101乙醇燃料在汽车发动机上应用技术的研究

山东建筑大学

硕士学位论文

乙醇燃料在汽车发动机上应用技术的研究

姓名：张为宾

申请学位级别：硕士

专业：供热、供燃气、通风及空调工程

指导教师：许伯彦

20060501

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摘要

石油资源的短缺和环境污染的加剧，使得世界磊圈都在寻找新的汽车代用燃料。而乙醇凭詹荬可褥生毪窝爨烧滂洁栏，已袋为国瘗乡｝汽攀代鼹熬辩鹣磷究重熹之～。餐是Ｚ；骜的燃料性质岛石油燃料有较大的差异，从而使得乙醇与柴油（或汽油）构成混合燃料在汽车发动机上应用时会存在棚分离和冷扁动困难等难题。为了解决以上难题，本文就国内外乙醇爨辩技本领域中懿两个热蠢——蘩油酵帮高滚庭汽油醇Ｅ８５，分爨进行了豹萋本燃瓣性质和发动机应用技术的研究。

为了解决柴油醇应用中存在的根分离和十六烷傻低下等问题，通过对微乳波艨理和十六浣值改进藕原理静瑾谂分街和试验戮究，筛选密了一静由正己薅＋乙醚＋壬纂翁聚氧乙烯醚＋硝酸异肇酯构成的爱含添加剂，其体积比为１：３：１：１。三元溶解相图和冷启动试验表明，添加１９“２％复合添加剂后，柴油酩的溶解性明驻提高，其冷扇动性已同予柴油的水平。稳定试验瞧表弱，１０％柒涵酵可甄绦持数胃稳定不分屡，飘瑟验证了复合添糯翔匏可行性。

由发动概台架试验研究了不同乙醇掺会率下（０－３０％）的柴油醇对柴油桃动力性、经济牲、攘旅特性帮燃烧将幢的影响，试验结果表明：髓着乙醇掺合率的增热，柴油薛豹燃油消耗率相成增加，但有效热效率却有所提高；使用柴油醇后，柴油机的主要熙气排放得剿改善，其中备穗工况下靛排气烟度都大幅度下降；ＴＨＣ、ＣＯ懿圣｛｝放浓度略霄撼裹，ｉ蓐淹乙醇掺合牵氆热，ＮＯｘ摊敖浓度呈＋Ｆ降趋势。由燃烧示功圈和放热规律蛰线魂表明了，与柴油相比，柴油醇的着火延迟期有所增加，但燃烧持续期变短；在低负荷时，缸内最高压力舞高比秘最高燃烧压力较柴油略有降低，但在赢受蕊时却又明殛提赢。

本文豹另～个关注煮怒着眼于解决Ｅ８５燃料在电喷汽油梳上使用嚣寸存在静低温冷瘟动困难，通道对不同乙醇掺合率下的汽油醇饱和蒸气压的分析，提出利用拔头油来解决Ｅ８５冷启动闷越，著通过馁程试验、雷德蒸气压试验秘冷襄动试骏避行了可行憋验证，结聚表明：在乙醇中加入１５％拔头油后，Ｅ８５的ｌＯ％璃蹬温度耜眈汽油降低了４＂Ｃ，雷德蒸气压已达到８３．６ｋＰａ，从而使得Ｅ８５的挥发性得到改替。而冷启动试验也表明，Ｅ８５的冷震魂性已按邋汽ｉ杰的效果。芙键词：柴油醇；汽油醇；添加剂；相分离；十六烷慎；冷启动性

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

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ｍｌ建筑大掌目ｌ★掌ｍ论文

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤｉｅｓｏｈｏｈＧａｓｏｏｈｏｌ；Ａｄｄｉｔｉｖｅ；Ｐｈａｓｅｓｅｐｅｒａｔｉｏｎ；Ｃｅｔａｎｅｎｕｍｂｅｒ；ＣｏｌｄｓｔａｒｔｉｎｇＩＩＩ

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第１耄绪论

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鸯１８７６颦德瓣嶷牦（糯ｅｈｏｌａｓＯｔｔｏ）耩营《盛凌了第一台霞冲程火花点火式内燃梳鞋楚蠹｝豹性疑，在汽擎锁壤始终辍持善统演壹蠡氆；攒攘遂，２００５年来全世器汽率爨瓷豢基秀凝，裂２００５年爨突增至２７０９，５万辆，薅置其碧长势头富壤茏城，鬏诗２０ｔ０零我嚣汽率傈育量褥翻一番，这蜀５５００万辆器喝。煎舅一方面，汽车程带给人爨社会摄大蟪方便霸促进各阑产业发展酌同时，冀傈商量的懑猛增长也造成了大爨豹石漓澳耗和辩人类赖以生存鹣自然环境静严黧污染，如傅在发展汽车工啦的嗣时解决箕带来的能源和环境问题，鼹汽车工业乃歪整个文明社会黼要亟待解决的重大瓣题，这也鼹决定内燃桃能蠢作为汽车

一直戮来，汽车的燃科主蓊是汽酒和綮油，它们程燃烧过程中产生的有害成分童要为一畿豫穰＜ｅ０）、碳慧《｛：合镌（鞭Ｃ）精氮缀纯镪（Ｎ呶），同时禳据燃耩镣级的嫠辩，还因黼氇器梵簿气污潦物。攥我溪环保都ｆｊ撼供的鼗罐，在ｊ℃塞、上海、广鞭等大撩帑，梗来，内燃机ｌ乍为汽牵动力融经缝历了１３０掣的不断竣邀和发展，并凭偌其燕效的热效率和达到８亿辆，平均每７。５人攥骞ｌ辆ｆｎ。露整我国，１９８５年全凝熬掇动举保寄爨仅为３００麓办继续嚣在下去的必键掰泰。歪予痰燃瓿汽率是喾会在慧霹麓疼竣惑秘汽车竣穗箕它魂力装置的波攀所取代，熳：ｉ黩美嚣鄹其它国客汽车工业赛嬲学术弊鸯钱表键麴专家袭零：在霹黻谟霓豹将来，瘫燃艇餐将燕汽车骢主流菱凌舔，并在２ｌ擞纪穗当长羚霹阕蠹佬蒋僳掩下去燃。｛．１，１汽率逡壤翡石油渍蕤耧环璇污染藏毽公有不同程度的硫氧化物（ｓｏｘ）、镑化台物和微粒簿，这些肖落成分媛终由热气管摊班，动事对大气的浮染都跫经达到５０％以上，毽此汽车拱｝气污染基或建享主会公害，戏势一令滚键罴要解决熟窝透。在汽车发矮靛藏麓，虽然汽牵茨动瓿技术秽黯蘩嚣，单经汽罄骞害嚣气莽｝藏魄现在的汽率高的多，德国予汽车傈有量较小，汽车蔫气并未辩大气环境潦成严熏的影响，黼戴限翩汽车滗气辩放没青弓｜超足够的黧褫；毽进入近代以意，茏萁是以１９４３年的洛移矾市“蠢他攀烟雾”为代袭开始，汽车有害物排放逐渐成为ｌｌ￡界大气环境恶化的最主要原因之一，限制汽车尾气霄密排放已成为世界憔的课题。以１９６６牮美潮加州颁布

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的第一个汽车摊敖法规兔始点，治疆汽车排羧污染的工作逐渐农企球震开，毽界上缀多国家相继颁布了备种限制尾气排放的法规，如欧洲汽车熙气排放橼准（欧Ｉ、欧ＩＩ、欧ＩⅡ、欢Ⅳ等）。銎裁。尾气治疆工作兹羹成效，美滏，基本秘欧渊各麓豹汽车鬟｝藏拳平与１９７０年排放水平相比已降低了３９％以上１７】；但由于全球汽车保有量的持续高速增长，汽车排放污染瓣现状仍卡分严嫒，在姿蓑国辩嚣壤形势严重蔻撬熬雩春猿下，降低甚囊漤除汽晕怒气排放仍是势在必行的世界性课题。

舞～方霞，逐年增魏赡世雾汽攀保煮量邈大大热测了石油的淡耗。众辫周知，嚣漓必不可再生资源，据国际搿油组织估计，按目前已探明的石油储墩和现在的石油消耗速度，世界阿用石油资源只可维持３０－－４０颦｛甜，因此石油作为最重要的战略资源殴成为全世界争夺的秘标，由Ｊ魄爆发的谶界范围内的局部战争不断出现，今后全球范围的蘅油危机在所难免，以汽油和柴油为燃料的汽车将面临着严峻的燃料短缺局面。世界石油能源短缺和发态环境保护作为２ｌ整纪入类露箍静主要运透，盛将对汽车传统鹩蠢灌燃瓣发起撬酸，因就合理她利用资源及开发“清洁代用燃料”将怒国内外汽车行业所面临的首霾问题。１．１．２汽车代霸靛源

霹翦，针对｛ｌ§源短缺农琢境污染等瓣遐，入髓主鼹从二令方嚣来寻求鼹决方法：

１）电动汽车

呶动汽车又凳为混食动力汽率和燃料电池汽车。混合动力汽车（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ：ＨＥＶ）是指包含两种或两种以上动力能源并能协调工作的车辆。目前，混裔动力汽车主要着眼于内燃机一蓄电池混合驱动的研究【９】，主要技术怒利用蓄电池将内燃机产生静多余能鲎储存起来，嚣在较小鹣负蓊霹关闭发动橇程蘑电动祝来驱动汽车，因魏疆离了能凝利用率。但由于增加了一套电力驱动系统以及两套传动系统之间的控制系统，车辆秘逡成本程蠹臻麴，终梵簧逶汽瀵孥豹一蹙狱主。

燃料电池汽车（ＦｕｅｌＣｅｌｌＶｅｈｉｃｌｅ）是一种将液氢和飙的化学髓通过电极反应直接转换交噻簸戆汽车。峦予其反应生残物楚拳，爨以燃餐毫溜汽车孬驶时将实瑷零鬟｝藏，是爱理想的汽车代用能源。日本的丰田和本田汽车公司在２００２年底雁式向市场推出燃料电池汽车，锻其生产成本是现鸯汽油车驰几＋售，攥说售馀这２亿曩元【Ⅻ，共基仍存在滚氯燃料的搭载方法镣问题。燃料电池汽车高昂的生产成本、使用成本以及通用饿差等缺点决定了它们在短期内尚不能普及。２）清洁代用燃料

汽车代糟燃料引越重视始予２０髓纪７０年代第～次世界群油危机酹，值随着石漓危税的暂时缓解，代用燃料汽车并朱成为汽苇发震的主流，车用笈动梳仍戳汽漓梳和荣淮梳为燕导。壹懿上鬣纪粥年代串籁，稳球大气环境韵严重繇倦藕石涌资添鹃禚辩短缺逡使各嚣衣务大汽车生产厂家秀叁身能源结椽安全帮对未来汽车枣场豹占寿，开始大力投资发震代是燃辩茂车。毽兹，漕涪找擐燃料汽攀豹发展已里多元纯，熟堰缭关然气（Ｑ《Ｇ）、液化石沩气（ＬＰＧ）、二甲醚（ＤＭＥ）、甲醛（ＭｅｔｈａｎｏＩ）、乙醇（Ｅｔｈａｎ０１）等代用燃料郝具有可行性。

ａ）气体燃料常温下，天然气和液化石油气都是气体，因此使用前需要加以液化才能供汽车使用。由于燃料鹾力的差异，需要对汽车的燃料供给系统进行改造，所以只能在ＣＮＧ汽车、ＬＰＧ汽车或改造聪的汽油机汽车上才能使用‘ｎ】ｆ１２ｌ。此外，研究者对不作任何改进的汽油机进行了燃用ＬＰＧ试验，结果表明，其最大功率下降了１３．７１％［１３１［瑚。渤力性下降也成为制约ＣＮＧ和ＬＰＧ燃料进行大磷积报广的主要茵素。目筒，ＣＮＧ鞴ＬＰＧ多用予公交举和密穗苇上。

ｂ）二泽醚由于二甲醚韵＋六演穰嵩显其袁｛羲捧敖和蒜熬效率等饶点，嚣鼗霹耀终蘧燃式内燃枫懿燃料。惑二甲醚在磐瀑下是气体，与ＣＮＧ袭ＬＰＧ类镢，搜羯蔻酆嚣簧进行波化，势需簧对发动投燃料供绘系统遴萼亍改造；此终，二甲醚媳成本较舞ｆ１５ｌ，爨以目前尚没有避行攒广使用。

ｃ）醇类燃料醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。由于醇的物理化学性质煨接近石油燃料，因此可直接在现有汽车上使用。但由于甲醇有剧毒，对人的中枢神经和眼睛具有损害，摄入５－１０ｍｌ就会中毒，３０ｍｌ就会致死【１５】；此外，由于甲醇存在着冷启动困难和金属腐蚀影响，因此翻内外也只是在特定区域内做精示范性应用。

乙醇是霞前噍一进行大面积商业推广的清洁代用燃料。截至２００５年末，巴西全国有ｌ，３的汽车全部使闻汽油醇燃料，美爵有１７个稍开始大璇积推广汽油酵燃秭，在我国也已有９个省开始熊广餐雳汽油醇燃料（乙醇掺会率为ｌＯ％）。这主蘩是因为，乙醇楚含裁然辩（Ｃ２ＨｓＯＨ），在燃浇过程中糍够产生鑫供氧效瘦，鼓褥使发动枫整态燃烧更鸯充分秘均匀，捉使燃烧过程孛嶷都映氧钓状涎褥裂改警，麸褥降低汽车尾气毒褰貔矮靛羲｝教。荚次，乙醇是可再生资源，可以从拨物的秸群和粮食中黻铡，两魅乙醇燃烧后撼出的二氧化碳可以邋过檬物的光合ｌ乍用进行吸收，从丽降低了大气中二氧化碳的含爨，减缓全球湿嶷效应的影响，形成良性循环，如图ｌ－ｌ所示。综上所述，乙醇作为汽车燃料可以解决目前汽车行业所丽临的石油资源缺乏和环境污染严羹两大难题，因此也被公认为最具有推广价

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俊的清洁代用燃料。

图ｔ－１乙懿霉生循环流程圈

１．１．３我国发展乙醇燃料豹必要性和埘行性

从我国颟临的汽车尾气带来的环境污染、大量石油进口以及逡年丰收带来的粮食过剩盼三大难题策考虑，在我灏维广癍霜己簿清洁代甭燃料吴有重要静战略意义。

１）改善大气环境汽车尾气已成为城市污染的最主要来源，而乙醇是齿氯燃料，可以促进缸内燃烧更为充分，减少汽车怒气的有害摊放，从丽降低环境的污染。使用乙醇燃料磊，汽擎瓣有害尾气摊放量大幅度降低，其中一缀｛乏碳捧教蠹降低约３０％－－３８％，拜发性有机化含物（ｖｏｃ）约１２％，氮氧化物排放量略有上升（绝对爨极少），有害物质排放平均降低ｌ，３蚨上［１６］１Ⅲ。可以看出，乙黪偿为含氧燃料，可显著降低汽车尾气中的蠢害物，怒到净纯空气静功效。

２）节约石油资源众所周知，石油是不可荐生资源。而目前，我国的能源消费几乎全部依赖这些一次性资源。从我国能源结构现状来鬻，我国的露油储量只占徽赛石油总诺量的４．３２％，石漓资源并不丰富且相辩入均石油资源更加贫乏。豳际能源税构公布的《石油市场报告》褒明，２００４举中国的日需石油量将达到５８０万桶，即每天８０万吨（一吨约会７。３撩）黉求，换言之，２００４年中圜石油是量达到３亿嚏左右。这将使中嚣逐步取代嚣本，成为全球第二大石油消耗大莺。褥近几年随着汽车保有量邈遽增加，我豳已成为石油进口国。冀察自从１９９３年开始，我囡作为“石油净出口国”彻底成为历史，并在进口数曩上连续多年保持“毫敬猛进”的态势。根据商务都枣场运行调繁司的摄邋ｆⅢ，２００４年中国石油的避口量已这副１．１亿吨，商这其中将有１，３的石油消费量被汽车所消耗掉。蒋以我国现谯每年消耗汽油４０００万吨计算，假如其中１０％用乙醇代替，４００万吨汽油ｌ毒

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冬可萤约擞澶进口２０００万吨以上。这不但可节省大量外范，丽且对潮家的发震战略具有麓要的影响。

３）攘动粮食转化，带动农民增收与贫乏的石油资源恰恰相反的是我国大量的粮食过剩。＿ｉ琏年来我国农业生产连年丰收，粮食综合生产能力汪接近５亿缱，实现了农产豁供给由长期短缺到总量基本平衡、丰年裔余的历史性转变，仅玉米一项库存就达到ｌ亿吨左右，丽麓大都成了藩纯穰。全鬻汽油溺赞量每年邋４０００万淹，鲡果乙簿汽涵狻添热１０％己醇计算，需变性燃料乙醇约４００万吨，可消化粮食１０００彩万吨，使农民增收１００多亿元，这对转纯藩纯黢秘乙醇生产金整都褥提供一个基大熬市场ｌ斓。魏强，乙黪逐毒淡穗用植物的稿秆酿制，如甜菜、甘蔗、甜商粱等，因此使用乙醇燃料后，势必会对农业经济产生一定豹良蛙砖蠢，麸夏改变基蘩农敝经济兹攀谖蛙，援滋农业经济豹多元能发晨，霹有效地缓解农民的低收入问题，这也符合国家“三农”政策的要求。

综合考虑我国的空气污染现状以及减少对石浊资源的依赖，进一步提高资源的合理利粥，优化自％源结构，充分利用五醇可再嫩能源，促进社会缀济的可持续发展，谯我国发展和推广乙醇燃料汽率意义非常重大。

１．２乙醇的物理化学性质和燃料特性

｛＋２．｛乙熬豹狻理识学牲褒

乙醇熄由烷基（－Ｃ２Ｈ５）和羟基（－ＯＨ）组成的化合物，这决定了它本身就是一种很好豹含襞谯雳燃耱。羟基（－ＯＨ）孱予羧毪键，｛嚣嚣淫孛静羟分子都怒饕毂毪努子，因魏乙醇的燃料性质与普通的石油燃料有一定的差别，表１．１列出了乙醇岛柴油、汽油的主要携理耗学憋蛙ｐｏ］。囊表ｌ。Ｉ霹絮，与石濑燃秘攘魄忍簿有懿“Ｆ特熹：怒含氧燃料，其燃料的“自携飘性”可达到３４．８％；但是乙醇的低热假、凝固点、闪点、粘度和十六烷值都要魄汽浊和紫浪低，瑟警烷擅、囊燃温度翻汽化潜热稳比汽浊髑柴油要麓的多，其密度奔于汽油和柴油之间，沸点远远低于柴油，着火界限也较汽油和柴油宽广。表ｌ，１醇和汽油、柴油的主要物化特性的比较

些苎塑查整竺妻兰蛩竺苎．

物理状态渡液滚灌

事运存储状态涟液液渡

液态密度ｇ／ｃ甜０７２～Ｏ．７５Ｏ８３０．７９６０７９０

沸点℃３０～２２０１８０～＇３７０６４８７８３

饱和蒸气压ｋＰａ６２．０～８２．７６９．０３１．０１７．３３

质量｛氐热擅ＭＪ／ｋｇ４４．５２４３２０．２６２７．２０

低熬藻ＭＪ／Ｌ３２，∞～３３。３９３５．６９１５，１３２ｌ４９

汽诧潜热ｋＳ／ｋｇ２９彳２５０１１０１８６２

自燃点℃２６０～３７０２５０４７０４２０

闪点℃－４３６０ｌｌ２ｌ

催化裂化８８～８９

辛靛谴（ＲＯＮ）１１２ｌｌｌ

催化重接９５～９９

借化裂化７７～７９

辛烷值（ＭＯＮ）９５９４

摧化重魅８３～８６

十六烷僮２７４０～５０８

最低点次能羹０．２５～０３

空气中可燃体积眈％ｌ３～７６５．５～３０４３～１９

理论空燃比（质懂比）１４８１４５６４７９．９９

理论空燃比（体积比）５８．４８４．２７．１４１４．３

比熟ｋＪ／ｋｇ２．３１．９２．５５２７２

凝霾点℃—５７．１～－４ ９８．１１４

魂力粘壤２０＊（２ｃｐ０．４２３．７０．６｛＋２

运动穑壤２０℃ｃｓｔ０６５～ｅ．８５２．５～８５

１．２，２艺醇燃料的饯缺点

由裘１．１可以看出，乙醇的物理化学性质相比石油燃料有较大的差异，因此乙醇燃料在汽车发动机上应用时，虽然存在诸多优点，但也存在相成的缺点。

１，２．２。１乙簿燃料的优点

１）乙辣是食氧燃料，含氧量达到３４．８％。因姥在燃烧过稷孛憩够产生叁供氧效残，６

使得发幼机的缸内燃烧更为充分和均匀，促使燃烧过程中局部缺氧的状况得到改善，从而降低汽车尾气有害物质的摔放，达到节缆和环境保护的目的。

２）己醇具商极好的抗暴性能，其研究法辛烷值达到１１１。着与汽油混合使用，己浆可以有效地提商燃料的辛烷值，调合辛烷值一般都在１２０以上，因此提高了燃料的抗爆性。星藏，汽浊规的压缩比一般在ｇ￣９．５左右，根据磷究，乙黪掺舍搴在１５％一２０％融，可以适当的提黼压缩比１—２，从而获得觅好的经济性和动力性。

３）乙醇懿食氧量寒，理论空燃魄簧跑桨演低，羁转静窆气霉瑷燃烧更多戆燃精，嚣此可以增大喷油量，提高发动机的功率。

郫乙醇静汽仡潜熟缀高，标准混合气的汽纯溢箨为７４．８℃，丽汽溜仅为１８℃。因＿｝靖：乙醇在蒸发时，需要从周围吸收大量的热量，从而降低了缸内的温度，因此可以增加避气量，键高充气系数，而且还Ｗ以减少发动祝爆振现象的产生。

５）乙醇的麓火界限宽，火焰传播速度快，两且过擐空气系数变化藏围为０．６～１．８，因此有利于使用稀薄燃烧技术避一步提高发动机的经济性和减少有害气体排放。

｛．２．２，２乙藜燃搴ｌ｝戆缺焘

１１稳定性藏

乙簿牵静羟基与窳瓣生畿氢键，嚣魏在汽滴、荣漓审渗入乙酵容荔发生穗分离。这是由于乙醇对水很敏感，微量的水分就可以萃取混合燃料中的乙醇，促使柴油和乙醇分层。此外棍合燃料酌熟稳定性很差，温度豹剃烈交纯也可阻碍Ｉ起燃料发生相分离，因Ｉ毙要在混食燃料中加入助溶剂，提高燃料的稳定性。

２）着火特性差

乙黪嚣＋六烧篷大约必８，逶低予蘧逶柴涟瓣４５，－－５５。毽冀紫渣孛翔入乙薅君，十六３）冷启动憔差

乙醇的汽化潜热较潞，约为汽油酌３倍，柒油静３．５倍。此外，乙辩的标糯混合气汽艟的热量，进一步降低了缸内温度，从而蒸发进～步恶化，所以使用乙醇燃料后，汽车的

４）商机排放提高

乙释燃料在簿撩ＣＯ、Ｎ文、ＴＨＣ鬟｝藏骜潮瓣，由予寒完全燃浇懿乙释或分子阉发生７烷值要大幅度降低，着火特性变差，所以雾在燃料中添加十六烷值改进荆，改善其着火特链，这毽是蒙ｉ囊｜孛哭爨与少量乙簿掺浇熬暴霹。化温降为７４。８＂Ｃ，丽汽油仅为１８℃。因此在低温冷启动时，乙浆蒸发嚣要从周阑吸收大低澄冷感动性蜂恶豫。

ｍｌ爿Ｌ筑＾掌壤±掌憾｝｝文

化学反应，因此糖应蠓鸯曩了有枧物矮驰接教，翔醛类窥醚类撼放。

Ｓ）腐蚀性大

醇类具有较强的化学活性，能腐蚀铝、锚、锰、塑料、合成橡胶等，而这蟪材料是汽油燃料汽车的典糙材料，如燃油箱、油浆、油泵膜片、化油器、浮予和许多密封件等将迅速损坏。另外，乙醇与汽漓鹣混合燃科辩橡胶、塑瓣翡溶瓢俸霜院摹猿的乙醇或汽漓都强，混会２０％乙酵时，对橡胶的演胀最大。

１．３溪宠蛰艺藜汽车黪发曩凝棼｝突褒弑

瓣蓊，乙醇程汽车主静瘫甭方式主鎏有豁下死释：

１）纯烧，撰单独使爆缝乙醇馋汽溜规燃辩；

２）掺烧，指乙醇与石油燃料（汽油或柴油）的混合燃烧；

３）变性燃料乙醇，指乙醇脱水后褥添加变性剂而生成的以乙醇为主的燃料；

４）灵活燃料，指既可以使用汽油，又可以使丽乙醇或乙醇汽滴以任何比例浞合的熊辩。王作辩由燃料俦惑器识掰燃料成分，逶避ＥＣＵ疆供发动橇最麓运孬参数。

练会凰内步｝磺究文欺，对Ｚｔ醇燃料豹璎究秘搜照主要还是以乙黪鄹石演燃料的掺烧为主。瓣按照掺烧的不嗣方式分类，主要有三种：汽油醇、柴油醇和灵活燃料汽车（ＦｌｅｘｉｂｌｅＦｕｅｌＶｅｈｉｃｌｅ）。

１．３．１汽油醇的发展及研究观状

由于使用纯恐醇燃料时，容易造成冷启动困难或暖机时间过长等难题，所以在实黼应用中很少使用纯乙醇燃料作汽车燃料，而是将乙醇和汽油混合用作汽车燃料，称为汽油醇。根据乙醇掺合率的不同，汽油酵又分为低浓度汽油醇和商浓度汽油酥。

低浓度汽、漓游是戮少量忍醇豹掺烧为主（菇Ｅ１０，１０％俸秘琵的乙醇釉９８弱汽漓豹湿会燃辩），鞠此只毙哲孵缓解石油资源鹣漕栽，教也被豫为过渡燃料。恧艇虫予乙醇的掺合率较小，对燃料性质的改变不大，可以直接在汽车上应用，因此在世界备国都得到了太面积的推广使用。其中，巴两是最早使用汽油醇燃料的国家，早在１９７５年，就制定并实施了汽油醇全国计捌，并颁布了国家汽油醇标准。醋前，巴西政府蕊定出售的汽油内必须渗入２２％豹乙醇，嚣基金霞露ｌ岛瓣汽车镬焉乞醇燃料，并量哥戳在全国经簿～令麓油站加入。在美国，从２００３年１月１聪起开始全豳禁用ＭＴＢＥ终汽油的抗爆裁，转必傻煺乙醇作抗瀑剂。目前，美国已肖１７个州、市立法规定，所肖汽车必须使用掺有５。１０％Ｌ醇

ｍ意蹲麓＾．掌ｍ嘶掌‘峨％ 史

豹汽演簿。按可再生燃辩协会绞诗，２００４年，美翻终必汽车燃料销售憋乙醇遐达到２３亿秀瓣仑，妥２０１２年将达蟹５０亿捷仑。两在我国，撮据鬻家《变健燃料乙醇及擎雳乙醇汽油“十五”菠震专顼规巅》，至２００５年底，我国的滴南、安徽、黑龙江、专稀、辽宁五省全境和泼苏、河北、山东、湖北四省的部分地区基本实现汽油醇替代无镑汽油。规划中所需燃料己醇１０２万吨，按１：９（体积比）的比例加入汽油中，汽油醇的产煮将选１０２０万吨左右，也就是说２００５年底，汽油醇将占企国汽油总墩的１／４ｔ２”。

高浓度汽油簿一般是攒乙醇掺台率大予２０％的汽油醇，如Ｅ３０、Ｅ５０、Ｅ８５和Ｅ９５。

由于裹浓度汽浊醇中含有部分汽油或其它较烃戏分，馒终其蒸发性剃冷癌动性Ｓ％较纯乙簿燃料毒较大她改善，但楚受五酵高掺舍攀豹影嚷，仍存在冷痿动困难。因此，冒外爨上链纪粥年代露就致力予Ｅ３０、Ｅ５０、Ｅ８５和ｔ３９５静冷宿动性、籍｝敖特性、瀚力性和经济性等方面的研究；诧外，受己醇低熟值较低、导电稳好、腐蚀性强等燃料性质的影响，发动税配件的改造也成了研究蓬点。Ｖａｉｖａｄｓｅｔ甜［２２】对不同乙醇掺合率下汽油醇的着火特性进行了试验研究，并建立了着火特性的理论模型，研究结果表明高温下，高浓度汽油醇的着火特性要明显优予汽油，而在低温下却劣于汽油；Ｐｕｍｐｈｒｅｙｅｔａｌｔ２那建立了不同乙醇掺合率下的汽油醇饱和蒸气压的数学模型，并对汽油酵的饱和蒸汽进行了理论计算；Ｅｄｗａｒｄｅｔ砖删提出剥髑１８％标准汽潮（正辛熄）来改善Ｅ８５豹玲癀动蠼，势针对汽潼黪的腐蚀性对发动税的供灌管路和漓箱等部侮进行了材料爨选；ＫａｒｅｎＡｕｂｉｎｅｔａｔ．站５１零ｌ雳一些易挥发成矜来提高燃料的低温挥发蟹，获而改善了Ｅ８５的冷稿动往，并对Ｅ８５静莉｝敖特健进行了试验研究；美国ＥｔｈａｎｏｌＶｅｈｉｃｌｅＣｈａｌｌｅｎｇｅ［２翻协会刚提出添加辅助启幼油箱或提商迸气温度等方法来冷启动问题。在囡内。只有吉林大学【２刀对纯忍醇燃料进行了试验研究，而对Ｅ８５的研究，通过文献检索还没有看到。

１．３．２柒油醇静发袋及磷究现状

柴油醇是由柴油期少量乙醇混秘两成豹燃料。囊予五醇援易溶乎水，因姥当乙醇和柴油焱混会黠，蓉有徽量拳分存褒，水分裁霹默萃数柴涟簿孛的乙醇，造成捆分离；褥虽柴油醇的热稳定性禳麓，鲞溢菠发生大幅度变住辩，毽会学｜怒柒漓醇发生褶分离。藏外，乞醇的汽化潜燕怒柒滴的３．５倍，蒸发时迸一步降低缸内温度，加之忍醇的十六烷值穰低，抗爆性很强，燃料不易压燃，因此也带来了低温冷扁动困难和暖车时间过长等濉题。柴油醇的稳定性和冷启动性是限制其推广的重要难题，因此国外早在上世纪７０年代就开始对柴油醇的稳定性和排放特性的硪究。Ｍｏｓｅｓｅｔａｌｔ２８１摁出刹用单一的商用表面活他剂米改善拿

ｍ撒建筑＾掌ｗ女掌位＊，０≈

柴油醇的稳定性，并自％保持数月稳定；Ｂｏｒｕｆｆｅｔａｌ［２９］掇出了一稀由离子型表瑟活性裁稻足耪溥滔添加剂组成的微乳化剂，柴油孵中添加徽乳化剂后可形成透明稳定的微乳化液，并可以程．１５．５℃保持稳定；Ｍｅｌｔｉｎｇｅｔａｌｔ蝴ａｎｄＬｅｔｃｈｅｒｅｔａｌ［３１１利用乙酸苏酯作柴油醇的驹溶裁，镶是在Ｏ℃下柴溃帮乙醇簿完全亘溶时，乙酸乙鹣和乙黪的比铡为ｌ：２，因此添加量过大；美国ＰｕｒｅＥｎｅｒｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ［３２】公司是辩一家撮比商用柴油醇添加剂的公司，在１５％柴灌释串添黧２‰５％翡添蘸裁胃戮搜蒙演癸绦持稳定：嚣荚潼ＡＡＥ羝强ｏｌｏｇｉｅｓ【３２ｊ提出利用１％和１．２５％的添加剂可以改善７．７％和１０％柴油酵的稳怒性；以上两家公司提出的添加帮郡楚可孬生自ｌ滁，丽Ｂｅｔｚ－Ｄｅａｒｂｏｍ［３３１公弼年ｌ焉石漓亿工涮晶来改善柒灞群稳定浚。

在对柴油醇稳定性研究的基础上，很多研究者也提出了蝴应的添加剂的专利，如专利ＵｓＤｔ０３５２７５８１５［３４１、Ｕｓｐｔ０３８７６３９１［３５ｌ、Ｕｓｐｔ０４０８３６９８［３蝣和Ｗ０９９３５２１５１３７１中都介绍至４利粥襞纯渡技本来麟决柴油游的稳定性，多是利用２释或多秘高分予聚合物的酸或酯作助溶剡，但是由于乳化液会迸一步降低乙醇的蒸发，从而没有得到商业推广。而ＩａｎＷｉｌｌｉａｍｓｏｎｔ”’绘窭≯～耱稳定澄清瓣掺醇浆薅ｌ燃秘，与蔻瑟奔绥兹足簿专剥不凌载建，使煺不曩酞藏类物质酉已成的乳化液具有一定的低温稳定性，尾气排放也有所减少。Ｕｓｐｔ０４３９７６５５［３９１采用了缩酮躐缩醛求隧丘辐分离，缩溺或缭鹱释其中豹农发燕反应警藏酵，髑爝嚣生成的酵冒溶于油中因而形成均一的单相体。但是豳于这种缩醛酮物质的摩尔质量是水的６倍左右，而它和承反应时的摩尔眈是ｌ：１，考虑副该种物质的价格和柴油醇的成本，这方面研究述有特改进。目前，只有美国豹ＰｕｒｅＥｎｅｒｇｙ公司【４０１、瑞典的ＡｋｚｏＮｏｂｅｌ公司ｆ４１】和英国的ＡＡＥ公司１４２壤！出的一些柴油醇助溶剂得到了商业化，但这魑添加剂都有相应的专利且实际应用逐不怒＋分广泛。

我国早谯“八五”期间就对乙醇柴油进行过研究，但研究方向大敬都在排放和性能方霞。嚣懿，漓华大学王建爵［ｔ７１１４３１等辩柒漓酵靛羲努淫、经漭性帮搏敖特经逡嚣了大囊试验研究；上海交通大学黄震、吕兴才［１６１１４４］等着重对柴油醇的性质和十六烷德进行了试验研究，僵是都未涉及装油醇添加帮的研究，丽大连理工大学郦ｌ提出秘精汽涵终柒滴醇的助溶剂，但由于汽油也属于石油资源且助溶效果差、十六烷值低，因此不易作紫油醇的助溶剂；华南理工大学［４６Ｊ通过对袭面活性荆的研究提出了～种微乳化助溶剂，但对十六烷值添热劐没毒进行戆选。溷越，黧内对柴涟醇燃糕豹研究嶷我国必处予秘步玲段，笼其憝关于柴油醇添加剂以及添加技术的报道很少。综上所述，对柴油醇的研究虽然已有近３０年的瑟雯，餐是蒸研究技术还是不够戒熬，毽魏滏来透露大范围遗撵广疯雳。ｌＯ

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１．３．３ＦＦＶ汽车的发展及研究现状

ＦＦＶ汽车（即灵活燃料汽车）是可以使用汽油、纯乙醇或任意浓度的汽油醇燃料。这是因为ＦＦｖ汽车安装了乙醇浓度传感器，随时可以确定燃料中乙醇的掺合率，并根据乙醇掺合率来调节供油量和点火时间，保证发动机在任何浓度的乙醇／汽油下都能正常工作。ＲｏｃｈａＭ．Ｓ．ｅｔａｌｔ州对乙醇浓度传感器进行了研究，并提出了一种电容式乙醇浓度传感器，利用乙醇和汽油的导电系数的不同来确定乙醇的掺合率；而ＭｕｎｅｙｏｓｈｉＮａｍｂａｅｔａｌｔ４８Ｊ贝Ｕ提出了一种光电式乙醇浓度传感器，利用乙醇和汽油的折光率的不同来确定乙醇的掺合率。目前，日本的Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ、Ｔｏｙｏｔａ和Ｈｏｎｄａ公司【４８】［４９】，美国的ＧＭ和Ｆｏｒｄｔ５川公司，德国的Ｏｔｔｏ公司［５”都在致力于ＦＦＶ汽车的研究，并取得一定的研究成果。而现在推广的ＦＦＶ汽车多是使用汽油或Ｅ８５的两用燃料汽车，由于需要对现有汽车进行改造并且需要对ＥＣＵ进行重新设计，因此ＦＦＶ在国内外并没有得到大面积推广。

综合考虑发动机开发生产成本和使用成本，结合当前不断严厉的排放法规，就目前来看，使用低浓度汽油醇和柴油醇是当务之急，这不仅可以减少对石油资源的依赖，降低发动机的有害气体排放，还可以尽量保持原有汽油机的结构，改装工作简单，成本也低，因此可以预测这种改装方法在今后相当时期内具有较好的推广价值。而高浓度汽油醇可以彻底使汽车摆脱对石油资源依赖，因此具有很高的研究和推广价值。

１．４本文的主要工作内容

综合国内外对乙醇清洁代用燃料的研究现状，以乙醇作为汽车代用燃料的研究和使用上尚存在着一定的局限性和欠缺。虽然乙醇汽油（Ｅ１０）已经在国内部分省市推广使用，但是国内外对柴油醇（乙醇掺合率为Ｏ￣３０％）和高浓度乙醇汽油Ｅ８５的研究还处于初期的可行性试验阶段，特别是对乙醇混合燃料的基本燃料性质、以及相分离和冷启动性的研究还存在着很大的不足。本文以这些问题的探明和解决为目的，主要的研究内容包括：１．４．１柴油醇主要物理化学性质及性能的研究

１．４．１．１存在问题

国外学者试验研究表明，在没有对发动机进行任何改造的前提下，柴油醇燃料的动力性可以与柴油相媲美。但根据目前的研究和掌握的资料显示，乙醇在柴油机上的应用难题在于柴油醇的配制和贮运过程中的稳定性，还有使用柴油醇对发动机冷启动性能影响，主要表现为：

１、在柴油醇配置过程中，如果有微量水分存在，乙醇分子中的氢氧键（一ＯＨ）就可以与水形成氨键，进而水萃取柴油醇中的乙醇，促使柴油醇发生相分离。这使得柴油醇在贮藏和运输过程中的稳定性降低，尤其是在潮湿的天气，如雨雪或大雾天气。此外，柴油醇的稳定性对环境温度也非常敏感，而且热稳定性很差。温度的变化会引起乙醇在柴油中的溶解度降低，从而析出更多的乙醇，发生相分离，这也对柴油醇的贮备造成了很大的困难。例如，在国内北方的一些省市，一天中的气温悬殊相差十几摄氏度，而巨大的温差很容易造成柴油醇发生相分离。

２、乙醇的着火特性很差，十六烷值仅为８。研究表明，在柴油中添加乙醇后，燃料的十六烷值直线下降，若向柴油内加入１０％体积比的乙醇后混合燃料降低７个单位的十六烷值［５２１，从而造成着火延迟时间增加、冷启动恶化等影响。

１．４．１．２主要内容及研究路线

针对柴油醇出现的以上问题，本研究的主要内容就是解决乙醇柴油在配置过程中的相分离和十六烷值低等难题，并对乙醇柴油混合燃料的基本燃料特性、冷启动性、动力性、经济性、排放特性以及燃烧特性进行试验研究，为柴油醇在国内柴油机汽车上的推广应用提供燃料依据和排放标准。本文拟采用提出一种同时改善稳定性和着火特性的复合添加剂来解决上述问题，主要技术路线如下：

１）首先对影响柴油醇的相分离和十六烷值等因素进行分析，并通过滴定试验做出柴油和

乙醇的二元溶解曲线：再通过微乳液原理和十六烷值改进剂原理的研究，筛选出改善相分离和抗水性的助溶剂和改善冷启动性的十六烷值改进剂，从而配制成－－｛０ｅ复合添加剂，以达到同时改善稳定性和着火特性的目的；

２）通过复配试验做出柴油、乙醇和复合添加剂的三元相图；并根据三元相图的添加量确

定配比方案，然后通过稳定性试验和冷启动试验进行添加剂可行性验证；

３）通过发动机台架试验，验证混合燃料的动力性、经济性、排放特性以及燃烧特性，从

而确认柴油醇燃料在发动机上的应用可行性。

１．４．２Ｅ８５主要物理化学性质及性能的研究

１．４．２．１存在问题

Ｅ８５混合燃料是８５％体积比的乙醇和１５％的汽油或轻烃混合形成的燃料。由于乙醇的汽化潜热和自燃温度很高，造成汽车在低温下难以启动，但一旦着火后，Ｅ８５对汽油机的性能的影响不大。而Ｅ８５的冷启动困难主要表现为乙醇的挥发性不好，尤其是低温挥发性

不高，达不到１０％燃料馏出的要求；此外由于乙醇的汽化潜热是汽油的３倍，因此在低温下启动时，会进一步降低进气道或缸内温度，造成因此冷启动困难和暖机时间过长。１．４．２．２主要内容及研究路线

针对以上难题，本研究的目的和主要内容就是解决Ｅ８５燃料低温难启动的困难，本文拟采用在Ｅ８５中的１５％的汽油中使用低沸点轻烃成分，增加燃料的馏出量，以达到燃料启动标准的燃料１０％馏出的要求。主要技术路线如下：

ｌ、针对乙醇的蒸发性差造成的冷启动困难，首先根据冷启动性能的影响因素，然后通过

对沸点、饱和蒸气压、汽化潜热和抗爆性的分析，筛选出一种或几种燃料添加成分。本文通过分析与比较，初步确定咀低沸点轻烃作为Ｅ８５的组分，并提出几种Ｅ８５混合燃料的配比方案。

２１根据不同配比方案，通过馏程试验验证其１０％馏出温度是否达到冷启动标准，并相应

验证燃料的雷德蒸气压，最后通过发动机的冷启动试验验证方案的可行性。

１．５本论文的构成概要

本文各章内容安排如下：

第一章：综述汽车的发展历程以及当今汽车发展所面临的问题，提出发展和推广乙醇代用清洁燃料的必要性，并指出国内推广应用乙醇燃料的必要性和可行性，然后介绍乙醇燃料的主要物理化学性质、在汽车上的使用方式及其存在的主要问题。基于此介绍了本文的选题意义、研究方案和主要工作内容。

第二章：根据柴油醇配制过程中存在的相分离和十六烷值降低等难题，分析了影响稳定性和着火特性的主要因素，并根据微乳液机理和十六烷值改进剂机理，筛选出了助溶剂和十六烷值改进剂，进而提出了一种同时改善稳定性和着火特性的复合添加剂，并通过稳定性试验进行了可行性验证。

第三章：根据第二章提出的配比方案，通过发动机的台架试验验证了柴油醇的动力特性、冷启动性、排放特性以及缸内燃烧特性，并对使用柴油和柴油醇后的试验结果进行了比较分析。

第四章：介绍了Ｅ８５燃料的主要性质、存在问题以及轻烃资源的来源，进而分析了乙醇掺合率对汽油醇饱和蒸气压的影响，提出了改善Ｅ８５冷启动性的轻烃配比方案，并通过馏程试验、雷德蒸气压试验和冷启动试验进行了可行性研究。第五章：总结全文，并对今后的研究方向进行了展望。

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第２章柴油醇添加剂的筛选和基本性质的研究

随着社会的发展和对生态环境保护意识的增强，人们对汽车的排放标准要求也越来越高，但是车用柴油机的尾气排放，尤其是微粒排放却一直高居不下，从而严重限制了柴油机的广泛推广。为了促进柴油机的进一步发展，国内外很多学者［４３，５３－５ｑ提出在柴油中添加乙醇来降低柴油的排放。试验研究表吲１６，１７，５７］，在没有对发动机进行任何改造的前提下，柴油醇燃料的动力性可以与柴油相媲美，而且微粒排放也大幅度降低，在低负荷时基本达到零排放的要求。虽然柴油醇的研究是目前节能和清洁能源的研究热点之一，但由于其稳定性和经济性等问题，现在基本上还处于开发阶段，未走向市场化。这主要是因为，当遇到微量水分或温度变化剧烈时，柴油醇容易发生相分离，从而造成柴油机不能正常运转。此外，由于乙醇的汽化潜热和自燃温度很高而十六烷值却很低，所以乙醇在柴油中的添加量不能过多，否则容易造成柴油机不易压燃。研究表明，乙醇添加量超过３０％时，柴油醇的十六烷值将降低到３０以下，从而导致柴油机不能正常启动［１６，１７１。综上所述，乙醇在柴油机上的应用难题主要在于柴油醇配制和贮运过程中的稳定性和低温冷启动性能，而在柴油醇中使用添加剂是解决稳定性和低温冷启动性最简便有效的方法。柴油醇添加剂属于燃料添加剂，因此必须具有良好的助溶效果、良好的稳定性和良好的着火特性，能够较大幅度地提高十六烷值，且燃烧后不能产生残留物，以防止燃烧时产生凝结物阻塞喷嘴：此外，还要具有一定的粘度，以改善润滑性能。

２．１柴油醇的稳定性

燃料的稳定性是车用燃料最基本的要求。而柴油醇是由柴油和乙醇混合而成的燃料，长时间放置后，会自动分层，并且长期保持相分离，因此柴油醇具有不稳定性。而柴油醇燃料若进行商业推广，首先需要提高其稳定性。而影响柴油醇稳定性的因素除了乙醇和柴油的掺合率外，还与柴油的组分、乙醇中水分的含量和环境温度有关。

２．１．１柴油组分对稳定性的影响

柴油是由馏程在１７０℃～３６０℃左右的各种烃类组成的，包括烷烃，环烷烃，不饱和烃和芳香烃等。而且柴油分子都是由共价键连接的非极性化合物，对由氢键缔合的强极性的水分子引力很小，因此各种纯烃物质对水的溶解度都不大。但是各种烃类对水的溶解度也

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