柴油发动机代用燃料概述检索作业

文献综述论文题目：柴油发动机代用燃料概述学生：高吉学号：2015510086院（系）：机械工程学院专业：动力工程及工程热物理2015年10月25日柴油发动机代用燃料概述高吉2015510086太原理工大学机械工程学院动力工程与工程热物理摘要：本文较全而地概述了主要代用燃料的物化特性、燃用经济性、排放试验对比结果和有关技术问题,简述了国内外燃用代用燃料的发展状况。代用燃料主要有醇类、生物柴油、水乳化、气体类等适用于柴油发动机,就各种主要代用燃料的工作过程、特点等方面进行了分析介绍。关键词:柴油发动机;代用燃料;性能，发展趋势引言：近年来,环境污染日益严重,内燃机特别是净化柴油机的排放物,成为发动机研究的重要课题。这不仅涉及到发动机本身,也涉及到燃料方面。目前,汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。而汽油和柴油都是不可再生资源。随着汽车工业的迅猛发展,对石油的需求量越来越大。全球矿物燃料资源的预测生命期,石油为40年,天然气为60年,煤为220年。日趋严重的能源危机对发动机的常规燃料提出了新的挑战。同时,由于世界汽车保有量的增加和各国对环保的重视,车用发动机面临着既要保持和继续提高现有性能,又要降低排放的双重压力。而发动机的排放成分除与发动机的燃烧过程组织有关外,还与发动机的燃料有直接的关系。汽油和柴油在改善废气的有害排放方面可做的工作已经相当有限,许多国家目前已把研究的目光转向寻求污染较小的代用燃料,这一方面可有效地减少废气的排放,另一方面也可保存原油产品和保护能源。针对能源危机和环境保护的要求,内燃机工作者从20世纪60年代起,就开始了内燃机代用燃料的研究,并且逐渐受到各国政府和相关研究机构、企业的重视,成为发动机研究的重点之一。1代用燃料1.1代用燃料的定义代用燃料指的是传统发动机燃料(如汽油和柴油)的替代品。美国能源政策法规将代用燃料定义为甲醇、非自然乙醇、其它酒精燃料或至少85%的这些燃料与汽油或柴油的混合燃料、CNG、LNG、LPG、氢气、煤炭衍生物的液体燃料以及生物质能源等。1.2代用燃料的分类发动机燃料是经过一系列演变发展过程的。长期以来,发动机是以液体的碳氢化合物系燃料为主的。当燃料中C含量减少,H含量增加时,燃料为轻质的,并演变为气体燃料。反之,当C含量增加,H含量减少,就成为重质燃料。从代用燃料的广泛含义来说,应包括:(1)品质更低劣的传统石油燃料,如过去一般不使用的劣质重油、残渣油;(2)使用形式变化了的燃料,如各种掺水的乳化燃料、固体粉末和液体混合的燃料;(3)人工模拟燃料,如将石油气和空气混合模拟成天然气使用;(4)人工合成燃料,将两种以上元素或生产企业的副产品人工合成可燃的燃料。从狭义的代用燃料来说,除了传统的柴油、汽油及上述几种形式的燃料以外,对目前使用和研究的代用燃料1.3代用燃料使用的标准良好的代用燃料应能满足下列要求：(1)资源丰富,价格适宜;(2)燃料的热值,尤其是混合气热值能满足发动机动力性能的要求;(3)能满足车辆起动性能、行驶性能以及加速性能等方面的要求;(4)能量密度较高、储存运输方便;(5)发动机的结构变动较小,技术上可行;(6)现有的燃料储运分配系统能用得上;(7)对人类健康、环境保护以及安全防火等无有害的影响;(8)对发动机的寿命以及可靠性没有不良影响。一种代用燃料要全面良好地满足上述要求是困难的,但应满足主要要求,并在采取技术措施的情况下,能满足各方面的要求。1.4代用燃料的选择在选择代用燃料时要考虑可供生产代用燃料的国家资源情况、工业发展水平、生产代用燃料的技术及效益、热机的适应性及发展趋势、环境保护等。而交通运输车辆需要大量品质较优的燃料,应优先考虑。热机与燃料是密切相关的,燃料的范围在扩大,热机的技术在发展,而它们之间必须协调,才能获得最大的综合效益。生产醇类燃料的资源丰富,尤其甲醇可从我国储藏量很大的煤炭及天然气中提炼,生产工艺成熟。近几年的研究及应用表明,在发动机中使用醇燃料,可以获得良好的动力性、燃油经济性及排放特性等。氢气虽然是良好的、清洁的发动机燃料,但一些生产技术问题,如生产工艺、成本及储存运输等,在短时间内难以得到完善的解决,而且生产氢需要消耗较多的电能,近期还不可能大规模研究开发。我国各地资源及生产发展不平衡,有些地区的植物、野生植物等生物资源丰富,有待开发。我国利用人畜粪便、植物茎杆及垃圾制造沼气的地区相当广泛,技术水平也较高。热机的技术在不断发展,往复式发动机在今后相当长时期内,仍将获得广泛应用。在传统的往复式发动机基础上发展起来的双燃料发动机、气体燃料发动机,在我国及世界上一些国家都取得了新的研究成果及应用,能够适应往复式发动机的燃料更多。其它热机如旋转活塞发动机、斯特林发动机及燃气轮机等各有特点,都有一定的潜力,有的热机还可以使用固体燃料,将在一定的范围内得到应用,但是否替代往复式发动机,则还不能作出结论。至于电动车辆,利用电池或燃料电池推进,没有热机高温燃烧时的能量损失及排放问题,是较理想的动力系统。但是一些技术问题如每单位功率的外型尺寸及重量、最大行驶速度及距离等都还未突破,要广泛推广和应用,还要经历较长期的研究工作。不同的热机将对燃料有不同的要求,推广一种新的代用燃料,也要求热机作必要的变动。由于挖掘生产燃料的潜力,燃料的品质将要下降。燃料的品质与热机对燃料的要求往往有矛盾,在选择代用燃料时,开展协调燃料与热机相互之间要求的研究工作,制定合理的燃料规范及改进热机的措施是很必要的,以便充分发挥燃料的作用和提高热机的性能。2种类及性能2.1天然气天然气是一种高效、清洁、价廉的工业和民用燃料及重要的化工原料。由于它的主要成分是甲烷,用作发动机燃料时,发动机尾气中的非甲烷碳氢化合物比汽油机的低,甲烷的排放量则相对要高。对于采用同样排放控制技术类型的汽车,由于使用的燃料不同,其尾气排放水平为:天然气汽车的非甲烷碳氢排放物比汽油车的低90%,而甲烷则高出9倍;其CO的排放水平约为汽油车的20%一80%;而Nox则视不同类型有很大不同,大多数情况下二者相同,而最低时天然气汽车的仅为汽油车的40%。用天然气作为发动机的代用燃料,对改善和优化我国的能源结构和减少发动机的排放污染,具有重要的作用。2.1.1压缩天然气(CNG)CNG作为发动机代用燃料的研究进行得较早,基本技术较为成熟。但早期由于压缩问题没解决,用作发动机的代用燃料受到很大限制。近年,由于CNG技术的成熟和加气网点的完善及对发动机排放限制的提高,特别是电子控制技术在发动机上的应用,CNG作为车用发动机代用燃料的研究重新受到重视。2.1.2液化天然气(LNG)LNG是天然气经过加工后的产品,在常压下,只有在一162℃以下才能呈现为液态。LNG具有成分单一、纯度高(甲烷含量较CNG的高)、燃烧性能好、排污低、安全性和使用性好等特点。在国外,LNG不仅用于汽车领域,还应用于铁路和航运。但对于商业使用来说,LNG的低温制取、存储及加气设施建设需要较大的投资;车用的电控燃料供给系统t匕较复杂;排放成分中,HC和CO较低,但NOx较高。国内对LNG技术的研究处于起步阶段。2.1.3天然气合成油(GTL)GTL的制取始于20世纪80年代末90年代初,可从天然气或者煤中提取原料加以合成。由于它在标况下是液态,这就使原来的石油装置可以不做任何改变就可使用。GTL最重要的优点是不含硫、氮、镍杂质和芳烃等非理想组分,属于清洁燃料。2.2氢气(H2)使用氢燃料的主要优点是:由于其点火能量小,易实现稀薄燃烧,故可在更宽广的工况内得到较好的燃油经济性。燃烧的主要产物是HZO和Nox,不产生CO和HC及硫化物,只需采取降低NOx排放的措施,是很好的净化燃料。氢在常温常压下无色、无味、无毒,HZ的单位质量能量密度高,可燃界限宽,空燃比变化时均可稳定燃烧,自燃温度高,要求的点火能量低,燃烧速度比碳氢燃料快得多,低温下容易起动,热效率比汽油高,污染低。目前不论是采用物理方式还是化学方式存储,都有一定的技术难度。其次是制取困难,理论上可从水、煤、天然气等原料中制取氢。但到目前为止,制取氢的成本及消耗的能量很高,还不能大量生产作为内燃机的燃料。2.3乳化燃油现在,大量研究实践已证明,使用乳化油不仅节能,而且可以大大减少环境污染,是一种很有发展前途的替代燃料。由于在柴油机上燃用乳化油,其燃烧特性与常规方式差异较大,不易掌握,使得研究所得结论有所差异,因此关于乳化油作为燃料取得节油效果的机理,国内外学术界尚有争论。2.4醇类燃料醇类燃料主要指甲醇和乙醇。醇类燃料的热值低,所需的循环供应量要大大增加;高的汽化潜热可提高充气效率,降低缸内温度,因而压缩比可以提高;燃烧速度加快可使热效率提高;醇类燃料的C值比汽油和柴油的小,完全燃烧时产生的CO2较少,H20较多;对于相同的燃烧热值,燃烧产物的比热相对较高,这有利于热效率的提高。此外,醇类燃料的着火界限较宽,燃烧速度快,在稀混合气中,火焰传播速度仍能保持较高,这使燃烧的定容部分增加,也有利于热效率的提高。循环压力的波动比汽油机小。2.4.1甲醇(CH3OH)凡是能得到CO和H20的原料都能合成甲醇,其原料丰富、工艺成熟,但设备投资大。目前主要是用天然气和煤生产甲醇。甲醇的优点是:辛烷值高,是醇类燃料中燃烧效率最高的;气化潜热较大,有利于燃烧室温度的降低和提高发动机热效率:使用甲醇可提高发动机动力性提高汽车加速性能;可减小NOx、CO和Pb的排放,利于环境保护。2.4.2乙醇(C2H5OH)乙醇的优点是来源广泛,可以从各种农作物和石油副产品中获得,既可同汽油、柴油混合使用,又可单独作为燃料;单位体积产生的热量和效率高于汽油,燃烧后的主要生成物为水和二氧化碳,污染较小。所以乙醇也是一种理想的发动机代用燃料。2.5水煤浆煤浆可分为:油煤浆、甲醇煤浆、水煤浆等。由于成本原因,对前两者的研究己经很少,国内外都以研究水煤浆为主。而精细水煤浆在水煤浆家族中占有较高的地位,是水煤浆中的精品。精细水煤浆在内燃机中的应用原理与柴油在柴油机中的应用原理一样。用柱塞式高压泵将水煤浆由低压转化成高压,然后送入喷嘴,由喷嘴以雾状的形式喷入气缸,进行燃烧。2.6二甲醚(DME)DME是最近才引起人们注意的新型代用燃料,试验结果表明,DME发动机与柴油机相比,具有近似的热效率,其CO和HC的排放水平与柴油机相近,NOx的排放有较大幅度的下降,而碳烟的排放接近于零,发动机噪声也有明显降低。二甲醚作为清洁代用燃料吸引了国内外众多专家的兴趣。2.7生物柴油生物柴油实际上是植物油与甲醇进行酷交换反应的产物一脂肪酸甲脂。生物柴油无毒性,可生物降解,对环境无害,并可以从可再生资源中提取。它有如下特点:热值高,燃点高,能量衡算高。目前实际使用中,各国大多使用质量分数为0.2的生物柴油与质量分数0.8的柴油混配,可用于任何柴油机。国外专家曾有试验表明:在柴油机上燃用生物柴油或混合物,除NOx排放略有升高外,其余主要排放物都有大幅度下降;在排气管里加少许水可使PM的排放大为降低,同时NOx的排放也略有降低。2.8碳酸二甲酯(OMC)具有高的含氧量,在一定比例下不需助溶剂就能很好地与柴油互溶,是一种理想的含氧添加剂。DMC可与柴油以任意比例混合,不需对原柴油机的燃料系统进行改动,一般是进行掺烧。相关试验研究表明,添加DMC后发动机的碳烟排放得到了显著改善,随着DMC添加比例的提高,尾气烟度逐渐降低,但当DMC添加比例超过15%,尾气烟度不能得到进一步改善。而当DMC的比例超过20%时,由于燃料品质的恶化,将引起发动机功率的明显下降。3代用燃料的发展趋势随着世界石油储量的逐渐减少和排放法规的不断严格,车用发动机代用燃料的推广将会成为一种必然。但是,由于种种原因,并非以上的几种代用燃料都会得到广泛使用。分析现有的技术手段,可以得出代用燃料的使用有以下几种趋势:¹以现代电控技术为基础,以压缩天然气为代用燃料的天然气车用发动机和双燃料发动机的设计和改装技术正逐步成熟,双燃料汽车的前景十分看好。以液化石油气为代用燃料的发动机可能在一些