黑龍江工程學院本科生畢業論文 I 本科學生畢業論文 車用乙醇汽油發動機性能的實驗研究 系部名稱： 汽車與交通工程學院 專業班級： 車輛工程 B07-2 班 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 講師 黑 龍 江 工 程 學 院 二一一年六月 黑龍江工程學院本科生畢業論文 II 摘 要 本次論文的題目是車用乙醇汽油發動機性能的實驗研究。為了緩解汽車工業的飛速發展所帶來的能源緊張和環境污染雙重壓力，研制開發清潔代用燃料以 及合理的資源利用已成為日益突出的現實性課題。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荷特性實驗基礎上，對發動機的動力性、燃油經濟性、排放特性和燃燒特性也做了一定的研究與分析，發現燃用混合燃料的動力性有所降低，但與原機相差不大 :以質量計的燃油消耗率明顯增加，但以熱值計的能耗率保持良好，燃油經濟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。 燃料三元催化轉化效率與燃料的的含醇量以及發動機的負荷和轉速有關。 關鍵詞 ：乙醇汽油；動力性；燃油經濟性；排放特性；燃燒特性黑龍江工程學院本科生畢業論文 III ABSTRACT The topic of the paper is Ethanol Gasoline Engine Performance Study. In order to alleviate 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 ethanol 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, emission 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 heat 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 conversion 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黑龍江工程學院本科生畢業論文 目 錄 摘要 II Abstract III 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狀 2 1.2.1 國外研究現狀 2 1.2.2 國內研究現狀 2 1.3 研究內容 3 第 2 章 乙醇汽油理化特性研究 4 2.1 乙醇理化性 質 4 2.2 乙醇汽油的熱值計算 5 2.3 本章小結 7 第 3 章 乙醇汽油發動機性能研究 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 實驗結果分析 13 3.4 燃油經濟性 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 碳氫化合物（ HC）排放特性分析 20 3.5.4 氮氧化物（ NOX）排放特性分析 23 3.6 本章小結 26 第 4 章 乙醇汽油的三元催化轉化性能研究 27 4.1 三元催化轉化器的構造及反應原理 27 黑龍江工程學院本科生畢業論文 4.1.1 三元催化轉化器的構造 27 4.1.2 三元催化劑的主要反應步驟 27 4.1.3 三元催化轉化器的化學反應 27 4.2 乙醇汽油三元催化轉化效率研究 28 4.3 本章小結 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 燃燒持續期 33 5.3 本章小結 35 結論 36 參考文獻 37 致謝 39 黑龍江工程學院本科生畢業論文 1 第 1 章 緒 論 1.1 選題的目的及意義 目前，世界的石油資源口趨減少，石油燃料的短缺現象已經出現，并且日益嚴重。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、環境友好和經 濟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業發展政策中明確指出鼓勵使用節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。 發展生物能源，農民將直接受益?！叭r”一直是黨中央、國務院非常重視的問題，推廣乙醇汽油等生物能源的初衷就是為了給豐產的玉米等農作物尋找出路、消化陳化糧、避免谷賤傷農 2。生物能源有助十帶動大宗糧食深加工及相關產業的發展，實現農副產品的增值和轉化。現階段，燃料乙醇的生產原料主要是陳化糧，陳化糧 問題解決后，燃料乙醇生產應立足于糧食主產區，作為調節市場供求的一種手段 (以消耗低品質糧食為主 )，納入到糧食生產、消費和飼料生產、消費的產業循環中，它只會促進和保障糧食生產和糧食安全 3。同時，還可以積極發展木薯、紅薯、甘蔗、甜高粱等不與口糧 (小麥、稻谷 )生產爭地、爭水的高產、高糖或耐旱、耐鹽堿的代糧經濟作物，為生產燃料乙醇開發更多的原料儲備 4。從發展的眼光看，最終解決燃料乙醇大量使用的原料問題將轉向纖維，依靠生物技術、基因技術等高新技術的發展。通過篩選種植高能、高產的植物；利用我國大量的農業廢棄資源 (桔桿 )和工業廢棄物資源，開發和實現利用纖維質生產酒精技術的產業化，可以為燃料乙醇生產提供取之不盡、用之不竭的可再生植物原料 5。 發展生物能源，在環保方面的意義同樣深遠。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，作為尾氣的一氧化碳和碳氫化合物的燃燒更充分，使汽車尾氣中的這兩項指標分別下降 3.08%和 13.04 污染物的排放明顯減少 2，生產燃料乙醇所需的玉米和小麥是可再生資源，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定的排放標準，緩解經濟高速發展所帶來的人與環境保護方面的矛黑龍江工程學院本科生畢業論文 2 后將大有裨益。 1.2 乙醇汽油混合燃料的研究現狀 目前在乙醇汽油混合燃料的實驗研究方面，國內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 國外研究現狀 在發動機燃用混合燃料后的動力性和燃油經濟性方面， l 986年 Hamdan和 Jubran6兩人發現，通過向汽油中添加 5的乙醇，可以使發動機獲得最佳的功率輸出和部分負荷工況下 4 2 1的熱效率的提高。 A1 Hasan 發現使用乙醇汽油混合燃料可以增加有效功率、扭矩、容積熱效率和有效熱效率，同時可以減少 有效燃油消耗率。 M A Ceviz 和 F Ynksel7研究了燃用 E0、 E5、 E10、 E15 和 E20 后 50 個循環的燃燒循環變動，結果表明：混合燃料有利于降低循環變動，從而改善發動機的燃燒和排放特性，提高發動機的動力性、經濟性并改善排放性能。 國內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化方面，國內的研究就比較深入了。 1995 年 Guerrieri 和 Caffrev8于 6 輛在用車上進行實驗發現，當乙醇含量高于25時， C02的排放減少；當乙醇含量提高到 40時，總碳氫化合物 (THC)排放在 最初的時候先增加了一點，而后隨著 CO的減少而逐漸降低。 M A Ceviz 和 F Yuksel7同時發現四種混合燃料的 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在一臺閉環控制發動機上研究發現，加入乙醇可以使 C0 和 HC 分別減少 10 90和 20 80，并且 NOx 的排放與發動機的運行工況有很大關系，而與乙醇含量的多少關系不大，但這一結論仍需進行實驗驗證。 H S Yucesu 等人 9燃用 EO、 E10、 E20、 E40 和 E60 進行實驗，發現E40 和 E60 對減少 尾氣排放產生了重大的作用，在低轉速下 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，在高轉速下，燃用 E60 使得 HC排放平均減少了 16.45。 1.2.2 國內研究現狀 在動力性和燃油經濟性方面，許滄粟和杜德興 10同時發現：發動機燃用混合燃料后，不影響功率、扭矩等的使用性能，無須對發動機進行改裝；摻燒乙醇后，有利于改善發動機的燃燒狀況，降低能耗率。 何幫全 11等人在一臺電噴汽油機上燃用 E0、 E1O 和 E30 后發現：在怠速工況下，燃用混合燃 料可顯著降低 CO、 NOx 和總碳氫化合物 (THC)的排放， E3O 的效果最明顯。 高祥等人 12在一臺多點電噴汽油機上實驗，發現在低轉速時，三效催化器對排放黑龍江工程學院本科生畢業論文 3 中 CO 的凈化效率普遍較高，而中高轉速時隨負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、發動機的轉速和負荷有關。 1.3 研究內容 目前，國內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，結合我國國情 (資源條件、汽車工業水平等 )，本論文希望通過對三種低比例的混合 燃料 (E0、 E1O 和 E20)的動力性能、經濟性能、排放和燃燒特性進行研究分析，從而為我國乙醇代用燃料汽車的研究和擴大應用范圍提供有價值的理論和技術支持。 研究目的在于通過對在同一臺電噴發動機上燃用三種低比例乙醇汽油混合燃料后的動力性能、經濟性能、排放和燃燒特性進行對比實驗，評價三種混合燃料在電噴發動機上的動力性能、經濟性能、排放和燃燒特性，以便在實際應用中，充分發揮乙醇燃料的優點，使其在電噴汽油發動機上發揮更好的作用，為乙醇燃料的繼續推廣應用打好理論基礎，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)的理化特性進行分析； 2.通過臺架實驗，測取分別燃用三種燃料后的常規特性數據和燃燒數據，評價發動機燃用混合燃料后的動力性能和燃油經濟性； 3.根據實驗所得數據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化效率； 4.根據實驗所得數據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。黑龍江工程學院本科生畢業論文 4 第 2 章 乙醇汽油理化特性研究 2.1 乙醇理化性質 乙醇俗稱酒精，化學分子式為 C2H5OH。內燃機燃用的汽油、柴油等是烴類燃料，而乙醇是烴基與羥 基 (OH)組成的有機化合物。乙醇分子中含有羥基這一特點是乙醇燃料與烴類燃料不同的根本所在。乙醇含有一個羥基，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 : 表 2.1 乙醇與汽油的主要理化性質比較 項目 乙醇 汽油 化學分子式 C2H5OH C8H18（以辛烷為例） 氧含量（ m%） 34.8 0 沸點（ C ） 78.3 30 220 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（ C ） 420 260 370 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 %） 4.3 19 1.4 7.6 1.乙醇含有 羥基 (OH)，能與水以任意比例互溶，而烴類燃料憎水性強，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，這意味著同樣質量的燃料完全燃燒所需的 空氣質量就相對較少，有利于高原地區的應用 ；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，則發動機的動力性、經濟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.乙醇的沸點及蒸氣壓都比汽油低，有助于燃油 -空氣混合氣的形成，但會使產生氣阻的傾向大，并且其中缺少高揮發性成分，對冷起動不利。而且兩者的凝固點都比黑龍江工程學院本科生畢業論文 5 較低，在低溫環境下都能正常使用。 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致混合氣形成和起動困難，但它在進入進氣管、進氣道或者進入氣缸后，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，有可能提高充氣效率。通常通過增加發動機進氣加熱系統或廢氣預熱空氣系統，提高進氣溫度，改善混合氣形成及燃燒，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，使用乙醇汽油的發動機可適當提高壓縮比來提高熱效率，從而獲得較好的動力性能和經濟性能 13 。 7.乙醇的著火燃燒濃度界限比汽油的相應范圍要寬得多，比汽油更容易稀燃。能在比較稀的混合氣狀態下工作，而且不會因空燃比得不到精確控制而導致間斷著火 ；能夠允許在稀混合氣工作時，較大自由的選擇運轉工況，這將有利于提高經濟性并且降低排放污染。稀燃是一種節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，負荷越大，越容易稀燃。 2.2 乙醇汽油的熱值計算 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出的熱量加上燃燒產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。發動機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。發動機是進行熱功轉換的熱機，燃料所含熱量是發動機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。 1.質量低熱值 乙醇汽油混合燃料的理論近似熱值可以通過計算得到。根據混合燃料中乙醇和汽油的體積分數，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 質量分數，然后按照下式 14對混合燃料的質量低熱值 hu進行計算 : hu=MGHG+MEHE （ 2.1） 式中， hu 乙醇汽油混合燃料的質量低熱值，單位為 MJ/kg； MG 混合燃料中汽油的質量百分比，單位為 %； HG 汽油的質量低熱值，單位為 MJ/kg； ME 混合燃料中乙醇的質量百分比，單位為 %； 黑龍江工程學院本科生畢業論文 6 HE 乙醇的質量低熱值，單位為 MJ/kg。 根據 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的質量百分比14: EEGG GGG VV VM += (2.2) ME=1-MG (2.3)以 E10 為例，其低熱值計算過程如下 : %33.948.01074.090 74.0901090 90 =+ =+ = EG GGM ME=1-94.33%=5.67% 將計算得到的 MG和 ME代入式 (2.1)，得到 E10 的質量低熱值 : hu=94.33%43.5+5.67%26.77=41.71MJ/kg 同樣經過計算可得到其它四種混合燃料的質量低熱值。實驗用三種嫩料的質量低熱值如表 2.2 所列。 表 2.2 各燃料的質量低熱值 E0 E10 E20 質量低熱值（ 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量空燃比，可以按照下式 14進行計算 : EEGG LMLML += (2.4)式中， L-乙醇汽油混合燃料的理論空燃比 (質量比 ): LG-汽油的理論空燃比 (質量比 )； LE-乙醇的理論空燃比 (質量比 )。 汽油的理論空燃比 (質量比 )為 14.8，乙醇的理論空燃比 (質量比 )為 9.05，仍以E10 為例，則它的理論質量空燃比 : L=94.33%14.8+5.67%9.05=14.23 同樣經過計算可得到其它三種混合燃料的理論質量空燃比。實驗用燃料的理論空燃比 (質量比 )如表 2.3 所列。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 7 表 2.3 各燃料的理論空燃比 燃料 E0 E10 E20 燃料理論空燃比 14.8 14.23 13.58 根據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 : LhuHu +=1 (2.5) 式中， Hu 乙醇汽油混合燃料混合氣的熱值，單位為 MJ/kg； 過量空氣系數； L 理論空燃比 (質量比 )。 在理論混合氣狀態下，過量空氣系數 =1，可以根據燃料的質量低熱 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 : 739.223.1411 71.41 =+=Hu 同樣經過計算可得到 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 本章概述了乙醇和乙醇汽油混合燃料的理化性質，并分別與汽油進行了對比，結果表明 : 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，優化發動機燃燒，降低排放。 2.乙醇汽油混合燃料的質量低熱值、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.乙醇的質量低熱值遠小于汽油，兩種乙醇汽油混合燃料的質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。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 8 第 3 章 乙醇汽油發動機性能研究 3.1 實驗裝置儀器 實驗是在我院汽車工程實驗中心進行的。本論文實驗數據采集，主要是通過 i雙路直采排放分析系統測 量、分析和記錄排放數據 ；利用發動機測試控制儀測量并由 2000 測控系統軟件來設置發動機各種工況，并記錄各工況下所需測量的實驗數據。實驗所用主要測量儀器名稱、型號等參數見表 3.1, 測試系統總體布置如圖 3.1 所示。 表 3.1 實驗用測量儀器 測量儀器名稱 用途 型號 東安發動機 研究對象 4G18 發動機測控系統 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 排放信號采集 AVL AMA i60 電渦流測功機 負荷特性 CW-160 4G18汽油發動機電 渦 流測 功 機測 試 控 制 系統燃 燒 分 析 系統雙 路 直 采 分 析 儀 計 算 機 圖 3.1 測試系統總體布置示意圖 1.發動機 黑龍江工程學院本科生畢業論文 9 表 3.2 發動機主要技術參數 排量 1.6L 壓縮比 10 點火方式 多點電噴 最大功率 /轉速 85Kw/6000rpm 最大扭矩 /轉速 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 4 2.電渦流測功機 電渦流測功機型號是 CW160 圓柱感應式，如圖 3.4 是用所示，是用來測量動力機械各種特性的試驗儀器。本機適用于中、小型功率電機、汽車、內燃機、燃氣輪機、水輪 機、工程機械、林業、礦山、石油鉆采等機械的性能試驗，也可作為其它動力設備的吸功裝置。 圖 3.2 CW160 圓柱感應式電渦流測功機 主要特點： （ 1）結構簡單，操作維護方便。 （ 2）制動力矩大，測試精度高，工作穩定。 （ 3）轉 動慣量小，動態響應速度快。 （ 4）與測控系統配套，可實現自動化操作。 技術指標： （ 1）最大勵磁電壓： CW6 CW16, DC 90V； CW25 CW40, DC 120V； （ 2）最大勵磁電流： CW6 CW16 3A； CW25 CW40 4A。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 10 （ 3）冷卻水壓： 0.04 0.1Mpao 根據出水溫度調節水壓，當出水溫度升高時，適當加大水壓使出水溫度降低。 （ 4）冷卻水流量：冷卻水量取決于進水、出水的溫差和吸收功率的大小。 （ 5）測功機出水溫度：小于 55。 （ 6）工作方向：左旋或右旋，連續工作。 （ 7）扭矩 測量精度： 0.3 FS。 （ 8）轉速測量精度： lr/min。 3.發動機測試控制系統 FC2000 發動機自動測控系統如圖 .所示，在設計過程中吸取了奧地利 AVL 公司SCHCK 公司發動機自動測控系統的成功經驗。它是為滿足發動機制造業不同類型柴油機、汽油機、天然氣、液化氣性能試驗和出廠試驗而精心設計的大型測控系統，可與國內外各種不同的水力、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，用于控制和測量發動機的 轉速、功率、燃油 /燃氣消耗量、溫度、壓力、流量等各種不同類型的參數 .本實驗發動機測試控制儀分為自動測量控制和油門 (水門 )勵磁驅動控制兩個單元，用于控制和測量發動機的轉速、扭矩、功率、溫度、壓力、流量等。 圖 . 發動機測 試控制系統 4.排放分析系統 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 :根據用戶需要，將汽車發動機置于用戶指定工況運行，可測量此時的廢氣排放數據，可從事汽車及發動機排放性能測試和催化轉化效率測試。 故障診斷、分析和維修指導功能 :通過對測量的廢棄參數變化情況的分析，幫助黑龍江工程學院本科生畢業論文 11 判斷汽車排放超標的原因，并提出修理建議，指導故障診斷和維修。如 :判斷廢氣控制系統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，進行“氣路泄漏自檢”操作，可檢測整個氣路有無泄露 現象。 圖 3.4 排放分析系統 3.2 實驗方案 1.測量怠速工況下排放特性 實驗目的 在怠速工況下，評定發動機的排放特性。 實驗方法 在怠速工況下，待發動機運轉穩定 2分鐘后開始測量。 測量項目 CO, HC, NOx 的排放值。 2.部分負荷工況實驗 實驗目的 在規定轉速下，評定發動機部分負荷下的排放特性和燃油經濟性。 實驗方法 在適當轉速下進行，發動機轉速不變，從小負荷 10N.m 開始，逐漸開大節氣門，每次多加載 10N.m 直至 80N.m 進行測量。轉速分別固定在 :1600r/min， 2000r/min、2400r/min 和 2800r/min，在每個測量點，待發動機運轉穩定 2 分鐘后開始測量。 測量項目 CO, HC, NOx 的排放值；燃油消耗率、三元催化轉化效率。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 12 3.80%油門開度下實驗 實驗目的 在規定轉 速下，評定發動機 80%負荷下的排放特性、燃燒特性和動力性。 實驗方法 在適當轉速下進行，節氣門保持全開，發動機轉速不變。測量點 :1500r/min, 2000 r/min， 2500 r/min， 3000 r/min 和 3500 r/min 在每個測量點，待發動機運轉穩定 2分鐘后開始測量。 測量項目 CO， HC， NOx 的排放值、有效功率、轉矩、不同的曲軸轉角對應的缸壓、瞬時放熱率和累計放熱率。 3.3 動力性分析 3.3.1 影響因素分析 汽油發動機的動力性能可以用平均有效壓力 Pme來進行衡量，它是發動機單 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行計算 15。 aevme LhuP = （ 3.1） 式中， Pme-發動機的平均有效壓力，單位為 MPa； Hu-乙醇汽油混合燃料的質量低熱值，單位為 MJ/kg； -過量空氣系數 ； L-理論空燃比 (質量比 )； v -發動機的充氣效率； e -發動機的有效熱效率； a -發動機進氣管狀態下的空氣密度（ Kg/m3）。 下面對式 (3.1)中的參數分別進行分析。 1.發動機充氣效率 v ，和進氣密度 a 發動機的充氣效率 v ，是實際進入氣缸的新鮮工質量與進氣狀態下充滿氣缸工作容積的新鮮工質量 的比值。乙醇的汽化潛熱值約是汽油的 2.9 倍，其產生的冷卻效應可以有效降低壓縮負功，提高發動機的充氣效率 ；而發動機的進氣密度 a 與溫度有關，乙醇汽油混合燃料的汽化潛熱較高，混合燃料蒸發汽化，一定程度上可以使進氣溫度得以降低，使進氣密度 a 升高。因此充氣效率 v ，和進氣密度 a 提高，平均有效壓力Pme 就得以提高。 2.發動機有效熱效率 e 。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 13 發動機的有效熱效率是內燃機實際循環指示功與所消耗的燃料熱量的比值，可以用下式進行計算 15。 hugee = 3106.3 （ 3.） 式中， e 發動機的有效熱效率； eg 有效燃油消耗率，單位為 g/Kw h ； Hu 乙醇汽油混合燃料 的質量低熱值，單位為 MJ/kg。 發動機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。根據實驗記錄的數據，可以計算出對比實驗中，發動機燃用 E0、 E10 和 E20 的有效熱效率，實驗中發動機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?？梢姡行嵝?e 降低，會導致平均有效壓力Pme 有所降低。 3.燃料熱值和空燃比 在發動機實際運行當中，過量空氣系數 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下的情況，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。根據的數據計算得到的結果見表 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 實驗結果分析 在實驗中，為了解摻醇率對發動機動力性能的影響，對油門開度 80%工況下，發動機燃用三種燃料后的輸出和轉矩進行了測取，如圖 3.5 所示。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 14 6075901051201351501000 1500 2000 2500 3000 3500 4000轉速 （ r / min ）轉矩（N.m）E0 E10 E20 圖 3.5 80%油門開度時轉矩 從圖 3.5 中可以看出 :80%負荷工況運行時，發動機燃用各種燃料后得到的轉矩曲線變化趨勢相同，燃用 E0, E10 和 E20 的扭矩相差不大。 發動機在 80%負荷工況下運行時，節氣門開度一樣，電噴汽油機的控制策略為開環控制，混合燃料噴射持續時間與 E0 的相同，那么噴入的燃料體積與 E0相同 ，由于混合燃料的熱值低，發動機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，將會導致循環放熱量減少造成發動機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，其產生的冷卻效應可以有效降低壓縮負功，混合燃料的蒸發汽化，可以使進氣溫度得以降低，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動機的動力不致降低。所以，在不改動發動機的情況下，發動機燃用乙醇汽油混合燃料時，動力性能與 E0 基本相當，只是略低于 E0。 3.4 燃油經濟性 圖 3.6、 3.7 和 3.8是發動機在部分負荷工況下燃用各種燃料后測得的燃油消耗率變化曲線。從圖中可以看出三種工況下，伴隨著負荷的逐漸加大，燃油消耗率曲線呈現出降低的趨勢 ； 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量低熱值和理論混合氣熱值均低于E0，所以在同樣的運行工況下，為了使發動機輸出相同的動力，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。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 15 2003004005006007008000 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩( N . m )燃油消耗率(g/Kw.h)E0 E10 E20 圖 3.6 1600r/min 時的燃油消耗率 2003004005006007008000 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩(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 黑龍江工程學院本科生畢業論文 16 2003004005006007008000 10 20 30 40 50 60 70 80 90轉矩(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濟性并不全面。因此，為了提高發動機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 )來進行不同燃料在不同工況下為發動機提供總能量的比較。其處理公式如下所示 : Ee=behu (3.3)式中， Ee 能耗率，單位為 MJ/kw h； Be 燃油消耗率，單位為 g/kw h； Hu 混合燃料的質量低熱值，單位為 MJ/kg。 10152025300 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩(N. m) 能耗率(MJ/Kw.h)E0 E10 E20 圖 3.9 1600r/min 時的能耗率 黑龍江工程學院本科生畢業論文 17 10152025300 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩(N. m) 能耗率(MJ/Kw.h)E0 E10 E20 圖 3.10 2000r/min 時的能耗率 10152025300 10 20 30 40 50 60 70 80 90轉矩(N. m) 能耗率(MJ/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，降低了混合燃料的能量黑龍江工程學院本科生畢業論文 18 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。 020406080100120CO HC Nox排放量/%E0 E10 E20 圖 3.12 怠速工況下排放 3.5.2 一氧化碳（ CO）排放特性分析 根據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。 04008001200160020000 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩 ( N . m )CO（ppm)E0 E10 E20 圖 3.13 1600r/min 時 CO 排放特性 黑龍江工程學院本科生畢業論文 19 050010001500200025000 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩 ( N . m )CO（ppm)E0 E10 E20 圖 3.14 2000r/min 時 CO 排放特性 050010001500200025003000350040000 20 40 60 80 100轉矩 ( 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 分別是發動機在三種不同轉速下 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，即在一定轉速下，隨著負荷的加大，三種燃料 CO 的排放曲線緩慢變化最后出現上升趨勢達到最大值。 這是由于電控發動機在中小負荷工況時是實行閉環控制的，根據安裝在排氣管上的氧傳感器的反饋信號控制過量空氣系數基本保持在 1.0 左右，此時汽油機用經濟混合氣工作，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，電控黑龍江工程學院本科生畢業論文 20 系統使發動機進氣量自動減小，以維持過量空氣系數保持在 1.0 左右。因此，在中小負荷工況，各種燃料的 CO 排放變化都不大，趨勢比較平穩而在大負荷時，電噴汽油機為了輸出較大的功率將會增加噴油量以形成濃混合氣，導致過量空氣系數小于 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反應 ，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。乙醇化學結構中的輕基 OH 使其燃燒反應特點與汽油中的各種烴類的有所不同，其燃燒速度和火焰傳播速度高十汽油，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，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動機的空燃比控制策略來決定的，在發動機達到某一 轉速或者負荷時，就要增大噴油量，以形成功率混合氣，而高轉速段混合氣的形成時間較短。所以，在高轉速段 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。 20002500300035004000450050001000 1500 2000 2500 3000 3500 4000轉速（r/m in）CO(ppm)E0 E10 E20 圖 3.16 80%油門開度下 CO 排放 3.5.3 碳氫化合物（ HC）排放特性分析 根據實驗各個工況對燃用五種實驗燃料 (E0、 E10 和 E20)后測得的 HC 排放值，繪黑龍江工程學院本科生畢業論文 21 制出下列各圖。 0501001502002503000 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩(N. m)HC（ppm）E0 E10 E20 圖 3.17 1600r/min 時 HC 排放特性 0204060801001201400 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩(N. m)HC（ppm）E0 E10 E20 圖 3.18 2000r/min 時 HC 排放特性 黑龍江工程學院本科生畢業論文 22 0204060801001201401600 10 20 30 40 50 60 70 80 90轉矩(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 分別是發動機在三種不同轉速下 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。這是因為在閉環控制區域內， ECU 的控制策略使過量空氣系數保持在 1.0 到 1. 05之間，三種燃料基本上都可以完全燃燒。然而由于乙醇的含氧量高，當乙醇加入后，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，也降低了高負荷工況下因為混合氣過濃導致的 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區域，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 排放變化實驗結果曲線。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 23 801001201401601801000 1500 2000 2500 3000 3500 4000轉速（r/m in）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.隨著發動機轉速的提高， HC的排放逐漸降低； 2.摻醇率越高，未燃 HC 的排放就越低。 這是由于節氣門開度保持一致時，隨著轉速的提高 ，燃燒速度得以提高，一定程度上降低了因火焰在到達壁面前由于膨脹使缸內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在排氣系統中的氧化一般要求排放系統仍有富氧和較高的溫度，而發動機在全負荷工況運行時也使得排氣溫度獲得提高，一定程度上為 HC 在排氣系統中的氧化創造了條件 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，又集中在定容區內燃燒，后燃的現象較少，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（ NOX）排放 特性分析 根據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。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 24 02004006008001000120014000 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩(N. m)NOx（ppm）E0 E10 E20 圖 3.21 1600r/min 時 NOX排放特性 01002003004005006007008000 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩 ( N . m )NOx（ppm）E0 E10 E20 圖 3.22 2000r/min 時 NOX排放特性 黑龍江工程學院本科生畢業論文 25 02004006008001000120014000 20 40 60 80 100轉矩(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 分別是發動機在 3 種不同轉速下 NOx 的排放曲線。從圖上可以看出 : 1.動機燃用各種燃料時，隨著負荷的增加， NOx 的排放都是先升高后降低。這是由于發動機在小負荷時，缸內溫度比較低，因而 NOx 排放較低 ；發動機在中等負荷時，混合氣濃度變化不大，但是缸內溫度上升了，所以排放有所增加。而發動機在大負荷時，供給較濃混合氣，氧不足，即使此時缸內溫度較高， 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 2.9倍，有使進氣溫度降低、火焰傳播速度減慢，缸內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 果是 E10 和 E20 這兩種混合燃料 NOx 的排放比 E0 要高。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 26 6006507007508008509001000 1500 2000 2500 3000 3500 4000轉速（r/m in）NOx(ppm)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 排放變化實驗結果曲線。從圖上可以看出 :節氣門開度一樣時，隨著轉速的提高， 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 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基本相當，只是略低 E0； 2.燃用混合燃料后燃 油消耗率明顯升高，燃油經濟性變差，但能量消耗率有所降低，如果用能耗率來評價燃油經濟性的話，燃油經濟性相差不大； 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加， co排放依次有明顯改善 部分負荷工況下，隨著負荷的加大 , HC 的排放在 3 種工況下，發動機燃用 E0 的 HC 排放始終最高； 5.NOx 的排放部分負荷工況下時，隨摻醇比例的增加， NOx 的排放依次升高。在部分負荷工況下，隨著負荷的增加， NOx 的排放都是先增加再減少。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 27 第 4 章 乙醇汽油的三元催化轉化性能研究 4.1 三元催化轉化器的構造及反應原理 4.1.1 三元催化轉化器的構造 催化器的結構，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墊，起密封、保溫和固定載體的作用，以防止振動機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，也有少數用金屬 (不銹鋼 )材料。加大孔密度可以提高催化反應面積，孔密度在 200 600cpi 之問，但考慮到機械強度和熱負荷，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 32OAl 為主，其粗造的表面可使壁面的實際催化反應表面積擴大 7 000 倍左右。在涂層表面散布著作為活性材料的貴金屬，一般為鉑 (Pt)、銠（ Rh）和鈀（ Pd）。 Pt 主要催化 CO 和 HC 的氧化反應， Rh 用于催化 NOx 的還原反應。 4.1.2 三元催化劑的主要反應步驟 主要反應步驟如下所示； 1) CO 和 O2擴散進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原子發生化學反應生成 CO2； 4) CO2再脫附回到尾氣流中； 5) NOx 分了擴散進入活性涂層，并化學吸附在活性位上； 6) N-O鍵斷裂形成 N原子和 O 原子； 7) 兩個 N原子結合成 N2，脫附； O 原字停留在催化劑上； 8) CO 分了與 O 原了結合成 CO2，脫附 ； 9) 反 應循環往復。 4.1.3 三元催化轉化器的化學反應 在催化接觸時間小于 1s 的催化轉化器里，要同時完成氧化和還原反應的確是一件很難的事。其卞要的化學反應如下 20: 1.CO 和碳氫化合物的氧化反應 : 黑龍江工程學院本科生畢業論文 28 2C0+O2=2CO2； CO十 H2O=CO2十 H2； 2CxHx+(2x+1/2 y) O2=yH2O+2xCO2； 2.NOx 的還原反應 : 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 : 2H2+O2=2H2O； 5/2H2十 NO=NH3十 H2O 其中，氨的形成是不希望的，應通過催化材料的合理選擇，加以避免。 三元催化轉化器同時降低 3 種排氣污染物的效果只有在汽油機當量燃燒，即過氧空氣系數等于 1時才能實現。因為， NOx 的還原需要 H2, CO 和 HC 等作為還原劑?？諝膺^剩時，這些還原劑首先和氧氣反應， NOx 的還原反應就不能進行?？諝獠蛔銜r， CO和 HC 則不能被完全氧化。 4.2 乙醇汽油三元催化轉化效率研究 根據實驗測得催化前后排放數據，計算得出各工況下三元催化轉化效率，繪出 部分工況三元催化轉化效率隨負荷變化的曲線。 00.20.40.60.811.20 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩（N.m ）轉化率E0 E10 E20 圖 4.1 2400rpm/min 時 CO 的三元催化轉化效率 黑龍江工程學院本科生畢業論文 29 00.20.40.60.811.20 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩（N.m ）轉化率E0 E10 E20 圖 4.2 2800r/min 時 CO 的三元催化轉化效率 圖 4.1 和圖 4.2 給出了三種燃料的 CO 三元催化轉化效率的變化趨勢曲線，在 2400 r/min 和 2800r/min 小負荷時，燃用三種燃料的轉化效率基本相同， E10 略高，趨勢不明顯；在大負荷時，燃用 E0 時的催化轉化效率最高，在 2400r/min 時 E10 高于 E20，2800r/min 時 E10 于 E20 相差不大。上述結果說明 :CO 的三元催化轉化效率和 燃料的含醇量以及發動機的轉速和負荷有關。 00.20.40.60.811.20 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩（N.m ）轉化率E0 E10 E20 圖 4.3 2400r/min 時 HC 的三元催化轉化效率 黑龍江工程學院本科生畢業論文 30 00.20.40.60.811.20 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩（N.m ）轉化率E0 E10 E20 圖 4.4 2800r/min 時 CO 的三元催化轉化效率 圖 4.3 和圖 4.4 給出了三種燃料的 HC 三元催化轉化效率的變化趨勢曲線，在 2 400 r/min 小負荷時，燃用三種燃料的轉化效率基本相同， E10 略高，趨勢不明顯；在大負荷時，燃用 E0 時的催化轉化效率最高，其次是 E10， E20 最低；在 2800r/min 時，整個負荷范圍內轉化效率相差不大，基本相同。上述結果說明 :HC 的三元催化轉化效率和燃料的含醇量以及發 動機的轉速和負荷有關。 00.20.40.60.811.20 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩（N.m ）轉化率E0 E10 E20 圖 4.5 2400r/min 時 NOX的三元催化轉化效率 黑龍江工程學院本科生畢業論文 31 00.20.40.60.811.20 10 20 30 40 50 60 70 80轉矩（N.m ）轉化率E0 E10 E20 圖 4.6 2800r/min 時 NOX的三元催化轉化效率 圖 4.5 和圖 4.6 給出了三種燃料的 NOX三元催化轉化效率的變化趨勢曲線，小負荷時，燃用 E0 時的催化轉化效率最高， E10 和 E20 相差不大。高負荷時，燃用三種燃料的轉化效率基本相同；在 2800r/min 時，低負荷時，燃用 E0 時的催化轉化效率最高，其次是 E10， E20。而在高負荷時轉化效率，基本相同。上述結果說明 : NOX 的三元催化轉化效率和燃料的含醉量以及發動機的 轉速和負荷有關。 4.3 本章小結 1.燃料三元催化轉化效率與燃料的的含醇量以及發動機的負荷和轉速有關。 2.CO 和 HC 的三元催化轉化效率大體上是隨著負荷的增加而下降， NOX的三元催化轉化效率隨著負荷的增加呈上升趨勢。 3.部分工況下，燃用 E0 的催化轉化效率效果較優于燃用乙醇汽油混合燃料的。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 32 第 5 章 乙醇汽油燃燒特性的研究 汽車發展面臨著環境保護和石油資源有限兩大瓶頸。而作為汽車核心的發動機直接影響汽車的經濟性、動力性、排放性、平順性，燃燒過程作為發動機工作循環的中心環節，將影響發 動機的品質，研究汽油機的燃燒過程對減少有害物排放，降低燃油消耗及提高動力有現實意義。發動機燃燒過程是將燃料的化學能轉變為熱能的過程。進入氣缸的燃料燃燒完全的程度直接影響到熱量分產生的多少和排出廢氣的成分，而燃燒時間或燃燒相當于曲軸轉角的位置又關系到熱量的利用和氣缸壓力的變化。研究燃燒過程的方法很多，但簡單易行經常使用的方法是測取示功圖，它既能定性，也能定量地顯示出工作循環的實際情況，獲得評價工作循環的有關參數和指標。由此不難對整個工作過程或各個不同階段進展的完善程度做出正確判斷。正是由于這些緣故，示功圖已成 為人們研究內燃機工作過程不可缺少的有效工具。要設計和改進發動機，或評定內燃機產品，也都必須取得示功圖并對其進行全面分析，以便為提高發動機性能服務反映了燃燒過程的綜合效應。 5.1 示功圖分析 在油門開度 80%工況下進行燃燒特性實驗，根據實驗數據繪出示功圖如下圖所示。 油門開度 30 % 0102030405060-15 -5 5 15 25 35 45 55Crank Angle degP(bar)E0 E10 E20 圖 5.1 油門開度 80%工況下示功圖 黑龍江工程學院本科生畢業論文 33 利用示功圖，在經過適當處理和計算后可以求出 1.表征整個工作過程的主要熱力指標 平均指示壓力 Pi等。 2.研究燃燒過程所必需的主要特征參數 最大燃燒壓力 Pmax、壓力升高率以及最大燃燒壓力點等。 3.根據示功圖進行燃燒放熱規律的計算。 從圖 5.1 可以看出，燃用乙醇汽油后發動機缸壓比燃用汽油的低，同時缸壓峰值到達時間推遲。主要原因是乙醇自身熱值低，同時較高的汽化潛熱也會導致乙醇汽油與空氣霧化不良，進而使得燃料燃燒不充分，發動機缸壓下降。同時乙醇較高的辛烷值會使燃料燃燒速度減緩。 從實測的示功圖和經處理后的數據得出表 5.1 平均指示壓力，在汽油機不作任何改動的情況下，燃用汽油乙醉混合燃料的動力性有所下降，平均指示壓力 Pi 和壓力升高率都比燃用汽油時低，且隨乙醇含量的加大而下降較多，這是由于汽油熱值高于汽油乙醇混合燃料所致。 表 5.1 平均指示壓力 參量 E0 E10 E20 平均指示壓力（ bar） 12.95 11.35 10.60 最高燃燒壓力（ bar） 51.94 45.24 42.58 5.2 燃燒持續期 根據燃燒放熱規律繪出燃燒放熱規律曲線如下圖所示。 黑龍江工程學院本科生畢業論文 34 00.20.40.60.81-20 0 20 40 60 80Crank Angle deg累計放熱百分比（%）E0 E10 E20 圖 5.2 油門開度 80%工況下累計放熱率曲線 020406080100120140-20 -10 0 10 20 30Crank Angle degkJ/m3degE0 E10 E20 圖 5.3 油門開度 80%時瞬時放熱率曲線 黑龍江工程學院本科生畢業論文 35 圖 5.2 和 5.3 為燃用 3種燃料的放熱率曲線。若將累積放熱量達 5%時視為燃燒開始點，將累積放熱量達 90%時視為燃燒基本結束，則累積放熱量從 5% 90%所占的曲軸轉角即為燃燒持續期。從圖中看出，燃用 E0、 E10