西安交大现代汽车技术大作业2013终稿-张晓璐

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醇类燃料在汽车上的应用现状及发展前景课程名称现代汽车技术班级能动A06姓名张晓璐学号2010031133日期2014年1月1日醇类燃料在汽车上的应用现状及发展前景张晓璐西安交通大学能源与动力工程学院、710049、西安摘要:醇类燃料原料丰富,燃烧清洁,在石油资源日益紧张的今天,醇类燃料是传统石油燃料的有效补充来源之一。介绍了醇类燃料的生产来源,分析了甲醇燃料和乙醇燃料的理化性质并和传统汽油燃料进行对比分析。重点介绍了醇类燃料在点燃式和压燃式汽油机上的应用现状,分析了各自的着火特性,燃烧特性,启动性能和对环境的影响,得出结论:甲醇、乙醇作为替代燃料符合我国资源特点,也是在未来解决我国机动车燃料的最有前景、也是最现实的方案之一。最后从市场,效益,技术,环境保护和国家政策方面综合考虑,分析了醇类燃料在汽车上的应用前景。关键词:醇类燃料;甲醇;乙醇;应用;前景ApplicationandItsFutureDevelopmentintheCarAbstract:Alcoholfuelmaterialsarerichanditisveryclearwhenburned.Withtheoilcrisismoreandmoreserious,Alcoholfuelisoneoftheeffectivecomplementtotraditionalsourcesofpetroleumfuels.Thispaperintroducesthealcoholfuelproductionsource,analysesthephysicochemicalpropertiesofalcoholfuelandcomparesalcoholfuelwithtraditionalfuel.Itfocusesontheapplicationofalcoholfuelinthesparkignitionengineandcompressionignitionengine.ThispaperalsoanalyseseachIgnitionandcombustioncharacteristics,startingperformanceandtheimpactontheenvironment.WecanfindthatalcoholfuelcanfitChina'sresourcesandalcoholfuelisthemostpromisingandrealisticsolutiontosolvetheenergycrisis.Intheend,consideringtheproblemofmarket,benefit,technology,environmentalprotectionandnationalpolicy,weanalyzedtheapplicationprospectofalcoholfuelinthecar.Keywords:alcoholfuel;methanol;ethanol;application;future随着全球经济的快速发展,我国汽车产业也得到了飞速发展。但是交通运输和汽车保有量的迅速增加,给我国能源供给和环境污染造成了极大的压力。一方面,传统的汽油、柴油发动机面临着石油资源短缺的问题;另一方面,汽车排放造成的大气污染日趋严重,在各国的大中城市,汽车尾气排放污染已经成为大气污染的最主要污染源,它们对人体健康的危害已经引起世人的关注[1]。为了缓解石油资源短缺带来的压力,改善大气环境质量,开发替代能源和清洁能源成为世界各国面临的越来越迫切的任务。20世纪60年代,为了改善内燃机的排气净化,一些国家开始研究低污染的醇类燃料。70年代初的“石油危机”促使许多国家为了能源安全和平衡外汇,积极寻找石油替代能源。在这种力量的推动下,醇类燃料(主要是甲醇和乙醇)作为液体燃料,因其原料资源丰富,燃烧干净,且其储运、分配、携带、使用与传统的汽、柴油相似,受到重视。1976年,多个国家的代表在瑞典举行了第一次国际醇燃料会议,以推动醇燃料的发展。到20世纪80年代,虽然石油价格回落,但是随着对大气质量要求提高,发现醇燃料不仅可以替代汽油,而且其汽车尾气排放比汽油和柴油都低,对环境也更有利。因此发展醇类燃料的推动力已转为改善大气环境质量[2]。美国、德国、加拿大、法国、日本、巴西、瑞典、新西兰等国家政府和汽车公司大力推动醇类燃料以及醇燃料汽车的研究、试验和示范推广,并由国家将其列为清洁燃料予以发展。目前,包括我国在内的世界许多国家都在推广使用醇类燃料[3]。而且,对我国而言,还存在着较为严重的能源安全问题,预计2020年,中国石油进口量可能达到2.3亿t,对外依存度高达60%,这对我国的能源安全是个威胁。因此,寻找石油替代燃料越来越引起国家的重视,成为国家实施全面、协调可持续性发展战略的重点之一[4]。1醇类燃料的生产来源甲醇可以从天然气、石油、煤、木材及其他生物体来制取。甲醇最早是通过木材干馏法和氯甲烷水解法制取,而目前生产甲醇的原料是天然气、轻质油、重质油、煤焦炭等。从20世纪50年代开始,天然气和石脑油逐步成为合成甲醇的主要原料。国际上甲醇主要由天然气(约占世界产量的78%)、重油(约占10%)、石脑油(占7%)、液化石油气(占3%)、煤炭(占2%)生产。目前,全世界的甲醇生产能力已达6000万t/年。我国的甲醇主要是以煤炭为原料生产的。我国能源结构长期以煤及煤炭的下游产品为主,煤产量占全国能源产量的76%。从储量看,已探明煤产量储量为7650亿t。煤炭无疑是我国的主导能源,在我国未来能源结构中将扮演越来越重要的角色。乙醇的制造成本较高,主要是从植物中获得,可以谷类、甘蔗和任何含淀粉或糖类的农作物为原料,采用生物发酵方法制成;也可由乙烯水合制成。目前,国际上燃料乙醇的总产量约为4063万t/年。当前我国燃料乙醇的原料主要来源于玉米、糖料等作物,但是为了保证我国的粮食安全,“十一五”期间国内将不再审批以粮食为原料的燃料乙醇项目,而采用甘蔗、木薯、红薯、甜高粱等非谷物原料生产燃料乙醇。未来生物乙醇燃料的发展方向是纤维素乙醇,即用秸秆等为原料生产乙醇,这样既可以降低成本,也可以有更广泛的原料来源[5]。2醇类燃料的理化特性甲醇和乙醇的理化特性相似。与汽油和柴油相比,甲醇和乙醇的热值都很低,因此使用醇类燃料的汽车有效燃油消耗率较高。甲醇和乙醇的辛烷值很高,可以通过适当提高内燃机的压缩比来改善热效率。它们的汽化潜热都比汽油高,这就使得使用醇类燃料的发动机在低温状况下启动困难。但是较高的汽化潜热可以使燃烧温度下降,这对减少NOX的排放是有利的,同时醇类燃料富含氧,有利于燃料彻底燃烧,理论上可以降低尾气中HC、CO含量。含氧燃料对减少碳烟排放也是非常有利的。根据经验,燃料含氧量达34%以上,发动机在任何工况下均不产生碳烟。醇类燃料的饱和蒸气压比汽油低,低的蒸汽压力和高的汽化潜热使其蒸发困难,因而对发动机混合气形成系统提出了更高的要求。醇类燃料的十六烷值很低,着火性能很差,因此在柴油机上使用还需要采取相应的技术措施[6]。表1甲醇、乙醇、汽油的基本性质3醇类燃料的应用现状醇类燃料在柴油机上的应用比在汽油机上的应用要困难,其成熟程度也较差。醇类燃料的十六烷值很低,着火性能较差;醇类燃料与柴油密度不同,醇类燃料含有羟基并有强烈的吸湿性,使醇类燃料与柴油难以互溶。这些原因大大限制了醇类燃料在柴油机上的应用。同时,柴油机是喷油供给燃料,醇类燃料与柴油的分层效应以及醇类燃料汽化产生的气阻都会给供油造成困难。所以,在柴油机上应用混有醇类燃料的柴油还有待进一步研究[7]。3.1压燃式发动机上的供醇方式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1000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。国际能源组织IEA曾组织芬兰、美国、加拿大和荷兰等8个国家,在芬兰技术研究中心VTT对各国生产的14辆使用不同燃料(新配方汽油、柴油、M85、LPG和CNG等)的汽车,按FTP工况法进行排放评估,结果是使用未经三元催化的汽油车辆排放性能最差,经过三元催化后有很大改观,但仍不如未经三元催化的M85好。说明M85甲醇是比较清洁的燃料。柴油的未燃碳氢(HC)、一氧化碳(CO)排放值较低,但其氮氧化合物(NOX)值却是最高的,M85的NOX值是除氢以外燃料中最低的。因此,将甲醇作为超低排放的燃料在国外已经得到一些应用。醇类燃料在使用过程中普遍存在金属腐蚀和供油系统堵塞、橡胶件溶胀、润滑油污染、冷启动困难、易产生气阻及热启动性差等缺点,这也是掺醇燃油今后需要解决的问题。乙醇在我国主要通过粮食转化获得,原料成本高,且利用率低,能耗很大,因此使乙醇汽、柴油生产成本提高。尽管如此,由于醇类可由煤、天然气及生物质原料待加工利用,因此,掺烧醇类在节省石油资源、减少环境污染、带动农业以及其他诸多相关产业上具有重要意义。醇类与汽、柴油的互溶性受温度和含水量的影响很大。温度较低(如M5汽油低于20℃)或有少量水存在都可造成油、醇分相,这给掺醇燃料的正常使用带来了很大的困难。为此在制备掺醇燃油时,通常都要添加一定量的适宜助溶剂以降低分层温度,但对含水量的要求仍然比较严格。燃油使用中难免会混入水分,且无水甲醇和乙醇的生产成本也较高。因此,可加入适宜的乳化剂,经适当搅拌后制成较为稳定的乳状液,同时还可掺入适量的水,利用水分子与醇分子之间的氢键缔合作用,使形成的界面膜更为牢固,进而得到比油-醇乳化液更稳定的油-醇-水三元复合乳化液,且乳化剂用量也可减少,因此可直接掺粗甲醇和粗乙醇[8]。3.2醇类燃料在点燃式发动机上的应用醇类燃料的辛烷值比汽油高,将它作为高辛烷值调和剂添加到汽油中,可以使汽油机的压缩比提高,从而提高了热效率,降低了油耗和排放污染。在汽油中加入10%-15%的醇类燃料是基本不成问题的,但是要大幅度提高在汽油中的混醇率,还有一系列的问题需要解决。3.3混醇燃料的着火性能和起动性能甲醇、乙醇的汽化潜热比汽油高,这就导致在相同的压缩比下掺烧醇类燃料后汽油机缸内压缩终点附近的温度和压力比燃用纯汽油时显著下降,再加上醇类燃料的辛烷值、闪点和着火温度均比汽油高,使得汽油混醇后着火性能变差,特别在混醇率高时更为明显。混醇汽油着火性能差在冷起动时表现为冷起动性能差。为了改善混醇汽油的着火性能和冷起动性能,可以采用提高压缩比、加大点火能量、增加点火提前角、进气管预热等措施。试验已经证明:辛烷值每增加4-4.5个单位,可以提高压缩比一个单位。3.4混醇汽油的混合气形成与燃烧性能醇类燃料的质量低热值比汽油低,汽油机在不改变供油系统时,如果燃用混醇汽油,其功率下降,按质量计的油耗增加。但是,醇类燃料的理论混合气热值与汽油的理论混合气热值差不多的结果表明,一辆公交车使用甲醇为燃料时每小时NOX排放量为1.7克,乙醇燃料为3.2克,纯柴油却为4.0克。使用甲醇微粒排放每小时为0.03克,乙醇为0.06克,柴油则为0.17-0.25克。德国大众汽车公司也采用类似方法开发出燃用纯甲醇的四冲程轿车发动机样机。其排放品质与燃用柴油时相比,NOX排放不到后者的三分之一,微粒排放不到后者五分之一。因此,甲醇作为车用燃料其排放性能较好,属于对环境友好的清洁燃料[9]。值得注意的是,由于掺入了醇类,排放物中有未燃的醇类和醛类,但添加非金属离子助溶剂或十六烷值改进剂可使碳氢化合物(HC)、乙醇、乙醛及NOX排放的浓度明显降低。另外对HC和NOX的排放特性,目前的认识还不统一。谢洁等对甲醇-柴油微乳化液的实验结果表明,在对发动机不做任何参数调整的情况下,微乳燃油可以获得与纯柴油相近或略优的发动机动力性和热效率,与燃用柴油时相比,NOX排放浓度升高,而碳烟排放浓度降低,另外,在小负荷时喷油量小、缸内温度低,微爆现象较弱,而大负荷时,微爆现象显著。通过对目前国内车用乙醇、甲醇的生产、替代燃油的难度、使用对环境的影响等因素的比较与分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