毕业论文：汽油机燃用乙醇汽油混合燃料热力分析及对发动机性能的影响

毕业论文：汽油机燃用乙醇汽油混合燃料热力分析及对发动机性能的影响

摘要

如何在经济发展的同时保护好环境，构建一个和谐社会已经成为当前社会发展面临的主要问题之一。要在发展中保护好环境就要建设一个资源节约型、环境友好型社会。当前日益严峻的全球能短缺源和环境污染问题，导致全世界范围内对节能环保问题的高度关注。乙醇或乙醇汽油混合燃料作为一种非常有前景的清洁代用燃料，受到研究部门和产业界的广泛关注。代用燃料对发动机性能影响的研究一直是国内外研究的热点之一。
本文通过对发动机热力循环工作过程的计算分析，编制Matlab计算程序，在某双列V型6缸发动机上，研究了不同工况下，不同掺醇比的乙醇/汽油混合燃料对发动机动力性和经济性的影响。研究表明，定转速变掺醇比时发动机扭矩和功率随着转速的提高先升高后降低；油耗率随着转速的提高先降低后升高。定转速变掺醇比时，发动机输出功率、扭矩和有效燃油消耗率均随着燃油中乙醇含量的增加而增大。

关键词：汽油机；乙醇汽油；掺醇比；性能影响


Abstract

How to protect our environment and develop the economic at the same time, constructing a harmonious society has become one of the major social problems. To protect the environment in the development, we should build a resource-conserving and environment-friendly society. The current increasingly serious global energy and environmental problems cause unprecedented attention for energy conservation and environmental protection all around the world. As a very promising alternative fuel, the research of the performance of alcohol or alcohol and gasoline fuel mi*ture on combustion process has been one of the hot spot both at home and abroad, is taken serious attention by the research department and industry.
This article analysises the working process of the heat engine cycle, prepaeres of Matlab program to alcohol/gasoline mi*
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略2046字，正式会员可完整阅读）……　
的代用燃料。可见，针对乙醇汽油混合燃料的性能开展研究是有必要的[3]。

1.2 MATLAB简介

MATLAB是“Matri* Laboratory”的缩写，意为“矩阵实验室”，是当今美国很流行的科学计算软件、信息技术、计算机技术发展到今天，科学计算在各个领域得到了广泛的应用。在许多诸如控制论、时间序列分析、系统仿真、图像信号处理等方面产生了大量的矩阵及其相应的计算问题。自己去编写大量的繁复的计算程序，不仅会消耗大量的时间和精力，减缓工作进程，而且往往质量不高。美国Mathwork软件公司推出的MATLAB软件就是为了给人们提供一个方便的数值计算平台而设计的[4]。
MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。它是一种数值计算环境和编程语言，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB基于矩阵（英语：Matri*）运算，其全称MATri* LABoratory即得名于此。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指，可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。其中，MATLAB GUI（Graphical User Interface，人机交互图形化用户界面设计）是用来编程，解决数学问题的。例如矩阵求谱半径,迭代法解超大线性方程组,解高次方程,数据拟和等等。图形用户界面或GUI包含图形对象，如：窗口、图标、菜单和文本的用户界面。以某种方式选择或激活这些对象，通常引起动作或发生变化。在每一个窗口系统中使用菜单让用户选择命令和选项。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用。

1.3 国内外研究现状

早在20世纪初，乙醇就开始被用作车用燃料，随着石油的大规模开采，乙醇汽油的使用被暂时中断[5]。直到70年代中期石油危机的爆发，燃料乙醇重新开始在一些国家获得发展。世界上第一个燃料乙醇项目ProAlcohol于1975年在巴西诞生，美国、加拿大在1978年也相继开展了类似的项目。由于乙醇汽油在发动机尾气排放方面出色的表现，目前一些具有丰富农业资源的国家，如加拿大、法国、西班牙、瑞典、英国、德国、荷兰、奥地利、南非等国家也已制定计划，积极发展并推广车用乙醇汽油。2000年6月，中国环境科学研究院向国务院领导建议，加快推广乙醇汽油，以有效解决汽车尾气污染保护环境。2000年8月国家经贸委布置了乙醇汽油研究任务，次年在吉林、河南、黑龙江三省进行乙醇汽油推广试点工作。2004年2月国家发改委等8部门联合颁布了《车用乙醇汽油扩大试点方案》和《车用乙醇汽油扩大试点工作实施细则》，乙醇汽油的推广应用从此全面启动[6]。
燃料乙醇属于可再生能源，是以玉米、小麦、薯类、甘蔗、甜菜等为原料，经发酵、蒸馏、脱水等工序制成的含量在99.2%(体积分数)以上的无水乙醇。乙醇汽油是将燃料乙醇以一定比例掺混入汽油后所得的燃料，在国外推广已有多年，低比例掺醇汽油的生产和应用技术较为成熟。美国和巴西是当今世界上最大的燃料乙醇生产和消费国。2006年美国和巴西的燃料乙醇产量分别达到1673万吨和1380万吨，这两个国家乙醇产量约占全球乙醇总产量的70%以上。2005年,欧盟燃料乙醇消费量为1巧万吨，预计到2010年，其乙醇汽油用量可达到215万一257万吨[7]。
我国发展燃料乙醇最初的目的是消化陈化的玉米、小麦等粮食，燃料乙醇为当时的农产品出路提供了巨大市场，目前也有利用薯类和甘蔗等经济作物生产乙醇，但是比例不高。我国是世界第三大酒精生产国，产量仅次于巴西和美国，“十一五”期间将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨。实践表明，我国过去以粮食为原料生产燃料乙醇，是不符合国情的做法，探索非粮能源资源是大势所趋。2006年，财政部印发的《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》明确指出:“石油替代可再生能源开发利用，重点是扶持发展生物乙醇燃料、生物柴油等，其中生物乙醇燃料是指用木薯、甘蔗、甜高粱等制取的燃料乙醇。”推广乙醇汽油具有缓解石油危机、节约外汇、增加税收、刺激农业生产、一带动相关产业发展、改善环境质量等优点。
醇类作为代用燃料目前以掺烧方式居多，即将甲醇或者乙醇按一定比例加入到汽油中形成掺醇汽油。乙醇的热值(26.gMJ/KG)比汽油(MJ/KG)低，但是乙醇中含氧量大，含乙醇10%的乙醇汽油中含氧量能高达5%，完全燃烧所需的空气量仅为汽油的61%，所以两者混合气的热值差不多，汽油掺醇燃烧时，发动机的动力性不会降低。1986年Hamdan对燃用含5%乙醇的乙醇汽油，发现发动机的最佳功率输出和部分负荷下热效率提高4%一21%。2003年A1一Hasan等人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[8]。乙醇的辛烷值(RON)为110，大大的大于汽油的辛烷值(80一98)，掺醇汽油一定程度上提高了燃料的辛烷值，抗爆性较纯汽油更好。实验表明，在RON为95.4汽油中添加20%(体积)的乙醇，其RON可提高约5.3个单位，达到100.7，甲醇汽油也有类似的效果，等效地起到了抗暴剂的作用，可以代替目前正在使用的无铅抗暴添加剂甲基叔丁基醚(MTBE)，避免对地下水的污染。汽油中加入燃料乙醇，可以提高汽油的氧含量。国内车用无铅汽油普遍对氧含量有严格的限制，当前汽油氧含量一般要求不大于27.0%；但是对乙醇汽油的含氧没有限制，含乙醇10%的乙醇汽油氧含量约为35.0%。研究表明，随着乙醇汽油中乙醇含量增加到250k，发动机缸内火焰传播速度和燃油质量燃烧率也相应提高[9]。
此外，在使用含乙醇比例为10%左右的汽油时，可在不对发动机结构作较大改动的情况下直接使用含醇汽油，这极大地方便了掺醇汽油的推广。乙醇汽油中乙醇的比例一般不超过20%，当使用高比例的乙醇汽油时，需要对燃油系统、发动机机体、点火系统、排气后处理系统等进行改动，才能使高比例乙醇汽油在汽油机上正常使用。
在发动机排放改善方面，根据发动机条件不同，使用乙醇汽油能有效减少CO排放10%-90%，未燃HC排放减少20%-80%，但CO2排放增加5%-25%。
当然，掺醇汽油也存在着不少使用上的问题，比如掺醇汽油的互溶性和分层问题以及对燃油系统材料的腐蚀性问题等[10]。此外，由于醇类物质的汽化潜热较汽油高，故掺醇汽油蒸发时会吸收更多的热量，且饱和蒸汽压比汽油低(甲醇约低1/2，乙醇约低2/3)，这些将导致发动机冷启动时蒸发条件恶化，蒸发量少。乙醇的沸点低(78℃)，在发动机正常工作温度下，很容易产生气阻，使燃料供给量降低甚至终端。同时它们的热值均大大低于汽油，而着火温度略高于汽油，因而冷启动困难。
综上所述，乙醇汽油是一种新型清洁环保的代用燃料，其燃烧性能、清洁性、抗暴性均高于普通无铅汽油，但是由于乙醇的掺入，带来了饱和蒸气压较低，不容易蒸发，并且对橡胶等材料有一定的腐蚀性，所以乙醇汽油中的乙醇含量是一个重要的指标。汽油机燃用不同比例的乙醇汽油时，在保证车辆正常行驶的前提下，对发动机的各项性能有何影响，如何选取最佳掺醇比来优化发动机性能，即是本文研究的要点[11]。
现将已在市面上销售的E10乙醇汽油在不改变发动机条件的情况下进行试验研究，ST188小型汽油机主要用作固定动力，试验按照GB/T8190．4-1999进行，测试循环采用D1循环6工况，分别测试标定转速下100%，75%，50%，25%，10%负荷及怠速工况下的性能指标。燃用乙醇汽油时，未对该发动机做任何改动。
结果表明，ST188发动机燃用乙醇汽油时其耗油率在低中负荷时增加明显，平均分别增加了74．2%，33．1%，而在高负荷时其耗油率基本与汽油持平[12]。这是因为乙醇的热值低于普通汽油，所以在发动机动力输出相等的情况下需要燃烧更多的燃料，高负荷情况下，其是由化油器配制混合气的原则决定的，这时化油器要配制更浓的混合气满足高负荷的动力需要；改燃乙醇汽油后，由于乙醇的自含氧会使乙醇汽油的燃烧比普通汽油更为充分，而在中小负荷条件下，其过量空气系数较大，使得自含氧的促进燃烧作用不明显.在45%较小油门开度时，随着发动机转速的增加，汽油机燃用乙醇汽油和普通汽油动力输出相差不大。但在70%较大油门开度时，在整个转速范围内，E10乙醇汽油的功率和转矩输出均小于标准93#汽油，最大降幅达2．5%，平均降幅1．8%。这是由发动机在较大油门开度下，需要更浓的混合气，但由于乙醇汽油的低热值，使其功率与转矩输出下降明显[13]。
按照国家标准QC/T524－1999《汽车发动机性能试验方法》，许沧粟和杜德兴等人采取对比试验方法，比较不同乙醇掺比下发动机动力性和燃油经济性能，并与原汽油机性能进行对比。
他们在一台摩托车用汽油机上分别使用10%的纯乙醇 (纯度为99．5%)和10%的含水乙醇(纯度为95%)与90号汽油混合进行试验，当汽油机改燃乙醇和汽油的混合燃料时，由于乙醇的热值低于汽油，为了使发动机的动力性不受影响，需加大化油器的主量孔；由于辛烷值提高，燃烧速度加快，还应对发动机进行增加压缩比和改变点火提前角的改造[3]。但这些改变一般只在掺醇率大于15%~20%时，才是必须的。而本试验的掺醇率10%和15%，为了使发动机具有混合燃料与纯汽油的随意切换性，因此对发动机未进行改造和调整。发动机的负荷、转速调控以及油耗、功率、扭矩和排气温度的测量和记录都由发动机控制试验台及所配备的电脑完成。试验在浙江大学的发动机测试台架上完成。结果表明：在汽油中掺混小比例(10%)纯的或含水不高的乙醇后，不影响发动机的功率、扭矩等使用性能，无须对发动机进行改装；而且汽油中掺混小比例的乙醇后，有利于改善发动机的燃烧[14]。
在节气门全开、低转速下，随乙醇含量增加，发动机最大转矩和功率有所下降，但下降幅度不大。低转速时进气节流减小，乙醇含氧优势不明显，同时乙醇汽化潜热比汽油燃料大，结果导致着火过程中滞燃期延长，火焰温度降低，并且乙醇的热值低于汽油，故在低速时混合燃料的转矩和功率有所降低。在节气门全开、高转速下，最大转矩和功率有所上升。在高速高负荷下，发动机进气节流、燃料喷射量增大，单位时间燃烧反应次数增加，加上乙醇是含氧燃料、汽化潜热较高，使缸内氧原子分布更均 ……（未完，全文共31951字，当前仅显示5747字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：汽油机燃用乙醇汽油混合燃料热力分析及对发动机性能的影响》）