車輛工程畢業(yè)設(shè)計（論文）車用乙醇汽油發(fā)動機(jī)性能的實驗研究

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1、本科學(xué)生畢業(yè)論文 車用乙醇汽油發(fā)動機(jī)性能的實驗研究 系部名稱： 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)班級： 車輛工程 B07-2 班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 講師 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 二一一年六月 The Graduation Thesis for Bachelors Degree Study on Ethanol Gasoline Engine Performance Candidate：Yao Chunyu Specialty：Vehicle Engineering Class：B07-2 Supervisor：Lecturer. Zhu Rongfu Heilongjiang In

2、stitute of Technology 2011-06Harbin 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 I 摘 要 本次論文的題目是車用乙醇汽油發(fā)動機(jī)性能的實驗研究。為了緩解汽車工業(yè)的飛 速發(fā)展所帶來的能源緊張和環(huán)境污染雙重壓力，研制開發(fā)清潔代用燃料以及合理的資 源利用已成為日益突出的現(xiàn)實性課題。所謂車用乙醇汽油，就是把變性燃料乙醇和汽 油以一定比例混配形成的一種汽車燃料。 本論文在對純汽油（E0）和 E10 和 E20 做了部分工況外特性和負(fù)荷特性實驗基礎(chǔ) 上，對發(fā)動機(jī)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放特性和燃燒特性也做了一定的研究與分析， 發(fā)現(xiàn)燃用混合燃料的動力性有所降低，但與原機(jī)相差不大:以質(zhì)量計

3、的燃油消耗率明 顯增加，但以熱值計的能耗率保持良好，燃油經(jīng)濟(jì)性有所降低燃燒特性分析從根本上 分析了乙醇汽油動力性不足的原因。燃用乙醇汽油混合燃料后，尾氣排放中的 CO 和 HC 能夠明顯得到降低，但同時也會引起個別工況下 NOx 排放量的增加。燃料三元催 化轉(zhuǎn)化效率與燃料的的含醇量以及發(fā)動機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速有關(guān)。 關(guān)鍵詞：乙醇汽油；動力性；燃油經(jīng)濟(jì)性；排放特性；燃燒特性 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 II ABSTRACT The topic of the paper is Ethanol Gasoline Engine Performance Study. In order to allevia

4、te the rapid development of automobile industry brought about by the energy shortage and environmental pollution dual pressures of clean alternative fuel research and development and the rational use of resources has become the reality of an increasingly prominent issue. The so-called vehicle ethano

5、l gasoline, is to denatured fuel ethanol and gasoline mixture to form a certain percentage of motor fuel. This thesis on pure gasoline (E0) and made a part of the E10 and E20 external characteristics and load conditions based on the experimental characteristics of the engine power, fuel economy, emi

6、ssion characteristics and combustion characteristics are also done some research and analysis found that mixed fuel burning power performance decreased, but with little difference between the original machine: the mass of the fuel consumption rate was increased, but the energy consumption rate of he

7、at value of the good, have lower fuel economy burn Analysis of a fundamental lack of ethanol causes gasoline. Fuel ethanol blended gasoline fuel, emissions of CO and HC can be reduced significantly, but operating conditions will also cause the individual to increase NOx emissions. Catalytic fuel con

8、version efficiency and the amount of fuel containing alcohol as well as the engine load and speed related. Keywords: Ethanol Gasoline; Dynamics; Fuel Economy; Emissions Characteristics；Combustion Characteristics 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 目 錄 摘要 I AbstractII 第 1 章 緒論 1 1.1 選題的目的及意義 1 1.2 乙醇汽油混合燃料的研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國

9、外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.3 研究內(nèi)容 3 第 2 章 乙醇汽油理化特性研究 4 2.1 乙醇理化性質(zhì) 4 2.2 乙醇汽油的熱值計算 5 2.3 本章小結(jié) 7 第 3 章 乙醇汽油發(fā)動機(jī)性能研究 8 3.1 實驗裝置儀器 8 3.2 實驗方案 11 3.3 動力性分析 12 3.3.1 影響因素分析 12 3.3.2 實驗結(jié)果分析 13 3.4 燃油經(jīng)濟(jì)性 14 3.5 排放特性分析 18 3.5.1 怠速工況下排放特性分析 18 3.5.2 一氧化碳（CO）排放特性分析 18 3.5.3 碳?xì)浠衔铮℉C）排放特性分析 21 3.5.4 氮氧化物（NO X）排放特性

10、分析 23 3.6 本章小結(jié) 26 第 4 章 乙醇汽油的三元催化轉(zhuǎn)化性能研究 27 4.1 三元催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造及反應(yīng)原理 27 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 4.1.1 三元催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造 27 4.1.2 三元催化劑的主要反應(yīng)步驟 27 4.1.3 三元催化轉(zhuǎn)化器的化學(xué)反應(yīng) 27 4.2 乙醇汽油三元催化轉(zhuǎn)化效率研究 28 4.3 本章小結(jié) 31 第 5 章 乙醇汽油燃燒特性的研究 32 5.1 示功圖分析 32 5.2 燃燒持續(xù)期 33 5.3 本章小結(jié) 35 結(jié)論 36 參考文獻(xiàn) 37 致謝 39 附錄 A40 附錄 B 43 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論

11、1.1 選題的目的及意義 目前，世界的石油資源口趨減少，石油燃料的短缺現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)，并且日益嚴(yán)重。 2004 年，我國每天的石油需求為 80 萬噸，全年共消耗石油 3 億噸，其中進(jìn)口 1.2 億 噸，比 2003 年增長 34.8%，這對我國的能源安全造成了巨大的威脅。另外，隨著汽 車保有量的增長，約占能源總需求量 40%的車用燃料的消耗量與日俱增，巨大的燃油 消耗不僅對口益枯竭的石油能源造成巨大壓力，同時大量燃油燃燒不當(dāng)所排放出的污 染物已成為威脅人類生存的主要因素 1。因此，尋求資源豐富、環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)可行 的代用燃料已成為人類待解決的重大問題。國家在新頒布的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策中明確 指出鼓

12、勵使用節(jié)約能源的柴油汽車和混合動力汽車，同時加大對使用可再生能源汽車 的推廣，比如在黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽等省燃用乙醇汽油。 發(fā)展生物能源，農(nóng)民將直接受益?！叭r(nóng)”一直是黨中央、國務(wù)院非常重視的問 題，推廣乙醇汽油等生物能源的初衷就是為了給豐產(chǎn)的玉米等農(nóng)作物尋找出路、消化 陳化糧、避免谷賤傷農(nóng) 2。生物能源有助十帶動大宗糧食深加工及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 實現(xiàn)農(nóng)副產(chǎn)品的增值和轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)階段，燃料乙醇的生產(chǎn)原料主要是陳化糧，陳化糧問 題解決后，燃料乙醇生產(chǎn)應(yīng)立足于糧食主產(chǎn)區(qū)，作為調(diào)節(jié)市場供求的一種手段(以消 耗低品質(zhì)糧食為主)，納入到糧食生產(chǎn)、消費(fèi)和飼料生產(chǎn)、消費(fèi)的產(chǎn)業(yè)循環(huán)中，它只 會促進(jìn)和保障

13、糧食生產(chǎn)和糧食安全 3。同時，還可以積極發(fā)展木薯、紅薯、甘蔗、甜 高粱等不與口糧(小麥、稻谷)生產(chǎn)爭地、爭水的高產(chǎn)、高糖或耐旱、耐鹽堿的代糧經(jīng) 濟(jì)作物，為生產(chǎn)燃料乙醇開發(fā)更多的原料儲備 4。從發(fā)展的眼光看，最終解決燃料乙 醇大量使用的原料問題將轉(zhuǎn)向纖維，依靠生物技術(shù)、基因技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展。通 過篩選種植高能、高產(chǎn)的植物；利用我國大量的農(nóng)業(yè)廢棄資源(桔桿)和工業(yè)廢棄物資 源，開發(fā)和實現(xiàn)利用纖維質(zhì)生產(chǎn)酒精技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，可以為燃料乙醇生產(chǎn)提供取之不 盡、用之不竭的可再生植物原料 5。 發(fā)展生物能源，在環(huán)保方面的意義同樣深遠(yuǎn)。就乙醇汽油而言，由于加入燃料乙 醇，乙醇汽油中含氧量增加，作為尾氣的一氧

14、化碳和碳?xì)浠衔锏娜紵浞?，使?車尾氣中的這兩項指標(biāo)分別下降 3.08%和 13.04 污染物的排放明顯減少 2，生產(chǎn)燃料 乙醇所需的玉米和小麥?zhǔn)强稍偕Y源，在其生長過程中大量吸收二氧化碳。這對履行 新京都議定書規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，緩解經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展所帶來的人與環(huán)境保護(hù)方面的 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 2 矛后將大有裨益。 1.2 乙醇汽油混合燃料的研究現(xiàn)狀 目前在乙醇汽油混合燃料的實驗研究方面，國內(nèi)外主要集中在混合燃料的燃燒和 排放特性方面，而國外在這兩方面的研究都較為深入和成熟。 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 在發(fā)動機(jī)燃用混合燃料后的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性方面，l 986 年 Hamdan 和

15、Jubran6兩人發(fā)現(xiàn)，通過向汽油中添加 5的乙醇，可以使發(fā)動機(jī)獲得最佳的功率輸 出和部分負(fù)荷工況下 42 1的熱效率的提高。A1Hasan 發(fā)現(xiàn)使用乙醇汽油混 合燃料可以增加有效功率、扭矩、容積熱效率和有效熱效率，同時可以減少有效燃油 消耗率。 MACeviz 和 FYnksel 7研究了燃用 E0、E5、E10、E15 和 E20 后 50 個循環(huán) 的燃燒循環(huán)變動，結(jié)果表明：混合燃料有利于降低循環(huán)變動，從而改善發(fā)動機(jī)的燃燒 和排放特性，提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性并改善排放性能。 國內(nèi)在上述方面的研究還尚未見報道，而在尾氣排放及其的催化轉(zhuǎn)化方面，國內(nèi) 的研究就比較深入了。 1995 年 Gu

16、errieri 和 Caffrev8于 6 輛在用車上進(jìn)行實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙醇含量高于 25時，C0 2的排放減少；當(dāng)乙醇含量提高到 40時，總碳?xì)浠衔?THC)排放在最 初的時候先增加了一點(diǎn)，而后隨著 CO 的減少而逐漸降低。 MACeviz 和 FYuksel 7同時發(fā)現(xiàn)四種混合燃料的 CO 和 HC 的排放均低于汽 油，排放曲線呈先減小而后增大的趨勢。2002 年 Hsieh 等人 8在一臺閉環(huán)控制發(fā)動 機(jī)上研究發(fā)現(xiàn)，加入乙醇可以使 C0 和 HC 分別減少 1090和 2080，并且 NOx 的排放與發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況有很大關(guān)系，而與乙醇含量的多少關(guān)系不大，但這一 結(jié)論仍需進(jìn)行實驗驗證。H

17、SYucesu 等人 9燃用 EO、E10、E20、E40 和 E60 進(jìn)行 實驗，發(fā)現(xiàn) E40 和 E60 對減少尾氣排放產(chǎn)生了重大的作用，在低轉(zhuǎn)速下 CO 的排放減 少量最大，兩種混合燃料平均分別減少了 11和 10.8；與 CO 相比，HC 的減少更 加明顯，在高轉(zhuǎn)速下，燃用 E60 使得 HC 排放平均減少了 16.45。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性方面，許滄粟和杜德興 10同時發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機(jī)燃用混合燃 料后，不影響功率、扭矩等的使用性能，無須對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改裝；摻燒乙醇后，有利 于改善發(fā)動機(jī)的燃燒狀況，降低能耗率。 何幫全 11等人在一臺電噴汽油機(jī)上燃用 E0、E1O

18、 和 E30 后發(fā)現(xiàn)：在怠速工況下， 燃用混合燃料可顯著降低 CO、NOx 和總碳?xì)浠衔?THC)的排放，E3O 的效果最明顯。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 3 高祥等人 12在一臺多點(diǎn)電噴汽油機(jī)上實驗，發(fā)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速時，三效催化器對排 放中 CO 的凈化效率普遍較高，而中高轉(zhuǎn)速時隨負(fù)荷的增加凈化效率降低；對 THC 的 凈化效率也較高；并且三效催化器的凈化效率與乙醇的含量、發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷有 關(guān)。 1.3 研究內(nèi)容 目前，國內(nèi)外對乙醇汽油混合燃料的研究主要集中在及一些高比例混合燃料(如 E50、E60 和 E85 等比例的燃料)上面，結(jié)合我國國情(資源條件、汽車工業(yè)水平等)， 本論文希望

19、通過對三種低比例的混合燃料(E0、E1O 和 E20)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、 排放和燃燒特性進(jìn)行研究分析，從而為我國乙醇代用燃料汽車的研究和擴(kuò)大應(yīng)用范圍 提供有價值的理論和技術(shù)支持。 研究目的在于通過對在同一臺電噴發(fā)動機(jī)上燃用三種低比例乙醇汽油混合燃料后 的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、排放和燃燒特性進(jìn)行對比實驗，評價三種混合燃料在電噴發(fā) 動機(jī)上的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、排放和燃燒特性，以便在實際應(yīng)用中，充分發(fā)揮乙醇 燃料的優(yōu)點(diǎn)，使其在電噴汽油發(fā)動機(jī)上發(fā)揮更好的作用，為乙醇燃料的繼續(xù)推廣應(yīng)用 打好理論基礎(chǔ)，擬從以下幾個方面展開研究： 1.對乙醇和乙醇汽油(E0、El0 和 E20)的理化特性進(jìn)行分析； 2.

20、通過臺架實驗，測取分別燃用三種燃料后的常規(guī)特性數(shù)據(jù)和燃燒數(shù)據(jù)，評價發(fā) 動機(jī)燃用混合燃料后的動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性； 3.根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)繪制出不同工況下各種燃料的排放曲線，對比分析燃用混合 燃料后的排放特性和三元催化轉(zhuǎn)化效率； 4.根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)繪制出不同工況下各種燃料的燃燒曲線，對比分析燃用混合 燃料后的燃燒特性。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 4 第 2 章 乙醇汽油理化特性研究 2.1 乙醇理化性質(zhì) 乙醇俗稱酒精，化學(xué)分子式為 C2H5OH。內(nèi)燃機(jī)燃用的汽油、柴油等是烴類燃料， 而乙醇是烴基與羥基(OH)組成的有機(jī)化合物。乙醇分子中含有羥基這一特點(diǎn)是乙醇燃 料與烴類燃料不同的根本所在。乙

21、醇含有一個羥基，屬于一元醇，它的來源較為豐富， 具有一定的可再生性。表 2-1 列出了乙醇和汽油的主要理化性質(zhì): 表 2.1 乙醇與汽油的主要理化性質(zhì)比較 項目 乙醇 汽油 化學(xué)分子式 C2H5OH C8H18（以辛烷為例） 氧含量（m%） 34.8 0 沸點(diǎn)（ ）C78.3 30220 低熱值（MJ/kg） 26.77 43.5 高熱值（MJ/kg） 29.8 46.6 汽化潛熱（kJ/kg） 862 297 自燃溫度（ ）420 260370 辛烷值 111 91 理論空燃比（m/m） 9.05 14.8 著火極限（空氣中的容 積比%） 4.319 1.47.6 1.乙醇含有羥基(OH)，

22、能與水以任意比例互溶，而烴類燃料憎水性強(qiáng)，因而乙醇 與烴類燃料的相容性較差。在常溫下，只有醇含量很低或很高時，才可能互溶。 2.乙醇的含氧量高，約為 34.8%，在燃燒過程中有自供氧效應(yīng)，這意味著同樣質(zhì) 量的燃料完全燃燒所需的空氣質(zhì)量就相對較少，有利于高原地區(qū)的應(yīng)用;同時它能比 MTBE 以更少的添加量加入汽油中。若在同樣的進(jìn)氣條件下，乙醇由于自身含氧則使 燃燒過程得到改善，燃燒較為均勻，局部富氧和局部缺氧的概率減少，熱效率提高， 燃燒過程組織的好，則發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性都可以得到改善。乙醇與汽 油摻燒，可使混合燃料即乙醇汽油也變成為含氧燃料。 3.乙醇的沸點(diǎn)及蒸氣壓都比汽油低，有助

23、于燃油-空氣混合氣的形成，但會使產(chǎn) 生氣阻的傾向大，并且其中缺少高揮發(fā)性成分，對冷起動不利。而且兩者的凝固點(diǎn)都 比較低，在低溫環(huán)境下都能正常使用。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 5 4.乙醇的熱值較低，只有汽油的 61.5%。因此，與燃用汽油相比，在同等的熱效 率下，醇類燃料的有效質(zhì)量燃油消耗率高。 5.乙醇的汽化潛熱大，約是汽油的 2.9 倍。高的汽化潛熱及低的蒸氣壓將導(dǎo)致混 合氣形成和起動困難，但它在進(jìn)入進(jìn)氣管、進(jìn)氣道或者進(jìn)入氣缸后，能吸收沿途管道 壁面和燃燒室周圍高溫零件壁面的熱量，使自己蒸發(fā)，有可能提高充氣效率。通常通 過增加發(fā)動機(jī)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)或廢氣預(yù)熱空氣系統(tǒng)，提高進(jìn)氣溫度，改善混合

24、氣形成及 燃燒，改善乙醇汽車的低溫起動性。 6.乙醇的研究法辛烷值(RON)較高，為 111，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽 油的辛烷值。因此，使用乙醇汽油的發(fā)動機(jī)可適當(dāng)提高壓縮比來提高熱效率，從而獲 得較好的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能 13 。 7.乙醇的著火燃燒濃度界限比汽油的相應(yīng)范圍要寬得多，比汽油更容易稀燃。能 在比較稀的混合氣狀態(tài)下工作，而且不會因空燃比得不到精確控制而導(dǎo)致間斷著火; 能夠允許在稀混合氣工作時，較大自由的選擇運(yùn)轉(zhuǎn)工況，這將有利于提高經(jīng)濟(jì)性并且 降低排放污染。稀燃是一種節(jié)能燃燒和完善燃燒的形式，有利于提高熱效率，而且壓 縮比越高，負(fù)荷越大，越容易稀燃。 2.2 乙醇汽油的熱值

25、計算 燃料的熱值有高熱值和低熱值之分。高熱值是燃料完全燃燒后發(fā)出的熱量加上 燃燒產(chǎn)物之一的水蒸氣冷凝后放出熱量的總和，它是燃料完全燃燒后所能發(fā)出的總熱 量。低熱值是高熱值減去水的汽化潛熱后的熱值。發(fā)動機(jī)排氣中的水蒸汽所含的冷凝 熱，實際上是難以回收的，所以燃料的熱值常用低熱值表示。發(fā)動機(jī)是進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換 的熱機(jī)，燃料所含熱量是發(fā)動機(jī)輸出功率的能量來源，因而燃料低熱值是評價燃料性 能的一個重要指標(biāo)。 1.質(zhì)量低熱值 乙醇汽油混合燃料的理論近似熱值可以通過計算得到。根據(jù)混合燃料中乙醇和汽 油的體積分?jǐn)?shù)，以及測取的混合燃料的密度，可以計算出混合燃料中乙醇和汽油的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)，然后按照下式 14對混合燃料

26、的質(zhì)量低熱值 hu 進(jìn)行計算: hu=MGHG+MEHE （2.1） 式中，hu乙醇汽油混合燃料的質(zhì)量低熱值，單位為 MJ/kg； MG混合燃料中汽油的質(zhì)量百分比，單位為%； HG汽油的質(zhì)量低熱值，單位為 MJ/kg； ME混合燃料中乙醇的質(zhì)量百分比，單位為%； HE乙醇的質(zhì)量低熱值，單位為 MJ/kg。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 6 根據(jù)混合燃料中各成分的體積百分比，可以通過下式換算得到相應(yīng)的質(zhì)量百分比 14: (2.2) EGV M+= ME=1-MG (2.3) 以 E10 為例，其低熱值計算過程如下: %3.9480174.90190=+=+=EGM ME=1-94.33%=5.6

27、7% 將計算得到的 MG和 ME代入式(2.1)，得到 E10 的質(zhì)量低熱值: hu=94.33% 43.5+5.67% 26.77=41.71MJ/kg 同樣經(jīng)過計算可得到其它四種混合燃料的質(zhì)量低熱值。實驗用三種嫩料的質(zhì)量低 熱值如表 2.2 所列。 表 2.2 各燃料的質(zhì)量低熱值 E0 E10 E20 質(zhì)量低熱值 （MJ/kg） 43.5 41.71 39.94 2.理論混合氣熱值 計算混合燃料理論混合氣的熱值，首先要計算混合燃料的理論質(zhì)量空燃比，可以 按照下式 14進(jìn)行計算: (2.4)EGLML+= 式中，L-乙醇汽油混合燃料的理論空燃比(質(zhì)量比): LG-汽油的理論空燃比(質(zhì)量比)；

28、 LE-乙醇的理論空燃比(質(zhì)量比)。 汽油的理論空燃比(質(zhì)量比)為 14.8，乙醇的理論空燃比(質(zhì)量比)為 9.05，仍以 E10 為例，則它的理論質(zhì)量空燃比: L=94.33% 14.8+5.67% 9.05=14.23 同樣經(jīng)過計算可得到其它三種混合燃料的理論質(zhì)量空燃比。實驗用燃料的理論空 燃比(質(zhì)量比)如表 2.3 所列。 表 2.3 各燃料的理論空燃比 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 7 燃料 E0 E10 E20 燃料理論空燃比 14.8 14.23 13.58 根據(jù)燃料的熱值和空燃比，可以按照下式 14計算乙醇汽油混合燃料混合氣的熱值: (2.5)L huH+=1 式中，Hu乙醇汽油

29、混合燃料混合氣的熱值，單位為 MJ/kg； 過量空氣系數(shù)； L理論空燃比(質(zhì)量比)。 在理論混合氣狀態(tài)下，過量空氣系數(shù) =1，可以根據(jù)燃料的質(zhì)量低熱值和理論空 燃比計算混合燃料理論混合氣的熱值。仍以 E10 為例，則它的理論混合氣熱值:739.2.14=+Hu 同樣經(jīng)過計算可得到 E20 的理論混合氣的熱值。實驗用三種燃料的理論混合氣的 熱值的計算結(jié)果見表 2.4 所示。 表 2.4 各燃料的理論混合氣熱值 燃料 E0 E10 E20 理論混合氣熱值 （MJ/kg） 2.753 2.739 2.737 2.3 本章小結(jié) 本章概述了乙醇和乙醇汽油混合燃料的理化性質(zhì)，并分別與汽油進(jìn)行了對比，結(jié) 果

30、表明: 1.通過與乙醇的摻混，乙醇汽油一定程度上變成了含氧燃料，辛烷值提高，可以 改善燃油品質(zhì)，優(yōu)化發(fā)動機(jī)燃燒，降低排放。 2.乙醇汽油混合燃料的質(zhì)量低熱值、理論空燃比和理論混合氣熱值均隨著乙醇體 積含量的增加而逐漸降低。 3.乙醇的質(zhì)量低熱值遠(yuǎn)小于汽油，兩種乙醇汽油混合燃料的質(zhì)量低熱值及其理論 混合氣的熱值與汽油相差不大，可以作為石油的替代燃料。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 8 第 3 章 乙醇汽油發(fā)動機(jī)性能研究 3.1 實驗裝置儀器 實驗是在我院汽車工程實驗中心進(jìn)行的。本論文實驗數(shù)據(jù)采集，主要是通過 i雙路直采排放分析系統(tǒng)測量、分析和記錄排放數(shù)據(jù);利用發(fā)動機(jī) 測試控制儀測量并由2000

31、測控系統(tǒng)軟件來設(shè)置發(fā)動機(jī)各種工況，并記錄各工況 下所需測量的實驗數(shù)據(jù)。實驗所用主要測量儀器名稱、型號等參數(shù)見表 3.1, 測試系 統(tǒng)總體布置如圖 3.1 所示。 表 3.1 實驗用測量儀器 測量儀器名稱 用途 型號 東安發(fā)動機(jī) 研究對象 4G18 發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng) 控制各種工況 FC2000 智能油耗儀 記錄油耗 FC2100 雙路直采排放分析系統(tǒng) 排放信號采集 AVL AMA i60 電渦流測功機(jī) 負(fù)荷特性 CW-160 4 G 1 8 汽油發(fā)動機(jī) 電渦流 測功機(jī) 測試控制系 統(tǒng) 燃燒分析系 統(tǒng) 雙路直采分析儀 計算機(jī) 圖 3.1 測試系統(tǒng)總體布置示意圖 1.發(fā)動機(jī) 表 3.2 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)

32、參數(shù) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 9 排量 1.6L 壓縮比 10 點(diǎn)火方式 多點(diǎn)電噴 最大功率/轉(zhuǎn)速 85Kw/6000rpm 最大扭矩/轉(zhuǎn)速 154N.m/4500rpm 冷卻方式 水冷 工作方式 自然吸氣 氣缸排列形式 L 氣缸數(shù) 4 2.電渦流測功機(jī) 電渦流測功機(jī)型號是 CW160 圓柱感應(yīng)式，如圖 3.4 是用所示，是用來測量動力機(jī) 械各種特性的試驗儀器。本機(jī)適用于中、小型功率電機(jī)、汽車、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、 水輪機(jī)、工程機(jī)械、林業(yè)、礦山、石油鉆采等機(jī)械的性能試驗，也可作為其它動力設(shè) 備的吸功裝置。 圖 3.2 CW160 圓柱感應(yīng)式電渦流測功機(jī) 主要特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)

33、方便。 （2）制動力矩大，測試精度高，工作穩(wěn)定。 （3）轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)速度快。 （4）與測控系統(tǒng)配套，可實現(xiàn)自動化操作。 技術(shù)指標(biāo)： （1）最大勵磁電壓：CW6CW16, DC 90V；CW25CW40, DC 120V； （2）最大勵磁電流：CW6CW16 3A；CW25CW40 4A。 （3）冷卻水壓：0.040.1Mpao 根據(jù)出水溫度調(diào)節(jié)水壓，當(dāng)出水溫度升高時，適 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 10 當(dāng)加大水壓使出水溫度降低。 （4）冷卻水流量：冷卻水量取決于進(jìn)水、出水的溫差和吸收功率的大小。 （5）測功機(jī)出水溫度：小于 55。 （6）工作方向：左旋或右旋，連續(xù)工作。 （7）扭矩

34、測量精度： 0.3FS。 （8）轉(zhuǎn)速測量精度： lr/min。 3.發(fā)動機(jī)測試控制系統(tǒng) FC2000 發(fā)動機(jī)自動測控系統(tǒng)如圖.所示，在設(shè)計過程中吸取了奧地利 AVL 公 司 SCHCK 公司發(fā)動機(jī)自動測控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。它是為滿足發(fā)動機(jī)制造業(yè)不同類型柴 油機(jī)、汽油機(jī)、天然氣、液化氣性能試驗和出廠試驗而精心設(shè)計的大型測控系統(tǒng)，可 與國內(nèi)外各種不同的水力、電渦流、電力測功器以及各種型號的煙度計、廢氣分析儀 等配套，用于控制和測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率、燃油/燃?xì)庀牧俊囟?、壓力、?量等各種不同類型的參數(shù).本實驗發(fā)動機(jī)測試控制儀分為自動測量控制和油門(水門) 勵磁驅(qū)動控制兩個單元，用于控制和測量發(fā)動

35、機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、溫度、壓力、 流量等。 圖.發(fā)動機(jī)測試控制系統(tǒng) 4.排放分析系統(tǒng) 該排放分析儀如圖 3.4 所示，主要功能介紹: 指定工況測試功能:根據(jù)用戶需要，將汽車發(fā)動機(jī)置于用戶指定工況運(yùn)行，可 測量此時的廢氣排放數(shù)據(jù)，可從事汽車及發(fā)動機(jī)排放性能測試和催化轉(zhuǎn)化效率測試。 故障診斷、分析和維修指導(dǎo)功能:通過對測量的廢棄參數(shù)變化情況的分析，幫 助判斷汽車排放超標(biāo)的原因，并提出修理建議，指導(dǎo)故障診斷和維修。如:判斷廢氣 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 11 控制系統(tǒng)中三效催化器的好壞，空氣濾清器是否過臟等。 氣路泄漏自檢功能:將取樣探頭前端用阻塞帽阻塞，進(jìn)行“氣路泄漏自檢”操 作，可檢測整個

36、氣路有無泄露現(xiàn)象。 圖 3.4 排放分析系統(tǒng) 3.2 實驗方案 1.測量怠速工況下排放特性 實驗?zāi)康?在怠速工況下，評定發(fā)動機(jī)的排放特性。 實驗方法 在怠速工況下，待發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定 2 分鐘后開始測量。 測量項目 CO, HC, NOx 的排放值。 2.部分負(fù)荷工況實驗 實驗?zāi)康?在規(guī)定轉(zhuǎn)速下，評定發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷下的排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性。 實驗方法 在適當(dāng)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變，從小負(fù)荷 10N.m 開始，逐漸開大節(jié)氣門， 每次多加載 10N.m 直至 80N.m 進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)速分別固定在:1600r/min， 2000r/min、2400r/min 和 2800r/min，在每個測量點(diǎn)，

37、待發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定 2 分鐘后開 始測量。 測量項目 CO, HC, NOx 的排放值；燃油消耗率、三元催化轉(zhuǎn)化效率。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 3.80%油門開度下實驗 實驗?zāi)康?在規(guī)定轉(zhuǎn)速下，評定發(fā)動機(jī) 80%負(fù)荷下的排放特性、燃燒特性和動力性。 實驗方法 在適當(dāng)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，節(jié)氣門保持全開，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變。測量點(diǎn):1500r/min, 2000 r/min，2500 r/min，3000 r/min 和 3500 r/min 在每個測量點(diǎn)，待發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 穩(wěn)定 2 分鐘后開始測量。 測量項目 CO，HC，NOx 的排放值、有效功率、轉(zhuǎn)矩、不同的曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的缸壓、瞬時放 熱率和累計放

38、熱率。 3.3 動力性分析 3.3.1 影響因素分析 汽油發(fā)動機(jī)的動力性能可以用平均有效壓力 Pme來進(jìn)行衡量，它是發(fā)動機(jī)單位氣 缸工作容積輸出的有效功，而平均有效壓力可以通過下式來進(jìn)行計算 15。 aevmeLhuP= （3.1） 式中，P me-發(fā)動機(jī)的平均有效壓力，單位為 MPa； Hu-乙醇汽油混合燃料的質(zhì)量低熱值，單位為 MJ/kg； -過量空氣系數(shù); L-理論空燃比(質(zhì)量比)； -發(fā)動機(jī)的充氣效率；v -發(fā)動機(jī)的有效熱效率；e -發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管狀態(tài)下的空氣密度（Kg/m 3） 。a 下面對式(3.1)中的參數(shù)分別進(jìn)行分析。 1.發(fā)動機(jī)充氣效率 ，和進(jìn)氣密度va 發(fā)動機(jī)的充氣效率 ，是

39、實際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作 容積的新鮮工質(zhì)量的比值。乙醇的汽化潛熱值約是汽油的 2.9 倍，其產(chǎn)生的冷卻效應(yīng) 可以有效降低壓縮負(fù)功，提高發(fā)動機(jī)的充氣效率;而發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣密度 與溫度有關(guān)，a 乙醇汽油混合燃料的汽化潛熱較高，混合燃料蒸發(fā)汽化，一定程度上可以使進(jìn)氣溫度 得以降低，使進(jìn)氣密度 升高。因此充氣效率 ，和進(jìn)氣密度 提高，平均有效壓ava 力 Pme 就得以提高。 2.發(fā)動機(jī)有效熱效率 。e 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 13 發(fā)動機(jī)的有效熱效率是內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量的比值，可以 用下式進(jìn)行計算 15。 （3.）huge =3106. 式中， 發(fā)動機(jī)

40、的有效熱效率；e 有效燃油消耗率，單位為 g/Kw h ；g Hu乙醇汽油混合燃料的質(zhì)量低熱值，單位為 MJ/kg。 發(fā)動機(jī)的有效熱效率和有效燃油消耗率成反比，知道其中一個，就能計算出另外 一個。根據(jù)實驗記錄的數(shù)據(jù)，可以計算出對比實驗中，發(fā)動機(jī)燃用 E0、E10 和 E20 的 有效熱效率，實驗中發(fā)動機(jī)燃用三種燃料后的有效熱效率都不高，E10 和 E20 的有效 熱效率都低于燃用 E0 的有效熱效率。可見，有效熱效率 降低，會導(dǎo)致平均有效壓e 力 Pme 有所降低。 3.燃料熱值和空燃比 在發(fā)動機(jī)實際運(yùn)行當(dāng)中，過量空氣系數(shù) 和混合氣的空燃比 A/F 都是變化的，這里討 論的是理論空燃比狀態(tài)下的

41、情況，即 =1，式子(3.1)中的分式部分可以表示為 hu/L，從表 3.3 可以看出:兩種低比例的乙醇汽油混合燃料的 hu/L 值略低于汽油，但 與汽油相差不大;隨著混合燃料摻醇比例的增大，混合燃料的 hu/L 值是逐漸減小的。 所以在理論空燃比下，兩種低比例乙醇汽油混合燃料 E10,E20 略低于與汽油。根據(jù)的 數(shù)據(jù)計算得到的結(jié)果見表 3.3 表 3.3 各種燃料的 hu/L 值 燃料 E0 E10 E20 hu/L 值 2.939 2.931 2.920 3.3.2 實驗結(jié)果分析 在實驗中，為了解摻醇率對發(fā)動機(jī)動力性能的影響，對油門開度 80%工況下，發(fā) 動機(jī)燃用三種燃料后的輸出和轉(zhuǎn)矩進(jìn)

42、行了測取，如圖 3.5 所示。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 14 60 75 90 105 120 135 150 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 轉(zhuǎn) 速 （ r/min） 轉(zhuǎn)矩 （N. m） E0 E10 E20 圖 3.5 80%油門開度時轉(zhuǎn)矩 從圖 3.5 中可以看出:80%負(fù)荷工況運(yùn)行時，發(fā)動機(jī)燃用各種燃料后得到的轉(zhuǎn)矩曲 線變化趨勢相同，燃用 E0, E10 和 E20 的扭矩相差不大。 發(fā)動機(jī)在 80%負(fù)荷工況下運(yùn)行時，節(jié)氣門開度一樣，電噴汽油機(jī)的控制策略為開 環(huán)控制，混合燃料噴射持續(xù)時間與 E0 的相同，那么噴入的燃料體積與 E0 相同，由于

43、 混合燃料的熱值低，發(fā)動機(jī)燃燒同樣體積噴油量的乙醇汽油混合燃料后所釋放的總熱 值有所降低，將會導(dǎo)致循環(huán)放熱量減少造成發(fā)動機(jī)功率和扭矩有所下降。然而另一方 面，乙醇的汽化潛熱值約是汽油的 2.9 倍，其產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)可以有效降低壓縮負(fù)功， 混合燃料的蒸發(fā)汽化，可以使進(jìn)氣溫度得以降低，充氣效率得以提高，使得平均有效 壓力 Pme有所提高，一定程度上又可以保證發(fā)動機(jī)的動力不致降低。所以，在不改動 發(fā)動機(jī)的情況下，發(fā)動機(jī)燃用乙醇汽油混合燃料時，動力性能與 E0 基本相當(dāng)，只是 略低于 E0。 3.4 燃油經(jīng)濟(jì)性 圖 3.6、3.7 和 3.8 是發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷工況下燃用各種燃料后測得的燃油消耗 率變

44、化曲線。從圖中可以看出三種工況下，伴隨著負(fù)荷的逐漸加大，燃油消耗率曲線 呈現(xiàn)出降低的趨勢；同時混合燃料的燃油消耗率基本上均高于 E0，并且隨摻醇比例 的增加而依次增加，這是因為乙醇汽油混合燃料的質(zhì)量低熱值和理論混合氣熱值均低 于 E0，所以在同樣的運(yùn)行工況下，為了使發(fā)動機(jī)輸出相同的動力，就需要燃燒更多 的混合燃料，并不是燃燒熱效率的惡化所致。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 15 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 轉(zhuǎn) 矩 (N.m) 燃油 消耗 率( g/K w.h ) E0 E10 E20 圖 3.6 1600r/min

45、 時的燃油消耗率 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80轉(zhuǎn) 矩 (N.m) 燃油 消耗 率(g /Kw. h) E0 E10 E20 圖 3.7 2000r/min 時的燃油消耗率 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 16 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90轉(zhuǎn) 矩 (N.m) 燃油 消耗 率(g /Kw. h) E0 E10 E20 圖 3.8 2400r/min 時的燃油消耗率 因為乙醇的熱值遠(yuǎn)低于汽油的熱值，所以用燃油消耗率來比較乙醇汽油混合燃料 的經(jīng)

46、濟(jì)性并不全面。因此，為了提高發(fā)動機(jī)燃用混合燃料時燃料消耗的可比性，在比 較燃油消耗率的同時引入能量消耗率(能耗率)來進(jìn)行不同燃料在不同工況下為發(fā)動機(jī) 提供總能量的比較。其處理公式如下所示: Ee=be hu (3.3) 式中，Ee能耗率，單位為 MJ/kwh； Be燃油消耗率，單位為 g/kwh； Hu混合燃料的質(zhì)量低熱值，單位為 MJ/kg。 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80轉(zhuǎn) 矩 (N.m) 能耗 率(M J/Kw .h) E0 E10 E20 圖 3.9 1600r/min 時的能耗率 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 17 10 15 20

47、25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 轉(zhuǎn) 矩 (N.m) 能 耗率 (MJ /Kw .h) E0 E10 E20 圖 3.10 2000r/min 時的能耗率 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 轉(zhuǎn) 矩 (N.m) 能耗 率(M J/Kw .h) E0 E10 E20 圖 3.11 2400r/min 時的能耗率 計算后得到能耗率畫出曲線圖 3.9、3.10 和 3.11。從圖中看出三種工況下，與 E0 相比，混合燃料的能耗率略有降低，并且隨著負(fù)荷的增加，E0 的能耗率逐漸與混 合燃料逐漸接近。因為乙醇具有較寬的著火

48、極限，燃燒速度快，并且混合燃料含氧， 混合氣燃燒相對更充分，使得燃燒熱效率和能量利用率得以提高，降低了混合燃料的 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 18 能量消耗率。 3.5 排放特性分析 3.5.1 怠速工況下排放特性分析 圖 3.2 給出了怠速時的排放特性，圖中以純汽油時的排放為 100，使用 E10 和 E20 時的排放值為其實際值與使用 E0 時的比值。由圖可知，隨乙醇含量的增加，CO 和 HC 排放均得到了改善，但 NOX排放沒有明顯的改善。 0 20 40 60 80 100 120 CO HC Nox 排放 量/ % E0 E10 E20 圖 3.12 怠速工況下排放 3.5.2 一

49、氧化碳（CO）排放特性分析 根據(jù)實驗各個工況對燃用三種實驗燃料(E0、E10 和 E20)后測得的 CO 排放值，繪 制出下列各圖。 0 400 800 1200 1600 2000 0 10 20 30 40 50 60 70 80轉(zhuǎn) 矩 (N.m) CO（p pm) E0 E10 E20 圖 3.13 1600r/min 時 CO 排放特性 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 19 0 500 1000 1500 2000 2500 0 10 20 30 40 50 60 70 80轉(zhuǎn) 矩 (N.m) CO（ ppm) E0 E10 E20 圖 3.14 2000r/min 時 CO 排放特性

50、0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 20 40 60 80 100轉(zhuǎn) 矩 (N.m) CO（ ppm) E0 E10 E20 圖 3.15 2400r/min 時 CO 排放特性 圖 3.13、3.14 和 3.15 分別是發(fā)動機(jī)在三種不同轉(zhuǎn)速下 CO 的排放曲線。從圖上 可以看出: 1.燃用 E0、E10 和 E20 時 CO 排放曲線的變化趨勢幾乎相同，即在一定轉(zhuǎn)速下， 隨著負(fù)荷的加大，三種燃料 CO 的排放曲線緩慢變化最后出現(xiàn)上升趨勢達(dá)到最大值。 這是由于電控發(fā)動機(jī)在中小負(fù)荷工況時是實行閉環(huán)控制的，根據(jù)安裝在排氣管上 的氧傳感器的反饋信號

51、控制過量空氣系數(shù)基本保持在 1.0 左右，此時汽油機(jī)用經(jīng)濟(jì)混 合氣工作，基本上可以保證燃料充分燃燒;另一方面，隨著摻燒乙醇比例的增大，電 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 20 控系統(tǒng)使發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量自動減小，以維持過量空氣系數(shù)保持在 1.0 左右。因此，在中 小負(fù)荷工況，各種燃料的 CO 排放變化都不大，趨勢比較平穩(wěn)而在大負(fù)荷時，電噴汽 油機(jī)為了輸出較大的功率將會增加噴油量以形成濃混合氣，導(dǎo)致過量空氣系數(shù)小于 1.0，這就使得 CO 的排放開始上升。 2.燃用 E0 的排放始終最高，兩種混合燃料的排放效果均優(yōu)于燃用 E0 時的排放， 并且隨著摻燒乙醇比重的增加，CO 排放有明顯改善。 這是因為乙醇

52、汽油燃料自攜氧要比空氣中的氧更有助十充分燃燒，或者說原子氧 要比分子氧更容易參加化學(xué)反應(yīng)，加之混合燃料中乙醇的 C/H 小于汽油，汽化潛熱大 于汽油，有利十混合氣的充分燃燒。乙醇化學(xué)結(jié)構(gòu)中的輕基 OH 使其燃燒反應(yīng)特點(diǎn)與 汽油中的各種烴類的有所不同，其燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣雀呤?，這也是摻燒乙 醇后 CO 排放得以改善的另一個原因 16。 圖 3.16 是 80%油門開度時燃用三種燃料的 CO 排放變化實驗結(jié)果曲線。從圖上可 以看出:燃用 E0,E10 和 E20 的 CO 排放曲線的變化趨勢都是開始較為平穩(wěn)，后來上升 很快;同時，隨著摻醇率的提高，CO 的排放依次降低。這是由于電控噴油發(fā)動

53、機(jī)的空 燃比控制策略來決定的，在發(fā)動機(jī)達(dá)到某一轉(zhuǎn)速或者負(fù)荷時，就要增大噴油量，以形 成功率混合氣，而高轉(zhuǎn)速段混合氣的形成時間較短。所以，在高轉(zhuǎn)速段 CO 的排放均 有所上升。同樣也是由于乙醇汽油混合燃料富氧特性的作用，使得混合燃料的排放仍 然低于 E0。 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 轉(zhuǎn) 速 （ r/min） CO( ppm ) E0 E10 E20 圖 3.16 80%油門開度下 CO 排放 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 21 3.5.3 碳?xì)浠衔铮℉C）排放特性分析 根據(jù)實驗各個

54、工況對燃用五種實驗燃料(E0、E10 和 E20)后測得的 HC 排放值，繪 制出下列各圖。 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 80轉(zhuǎn) 矩 (N.m) HC（ ppm） E0 E10 E20 圖 3.17 1600r/min 時 HC 排放特性 0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 60 70 80 轉(zhuǎn) 矩 (N.m) HC（ ppm ） E0 E10 E20 圖 3.18 2000r/min 時 HC 排放特性 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 22 0 20 40 60 80 100

55、120 140 160 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90轉(zhuǎn) 矩 (N.m) HC（ ppm ） E0 E10 E20 圖 3.19 2400r/min 時 HC 排放特性 圖 3.17、3.18 和 3.19 分別是發(fā)動機(jī)在三種不同轉(zhuǎn)速下 HC 的排放曲線。從圖上 可以看出: 燃用 E0 E10 和 E20 時 HC 排放曲線的變化趨勢相近，混合燃料 E10 和 E20 的排放效果均優(yōu)于燃用 E0 時的排放，并且隨著摻燒乙醇比重的增加，HC 的排放依次 降低。這是因為在閉環(huán)控制區(qū)域內(nèi)，ECU 的控制策略使過量空氣系數(shù)保持在 1.0 到 1. 05 之間，三種燃料基本上都

56、可以完全燃燒。然而由于乙醇的含氧量高，當(dāng)乙醇加入 后，混合燃料的含氧量獲得提高，也使燃燒得以改善，燃料含氧降低了中小負(fù)荷工況 下因為混合氣過稀引起的 HC 淬熄排放，也降低了高負(fù)荷工況下因為混合氣過濃導(dǎo)致 的 HC 不完全燃燒排放從而降低了未燃 HC 的排放量。由此可知，即使在不缺氧的閉環(huán) 區(qū)域，乙醇燃料的加入或者燃料含氧量的增加仍可改善燃燒。這也說明燃料自攜氧對 降低 HC 效果要優(yōu)于空氣中的氧氣 17。 圖 3.20 是油門開度 80%時三種燃料的 HC 排放變化實驗結(jié)果曲線。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 23 80 100 120 140 160 180 1000 1500 2000

57、2500 3000 3500 4000 轉(zhuǎn) 速 （ r/min） CO( ppm ) E0 E10 E20 圖 3.20 油門開度 80%時 HC 排放特性 從圖上可以看出: 1.隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，HC 的排放逐漸降低； 2.摻醇率越高，未燃 HC 的排放就越低。 這是由于節(jié)氣門開度保持一致時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，燃燒速度得以提高，一定程 度上降低了因火焰在到達(dá)壁面前由于膨脹使缸內(nèi)氣體溫度和壓力下降造成可燃混合氣 大容積淬熄的可能性，所以，HC 排放得以降低。同時，HC 在排氣系統(tǒng)中的氧化一般 要求排放系統(tǒng)仍有富氧和較高的溫度，而發(fā)動機(jī)在全負(fù)荷工況運(yùn)行時也使得排氣溫度 獲得提高，一定程度上為

58、HC 在排氣系統(tǒng)中的氧化創(chuàng)造了條件 18。另外，乙醇汽油混 合燃料含氧，其含碳量比汽油低，加上燃燒最高溫度低，又集中在定容區(qū)內(nèi)燃燒，后 燃的現(xiàn)象較少，也使排氣中 HC 含量減少，摻醇比例越大，HC 排放改善越明顯。 3.5.4 氮氧化物（NO X）排放特性分析 根據(jù)實驗各個工況對燃用三種實驗燃料(E0、E10 和 E20)后測得的 NOx 排放值， 繪制出下列各圖。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 24 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 10 20 30 40 50 60 70 80轉(zhuǎn) 矩 (N.m) NOx（ ppm） E0 E10 E20 圖 3.21 1

59、600r/min 時 NOX排放特性 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80轉(zhuǎn) 矩 (N.m) NOx（ ppm） E0 E10 E20 圖 3.22 2000r/min 時 NOX排放特性 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 25 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 20 40 60 80 100轉(zhuǎn) 矩 (N.m) NOx（ ppm） E0 E20 E10 圖 3.23 2400r/min 時 NOX排放特性 圖 3.21、3.22 和 3.23 分別是發(fā)動機(jī)在 3 種不同轉(zhuǎn)速下 NO

60、x 的排放曲線。從圖上 可以看出: 1.動機(jī)燃用各種燃料時，隨著負(fù)荷的增加，NOx 的排放都是先升高后降低。這是 由于發(fā)動機(jī)在小負(fù)荷時，缸內(nèi)溫度比較低，因而 NOx 排放較低;發(fā)動機(jī)在中等負(fù)荷時， 混合氣濃度變化不大，但是缸內(nèi)溫度上升了，所以排放有所增加。而發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷 時，供給較濃混合氣，氧不足，即使此時缸內(nèi)溫度較高，NOx 的生成也被抑制了。 2.E10 和 E20 放均高于燃用 E0 時排放，并且隨摻燒乙醇比重的增加，NOx 的排放 依次增加。這是由于乙醇含氧，可使缸內(nèi)燃燒溫度變高，燃燒速度變快，燃燒放熱也 比較集中，使 NOx 的排放得以增加，雖然，乙醇的熱值低，汽化潛熱約為汽油的

61、2.9 倍，有使進(jìn)氣溫度降低、火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低的趨勢，可能使 NOx 有所降低，但其影響不夠大，于是兩者因素共同作用后的結(jié)果是 E10 和 E20 這兩 種混合燃料 NOx 的排放比 E0 要高。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 26 600 650 700 750 800 850 900 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 轉(zhuǎn) 速 （ r/min） NOx (pp m) E0 E10 E20 3.24 油門開度 80%的 NOx 排放特性 圖 3.24 是油門開度 80%時三種燃料的 NOx 排放變化實驗結(jié)果曲線。從圖上可以看 出:節(jié)氣門

62、開度一樣時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，NOx 的排放先升高后降低而后又升高，并 且兩種混合燃料的排放始終低于 E0。都是由于燃料的含氧量、燃燒峰值溫度以及混 合氣濃度不同等諸多因素綜合在一起形成的 19。 3.6 本章小結(jié) 1在油門開度 80%工況下，燃用乙醇汽油混合燃料后的動力性能與原機(jī)基本相 當(dāng)，只是略低 E0； 2.燃用混合燃料后燃油消耗率明顯升高，燃油經(jīng)濟(jì)性變差，但能量消耗率有所降 低，如果用能耗率來評價燃油經(jīng)濟(jì)性的話，燃油經(jīng)濟(jì)性相差不大； 3.用兩種比例乙醇汽油混合燃料后可以顯著降低 CO 和 HC 的排放，但同時會引起 個別工況下 NOx 排放的增加； 4 .CO 的排放隨著摻燒乙醇比重的增

63、加，co 排放依次有明顯改善 部分負(fù)荷工況 下，隨著負(fù)荷的加大, HC 的排放在 3 種工況下，發(fā)動機(jī)燃用 E0 的 HC 排放始終最高； 5.NOx 的排放部分負(fù)荷工況下時，隨摻醇比例的增加，NOx 的排放依次升高。在 部分負(fù)荷工況下，隨著負(fù)荷的增加，NOx 的排放都是先增加再減少。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 27 第 4 章 乙醇汽油的三元催化轉(zhuǎn)化性能研究 4.1 三元催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造及反應(yīng)原理 4.1.1 三元催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造 催化器的結(jié)構(gòu)，一般由殼體、減振層、載體和催化劑涂層四部分組成。催化器殼 體由不銹鋼材料制成，以防氧化皮脫落造成載體的堵塞。減振層的材料一般是膨脹墊 片或鋼絲網(wǎng)

64、墊，起密封、保溫和固定載體的作用，以防止振動機(jī)殼體受熱變形等原因 對載體造成的損害。膨脹墊片由膨脹云母、硅酸鋁纖維和粘接劑組成。膨脹墊片在第 一次受熱時體積明顯膨脹，而在冷卻時只是部分收縮，這樣就使殼體與載體之問的縫 隙完全脹死和密封。催化器載體一般為蜂窩狀陶瓷材料，也有少數(shù)用金屬(不銹鋼)材 料。加大孔密度可以提高催化反應(yīng)面積，孔密度在 200600cpi 之問，但考慮到機(jī)械 強(qiáng)度和熱負(fù)荷，一般取 400cpi 左右。在載體孔道的壁面上涂有一層非常疏松的活性 層，即催化劑涂層。它以 為主，其粗造的表面可使壁面的實際催化反應(yīng)表32OAl 面積擴(kuò)大 7 000 倍左右。在涂層表面散布著作為活性材

65、料的貴金屬，一般為鉑(Pt)、 銠（Rh）和鈀（Pd） 。Pt 主要催化 CO 和 HC 的氧化反應(yīng)，Rh 用于催化 NOx 的還原反應(yīng)。 4.1.2 三元催化劑的主要反應(yīng)步驟 主要反應(yīng)步驟如下所示； 1) CO 和 O2擴(kuò)散進(jìn)入多孔的催化劑活性涂層； 2) O2吸附在催化劑活性位上，然后分解成 O 原了； 3) CO 與 O 原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 CO2； 4) CO2再脫附回到尾氣流中； 5) NOx 分了擴(kuò)散進(jìn)入活性涂層，并化學(xué)吸附在活性位上； 6) N-O 鍵斷裂形成 N 原子和 O 原子； 7) 兩個 N 原子結(jié)合成 N2，脫附；O 原字停留在催化劑上； 8) CO 分了與 O 原了

66、結(jié)合成 CO2，脫附; 9) 反應(yīng)循環(huán)往復(fù)。 4.1.3 三元催化轉(zhuǎn)化器的化學(xué)反應(yīng) 在催化接觸時間小于 1s 的催化轉(zhuǎn)化器里，要同時完成氧化和還原反應(yīng)的確是一 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 28 件很難的事。其卞要的化學(xué)反應(yīng)如下 20: 1.CO 和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng): 2C0+O2=2CO2； CO 十 H2O=CO2十 H2； 2CxHx+(2x+1/2 y) O2=yH2O+2xCO2； 2.NOx 的還原反應(yīng): 2N0+2C0=2CO2+N2； 2N0+2H2=2H2O+N2； CxHY+(2x+1/2y)NO=1/2yH2O+xC02=(x+1/4y)N2； 3.其它反應(yīng): 2H2+O2=2H2O； 5/2H2十 NO=NH3十 H2O 其中，氨的形成是不希望的，應(yīng)通過催化材料的合理選擇，加以避免。 三元催化轉(zhuǎn)化器同時降低 3 種排氣污染物的效果只有在汽油機(jī)當(dāng)量燃燒，即過氧 空氣系數(shù)等于 1 時才能實現(xiàn)。因為，NOx 的還原需要 H2, CO 和 HC 等作為還原劑?？?氣過剩時，這些還原劑首先和氧氣反應(yīng)，NOx 的還原反應(yīng)就不能進(jìn)行。空氣不足時， CO 和 HC 則不能被