 的 氧 浓 度 条 件 下, 温 度 越 高, 则 反 应 速 度 越 快,NO 平 衡 浓 度 越 高, 因 而 NO 的 生 产 量 越 大 如 图 4.31 图 4.32 图 4.33 图 4.34 所 示, 在 2r/min 和 34r/min 转 速 下, 对 于 汽 油 及 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油,NO X 的 排 放 量 都 随 着 负 荷 的 增 大 而 增 大, 这 是 由 于 NO X 生 成 的 条 件 是 高 温 富 氧, 在 中 高 负 荷 时, 节 气 门 开 度 增 大, 进 入 汽 缸 的 混 合 气 增 多, 温 度 迅 速 升 高,NO X 排 放 量 增 加, 在 低 负 荷 时 温 度 过 低, 高 负 荷 时 氧 气 浓 度 又 较 差, 因 而 NO X 生 成 量 都 较 低 35 3 NOX 排 放 (1-6 ) 25 2 15 1 5 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.31 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minNO X 排 放 量 3 25 NOX 排 放 (1-6 ) 2 15 1 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 5..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.32 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minNO X 排 放 量 47

但 是 不 同 油 品 间 的 NO X 排 放 量 大 小 规 律 不 够 明 显, 从 图 上 可 知, 经 过 标 定 后 的 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 和 M1 的 NOX 排 放 基 本 都 低 于 汽 油 的 NO X 排 放 量 又 从 试 验 结 果 得 出 的 排 温 数 据, 燃 用 汽 油 时 的 排 温 一 直 高 于 燃 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 M1 的 排 温, 这 是 由 甲 醇 的 高 汽 化 潜 热 和 低 热 值 低 决 定 的, 这 也 可 能 是 M85 M1NO X 排 放 量 低 于 汽 油 的 原 因 而 燃 用 中 低 比 例 甲 醇 汽 油 M5 M15 M3, 在 中 低 负 荷 时,NO X 的 排 放 量 与 汽 油 基 本 一 致, 但 在 高 负 荷 时,NO X 排 放 量 却 要 高 于 汽 油, 这 是 因 为 甲 醇 汽 油 富 含 氧, 在 高 负 荷 时 兼 有 高 温 和 富 氧 两 个 条 件, 因 而 NO X 排 放 量 增 大 4 35 NOX 排 放 (1-6 ) 3 25 2 15 1 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后 5..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.33 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minNO X 排 放 量 4 35 3 NOX 排 放 (1-6 ) 25 2 15 1 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 5..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.34 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minNO X 排 放 量 另 外, 在 图 上 可 以 看 出 M3 及 标 定 后 M1 催 化 剂 后 在 部 分 点 上 NO X 排 放 48

量 很 大, 这 很 有 可 能 是 因 为 燃 烧 甲 醇 汽 油 时, 发 动 机 工 作 不 可 能 像 燃 用 汽 油 那 样 稳 定, 在 这 几 个 工 况 点 上 实 际 空 燃 比 偏 离 了 理 论 空 燃 比, 实 际 空 燃 比 超 过 了 14.6, 催 化 剂 转 化 效 率 下 降, 如 下 图 4.35 和 图 4.36 所 示 除 了 这 几 个 工 况 点 外 其 他 工 况 下 的 NO X 转 化 率 都 超 过 了 95% 12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.35 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minNO X 转 化 效 率 12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.36 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minNO X 转 化 效 率 49

3 CO 排 放 CO 是 一 种 不 完 全 燃 烧 的 产 物, 其 生 成 主 要 受 混 合 气 浓 度 的 影 响, 在 过 量 空 气 系 数 小 于 1 的 浓 混 合 气 工 况 时, 由 于 缺 氧 使 燃 料 中 的 C 不 能 完 全 氧 化 为 CO2, CO 作 为 其 中 间 产 物 生 成 7 6 CO 排 放 (1-6 ) 5 4 3 2 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后 1..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.37 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minCO 排 放 量 7 6 CO 排 放 (1-6 ) 5 4 3 2 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 1..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.38 标 定 未 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minCO 排 放 量 试 验 结 果 如 图 4.37 4.38 4.39 4.4 所 示, 燃 用 甲 醇 汽 油 时, 产 生 的 CO 排 放 明 显 少 于 汽 油, 并 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 大,CO 排 放 逐 渐 降 低, 催 化 剂 后 的 CO 排 放 也 有 相 同 规 律 造 成 这 种 规 律 的 原 因 是 因 为 CO 是 燃 料 不 完 全 燃 烧 5

的 一 种 产 物, 甲 醇 中 富 含 氧, 可 以 促 进 燃 烧 更 加 完 全, 因 而 CO 排 放 量 降 低 8 7 CO 排 放 (1-6 ) 6 5 4 3 2 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后 1..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.39 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minCO 排 放 量 8 7 6 CO 排 放 (1-6 ) 5 4 3 2 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 1..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.4 未 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minCO 排 放 量 由 图 4.41 和 图 4.42 可 知, 燃 用 甲 醇 汽 油,CO 的 催 化 剂 转 化 效 率 高 于 汽 油, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 转 化 效 率 不 断 增 大 51

12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.41 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minCO 转 化 效 率 12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.42 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minCO 转 化 效 率 从 以 上 试 验 结 果 中, 可 以 得 出 以 下 结 论 : (1) 燃 用 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油, 产 生 的 THC 排 放 都 明 显 小 于 汽 油, 且 燃 料 中 甲 醇 比 例 越 高, 这 种 趋 势 越 明 显, 催 化 剂 有 非 常 高 的 转 化 效 率 ; (2) 燃 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 产 生 的 NOX 排 放 远 小 于 汽 油, 燃 用 中 低 比 例 甲 醇 汽 油 产 生 的 NOX 排 放 与 汽 油 相 近, 在 中 高 比 例 部 分 工 况 点 上 催 化 剂 转 化 效 率 较 低, 其 他 工 况 点 催 化 剂 转 化 效 率 很 高 ; (3) 燃 用 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油, 产 生 的 CO 排 放 都 明 显 小 于 汽 油, 且 燃 料 中 甲 醇 比 例 越 高, 这 种 趋 势 越 明 显, 催 化 剂 转 化 效 率 也 高 于 汽 油 52

4.4.2 非 常 规 排 放 特 性 1 甲 醇 如 图 4.43 4.44 4.45 4.46 所 示, 燃 用 甲 醇 汽 油 时, 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加, 产 生 的 非 常 规 污 染 物 甲 醇 排 放 量 也 不 断 增 大 排 气 中 的 甲 醇 主 要 由 燃 料 未 完 全 燃 烧 产 生 经 过 催 化 剂 转 化 后, 燃 用 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油 产 生 的 甲 醇 排 放 仍 高 于 汽 油, 但 都 已 经 控 制 在 1ppm 左 右 18 16 甲 醇 排 放 (1-6 ) 14 12 1 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.43 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醇 排 放 量 9 8 7 甲 醇 排 放 (1-6 ) 6 5 4 3 2 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 1..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.44 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醇 排 放 量 53

从 图 4.47 和 图 4.48 可 知, 燃 用 甲 醇 汽 油 时 催 化 剂 对 甲 醇 的 转 化 效 率 高 于 汽 油, 且 燃 料 中 甲 醇 比 例 越 高, 催 化 剂 转 化 效 率 越 高, 使 用 M1 时 转 化 效 率 超 过 99% 14 12 甲 醇 排 放 (1-6 ) 1 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.45 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醇 排 放 量 1 9 8 甲 醇 排 放 (1-6 ) 7 6 5 4 3 2 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 1..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.46 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醇 排 放 量 54

12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.47 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醇 转 化 效 率 12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.48 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醇 转 化 效 率 55

2 甲 醛 如 图 4.49 4.5 4.51 4.52 所 示, 甲 醛 排 放 规 律 和 甲 醇 排 放 规 律 类 似 燃 用 甲 醇 汽 油 时, 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加, 产 生 的 非 常 规 污 染 物 甲 醛 排 放 量 也 不 断 增 大 排 气 中 的 甲 醇 主 要 由 燃 料 未 完 全 燃 烧 产 生 经 过 催 化 剂 转 化 后, 燃 用 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油 产 生 的 甲 醇 排 放 仍 高 于 汽 油, 其 中 使 用 M1 时 催 化 剂 后 甲 醛 排 放 最 大 为 3ppm 7 6 甲 醛 排 放 (1-6 ) 5 4 3 2 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后 1..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.49 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醛 排 放 量 16 14 甲 醛 排 放 (1-6 ) 12 1 8 6 4 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.5 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醛 排 放 量 56

7 6 甲 醛 排 放 (1-6 ) 5 4 3 2 汽 油 M5 M15 M3 汽 油 后 M5 后 M15 后 M3 后 1..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.51 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醛 排 放 量 25 甲 醛 排 放 (1-6 ) 2 15 1 汽 油 M85 汽 油 后 M85 后 M1 M1 后 5..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.52 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醛 排 放 量 从 图 4.53 和 图 4.54 所 示, 甲 醛 的 催 化 剂 转 化 效 率 基 本 维 持 在 9% 左 右 57

12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.53 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醛 转 化 效 率 12 1 转 化 效 率 (%) 8 6 4 汽 油 M5 M15 M3 M85 M1 2..15.3.45.6.75.9 平 均 有 效 压 力 (MPa) 图 4.54 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醛 转 化 效 率 从 以 上 试 验 结 果 中, 可 以 得 出 以 下 结 论 : (1) 燃 用 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油, 产 生 的 非 常 规 排 放 物 甲 醇 甲 醛 都 明 显 高 于 汽 油, 且 燃 料 中 甲 醇 比 例 越 高, 这 种 趋 势 越 明 显 ; (2) 燃 用 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油, 催 化 剂 对 甲 醇 和 甲 醛 的 转 化 效 率 维 持 在 一 个 较 高 的 水 平, 催 化 剂 后 非 常 规 排 放 物 的 含 量 仍 然 高 于 汽 油, 其 中 甲 醇 含 量 最 高 在 1% 左 右, 甲 醛 含 量 最 高 接 近 3ppm; (3) 使 用 甲 醇 汽 油 产 生 的 非 常 规 排 放, 目 前 国 家 还 没 有 标 准 可 依, 亟 待 国 家 相 关 标 准 的 出 台 58

4.5 燃 烧 特 性 在 进 行 各 种 的 负 荷 特 性 试 验 时, 采 用 AVL INDIMODUL 燃 烧 分 析 仪 采 集 了 实 时 缸 压 数 据 和 放 热 率 数 据, 采 集 了 汽 油 M5 M15 M3 M85 五 种 油 品 的 大 中 小 三 种 负 荷, 每 种 负 荷 5 个 不 同 的 点 火 提 前 角, 共 采 集 了 75 个 工 况 点 的 缸 压 数 据 和 放 热 率 数 据, 得 到 了 相 应 的 缸 压 曲 线 和 放 热 率 曲 线 发 动 机 点 火 提 前 角 的 调 整 是 通 过 修 改 ECU 的 参 数 来 实 现 的,5 个 点 火 提 前 角 包 括 原 机 点 火 提 前 角, 及 其 前 后 各 相 隔 2.8 CA 的 4 个 点 火 提 前 角 具 体 数 据 及 分 析 结 果 如 下 图 所 示 : 4.5.1 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 燃 烧 特 性 比 较 燃 烧 过 程 对 发 动 机 的 动 力 性 经 济 性 和 排 放 特 性 等 主 要 特 性 都 有 重 大 影 响, 合 理 的 燃 烧 放 热 规 律 能 够 显 著 提 高 发 动 机 的 性 能 理 想 的 放 热 规 律 要 求 最 大 燃 烧 压 力 出 现 在 上 止 点 后 1 CA ~15 CA 出 现 过 早, 则 混 合 气 着 火 必 然 过 早, 引 起 压 缩 负 功 增 加 ; 过 晚 则 等 容 度 下 降, 循 环 热 效 率 下 降, 同 时 散 热 增 加 为 此 需 要 通 过 汽 油 机 的 点 火 提 前 角 来 加 以 控 制 缸 压 (MPa) 25 2 15 1 汽 油 M5 M15 M3 M85 5-18 -13-8 -3 2 7 12 17 曲 轴 转 角 ( CA) 图 4.55 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 低 负 荷 缸 压 曲 线 衡 量 发 动 机 燃 烧 特 性 好 坏 的 主 要 参 数 有 发 动 机 的 最 大 燃 烧 压 力 最 大 燃 烧 压 力 出 现 的 位 置 明 显 燃 烧 期 的 压 力 升 高 率 以 及 5% 5% 95% 放 热 量 的 位 置 等 等, 这 些 参 数 可 以 通 过 缸 压 图 及 放 热 率 曲 线 得 到 59

燃 烧 放 热 率 (kj/m 3 deg) 35 3 25 2 15 1 5 汽 油 M5 M15 M3 M85-18 -13-8 -3 2 7 12 17-5 曲 轴 转 角 ( CA) 图 4.56 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 低 负 荷 放 热 率 曲 线 缸 压 (MPa) 4 35 3 25 2 15 汽 油 M5 M15 M3 M85 1 5-18 -13-8 -3 2 7 12 17 曲 轴 转 角 ( CA) 图 4.57 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 中 等 负 荷 缸 压 曲 线 压 力 升 高 率 是 另 外 一 个 衡 量 燃 烧 热 效 率 好 坏 的 重 要 参 数 压 力 升 高 率 是 表 征 内 燃 机 燃 烧 等 容 度 和 粗 暴 程 度 的 指 标 压 力 升 高 率 越 高, 则 燃 烧 等 容 度 越 高, 对 发 动 机 的 动 力 性 和 经 济 性 是 有 利 的, 但 会 使 燃 烧 噪 声 和 振 动 增 加, 同 时 也 是 氮 氧 化 合 物 增 高 的 重 要 原 因 由 图 4.55 至 4.6 可 知, 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 的 缸 压 曲 线 和 放 热 率 曲 线 大 致 有 相 同 的 规 律 大 中 小 三 种 负 荷 下, 燃 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 时, 最 大 缸 压 增 大 ; 最 大 缸 压 点 提 前 ; 同 时 燃 料 放 热 率 增 大 ; 放 热 曲 线 前 移, 而 燃 用 中 低 比 例 甲 醇 汽 油 M5 M15 M3 时, 缸 压 曲 线 及 放 热 率 曲 线 与 汽 油 基 本 重 合 原 因 是 甲 醇 的 燃 烧 速 度 更 快, 同 时 甲 醇 自 身 含 氧, 燃 烧 更 加 充 分, 能 够 在 短 时 间 内 放 出 大 量 的 热 量, 因 而 燃 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 时, 最 大 燃 烧 压 力 以 及 燃 烧 放 热 率 都 有 很 明 显 的 6

增 大, 最 大 缸 压 出 现 点 也 提 前 ; 但 是 燃 用 中 低 比 例 甲 醇 汽 油, 尽 管 燃 烧 速 度 有 所 提 高, 但 是 甲 醇 的 气 化 潜 热 高, 着 火 落 后 期 内 形 成 的 均 质 混 合 气 较 少, 二 者 作 用 相 互 抵 消 后, 缸 压 曲 线 和 放 热 率 曲 线 和 汽 油 差 别 不 大 燃 烧 放 热 率 (kj/m 3 deg) 65 55 45 35 25 15 汽 油 M5 M15 M3 M85 5 缸 压 (MPa) -18-13 -8-3 -5 2 7 12 17 曲 轴 转 角 ( CA) 图 4.58 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 中 等 负 荷 放 热 率 曲 线 55 45 35 25 15 汽 油 M5 M15 M3 M85 5-18 -13-8 -3 2 7 12 17-5 曲 轴 转 角 ( CA) 图 4.59 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 大 负 荷 缸 压 曲 线 61

燃 烧 放 热 率 (kj/m 3 deg) 95 75 55 35 15 汽 油 M5 M15 M3 M85-18 -13-8 -3-5 2 7 12 17 曲 轴 转 角 ( CA) 图 4.6 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 大 负 荷 放 热 率 曲 线 4.5.2 不 同 点 火 提 前 角 燃 烧 特 性 比 较 不 同 比 例 的 甲 醇 汽 油 在 大 中 小 负 荷 下 随 点 火 提 前 角 大 小 变 化 的 缸 压 曲 线 具 有 相 同 的 规 律, 故 图 4.61 和 4.62 中 只 选 取 了 中 等 负 荷 汽 油 和 M85 各 自 5 个 不 同 点 火 提 前 角 下 的 缸 压 曲 线 从 图 上 可 以 看 出 : 随 着 点 火 提 前 角 的 增 大, 最 大 缸 压 增 大, 最 大 缸 压 出 现 点 也 随 之 提 前 这 是 因 为 点 火 角 提 前, 着 火 落 后 期 内 形 成 的 均 质 混 合 气 随 之 增 多, 因 而 最 大 缸 压 增 大, 同 时 出 现 点 也 随 之 提 前 4 缸 压 (MPa) 35 3 25 2 15 1 5 21.1 23.9 26.7 29.5 32.3-18 -13-8 -3 2 7 12 17 曲 轴 转 角 ( CA) 图 4.61 不 同 点 火 提 前 角 时 汽 油 缸 压 曲 线 62

缸 压 (MPa) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 21.1 23.9 26.7 29.5 32.3-18 -13-8 -3 2 7 12 17 曲 轴 转 角 ( CA) 图 4.62 不 同 点 火 提 前 角 时 M85 缸 压 曲 线 63

第 5 章 结 论 与 展 望 5.1 结 论 (1) 在 发 动 机 未 经 调 整 的 情 况 下, 发 动 机 直 接 使 用 低 比 例 甲 醇 汽 油 M M5 M15 M3, 在 外 特 性 下, 发 动 机 的 扭 矩 和 功 率 输 出 略 有 下 降, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加, 动 力 性 损 失 越 大, 同 时 排 温 急 剧 上 升 在 未 对 发 动 机 做 任 何 调 整 时, 使 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 M85 M1 动 力 性 明 显 下 降, 已 经 无 法 进 行 外 特 性 和 负 荷 特 性 试 验 ; 通 过 修 改 发 动 机 ECU 目 标 空 燃 比 对 发 动 机 进 行 标 定 后, 使 用 M3 M85 外 特 性 下 的 动 力 性 已 和 汽 油 基 本 相 当, 排 温 明 显 下 降 (2) 使 用 M5 M15 M3 标 定 后 M85 及 M1, 发 动 机 的 有 效 燃 油 消 耗 率 高 于 汽 油, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 提 高 而 增 加, 在 汽 车 上 使 用 高 比 例 甲 醇 汽 油 时 需 要 考 虑 油 箱 容 积 巡 航 里 程 等 因 素 ; 发 动 机 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 低 于 汽 油, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 提 高 而 减 少, 这 是 由 于 甲 醇 中 含 氧, 使 得 燃 烧 更 加 充 分, 热 效 率 提 高 (3) 低 比 例 及 标 定 后 高 比 例 甲 醇 汽 油 负 荷 特 性 试 验,CO THC 排 放 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 大 幅 度 降 低,NO X 排 放 与 汽 油 相 近 甲 醇 甲 醛 排 放 明 显 增 加, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 大 幅 度 增 大, 但 是 经 过 三 效 催 化 转 化 器 转 化 后, 甲 醇 甲 醛 排 放 明 显 下 降, 但 仍 高 于 汽 油 催 化 剂 后 的 甲 醇 甲 醛 排 放 目 前 国 家 相 关 部 门 尚 未 对 汽 车 尾 气 中 甲 醇 甲 醛 的 含 量 做 出 任 何 规 定 (4) 相 同 负 荷 下, 使 用 标 定 后 M85 时 的 最 大 缸 压 高 于 使 用 其 他 比 例 燃 油, 且 最 大 缸 压 出 现 点 提 前, 原 因 是 甲 醇 燃 烧 速 度 快, 使 得 明 显 燃 烧 期 内 的 压 力 增 高 率 大 大 提 高 而 使 用 汽 油 及 低 比 例 甲 醇 汽 油 时, 燃 烧 特 性 基 本 相 近, 这 是 甲 醇 高 汽 化 潜 热 值 使 得 着 火 落 后 期 内 均 质 混 合 气 减 少 及 甲 醇 燃 烧 速 度 快 两 方 面 的 影 响 相 互 抵 消 导 致 (5) 试 验 结 果 证 明, 通 过 修 改 发 动 机 ECU 中 目 标 空 燃 比 参 数, 调 节 实 际 空 燃 比, 增 加 喷 油 脉 宽 的 标 定 措 施, 对 改 善 使 用 甲 醇 汽 油 时 发 动 机 的 动 力 性 经 济 性 及 排 放 性 具 有 明 显 效 果 5.2 后 期 工 作 展 望 目 前 甲 醇 汽 油 的 实 际 运 用 尚 存 在 一 些 为 解 决 的 问 题, 为 此 提 出 以 下 建 议 : 64

(1) 本 文 未 对 使 用 甲 醇 汽 油 时 的 冷 启 动 性 能 进 行 研 究, 试 验 中 热 机 状 态 下 使 用 M85 M1 启 动 性 能 已 经 不 稳 定, 因 而 需 要 对 发 动 机 的 冷 启 动 性 能 尤 其 是 低 温 下 的 冷 启 动 性 能 进 行 试 验, 并 提 出 相 关 改 进 意 见 (2) 试 验 中 通 过 修 改 发 动 机 ECU 参 数 的 标 定 策 略 是 切 实 可 行 的, 针 对 高 比 例 甲 醇 汽 油, 需 要 对 发 动 机 的 喷 油 脉 宽 点 火 提 前 角 目 标 空 燃 比 等 参 数 进 行 严 格 细 致 的 标 定, 以 进 一 步 提 高 改 善 发 动 机 的 动 力 性 经 济 性 及 排 放 性 能 (3) 在 汽 油 中 加 入 甲 醇 提 高 了 燃 料 的 辛 烷 值, 可 以 采 取 减 小 燃 烧 室 容 积 的 方 法 适 当 提 高 发 动 机 的 压 缩 比, 研 究 其 动 力 性 经 济 性 能 (4) 试 验 证 明 使 用 甲 醇 汽 油 时, 普 通 三 效 催 化 转 化 器 对 各 种 排 放 物 都 有 较 高 转 化 效 率, 但 需 要 深 入 研 究 非 常 规 排 放 物 对 催 化 剂 耐 久 性 和 使 用 寿 命 的 影 响, 并 开 发 出 甲 醇 汽 油 专 用 催 化 剂 65

插 图 索 引 图 1.1 1996 27 年 我 国 石 油 生 产 量 消 费 量 进 口 量 出 口 量 对 比 1 图 1.2 我 国 石 油 对 外 依 存 度 变 化 趋 势 1 图 2.1 甲 醇 和 汽 油 物 理 化 学 性 质 对 比 14 图 2.2 各 比 例 甲 醇 汽 油 低 热 值 15 图 3.1 发 动 机 试 验 台 架 布 置 示 意 图 22 图 3.2 发 动 机 台 架 实 际 布 置 图 22 图 3.3 华 普 JL479QA 发 动 机 23 图 3.4 控 制 台 实 物 图 24 图 3.5 测 功 机 实 物 图 24 图 3.6 SESAM 4. 外 观 图 24 图 3.7 AVL CEB II 排 气 分 析 仪 26 图 4.1 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 外 特 性 扭 矩 曲 线 29 图 4.2 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 外 特 性 功 率 曲 线 3 图 4.3 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 扭 矩 损 失 百 分 比 3 图 4.4 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 功 率 损 失 百 分 比 31 图 4.5 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 空 燃 比 32 图 4.6 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 空 燃 比 32 图 4.7 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 外 特 性 扭 矩 33 图 4.8 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 外 特 性 功 率 33 图 4.9 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 扭 矩 损 失 百 分 比 34 图 4.1 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 外 特 性 排 温 34 图 4.11 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 外 特 性 排 温 35 图 4.12 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 36 图 4.13 未 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 有 效 燃 油 消 耗 率 37 图 4.14 调 整 发 动 机 参 数 后 等 热 值 有 效 燃 油 消 耗 率 37 图 4.15 调 整 发 动 机 参 数 后 有 效 燃 油 消 耗 率 38 66

图 4.16 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 燃 油 消 耗 率 增 加 百 分 比 38 图 4.17 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 等 热 值 油 耗 率 39 图 4.18 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 等 热 值 油 耗 率 4 图 4.19 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 有 效 油 耗 率 41 图 4.2 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 有 效 油 耗 率 41 图 4.21 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 2r/min 等 热 值 油 耗 率 41 图 4.22 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 甲 醇 汽 油 34r/min 等 热 值 油 耗 率 42 图 4.23 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 等 热 值 油 耗 率 42 图 4.24 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 有 效 油 耗 率 43 图 4.25 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minTHC 排 放 量 44 图 4.26 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minTHC 排 放 量 44 图 4.27 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minTHC 排 放 量 45 图 4.28 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minTHC 排 放 量 45 图 4.29 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minTHC 转 化 效 率 46 图 4.3 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minTHC 转 化 效 率 46 图 4.31 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minNOX 排 放 量 47 图 4.32 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minNOX 排 放 量 47 图 4.33 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minNOX 排 放 量 48 图 4.34 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minNOX 排 放 量 48 图 4.35 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minNOX 转 化 效 率 49 图 4.36 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minNOX 转 化 效 率 46 图 4.37 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minCO 排 放 量 5 图 4.38 标 定 未 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minCO 排 放 量 5 图 4.39 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minCO 排 放 量 51 图 4.4 未 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minCO 排 放 量 51 图 4.41 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/minCO 转 化 效 率 52 图 4.42 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/minCO 转 化 效 率 52 图 4.43 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醇 排 放 量 53 图 4.44 调 整 发 动 机 参 数 时 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醇 排 放 量 53 图 4.45 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醇 排 放 量 54 67

图 4.46 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醇 排 放 量 54 图 4.47 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醇 转 化 效 率 55 图 4.48 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醇 转 化 效 率 55 图 4.49 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醛 排 放 量 56 图 4.5 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醛 排 放 量 56 图 4.51 未 调 整 发 动 机 参 数 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醛 排 放 量 57 图 4.52 调 整 发 动 机 参 数 后 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醛 排 放 量 57 图 4.53 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 2r/min 甲 醛 转 化 效 率 58 图 4.54 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 34r/min 甲 醛 转 化 效 率 58 图 4.55 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 低 负 荷 缸 压 曲 线 59 图 4.56 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 低 负 荷 放 热 率 曲 线 6 图 4.57 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 中 等 负 荷 缸 压 曲 线 6 图 4.58 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 中 等 负 荷 放 热 率 线 61 图 4.59 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 大 负 荷 缸 压 曲 线 61 图 4.6 不 同 比 例 甲 醇 汽 油 大 负 荷 放 热 率 曲 线 62 图 4.61 不 同 点 火 提 前 角 时 汽 油 缸 压 曲 线 63 图 4.62 不 同 点 火 提 前 角 时 M85 缸 压 曲 线 63 68

表 格 索 引 表 1.1 世 界 已 探 明 的 矿 物 燃 料 使 用 年 限 1 表 2.1 汽 油 和 甲 醇 对 橡 胶 密 封 材 料 的 溶 胀 作 用 1 表 3.1 试 验 用 仪 器 设 备 21 表 3.2 华 普 JL479QA 发 动 机 参 数 23 表 3.3 SESAM 4. 出 厂 标 定 结 果 24 69

参 考 文 献 [1] 张 智 力, 李 茂 德. 几 种 汽 车 替 代 燃 料 的 技 术 经 济 分 析 [J]. 能 源 研 究 与 信 息,24,18(2):5-6. [2] 孔 锐, 储 志 君. 我 国 石 油 需 求 预 测 及 经 济 危 机 下 的 应 对 建 议 [J]. 中 国 人 口 资 源 与 环 境,21, 2(3). [3] 崔 荣 国.28 年 矿 产 品 贸 易 形 势 分 析 [J]. 国 土 资 源 情 报,29(6). [4] 杨 沿 平, 郝 夏 艳, 唐 杰. 我 国 汽 车 节 油 现 状 及 对 策 分 析 [J]. 湖 南 大 学 学 报,28,22(2). [5] 刘 国 平. 浅 论 燃 料 甲 醇 的 前 景 [J]. 应 用 化 工,23,(4):1-3. [6] 王 丹, 朱 向 荣. 车 用 代 用 燃 料 研 究 及 发 展 趋 势 [J]. 汽 车 工 艺 与 材 料,25(1). [7] 申 章 庆, 杨 青. 车 用 发 动 机 代 用 燃 料 的 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 [J]. 内 燃 机,26,28(2). [8] 马 凡 华 等. 天 然 气 发 动 机 专 用 催 化 转 化 器 的 研 究 与 发 展 [J]. 车 用 发 动 机,2(1). [9] 孙 济 美 等. 代 用 燃 料 汽 车 技 术 ( 一 ): 世 界 汽 车 技 术 发 展 跟 踪 研 究 ( 五 )[J]. 汽 车 工 艺 与 材 料,22(11). [1] 张 君 涛 等. 车 用 清 洁 代 用 燃 料 及 发 展 趋 势 [J]. 精 细 石 油 化 工 进 展,25,6(4). [11] 崔 心 存. 关 于 汽 车 选 择 清 洁 代 用 燃 料 的 思 考 ( 一 )[J]. 汽 车 工 艺 与 材 料,24(4). [12] 忻 耀 年,B. Sondermann, B. Emersleben. 生 物 柴 油 的 生 产 和 应 用 [J]. 中 国 油 脂, 21,26(5). [13] 忻 耀 年. 生 物 柴 油 的 发 展 现 状 和 应 用 前 景 [J]. 中 国 油 脂,25,3(3). [14] 朱 建 良, 张 冠 杰. 国 内 外 生 物 柴 油 研 究 生 产 现 状 及 发 展 趋 势 [J]. 化 工 时 刊,24,18(1). [15] 闵 恩 泽, 唐 忠, 杜 泽 学, 吴 巍. 发 展 我 国 生 物 柴 油 产 业 的 探 讨 [J]. 中 国 工 程 科 学,25,7(4). [16] 杨 艳, 卢 滇 楠, 李 春, 曹 竹 安. 面 向 21 世 纪 的 生 物 能 源 [J]. 化 工 进 展,22,21(5). [17] 李 晓 丹. 新 能 源 汽 车 发 展 现 状 及 应 用 前 景 [J]. 中 国 能 源,29(8):45. [18] 杨 绍 斌, 王 继 任 等. 中 国 煤 制 甲 醇 的 现 状 和 前 景 [J]. 洁 净 煤 技 术,21(4). [19] 李 忠, 郑 华 艳, 谢 克 昌. 甲 醇 燃 料 的 研 究 进 展 与 展 望 [J]. 化 工 进 展,28,27(11):1687. [2] 和 晓 驰. 坚 持 科 学 发 展 观, 发 挥 醇 醚 替 代 燃 料 的 主 力 作 用 [C]// 上 海 : 全 国 醇 醚 燃 料 及 醇 醚 清 洁 汽 车 专 业 委 员 会,27-12-2. [21] 朱 金 环. 华 普 甲 醇 轿 车 的 开 发 [C]// 上 海 : 全 国 醇 醚 燃 料 及 醇 醚 清 洁 汽 车 专 业 委 员 会, 27-12-2. [22] 王 翔, 郭 拥 军, 张 建 军. 甲 醇 汽 油 及 甲 醇 汽 油 作 内 燃 机 燃 料 的 性 质 比 较 [J]. 化 工 时 刊, 25,19(3). [23] 彭 小 红. 醇 类 燃 料 的 燃 烧 与 排 放 特 性 的 研 究 [D]. 西 安 : 长 安 大 学,23. [24] 欧 风. 石 油 产 品 应 用 技 术 手 册 [M]. 北 京 : 中 国 石 化 出 版 社,1998:62-82. 7

[25] 闫 秀 峰, 黄 海 波, 黄 星 培. 车 用 甲 醇 燃 料 毒 性 和 环 境 影 响 评 价 [M]. 职 业 卫 生 与 病 伤,24, 19 (2). [26] 吴 域 琦, 李 红 宁. 中 国 甲 醇 燃 料 应 用 状 况 及 前 景 [J]. 化 工 管 理,24(1). [27] 胡 真. 杨 庆 佛. 李 湘 萍. M85 甲 醇 燃 料 在 EQ61 发 动 机 上 应 用 的 试 验 研 究 [J]. 农 业 工 程 学 报,1998,14(3). [28] 巩 利 平, 杨 庆 佛. M85 甲 醇 汽 油 在 465Q 汽 油 机 上 的 性 能 试 验 研 究 [J]. 车 辆 与 动 力 技 术,29(3):22-24. [29] 祁 东 辉, 刘 圣 华, 李 晖, 吕 胜 春. 电 喷 汽 油 机 燃 用 甲 醇 - 汽 油 混 合 燃 料 的 性 能 [J]. 交 通 运 输 工 程 学 报,26,6(2):44-46. [3] 张 仲 荣. 火 花 点 火 式 电 控 甲 醇 发 动 机 非 常 规 污 染 物 的 排 放 特 性 [J]. 燃 烧 科 学 与 技 术,26,12(1):86-88. [31] 汪 洋, 王 静, 史 春 涛, 王 雪 雁, 范 国 梁. 甲 醇 发 动 机 排 放 特 性 的 研 究 [J]. 内 燃 机 报,27,5(1):73-76. [32] Yutaka Takada, Shigeru Ueki, Mayumi Kinoshita,Ichiro Kasamatsu and Hisashi Kageyama. The History of M1 Methanol Vehicles Penetration in Japan[J]. SAE Paper,1216,2. [33] Muneyoshi Namba, Takanao Yokoyama, Kazumasa Iida, and Katsuhiko Miyamoto. Development of Mitsubishi Flexible Fuel Vehicle. SAE Paper 91861, 1991. [34] E.Robert Fanick and Lawrence R.Smith. Comparison of Exhaust Emissions from a Vehicle Fueled with Methanol-Containing Additives for Flame Luminosity[J]. SAE Paper. 9322, 1993. [35] Melissa S. Pike,Timothy J. Guglielmello,Jeffrey W. Hodgson. Development of a Cold-Start Device for Methanol-Fueled Engines[J]. SAE Paper.932772,1993. [36] Atilla Bilgin,I smet Sezer. Effects of Methanol Addition to Gasoline on the Performance and Fuel Cost of a Spark Ignition Engine[J]. Energy & Fuels, 28(22). 71

致 谢 本 文 论 文 工 作 是 在 肖 建 华 老 师 的 精 心 指 导 和 严 格 要 求 下 完 成 的 在 完 成 综 合 论 文 训 练 期 间, 肖 老 师 师 精 益 求 精 的 治 学 态 度 和 一 丝 不 苟 的 科 研 作 风 将 使 我 终 生 受 益 衷 心 感 谢 帅 石 金 教 授 王 建 昕 教 授 及 王 志 老 师 对 我 课 题 研 究 的 指 导 和 建 议, 感 谢 张 凡 师 兄 和 王 真 师 兄 在 试 验 方 面 的 指 导 和 帮 助 燃 烧 和 排 放 课 题 组 的 所 有 老 师 和 同 学 在 各 方 面 都 给 我 很 多 的 关 心 和 帮 助, 在 此 谨 对 大 家 表 示 感 谢 72

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附 录 A 书 面 翻 译 火 花 点 火 式 发 动 机 燃 用 甲 醇 汽 油 是 对 动 力 性 和 经 济 性 能 的 影 响 Atilla Bilgin* and I smet Sezer Karadeniz 技 术 大 学 (KTU) 工 学 院 机 械 工 程 系 土 耳 其, 特 拉 布 宗,618 收 稿 日 期 :28 年 2 月 12 号 发 表 日 期 :28 年 3 月 28 号 摘 要 : 这 个 研 究 是 有 关 试 验 研 究 在 火 化 点 火 时 发 动 机 上 使 用 甲 醇 混 合 在 汽 油 时 的 动 力 性 经 济 性 混 合 燃 料 是 在 特 性 数 量 的 汽 油 上 分 别 混 入 体 积 分 数 为 5% 1% 15% 2% 的 甲 醇 而 得 到 的 这 些 燃 料 分 别 被 称 呼 为 M5 M1 M15 M2, 试 验 研 究 中 也 使 用 了 基 础 汽 油, 含 铅 汽 油, 无 铅 汽 油 试 验 时 在 不 同 的 发 动 机 转 速 点 火 时 刻 及 压 缩 比 下 进 行 的 发 动 机 是 在 大 负 荷 工 况 下 运 行 试 验 结 果 显 示, 使 用 M5 时 平 均 有 效 压 力, 而 使 用 M2 有 效 热 效 率 最 好 经 济 性 的 分 析 比 较 是 基 于 土 耳 其 汽 油 甲 醇 的 市 场 价 格, 以 及 发 动 机 使 用 汽 油 和 甲 醇 时 的 燃 油 消 耗 率 两 方 面 来 考 虑 结 果 表 明 : 由 于 土 耳 其 居 高 不 下 的 甲 醇 价 格, 使 用 甲 醇 汽 油 时, 相 对 于 发 动 机 性 能 的 提 高, 燃 油 的 费 用 支 出 将 增 加 使 用 M5 M1 M15 M2 时 相 比 于 使 用 汽 油 燃 油 费 用 支 出 增 加 分 别 为 18.86% 36.95% 54.2% 73.1% 研 究 过 程 还 考 虑 了 误 差 影 响, 结 果 证 明 测 量 装 置 的 误 差 对 发 动 机 的 性 能 没 有 显 著 影 响 1. 引 言 世 界 的 石 油 资 源 消 耗 殆 尽 石 油 价 格 持 续 上 涨 大 众 环 保 意 识 增 强 以 及 对 能 源 安 全 未 来 石 油 供 应 的 担 忧 促 进 了 人 们 对 基 于 非 石 油 能 源 且 环 境 友 好 型 替 代 燃 料 的 研 究 1,2,3 最 理 想 的 替 代 燃 料 应 该 是 来 源 丰 富, 相 对 于 传 统 能 源 更 廉 价, 可 以 直 接 替 代 石 油 能 源 或 者 可 以 添 加 入 当 前 的 传 统 燃 料 中 以 减 少 对 石 油 能 源 的 依 赖 从 这 个 角 度 讲, 甲 醇 可 以 考 虑 作 为 理 想 的 替 代 燃 料 之 一 生 产 甲 醇 的 原 料 可 以 是 煤 炭 天 热 气 生 物 能 源 甚 至 是 易 燃 的 废 弃 物 和 垃 圾 3,4 煤 质 甲 醇 是 非 常 重 要 的 一 个 甲 醇 来 源, 因 为 煤 炭 是 地 球 上 最 为 丰 富 的 资 源 可 以 长 期 满 足 人 类 的 能 源 需 求 3 作 为 火 花 塞 点 火 时 发 动 机 的 替 代 燃 料, 甲 醇 相 对 于 汽 油 具 有 一 些 列 的 优 点, 如 更 高 的 抗 爆 性 和 更 低 的 CO THC 排 放 3-1 甲 醇 中 富 含 氧, 使 燃 烧 更 加 充 分, 微 74

粒 排 放 低 11 表 1. 本 试 验 中 所 使 用 燃 料 的 物 理 特 性 Table1.Properties of the Fuels Used in This Study 更 不 易 自 然, 更 高 的 火 焰 传 播 速 度, 以 及 更 低 的 碳 氢 比 可 以 认 为 是 甲 醇 相 对 于 汽 油 的 其 他 一 些 优 点 5,12 在 小 负 荷 时, 甲 醇 比 汽 油 燃 烧 更 加 高 效 5 高 汽 化 潜 热 使 进 入 汽 缸 的 混 合 气 温 度 降 低, 增 加 了 容 积 效 率 提 高 了 动 力 输 出 5,6 这 些 优 良 的 燃 烧 特 性 使 得 甲 醇 成 为 目 前 汽 车 工 业 的 最 佳 选 择 13,14,15 75

图 1. 试 验 装 置 示 意 图 Figure1.Schematic layout of the experimental setup 表 2. 发 动 机 参 数 Table 2. Engine Specifications 除 了 上 面 提 及 的 优 点 以 为, 甲 醇 最 为 发 动 机 燃 料 也 具 有 一 些 缺 陷, 如 腐 蚀 性 剧 毒 性 无 色 无 味 1,5,12 另 外, 由 于 分 子 中 含 有 高 比 例 的 氧, 甲 醇 的 能 量 密 度 低 于 汽 油 12 汽 油 的 低 热 值 是 甲 醇 的 两 倍 多 因 为 甲 醇 的 高 汽 化 潜 热 值 5, 使 用 纯 甲 醇 时 会 带 来 冷 启 动 问 题, 并 且 在 lean operating condition 低 负 荷 时 会 带 来 更 多 的 NOX 排 放 3 与 汽 油 的 相 容 性 高 度 挥 发 性 大 量 的 醛 类 排 放 时 甲 醇 的 其 他 一 些 制 约 因 素 在 汽 油 中 加 入 少 量 的 甲 醇 就 会 导 致 蒸 汽 压 的 大 幅 度 增 加, 引 发 较 高 温 度 下 发 动 机 的 驾 驶 性 能, 如 气 阻 等 但 是, 时 候 合 适 的 解 决 措 施 可 以 避 免 上 述 一 切 缺 点 例 如, 在 加 油 站 混 合 甲 醇 和 汽 油, 这 是 通 过 燃 料 供 应 系 统 来 解 决 甲 醇 汽 油 分 层 的 一 种 方 法 1 为 了 避 免 腐 蚀 问 题, 在 燃 油 供 应 系 统 里 应 该 避 免 是 使 用 铜 铝 橡 胶 材 料 的 零 部 件, 例 如 使 用 碳 氟 化 合 物 橡 胶 作 为 普 通 橡 胶 的 替 代 品 是 一 个 非 常 有 效 的 选 择 6 拥 有 许 多 优 良 的 燃 烧 特 性 及 避 免 了 使 用 汽 油 时 的 很 多 问 题, 使 得 甲 醇 成 为 火 花 点 火 式 发 动 机 非 常 理 想 的 替 代 燃 料 因 而 文 献 中 有 不 胜 其 数 的 研 究 是 关 于 在 火 花 点 火 式 发 动 机 上 直 接 使 用 甲 醇, 或 者 使 用 甲 醇 汽 油 的 但 是 目 前 的 文 献 中 几 乎 没 有 从 市 场 价 格 和 发 动 机 实 际 燃 油 消 耗 量 来 研 究 甲 醇 汽 油 经 济 性 的 研 究 在 有 些 国 家, 例 如 中 国, 甲 醇 可 能 是 最 为 廉 价 的 液 体 替 代 燃 料 13, 并 且 使 用 甲 醇 汽 油 没 有 使 甲 醇 价 格 上 涨 然 而, 在 有 些 国 家 如 土 耳 其, 每 升 甲 醇 的 价 格 约 是 每 升 汽 油 价 格 的 五 倍 因 而, 即 使 使 用 甲 醇 汽 油 使 得 发 动 机 的 油 耗 降 低 了, 但 由 于 甲 醇 高 昂 的 价 格, 燃 油 费 用 支 出 也 会 增 加 所 以,, 需 要 基 于 市 场 价 格 和 发 动 机 的 油 耗 对 发 动 机 上 使 用 甲 醇 汽 油 时 的 经 济 性 进 行 研 究 分 析 本 研 究 的 目 的 是 在 分 析 火 花 点 火 式 发 动 机 使 用 甲 醇 汽 油 时 性 能 的 同 时, 对 其 经 济 性 也 进 行 了 分 析 在 内 燃 机 试 验 中 基 本 被 忽 略 的 误 差, 本 研 究 也 进 行 了 分 析 第 二 章 试 验 2.1 燃 料 特 性 76

本 研 究 中, 使 用 的 是 纯 度 为 99.9% 的 美 国 默 克 公 司 生 产 高 纯 度 甲 醇 甲 醇 汽 油 的 配 制 是 在 一 定 数 量 的 汽 油 中 分 别 添 加 了 5% 1% 15% 2% 体 积 的 甲 醇 甲 醇 汽 油 是 在 试 验 开 始 时 配 制 的, 以 保 证 甲 醇 汽 油 均 质 无 分 层 甲 醇 和 基 础 汽 油, 含 铅 汽 油 无 铅 汽 油 的 物 化 性 质 如 表 1 所 示 2.2 试 验 设 备 及 试 验 方 案 测 试 台 架 由 测 功 机 测 量 设 备 及 控 制 面 板 组 成 图 1 是 测 试 台 架 示 意 图 试 验 用 发 动 机 时 单 缸 可 变 压 缩 比 四 冲 程 发 动 机, 可 以 通 过 更 换 缸 盖 既 可 以 作 为 火 化 点 火 式 发 动 机 又 可 作 为 压 燃 式 发 动 机 表 2 是 发 动 机 的 主 要 技 术 参 数 发 动 机 与 一 台 电 力 测 功 机 相 连 接, 以 实 现 加 载 及 测 量 扭 矩 输 出 利 用 流 量 计 和 秒 表 测 量 发 动 机 燃 油 效 率 量 空 气 流 量 通 过 orifice and an inclined manometer 来 测 量 试 验 的 大 气 压 力 及 环 境 温 度 分 别 用 气 压 计 及 温 度 计 测 量 图 2. 随 转 速 变 化 的 误 差 波 动 曲 线 Figure 2. Variations of uncertainties with engine speed 77

图 3.AEC 随 工 况 变 化 曲 线 Figure 3. Variations of AEC at various operating conditions 使 发 动 机 在 压 缩 比 分 别 为 7.5 8 8.5 及 点 火 提 前 角 为 7.5 1 12.5 CA 下 进 行 试 验 发 动 机 在 大 节 气 门 开 度 下 运 行, 转 速 从 9r/min 到 16r/min 试 验 至 始 至 终 使 用 原 汽 油 机 化 油 器 在 发 动 机 运 行 稳 定 后 进 行 数 据 采 集 试 验 过 程 中 采 集 了 发 动 机 的 扭 矩 燃 料 体 积 流 量 空 气 流 量 等 参 数, 这 些 参 数 将 用 于 计 算 评 价 发 动 机 的 性 能 并 且 在 每 个 试 验 中 都 记 录 了 周 围 环 境 的 干 湿 球 温 度 计 大 气 压 力 最 后 依 据 试 验 环 境 温 度 压 力 湿 度 修 正 了 发 动 机 的 性 能 参 数 试 验 结 果 分 析 见 下 章, 更 多 详 细 资 料 见 参 考 文 献 16-18 78

Figure 4. Variations of bemp at various operating conditions 图 4. 平 均 有 效 压 力 随 工 况 变 化 曲 线 第 三 章 数 据 分 析 3.1 性 能 参 数 分 析 发 动 机 的 输 出 有 效 功 率 利 用 一 下 公 式 计 算 : 其 中 ω=πn/3 是 曲 轴 的 角 速 度 通 过 引 入 空 气 修 成 系 数 Xhum, 及 大 气 温 度 T 压 力 P, 将 计 算 得 到 的 有 效 输 出 功 率 Ne1 转 化 成 标 准 状 态 下 的 输 出 功 率 Ne 公 式 如 下 : (2) 公 式 2 中 的 修 正 系 数 Xhum 是 通 过 干 湿 球 温 度 查 表 后 得 到 甲 醇 汽 油 的 理 论 空 燃 比 及 低 热 值 计 算 式 如 下 : 79

下 标 i 指 汽 油 或 甲 醇,xi 和 Fi 分 别 指 甲 醇 汽 油 的 体 积 比 和 密 度 3.2 经 济 性 分 析 正 如 应 严 重 提 到 的, 目 前 研 究 发 动 机 使 用 甲 醇 汽 油 时 的 动 力 性 能 的 文 献 非 常 多, 但 是 从 市 场 价 格 和 燃 油 消 耗 率 来 分 析 发 动 机 使 用 甲 醇 汽 油 时 的 经 济 性 的 研 究 很 少 虽 然 使 用 甲 醇 汽 油 可 以 使 得 油 耗 量 下 降, 但 是 由 于 各 地 的 甲 醇 价 格 不 相 同, 因 而 在 有 些 地 方 甲 醇 价 格 较 高, 使 用 甲 醇 汽 油 翻 个 反 而 使 燃 油 消 费 支 出 增 加 因 而 发 动 机 经 济 性 的 分 析 必 须 基 于 甲 醇 价 格 和 燃 油 消 耗 率 两 个 方 面 来 考 虑 由 Durgun 19 最 初 提 出,Sahin and Durgun 2 发 表 的 关 系 式 5 在 计 算 经 济 性 方 面 非 常 适 合, 被 本 研 究 所 采 用 公 式 5 中,xi 指 混 合 燃 料 组 分 比 例,ri 和 si 分 别 指 每 升 混 合 燃 料 与 每 升 汽 油 价 格 比 及 混 合 燃 料 与 汽 油 的 密 度 比, 如 下 所 示 : 因 此,ri 和 si 都 是 无 量 纲 参 数 因 此, 当 i = 1 时 f1 = f 基 础,r1 =1; 当 i = 2, f2 = fmethanol, r2 = fmethanol/ f 基 础. 相 似 的, s1 = 1 and s2 = Fmethanol/F 基 础 例 如, 当 只 有 两 种 燃 料 混 合 时, 且 汽 油 为 主 体, 甲 醇 最 为 添 加 燃 料 加 入 进 去, 公 式 5 将 变 成 : 考 虑 到 目 前 土 耳 其 内 的 汽 油 价 格 为 2.3 $2.3/L, 默 克 纯 甲 醇 价 格 为 $11.5/L, 与 普 通 汽 油 相 比,M5, M1, M15 和 M2 的 价 格 分 别 增 加 了 18.86%, 36.95%, 54.2%, 73.1% 结 果 显 示 由 于 目 前 土 耳 其 高 昂 的 甲 醇 价 格, 使 用 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料 是 不 经 济 的 3.3 误 差 分 析 通 常 由 几 个 试 验 测 量 参 数 计 算 得 到 的 试 验 结 果 具 有 误 差, 因 而 由 于 测 量 工 具 的 误 差, 试 验 结 果 页 有 误 差 在 本 研 究 中 消 除 误 差 影 响 的 方 法 是 由 Kline 和 McClintock 提 出 的, 具 体 见 文 献 21 22 依 据 该 方 法, 如 果 结 果 R 是 由 独 立 参 变 8

量 x1, x2,..., xn 决 定 的, 则 R 可 以 表 示 为 : UR 的 误 差 可 以 用 下 列 平 方 和 根 式 表 示 : 上 述 方 程 中 的 UR,I 值 对 应 于 每 个 测 量 参 数 xi 的 误 差, 具 体 关 系 式 如 下 : 上 述 方 程 的 近 似 值 也 被 称 之 为 结 果 的 不 完 全 误 差, 因 为 UR,I 取 决 于 测 量 值 xi 和 误 差 Ui 例 如, 扭 矩 的 误 差 来 自 于 测 量 的 力 和 力 臂, 它 们 的 误 差 范 围 分 别 为 ±.5N 和 ± 1mm, 考 虑 到 这 些 误 差, 在 试 验 的 转 速 范 围 内, 发 动 机 输 出 扭 矩 的 误 差 为.5% 发 动 机 性 能 数 据 的 其 他 误 差 范 围 为 : 有 效 功 率.44%-.46%, 平 均 有 效 压 力 的 误 差 范 围 为.91%-1.52%, 有 效 燃 油 消 耗 率 误 差 范 围 为.89%-1.42% 这 些 误 差 对 发 动 机 转 速 的 影 响 如 图 2 所 示 需 要 强 调 的 是, 这 些 计 算 误 差 对 发 动 机 的 性 能 没 有 明 显 的 影 响 第 4 章 结 果 与 讨 论 过 量 空 气 系 数 图 3 表 是 发 动 机 在 不 同 状 态 下 ( 不 同 压 缩 比 或 点 火 提 前 角 ) 的 过 量 空 气 系 数 变 化 图 3a 表 示 发 动 机 的 压 缩 比 为 8, 点 火 提 前 角 为 1 CA 时, 过 量 空 气 系 数 随 发 动 机 转 速 的 变 化 从 图 上 可 知, 在 所 有 转 速 范 围 内, 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加, 过 量 空 气 系 数 增 大 使 用 M2 时 的 过 量 空 气 系 数 最 大, 而 使 用 无 铅 汽 油 时 的 过 量 空 气 系 数 最 小 含 铅 汽 油 的 过 量 空 气 系 数 高 于 基 础 汽 油 图 3b 更 能 显 示 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 大 小 对 过 量 空 气 系 数 的 决 定 作 用, 在 图 3b 中 发 动 机 运 行 工 况 与 图 3a 中 发 动 机 相 同, 转 速 为 14r/min 过 量 空 气 系 数 的 提 高 是 由 甲 醇 的 冷 却 效 应 及 自 身 含 氧 两 方 面 决 定 的 从 表 1 中 可 知 甲 醇 的 汽 化 潜 热 明 显 大 于 汽 油 在 汽 油 中 混 入 甲 醇 可 以 使 得 混 合 燃 料 吸 收 的 汽 化 潜 热 增 大, 使 进 气 温 度 降 低, 密 度 增 大 另 外, 由 于 分 子 中 含 有 氧 原 子, 甲 醇 的 理 论 空 燃 比 低 于 汽 油 因 而, 在 汽 油 中 添 加 甲 醇 可 以 使 混 合 燃 料 的 理 论 空 燃 比 低 于 汽 油 这 就 意 味 着 混 合 燃 料 的 实 际 空 燃 比 将 相 对 高 于 汽 油 的 理 论 空 燃 比, 这 就 是 过 量 空 气 系 数 增 大 图 3 的 c d 分 别 表 示 空 燃 比 和 点 火 提 前 角 对 发 动 机 过 量 空 气 系 数 的 影 响 81

平 均 有 效 压 力 图 4 给 出 了 不 同 工 况 下 的 平 均 有 效 压 力 本 研 究 中 以 平 均 有 效 压 力 作 为 发 动 机 动 力 输 出 的 比 较 参 数, 因 为 平 均 有 效 压 力 与 发 动 机 的 无 关 图 4a 给 出 了 压 缩 比 为 8, 点 火 提 前 角 为 1 CA 时, 发 动 机 的 平 均 有 效 压 力 随 转 速 的 变 化 几 乎 在 所 有 转 速 内 使 用 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料 时, 发 动 机 的 平 均 有 效 压 力 都 高 于 使 用 基 础 汽 油 无 铅 汽 油 和 含 铅 汽 油 M5 的 动 力 性 最 好, 尤 其 是 在 转 速 高 于 13r/min 时 发 动 机 平 均 有 效 压 力 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 变 化 规 律 如 图 4b 所 示, 图 4b 中 发 动 机 运 行 工 况 与 图 4a 相 同, 转 速 为 14r/min 从 图 上 可 知, 甲 醇 比 例 低 于 5% 时, 平 均 有 效 压 力 随 着 甲 醇 比 例 的 增 加 而 增 加, 超 过 5% 后, 随 着 甲 醇 比 例 的 增 加 而 下 降 因 而 使 用 M5 时 动 力 性 最 好 平 均 有 效 压 力 随 甲 醇 比 例 的 变 化 规 律, 除 了 与 甲 醇 的 冷 却 效 应 及 leaning effects 有 关 外, 还 与 甲 醇 的 低 热 值 远 小 于 汽 油 有 关 甲 醇 自 身 含 有 的 氧 也 促 进 了 汽 缸 中 的 均 质 混 合 气 的 形 成, 使 得 使 用 M5 时 发 动 机 的 平 均 有 效 压 力 提 高 当 甲 醇 比 例 超 过 5% 时, 由 于 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料 的 热 值 对 平 均 有 效 压 力 的 削 减 效 应 已 经 超 过 了 燃 烧 热 效 率 带 来 的 平 均 有 效 压 力 增 加 效 应, 因 而 使 得 平 均 有 效 压 力 下 降 图 4c 给 出 了 发 动 机 平 均 有 效 压 力 随 压 缩 比 的 变 化 规 律 与 预 期 结 果 相 同, 除 了 使 用 基 础 汽 油 外, 使 用 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料 及 汽 油 时 增 压 比 的 提 高 将 导 致 平 均 有 效 压 力 的 提 高 基 础 汽 油 的 辛 烷 值 低 于 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料 及 其 他 汽 油, 提 高 压 缩 比 时 将 导 致 爆 震 众 所 周 知, 火 花 点 火 式 发 动 机 的 爆 震 将 使 输 出 能 量 大 量 损 失, 以 及 使 气 缸 内 的 压 力 和 温 度 过 高, 使 得 发 动 机 的 性 能 和 效 率 下 降 图 4d 给 出 了 不 同 点 火 提 前 角 对 发 动 机 平 均 有 效 压 力 的 影 响 如 图 所 示, 与 含 铅 汽 油 和 无 铅 汽 油 相 反, 基 础 汽 油 在 较 低 点 火 提 前 角 时 获 得 了 最 佳 的 动 力 性 能 另 一 方 面, 在 选 定 的 点 火 提 前 角 范 围 内, 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料 在 较 大 点 火 提 前 角 时 动 力 性 能 最 好 从 图 4 可 以 明 显 得 出 的 结 论 是,M5 获 得 了 最 佳 的 平 均 有 效 压 力 在 以 上 试 验 的 运 行 工 况 下, 使 用 M5 时 获 得 的 平 均 有 效 压 力 比 基 础 汽 油 含 铅 汽 油 无 铅 汽 油 分 别 增 加 1.5% 2.1%,2.9% 有 效 热 效 率 图 5a-d 分 别 给 出 了 有 效 热 效 率 随 发 动 机 转 速 甲 醇 比 例 压 缩 比 点 火 提 前 角 的 变 化 规 律 如 图 5a 所 示, 有 效 热 效 率 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 增 大 在 发 动 机 的 测 试 转 速 范 围 内,M2 相 对 于 其 他 比 例 的 甲 醇 汽 油 及 汽 油 有 效 热 效 率 最 高, 基 础 汽 油 的 热 效 率 最 低, 无 铅 汽 油 的 热 效 率 高 于 其 他 汽 油 及 M5 有 效 热 效 率 与 甲 醇 比 例 的 关 系 如 图 5 所 示, 图 5 中 发 动 机 压 缩 比 是 8, 点 火 提 前 角 为 1 82

CA, 转 速 为 14r/min 从 图 上 可 知, 甲 醇 比 例 的 增 加 将 是 有 效 热 效 率 线 性 增 加, 有 效 热 效 率 的 增 加 是 由 于 甲 醇 中 含 有 氧, 上 面 已 经 提 及 图 5c 给 出 了 发 动 机 有 效 效 率 随 压 缩 比 的 变 化 规 律 与 预 期 结 果 相 同, 除 了 基 础 汽 油, 对 于 其 他 汽 油 及 甲 醇 汽 油, 发 动 机 的 有 效 热 效 率 都 随 着 发 动 机 压 缩 比 的 增 大 而 提 高 正 如 之 前 所 提 到, 基 础 汽 油 的 辛 烷 值 低 于 其 他 汽 油 及 甲 醇 汽 油, 使 得 使 用 基 础 汽 油 时 发 生 爆 震 导 致 有 效 热 效 率 下 降 甲 醇 汽 油 辛 烷 值 提 高, 适 当 增 大 压 缩 比 可 以 使 得 有 效 热 效 率 提 高 含 铅 汽 油 和 无 铅 汽 油 由 于 较 高 的 辛 烷 值, 也 使 得 热 效 率 有 所 提 高 图 5d 给 出 了 各 种 油 品 的 有 效 热 效 率 随 着 点 火 提 前 角 的 变 化 规 律 众 所 周 知, 一 般 而 言 当 点 火 提 前 角 超 过 一 定 值 时 将 引 起 爆 震 在 本 研 究 中, 这 种 趋 势 在 点 火 提 前 角 超 过 1 CA 时 非 常 明 显, 尤 其 是 对 于 普 通 汽 油 无 铅 汽 油 含 铅 汽 油 及 M5 使 用 无 铅 汽 油 与 各 种 甲 醇 汽 油 时, 有 效 热 效 率 没 有 显 著 差 异 从 图 5 还 可 以 得 知, 使 用 M2 时 有 效 热 效 率 最 高, 比 基 础 汽 油 含 铅 汽 油 无 铅 汽 油 分 别 高 出 16.5% 15% 6.7% 5 结 论 从 上 述 研 究 结 果 可 以 得 出 以 下 结 论 : (1) 使 用 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料, 可 以 提 高 过 量 空 气 系 数, 降 低 理 论 空 燃 比 (2) 使 用 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料, 可 以 获 得 比 基 础 汽 油 含 铅 汽 油 无 铅 汽 油 更 高 的 平 均 有 效 压 力 压 缩 比 为 8, 点 火 提 前 角 为 1 CA 时, 在 试 验 的 发 动 机 转 速 内, 使 用 M5 获 得 了 最 高 的 平 均 有 效 压 力 此 外 在 高 转 速 时 各 种 油 品 间 的 平 均 有 效 压 力 差 距 更 为 明 显 (3) 使 用 甲 醇 汽 油 时, 有 效 热 效 率 随 着 混 合 燃 料 甲 醇 比 例 的 增 加 而 线 性 增 加 在 本 试 验 中, 使 用 M2 时 在 所 用 工 况 下 的 有 效 热 效 率 都 最 高 而 使 用 纯 汽 油 时, 无 铅 汽 油 的 有 效 热 效 率 最 高 在 所 有 油 品 中, 使 用 基 础 汽 油 时 有 效 热 效 率 最 低 除 基 础 汽 油 外, 使 用 其 他 油 品 时, 发 动 机 的 有 效 热 效 率 都 随 着 压 缩 比 的 增 大 而 提 高 在 试 验 的 所 有 点 火 提 前 角 范 围 内,M2 的 有 效 热 效 率 始 终 最 高 (4) 虽 然 使 用 汽 油 和 甲 醇 汽 油 时, 有 效 燃 油 消 耗 率 差 别 不 明 显, 但 是 由 于 土 耳 其 高 昂 的 甲 醇 价 格, 使 用 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料 的 花 费 过 高, 且 随 着 燃 料 中 甲 醇 比 例 的 增 加 而 线 性 增 长 这 使 得 在 土 耳 其 当 前 甲 醇 价 格 下, 使 用 甲 醇 汽 油 不 可 行 声 明 : 该 研 究 来 自 于 Karadeniz 技 术 大 学 科 学 研 究 基 金 支 持 ( 项 目 号 2.112.3.1) 83

专 有 名 词 AEC = 过 量 空 气 系 数 AFR= 空 燃 比 ( 空 气 质 量 / 燃 料 质 量 ) Bmep= 平 均 有 效 压 力 (kpa) bsfc = 燃 油 消 耗 率 (kg of fuel/ kw h) bte= 有 效 热 效 率 (%) f = 单 位 体 积 燃 料 的 价 格 ($/L) F = 产 生 1 千 瓦 时 能 量 的 费 用 ($ /kw h) LHV= 低 热 值 (kj/kg) Md= 扭 矩 (N m) N= 发 动 机 转 速 (r/min) Ne = 有 效 功 率 (kw) P= 环 境 压 力 (MPa) ST= 点 火 角 (deg) T= 环 境 温 度 (K) U= 误 差 (%) X= 混 合 燃 料 中 甲 醇 比 例 (%) Xhum= 修 正 系 数 希 腊 字 母 F = 密 度 (kg/m 3 ) ω = 角 速 度 (rad/s) 下 标 s = 化 学 当 量 EF8126 参 考 文 献 : [1] Wigg, E. E.; Lunt, R. S. Methanol as a gasoline extender-fueleconomy, emissions, and high temperature driveability. SAE Paper 7418,1974; pp 3131-3142. [2] Bayraktar, H. Experimental and theoretical investigation of using gasoline-ethanol blends in spark-ignition engines. Renewable Energy 25,3 (11), 1733 1747. [3] Harrington, J. A.; Pilot, R. M. Combustion and emission characteristics of methanol. SAE Paper 7542, 1975; pp 119-1124. 84

[4] Al-Farayehdi, A. A.; Al-Dawood, A. M.; Gandhidasan, P. Experimental investigation of SI engine performance using oxygenated fuel. J.Eng. Gas Turbines Power 24, 126 (1), 178 191. [5] Ingamells, J. C.; Lindquist, R. H. Methanol as a motor fuel or a gasoline blending component. SAE Paper 75123, 1975; pp 568-581. [6] Hsieh, W.-D.; Chen, R.-H.; Wu, T.-L.; Lin, T.-H. Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol-gasoline blended fuels. Atmos. EnViron. 22, 36 (3), 43 41. [7] lob, A.; Buenafe, R.; Abbas, N. M. Determination of oxygenates in gasoline by FTIR. Fuel 1998, 77 (15), 1861 1864. [8] Pumphrey, J. A.; Brand, J. I.; Scheller, W. A. Vapour pressure measurements and predictions for alcohol-gasoline blends. Fuel 2, 79(11), 145 1411. [9] Hu, T.; Wei, Y.; Liu, S.; Zhou, L. Improvement of spark-ignition (SI) engine combustion and emission during cold start, fueled with methanol/ gasoline blends. Energy Fuels 27, 21 (1), 171 175. [1] Huang, Z.; Miao, H.; Zhou, L.; Jiang, D. Combustion characteristics and hydrocarbon emissions of a spark ignition engine fueled with gasolineoxygenate blends. Proc. Inst. Mech. Eng., Part D 2, 214 (3), 314 346. [11] Alasfour, F. N. NOx emission from a spark ignition engine using 3% iso-butanol-gasoline blend. Part 1: Preheating inlet air. Appl. Therm. Eng. 1998, 18 (5), 245 256. [12] MacLean, H. L.; Lave, L. B. Evaluating automobile fuel/propulsion system technologies. Prog. Energy Combust. Sci. 23, 29 (1), 1 69. [13] Liao, S. Y.; Jiang, D. M.; Cheng, Q.; Huang, Z. E.; Zeng, K. Effect of methanol addition into gasoline on the combustion characteristics at relatively low temperatures. Energy Fuels 26, 2 (1), 84 9. [14] Abu-Zaid, M.; Badran, O.; Yamin, J. Effect of methanol addition on the performance of spark ignition engines. Energy Fuels 24, 18 (2),312 315. [15] Chmielniak, T.; Sciazko, M. Co-gasification of biomass and coal for methanol synthesis. Appl. Energy 23, 74 (3-4), 393 43. [16] Durgun, O. Experimental methods in engines, lecture notes (in Turkish); Karadeniz Technical University, Trabzon, Turkey, 1995. [17] Bilgin, A.; Durgun, O.; S ahin, Z. The effects of diesel-ethanol blends on diesel engine performance. Energy Sources 22, 24 (5), 431 44. [18] Sezer, I. Experimental investigation of the effects of blending methanol and MTBE with 85

regular gasoline on the performance and exhaust emissions of SI engines. M.S. Thesis (in Turkish), Karadeniz TechnicalUniversity, Trabzon, Turkey, 22. [19] Durgun, O. Internal combustion engines, lecture notes (in Turkish);Karadeniz Technical University, Trabzon, Turkey, 1992. [2] S ahin, Z.; Durgun, O. High speed direct injection (DI) light-fuel(gasoline) fumigated vehicle diesel engine. Fuel 27, 86 (3), 388 399. [21] Holman, J. P. Experimental Methods for Engineers, 7th ed.;mcgraw-hill: New York, 21. [22] Kostic, M. Unleashing error or uncertainty analysis of measurement results. Presented at the NASA 23 Faculty Fellowship Program Lecture Series, 23. 86