畢業(yè)論文：汽油機(jī)燃用乙醇汽油混合燃料熱力分析及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

畢業(yè)論文：汽油機(jī)燃用乙醇汽油混合燃料熱力分析及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

摘要

如何在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)保護(hù)好環(huán)境，構(gòu)建一個(gè)和諧社會(huì)已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展面臨的主要問(wèn)題之一。要在發(fā)展中保護(hù)好環(huán)境就要建設(shè)一個(gè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。當(dāng)前日益嚴(yán)峻的全球能短缺源和環(huán)境污染問(wèn)題，導(dǎo)致全世界范圍內(nèi)對(duì)節(jié)能環(huán)保問(wèn)題的高度關(guān)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(mén)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。代用燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。
本文通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)工作過(guò)程的計(jì)算分析，編制Matlab計(jì)算程序，在某雙列V型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，研究了不同工況下，不同摻醇比的乙醇/汽油混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響。研究表明，定轉(zhuǎn)速變摻醇比時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率隨著轉(zhuǎn)速的提高先升高后降低；油耗率隨著轉(zhuǎn)速的提高先降低后升高。定轉(zhuǎn)速變摻醇比時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)鍵詞：汽油機(jī)；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(wǎng)http://jey722.cn省略2046字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
的代用燃料�？梢�(jiàn)，針對(duì)乙醇汽油混合燃料的性能開(kāi)展研究是有必要的[3]。

1.2 MATLAB簡(jiǎn)介

MATLAB是“Matri* Laboratory”的縮寫(xiě)，意為“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，是當(dāng)今美國(guó)很流行的科學(xué)計(jì)算軟件、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天，科學(xué)計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在許多諸如控制論、時(shí)間序列分析、系統(tǒng)仿真、圖像信號(hào)處理等方面產(chǎn)生了大量的矩陣及其相應(yīng)的計(jì)算問(wèn)題。自己去編寫(xiě)大量的繁復(fù)的計(jì)算程序，不僅會(huì)消耗大量的時(shí)間和精力，減緩工作進(jìn)程，而且往往質(zhì)量不高。美國(guó)Mathwork軟件公司推出的MATLAB軟件就是為了給人們提供一個(gè)方便的數(shù)值計(jì)算平臺(tái)而設(shè)計(jì)的[4]。
MATLAB是一種用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。它是一種數(shù)值計(jì)算環(huán)境和編程語(yǔ)言，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB基于矩陣（英語(yǔ)：Matri*）運(yùn)算，其全稱MATri* LABoratory即得名于此。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指，可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等。其中，MATLAB GUI（Graphical User Interface，人機(jī)交互圖形化用戶界面設(shè)計(jì)）是用來(lái)編程，解決數(shù)學(xué)問(wèn)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(shù)據(jù)擬和等等。圖形用戶界面或GUI包含圖形對(duì)象，如：窗口、圖標(biāo)、菜單和文本的用戶界面。以某種方式選擇或激活這些對(duì)象，通常引起動(dòng)作或發(fā)生變化。在每一個(gè)窗口系統(tǒng)中使用菜單讓用戶選擇命令和選項(xiàng)。
MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持�？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用。

1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)初，乙醇就開(kāi)始被用作車用燃料，隨著石油的大規(guī)模開(kāi)采，乙醇汽油的使用被暫時(shí)中斷[5]。直到70年代中期石油危機(jī)的爆發(fā)，燃料乙醇重新開(kāi)始在一些國(guó)家獲得發(fā)展。世界上第一個(gè)燃料乙醇項(xiàng)目ProAlcohol于1975年在巴西誕生，美國(guó)、加拿大在1978年也相繼開(kāi)展了類似的項(xiàng)目。由于乙醇汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放方面出色的表現(xiàn)，目前一些具有豐富農(nóng)業(yè)資源的國(guó)家，如加拿大、法國(guó)、西班牙、瑞典、英國(guó)、德國(guó)、荷蘭、奧地利、南非等國(guó)家也已制定計(jì)劃，積極發(fā)展并推廣車用乙醇汽油。2000年6月，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院向國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)建議，加快推廣乙醇汽油，以有效解決汽車尾氣污染保護(hù)環(huán)境。2000年8月國(guó)家經(jīng)貿(mào)委布置了乙醇汽油研究任務(wù)，次年在吉林、河南、黑龍江三省進(jìn)行乙醇汽油推廣試點(diǎn)工作。2004年2月國(guó)家發(fā)改委等8部門(mén)聯(lián)合頒布了《車用乙醇汽油擴(kuò)大試點(diǎn)方案》和《車用乙醇汽油擴(kuò)大試點(diǎn)工作實(shí)施細(xì)則》，乙醇汽油的推廣應(yīng)用從此全面啟動(dòng)[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(jīng)發(fā)酵、蒸餾、脫水等工序制成的含量在99.2%(體積分?jǐn)?shù))以上的無(wú)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(guó)外推廣已有多年，低比例摻醇汽油的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)較為成熟。美國(guó)和巴西是當(dāng)今世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。2006年美國(guó)和巴西的燃料乙醇產(chǎn)量分別達(dá)到1673萬(wàn)噸和1380萬(wàn)噸，這兩個(gè)國(guó)家乙醇產(chǎn)量約占全球乙醇總產(chǎn)量的70%以上。2005年,歐盟燃料乙醇消費(fèi)量為1巧萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)到2010年，其乙醇汽油用量可達(dá)到215萬(wàn)一257萬(wàn)噸[7]。
我國(guó)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(dāng)時(shí)的農(nóng)產(chǎn)品出路提供了巨大市場(chǎng)，目前也有利用薯類和甘蔗等經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)乙醇，但是比例不高。我國(guó)是世界第三大酒精生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量?jī)H次于巴西和美國(guó)，“十一五”期間將生產(chǎn)600萬(wàn)噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇500萬(wàn)噸。實(shí)踐表明，我國(guó)過(guò)去以糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇，是不符合國(guó)情的做法，探索非糧能源資源是大勢(shì)所趨。2006年，財(cái)政部印發(fā)的《可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金管理暫行辦法》明確指出:“石油替代可再生能源開(kāi)發(fā)利用，重點(diǎn)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(jī)、節(jié)約外匯、增加稅收、刺激農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、一帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、改善環(huán)境質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。
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(dá)5%，完全燃燒所需的空氣量?jī)H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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性不會(huì)降低。1986年Hamdan對(duì)燃用含5%乙醇的乙醇汽油，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳功率輸出和部分負(fù)荷下熱效率提高4%一21%。2003年A1一Hasan等人發(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[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(shí)驗(yàn)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(gè)單位，達(dá)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(wú)鉛抗暴添加劑甲基叔丁基醚(MTBE)，避免對(duì)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(guó)內(nèi)車用無(wú)鉛汽油普遍對(duì)氧含量有嚴(yán)格的限制，當(dāng)前汽油氧含量一般要求不大于27.0%；但是對(duì)乙醇汽油的含氧沒(méi)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(dòng)機(jī)缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿加唾|(zhì)量燃燒率也相應(yīng)提高[9]。
此外，在使用含乙醇比例為10%左右的汽油時(shí)，可在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)作較大改動(dòng)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(guò)20%，當(dāng)使用高比例的乙醇汽油時(shí)，需要對(duì)燃油系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、點(diǎn)火系統(tǒng)、排氣后處理系統(tǒng)等進(jìn)行改動(dòng)，才能使高比例乙醇汽油在汽油機(jī)上正常使用。
在發(fā)動(dòng)機(jī)排放改善方面，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)然，摻醇汽油也存在著不少使用上的問(wèn)題，比如摻醇汽油的互溶性和分層問(wèn)題以及對(duì)燃油系統(tǒng)材料的腐蝕性問(wèn)題等[10]。此外，由于醇類物質(zhì)的汽化潛熱較汽油高，故摻醇汽油蒸發(fā)時(shí)會(huì)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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)蒸發(fā)條件惡化，蒸發(fā)量少。乙醇的沸點(diǎn)低(78℃)，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度下，很容易產(chǎn)生氣阻，使燃料供給量降低甚至終端。同時(shí)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(dòng)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(wú)鉛汽油，但是由于乙醇的摻入，帶來(lái)了飽和蒸氣壓較低，不容易蒸發(fā)，并且對(duì)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(gè)重要的指標(biāo)。汽油機(jī)燃用不同比例的乙醇汽油時(shí)，在保證車輛正常行駛的前提下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能有何影響，如何選取最佳摻醇比來(lái)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能，即是本文研究的要點(diǎn)[11]。
現(xiàn)將已在市面上銷售的E10乙醇汽油在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)條件的情況下進(jìn)行試驗(yàn)研究，ST188小型汽油機(jī)主要用作固定動(dòng)力，試驗(yàn)按照GB/T8190．4-1999進(jìn)行，測(cè)試循環(huán)采用D1循環(huán)6工況，分別測(cè)試標(biāo)定轉(zhuǎn)速下100%，75%，50%，25%，10%負(fù)荷及怠速工況下的性能指標(biāo)。燃用乙醇汽油時(shí)，未對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)做任何改動(dòng)。
結(jié)果表明，ST188發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油時(shí)其耗油率在低中負(fù)荷時(shí)增加明顯，平均分別增加了74．2%，33．1%，而在高負(fù)荷時(shí)其耗油率基本與汽油持平[12]。這是因?yàn)橐掖嫉臒嶂档陀谄胀ㄆ�，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出相等的情況下需要燃燒更多的燃料，高負(fù)荷情況下，其是由化油器配制混合氣的原則決定的，這時(shí)化油器要配制更濃的混合氣滿足高負(fù)荷的動(dòng)力需要；改燃乙醇汽油后，由于乙醇的自含氧會(huì)使乙醇汽油的燃燒比普通汽油更為充分，而在中小負(fù)荷條件下，其過(guò)量空氣系數(shù)較大，使得自含氧的促進(jìn)燃燒作用不明顯.在45%較小油門(mén)開(kāi)度時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，汽油機(jī)燃用乙醇汽油和普通汽油動(dòng)力輸出相差不大。但在70%較大油門(mén)開(kāi)度時(shí)，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，E10乙醇汽油的功率和轉(zhuǎn)矩輸出均小于標(biāo)準(zhǔn)93#汽油，最大降幅達(dá)2．5%，平均降幅1．8%。這是由發(fā)動(dòng)機(jī)在較大油門(mén)開(kāi)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(zhuǎn)矩輸出下降明顯[13]。
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QC/T524－1999《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，許滄粟和杜德興等人采取對(duì)比試驗(yàn)方法，比較不同乙醇摻比下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性能，并與原汽油機(jī)性能進(jìn)行對(duì)比。
他們?cè)谝慌_(tái)摩托車用汽油機(jī)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(hào)汽油混合進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)汽油機(jī)改燃乙醇和汽油的混合燃料時(shí)，由于乙醇的熱值低于汽油，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行增加壓縮比和改變點(diǎn)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(shí)，才是必須的。而本試驗(yàn)的摻醇率10%和15%，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)具有混合燃料與純汽油的隨意切換性，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)未進(jìn)行改造和調(diào)整。發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速調(diào)控以及油耗、功率、扭矩和排氣溫度的測(cè)量和記錄都由發(fā)動(dòng)機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)及所配備的電腦完成。試驗(yàn)在浙江大學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架上完成。結(jié)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(dòng)機(jī)的功率、扭矩等使用性能，無(wú)須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)的燃燒[14]。
在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)、低轉(zhuǎn)速下，隨乙醇含量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和功率有所下降，但下降幅度不大。低轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)氣節(jié)流減小，乙醇含氧優(yōu)勢(shì)不明顯，同時(shí)乙醇汽化潛熱比汽油燃料大，結(jié)果導(dǎo)致著火過(guò)程中滯燃期延長(zhǎng)，火焰溫度降低，并且乙醇的熱值低于汽油，故在低速時(shí)混合燃料的轉(zhuǎn)矩和功率有所降低。在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)、高轉(zhuǎn)速下，最大轉(zhuǎn)矩和功率有所上升。在高速高負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣節(jié)流、燃料噴射量增大，單位時(shí)間燃燒反應(yīng)次數(shù)增加，加上乙醇是含氧燃料、汽化潛熱較高，使缸內(nèi)氧原子分布更均 ……（未完，全文共31951字，當(dāng)前僅顯示5747字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：汽油機(jī)燃用乙醇汽油混合燃料熱力分析及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響》）