畢業(yè)論文：汽油機燃用乙醇汽油混合燃料熱力分析及對發(fā)動機性能的影響

畢業(yè)論文：汽油機燃用乙醇汽油混合燃料熱力分析及對發(fā)動機性能的影響

摘要

如何在經濟發(fā)展的同時保護好環(huán)境，構建一個和諧社會已經成為當前社會發(fā)展面臨的主要問題之一。要在發(fā)展中保護好環(huán)境就要建設一個資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。當前日益嚴峻的全球能短缺源和環(huán)境污染問題，導致全世界范圍內對節(jié)能環(huán)保問題的高度關注。乙醇或乙醇汽油混合燃料作為一種非常有前景的清潔代用燃料，受到研究部門和產業(yè)界的廣泛關注。代用燃料對發(fā)動機性能影響的研究一直是國內外研究的熱點之一。
本文通過對發(fā)動機熱力循環(huán)工作過程的計算分析，編制Matlab計算程序，在某雙列V型6缸發(fā)動機上，研究了不同工況下，不同摻醇比的乙醇/汽油混合燃料對發(fā)動機動力性和經濟性的影響。研究表明，定轉速變摻醇比時發(fā)動機扭矩和功率隨著轉速的提高先升高后降低；油耗率隨著轉速的提高先降低后升高。定轉速變摻醇比時，發(fā)動機輸出功率、扭矩和有效燃油消耗率均隨著燃油中乙醇含量的增加而增大。

關鍵詞：汽油機；乙醇汽油；摻醇比；性能影響


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*
……（新文秘網http://m.jey722.cn省略2046字，正式會員可完整閱讀）……　
的代用燃料。可見，針對乙醇汽油混合燃料的性能開展研究是有必要的[3]。

1.2 MATLAB簡介

MATLAB是“Matri* Laboratory”的縮寫，意為“矩陣實驗室”，是當今美國很流行的科學計算軟件、信息技術、計算機技術發(fā)展到今天，科學計算在各個領域得到了廣泛的應用。在許多諸如控制論、時間序列分析、系統仿真、圖像信號處理等方面產生了大量的矩陣及其相應的計算問題。自己去編寫大量的繁復的計算程序，不僅會消耗大量的時間和精力，減緩工作進程，而且往往質量不高。美國Mathwork軟件公司推出的MATLAB軟件就是為了給人們提供一個方便的數值計算平臺而設計的[4]。
MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。它是一種數值計算環(huán)境和編程語言，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB基于矩陣（英語：Matri*）運算，其全稱MATri* LABoratory即得名于此。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指，可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等。其中，MATLAB GUI（Graphical User Interface，人機交互圖形化用戶界面設計）是用來編程，解決數學問題的。例如矩陣求譜半徑,迭代法解超大線性方程組,解高次方程,數據擬和等等。圖形用戶界面或GUI包含圖形對象，如：窗口、圖標、菜單和文本的用戶界面。以某種方式選擇或激活這些對象，通常引起動作或發(fā)生變化。在每一個窗口系統中使用菜單讓用戶選擇命令和選項。
MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C++，JAVA的支持�？梢灾苯诱{用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用。

1.3 國內外研究現狀

早在20世紀初，乙醇就開始被用作車用燃料，隨著石油的大規(guī)模開采，乙醇汽油的使用被暫時中斷[5]。直到70年代中期石油危機的爆發(fā)，燃料乙醇重新開始在一些國家獲得發(fā)展。世界上第一個燃料乙醇項目ProAlcohol于1975年在巴西誕生，美國、加拿大在1978年也相繼開展了類似的項目。由于乙醇汽油在發(fā)動機尾氣排放方面出色的表現，目前一些具有豐富農業(yè)資源的國家，如加拿大、法國、西班牙、瑞典、英國、德國、荷蘭、奧地利、南非等國家也已制定計劃，積極發(fā)展并推廣車用乙醇汽油。2000年6月，中國環(huán)境科學研究院向國務院領導建議，加快推廣乙醇汽油，以有效解決汽車尾氣污染保護環(huán)境。2000年8月國家經貿委布置了乙醇汽油研究任務，次年在吉林、河南、黑龍江三省進行乙醇汽油推廣試點工作。2004年2月國家發(fā)改委等8部門聯合頒布了《車用乙醇汽油擴大試點方案》和《車用乙醇汽油擴大試點工作實施細則》，乙醇汽油的推廣應用從此全面啟動[6]。
燃料乙醇屬于可再生能源，是以玉米、小麥、薯類、甘蔗、甜菜等為原料，經發(fā)酵、蒸餾、脫水等工序制成的含量在99.2%(體積分數)以上的無水乙醇。乙醇汽油是將燃料乙醇以一定比例摻混入汽油后所得的燃料，在國外推廣已有多年，低比例摻醇汽油的生產和應用技術較為成熟。美國和巴西是當今世界上最大的燃料乙醇生產和消費國。2006年美國和巴西的燃料乙醇產量分別達到1673萬噸和1380萬噸，這兩個國家乙醇產量約占全球乙醇總產量的70%以上。2005年,歐盟燃料乙醇消費量為1巧萬噸，預計到2010年，其乙醇汽油用量可達到215萬一257萬噸[7]。
我國發(fā)展燃料乙醇最初的目的是消化陳化的玉米、小麥等糧食，燃料乙醇為當時的農產品出路提供了巨大市場，目前也有利用薯類和甘蔗等經濟作物生產乙醇，但是比例不高。我國是世界第三大酒精生產國，產量僅次于巴西和美國，“十一五”期間將生產600萬噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇500萬噸。實踐表明，我國過去以糧食為原料生產燃料乙醇，是不符合國情的做法，探索非糧能源資源是大勢所趨。2006年，財政部印發(fā)的《可再生能源發(fā)展專項資金管理暫行辦法》明確指出:“石油替代可再生能源開發(fā)利用，重點是扶持發(fā)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�！蓖茝V乙醇汽油具有緩解石油危機、節(jié)約外匯、增加稅收、刺激農業(yè)生產、一帶動相關產業(yè)發(fā)展、改善環(huán)境質量等優(yōu)點。
醇類作為代用燃料目前以摻燒方式居多，即將甲醇或者乙醇按一定比例加入到汽油中形成摻醇汽油。乙醇的熱值(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達5%，完全燃燒所需的空氣量僅為汽油的61%，所以兩者混合氣的熱值差不多，汽油摻醇燃燒時，發(fā)動機的動力性不會降低。1986年Hamdan對燃用含5%乙醇的乙醇汽油，發(fā)現發(fā)動機的最佳功率輸出和部分負荷下熱效率提高4%一21%。2003年A1一Hasan等人發(fā)現使用乙醇汽油混合燃料可以增加有效功率、扭矩、容積熱效率[8]。乙醇的辛烷值(RON)為110，大大的大于汽油的辛烷值(80一98)，摻醇汽油一定程度上提高了燃料的辛烷值，抗爆性較純汽油更好。實驗表明，在RON為95.4汽油中添加20%(體積)的乙醇，其RON可提高約5.3個單位，達到100.7，甲醇汽油也有類似的效果，等效地起到了抗暴劑的作用，可以代替目前正在使用的無鉛抗暴添加劑甲基叔丁基醚(MTBE)，避免對地下水的污染。汽油中加入燃料乙醇，可以提高汽油的氧含量。國內車用無鉛汽油普遍對氧含量有嚴格的限制，當前汽油氧含量一般要求不大于27.0%；但是對乙醇汽油的含氧沒有限制，含乙醇10%的乙醇汽油氧含量約為35.0%。研究表明，隨著乙醇汽油中乙醇含量增加到250k，發(fā)動機缸內火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿加唾|量燃燒率也相應提高[9]。
此外，在使用含乙醇比例為10%左右的汽油時，可在不對發(fā)動機結構作較大改動的情況下直接使用含醇汽油，這極大地方便了摻醇汽油的推廣。乙醇汽油中乙醇的比例一般不超過20%，當使用高比例的乙醇汽油時，需要對燃油系統、發(fā)動機機體、點火系統、排氣后處理系統等進行改動，才能使高比例乙醇汽油在汽油機上正常使用。
在發(fā)動機排放改善方面，根據發(fā)動機條件不同，使用乙醇汽油能有效減少CO排放10%-90%，未燃HC排放減少20%-80%，但CO2排放增加5%-25%。
當然，摻醇汽油也存在著不少使用上的問題，比如摻醇汽油的互溶性和分層問題以及對燃油系統材料的腐蝕性問題等[10]。此外，由于醇類物質的汽化潛熱較汽油高，故摻醇汽油蒸發(fā)時會吸收更多的熱量，且飽和蒸汽壓比汽油低(甲醇約低1/2，乙醇約低2/3)，這些將導致發(fā)動機冷啟動時蒸發(fā)條件惡化，蒸發(fā)量少。乙醇的沸點低(78℃)，在發(fā)動機正常工作溫度下，很容易產生氣阻，使燃料供給量降低甚至終端。同時它們的熱值均大大低于汽油，而著火溫度略高于汽油，因而冷啟動困難。
綜上所述，乙醇汽油是一種新型清潔環(huán)保的代用燃料，其燃燒性能、清潔性、抗暴性均高于普通無鉛汽油，但是由于乙醇的摻入，帶來了飽和蒸氣壓較低，不容易蒸發(fā)，并且對橡膠等材料有一定的腐蝕性，所以乙醇汽油中的乙醇含量是一個重要的指標。汽油機燃用不同比例的乙醇汽油時，在保證車輛正常行駛的前提下，對發(fā)動機的各項性能有何影響，如何選取最佳摻醇比來優(yōu)化發(fā)動機性能，即是本文研究的要點[11]。
現將已在市面上銷售的E10乙醇汽油在不改變發(fā)動機條件的情況下進行試驗研究，ST188小型汽油機主要用作固定動力，試驗按照GB/T8190．4-1999進行，測試循環(huán)采用D1循環(huán)6工況，分別測試標定轉速下100%，75%，50%，25%，10%負荷及怠速工況下的性能指標。燃用乙醇汽油時，未對該發(fā)動機做任何改動。
結果表明，ST188發(fā)動機燃用乙醇汽油時其耗油率在低中負荷時增加明顯，平均分別增加了74．2%，33．1%，而在高負荷時其耗油率基本與汽油持平[12]。這是因為乙醇的熱值低于普通汽油，所以在發(fā)動機動力輸出相等的情況下需要燃燒更多的燃料，高負荷情況下，其是由化油器配制混合氣的原則決定的，這時化油器要配制更濃的混合氣滿足高負荷的動力需要；改燃乙醇汽油后，由于乙醇的自含氧會使乙醇汽油的燃燒比普通汽油更為充分，而在中小負荷條件下，其過量空氣系數較大，使得自含氧的促進燃燒作用不明顯.在45%較小油門開度時，隨著發(fā)動機轉速的增加，汽油機燃用乙醇汽油和普通汽油動力輸出相差不大。但在70%較大油門開度時，在整個轉速范圍內，E10乙醇汽油的功率和轉矩輸出均小于標準93#汽油，最大降幅達2．5%，平均降幅1．8%。這是由發(fā)動機在較大油門開度下，需要更濃的混合氣，但由于乙醇汽油的低熱值，使其功率與轉矩輸出下降明顯[13]。
按照國家標準QC/T524－1999《汽車發(fā)動機性能試驗方法》，許滄粟和杜德興等人采取對比試驗方法，比較不同乙醇摻比下發(fā)動機動力性和燃油經濟性能，并與原汽油機性能進行對比。
他們在一臺摩托車用汽油機上分別使用10%的純乙醇 (純度為99．5%)和10%的含水乙醇(純度為95%)與90號汽油混合進行試驗，當汽油機改燃乙醇和汽油的混合燃料時，由于乙醇的熱值低于汽油，為了使發(fā)動機的動力性不受影響，需加大化油器的主量孔；由于辛烷值提高，燃燒速度加快，還應對發(fā)動機進行增加壓縮比和改變點火提前角的改造[3]。但這些改變一般只在摻醇率大于15%~20%時，才是必須的。而本試驗的摻醇率10%和15%，為了使發(fā)動機具有混合燃料與純汽油的隨意切換性，因此對發(fā)動機未進行改造和調整。發(fā)動機的負荷、轉速調控以及油耗、功率、扭矩和排氣溫度的測量和記錄都由發(fā)動機控制試驗臺及所配備的電腦完成。試驗在浙江大學的發(fā)動機測試臺架上完成。結果表明：在汽油中摻混小比例(10%)純的或含水不高的乙醇后，不影響發(fā)動機的功率、扭矩等使用性能，無須對發(fā)動機進行改裝；而且汽油中摻混小比例的乙醇后，有利于改善發(fā)動機的燃燒[14]。
在節(jié)氣門全開、低轉速下，隨乙醇含量增加，發(fā)動機最大轉矩和功率有所下降，但下降幅度不大。低轉速時進氣節(jié)流減小，乙醇含氧優(yōu)勢不明顯，同時乙醇汽化潛熱比汽油燃料大，結果導致著火過程中滯燃期延長，火焰溫度降低，并且乙醇的熱值低于汽油，故在低速時混合燃料的轉矩和功率有所降低。在節(jié)氣門全開、高轉速下，最大轉矩和功率有所上升。在高速高負荷下，發(fā)動機進氣節(jié)流、燃料噴射量增大，單位時間燃燒反應次數增加，加上乙醇是含氧燃料、汽化潛熱較高，使缸內氧原子分布更均 ……（未完，全文共31951字，當前僅顯示5747字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：汽油機燃用乙醇汽油混合燃料熱力分析及對發(fā)動機性能的影響》）