內(nèi)燃機代用燃料發(fā)展前景探索 魯明虎

1、畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）（說 明 書）題 目： 內(nèi)燃機代用燃料發(fā)展前景探索姓 名： 魯明虎 學(xué) 號： 20142001316 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017 年 6 月 1 日平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計 （論文） 任 務(wù) 書姓名 專業(yè) 任 務(wù) 下 達 日 期 年 月 日設(shè)計（論文）開始日期 年 月 日設(shè)計（論文）完成日期 年 月 日設(shè)計（論文）題目： A·編制設(shè)計 B·設(shè)計專題（畢業(yè)論文） 指 導(dǎo) 教 師 系（部）主 任 年 月 日平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會記錄 系 專業(yè)，學(xué)生 于 年 月 日進行了畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。設(shè)計題目： 專題（論文）

2、題目： 指導(dǎo)老師： 答辯委員會根據(jù)學(xué)生提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）材料，根據(jù)學(xué)生答辯情況，經(jīng)答辯委員會討論評定，給予學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計（論文）成績?yōu)?。答辯委員會 人，出席 人答辯委員會主任（簽字）： 答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委員： ， ， ， ， ， ， 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）評語第 頁共 頁學(xué)生姓名： 專業(yè) 年級 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 評 閱 人： 指導(dǎo)教師： （簽字） 年 月 日成 績： 系（科）主任： （簽字） 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）及答辯評語： 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）摘 要隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，我國原油供求矛盾日益突出，這將成為制

3、約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的長期壓力。現(xiàn)代汽車發(fā)動機向高壓縮比高轉(zhuǎn)速和大功率方向發(fā)展，于是人們想辦法采用稀混合氣燃燒技術(shù)來提高發(fā)動機的經(jīng)濟性能有效控制排放污染，采用電子點火方式，提高點火電壓和點火能量，即使這樣也不能徹底解決我國燃油危機。因此，發(fā)展替代燃料對于我國減少對進口原油的依賴具有十分重要的戰(zhàn)略意義。現(xiàn)代所說的新能源主要類型有：液體、氣體、電能和其他能源。液體類燃料主要包括甲醇、乙醇、汽油、柴油、合成油等；氣體燃料主要包括氫氣、天然氣、二甲醚等；電能主要就是以電池為主作為汽車動力。本文將對這些可能作為未來汽車的燃料進行技術(shù)、經(jīng)濟上的可行性進行闡述分析，我們也將結(jié)合它的優(yōu)點、缺點、應(yīng)用中的一系列問

4、題進行探討。關(guān)鍵詞： 汽車 新能源 燃料 代用燃料AbstractWith the sustained and rapid development of the national economy, the contradiction between supply and demand of crude oil has become increasingly prominent, which will become a long-term pressure restricting the development of China's national economy. The

5、modern automobile engine with high compression ratio and high speed power direction, so people try to use lean mixture combustion technology to improve the economic performance of the engine to effectively control pollution emissions, the use of electronic ignition, improve the ignition voltage and

6、ignition energy, even if it can not completely solve the fuel crisis in china. Therefore, the development of alternative fuels for our country to reduce dependence on imported crude oil has a very important strategic significance. The main types of new energy sources are liquid, gas, electricity and

7、 other energy sources. Liquid fuels mainly include methanol, ethanol, gasoline, diesel oil, synthetic oil, etc.; gas fuels mainly include hydrogen, natural gas, two methyl ether, etc., and electric energy is mainly based on batteries as automobile power. In this paper, the possible technical and eco

8、nomic feasibility of future automotive fuels will be discussed and analyzed. We will also discuss the advantages, disadvantages and a series of problems in the application.Keywords: automobile, new energy, fuel, alternative fuel目錄前言5第一章燃料61、代用燃料的定義62、代用燃料的分類63、代用燃料使用的標(biāo)準(zhǔn)64、發(fā)展代用燃料在汽車的意義7第二章氣體代用燃料82.1氣

9、體代用燃料的組成82.2氣體燃料的性能特點82.3氣體燃料汽車的應(yīng)用及前景9第三章 醇類燃料113.1醇類燃料的物性113.2醇燃料發(fā)動機的熱效率123.4醇類燃料的排放13第四章國內(nèi)柴油機發(fā)展歷程15第五章 使用新型動力16第六章降噪聲、隔噪聲措施17第七章 粉塵燃料197.1研制和開發(fā)197.2粉塵燃料內(nèi)燃機的理論依據(jù)197.3粉塵燃料內(nèi)燃機的獨特發(fā)明、關(guān)鍵設(shè)計和重要措施197.5、粉塵燃料內(nèi)燃機工作過程21第八章汽油機燃用甲醇燃料的應(yīng)用研究238.1甲醇及汽油的燃料性質(zhì)比較238.2汽油與甲醇汽油的比較258.3甲醇柴油的研究進展27第九章 丁醇31結(jié) 論32致 謝33參 考 文 獻34

10、前言近年來, 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展, 石油的需求量持續(xù)增長。1993年起我國己成為石油純進口國,2009年我國原油進口比例已超過52% 。另外, 我國的汽車尾氣排放已成為城市大氣環(huán)境的一個主要污染源。因此, 針對我國自然條件和能源資源特色, 逐步改變汽車能源結(jié)構(gòu), 發(fā)展汽車清潔代用燃料, 在發(fā)動機上實現(xiàn)高效、低污染的燃燒, 控制汽車發(fā)動機有害排放對我國城市大氣質(zhì)量帶來的日趨嚴重的影響, 已成為我國能源與環(huán)境研究中的一個十分重大和緊迫的課題。 據(jù)統(tǒng)計, 從現(xiàn)在起全球的石油資源還可以用6

11、7年, 天然氣的儲量也最多可以使用123 年, 所以尋找一種新型替代燃料成為當(dāng)今社會的一個研究重點。 任何國家的經(jīng)濟發(fā)展都與能源問題密切相關(guān)，而內(nèi)燃機對燃料的需求，在能源總消耗中占很大比例。當(dāng)前內(nèi)燃機主要用石油作為燃料，一般工業(yè)發(fā)達國家消耗在內(nèi)燃機上的燃料約占整個石油消耗量的60%左右。未來石油燃料的產(chǎn)量終將日趨減少，許多世界能源機構(gòu)及權(quán)威人士認為：現(xiàn)已查明易開采的石油維持50 年左右，1990 年左右世界石油產(chǎn)量達到過一個高峰，而后逐步下降，本世紀將出現(xiàn)石油短缺的現(xiàn)象。到2030 年液體燃料中40%左右要由煤的合成燃料來滿足。因此，

12、為保證未來交通運輸以及國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，研究與開發(fā)代用燃料是勢在必行。第一章燃料1、代用燃料的定義代用燃料指的是傳統(tǒng)發(fā)動機燃料(如汽油和柴油)的替代品。美國能源政策法規(guī)將代用燃料定義為甲醇、非自然乙醇、其它酒精燃料或至少85%的這些燃料與汽油或柴油的混合燃料、CNG、LNG、LPG、氫氣、煤炭衍生物的液體燃料以及生物質(zhì)能源等。2、代用燃料的分類內(nèi)燃機燃料是經(jīng)過一系列演變發(fā)展過程的。早在1892 年狄賽爾就曾試圖以煤粉作為柴油機的燃料，但未成功。長期以來，內(nèi)燃機是以液體的碳氫化合物系燃料為主的。當(dāng)燃料中C含量減少，H 含量增加時，燃料為輕質(zhì)的，并演變?yōu)闅怏w燃料。反之，當(dāng)C含

13、量增加，H 含量減少，就成為重質(zhì)燃料。未來內(nèi)燃機燃料將向兩極演變，即氫氣和煤炭以及由煤炭派生出來的燃料，后者將主要是醇類燃料及人工合成的汽油等。在這種演變過程中，各種混合、乳化燃料，生物能類燃料及寬餾分燃料將在內(nèi)燃機中得到不同程度的應(yīng)用。由于代用燃料剛處于研究發(fā)展階段，還難以提出完善的分類。從代用燃料的廣泛含義來說，應(yīng)包括： 品質(zhì)更低劣的傳統(tǒng)石油燃料，如過去一般不使用的劣質(zhì)重油、殘渣油； 使用形式變化了的燃料，如各種摻水的乳化燃料、固體粉末和液體混合的燃料； 人工模擬燃料，如將石油氣和空氣混合模擬成天然氣使用；人工合成燃料，將兩種以上元素或生產(chǎn)企業(yè)的副產(chǎn)

14、品人工合成可燃的燃料。3、代用燃料使用的標(biāo)準(zhǔn)良好的代用燃料應(yīng)能滿足下列要求： 資源豐富，價格適宜； 燃料的熱值，尤其是混合氣熱值能滿足內(nèi)燃機動力性能的要求； 能滿足車輛起動性能、行駛性能以及加速性能等方面的要求； 能量密度較高、儲存運輸方便； 發(fā)動機的結(jié)構(gòu)變動較小，技術(shù)上可行； 現(xiàn)有的燃料儲運分配系統(tǒng)能用得上； 對人類健康、環(huán)境保護以及安全防火等無有害的影響； 對發(fā)動機的壽命以及可靠性沒有不良影響。一種代用燃料要全面良好地滿足上述要求是困難的，但應(yīng)滿足主要要求，并在采取技術(shù)措施的情況下，能滿足各方面的要求。4、發(fā)展

15、代用燃料在汽車的意義我國地大物博，但石油能源大部分靠國外進口，所以能源一直以來都受到重視。我國現(xiàn)行汽車能源動力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略走向的是，優(yōu)化現(xiàn)有的車用能源動力系統(tǒng)發(fā)展節(jié)能汽車和開發(fā)新一代車用能源動力系統(tǒng)最終走向可持續(xù)發(fā)展的汽車能源動力之國。代用燃料的發(fā)展就是為了解決目前面臨的燃料問題，可以在不會影響汽車使用的情況下發(fā)展代用燃料，其性能可能更優(yōu)于一般的普通燃料。舉例說明，拿油改氣來說，如果一輛索納塔出租車采用油改氣的話，一天可節(jié)約燃料費25元，一月可節(jié)約750元，一年下來能節(jié)約9000元。而改裝費只需8500元，不到一年便能收回成本。再如一種醇燃料酒精車來說，以一輛出租車每天跑350公里計算，酒精車

16、比汽油車一年可節(jié)約燃料費上萬元。而油車改裝成酒精車需3000元。改裝時只要在汽油車上安裝無觸點高能點火裝置，便能將高濃度有水酒精迅速燃燒，啟動汽車。改裝一輛汽油車只需1個多小時，只在油路和電路上稍作變動，其它部件基本不動。而且它們?nèi)紵蟮奈矚庖膊粫乐匚廴经h(huán)境，相反可能要比汽油作為燃料更清潔。未來國家之間的工業(yè)發(fā)展的差別主要就是在于能源的優(yōu)勢，所以發(fā)展代用燃料是國家的后備力量，是實踐可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要行動。第二章氣體代用燃料氣體作為燃料就必須使用氣體發(fā)動機，當(dāng)前使用單氣體燃料作為能力源的發(fā)動機，主要有LNG(液化天然氣)發(fā)動機、CNG(壓縮天然氣)發(fā)動機和LPG(液化石油氣)發(fā)動機三種。氣體

17、發(fā)動機與同排量的柴油機相比，動力性相當(dāng)，環(huán)保優(yōu)勢明顯，更容達到國IV、國V排放。且當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟，生產(chǎn)工藝設(shè)備與柴油機可通用。在油氣價差保持的前提下，燃料經(jīng)濟性顯著。不過氣體發(fā)動機也有一定的缺陷，比如續(xù)駛里程短、燃料加注時間長、加氣站的建設(shè)投資太大等。2.1氣體代用燃料的組成目前常見汽車代用燃料的類型主要有天然氣、石油氣、氫氣、液化石油氣、液化氣以及二甲醚等。2.2氣體燃料的性能特點氣體作為汽車代用燃料有別于普通燃料，它們共同點在存儲、加注不同于以往的液體燃料，下面為了有助于更好的了解氣體燃料的性能特點，讓我們來分析以下它們各自存在的優(yōu)缺點。天然氣的優(yōu)勢：成本低廉、運行平穩(wěn)。安全可靠使C

18、NG汽車具有較為廣闊的發(fā)展前景，CNG作為車用燃料，在環(huán)保和能源安全方面有較大的優(yōu)勢，是具有發(fā)展?jié)摿Φ钠囂娲剂?。天然氣的缺點：資源有限（主要工業(yè)及民用）、汽車續(xù)駛里程短、儲運加注等基礎(chǔ)設(shè)施要求高、投資大、只適用于在富產(chǎn)天然氣的地區(qū)和大中城市推廣。隨著CNG運輸管網(wǎng)分布范圍的擴大以及加氣站的增多，CNG汽車的應(yīng)用范圍可以擴大到城市之間。石油氣的優(yōu)勢：燃燒清潔、安全可靠、經(jīng)濟可行等特點。石油氣的缺點：LPG主要來源于石油，其供應(yīng)性受到石油供應(yīng)的限制價格也會隨著石油價格變化而波動。LPG對加氣站、管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)要求也很高。氫氣的優(yōu)勢：良好的行進加速性、良好的燃料適應(yīng)性、低溫起動性好、超低排

19、放全工況高效率等優(yōu)點；氫具有巨大的價格優(yōu)勢和強大的工業(yè)基礎(chǔ)。氫氣的不足：利用可再生能源制氫還存在一定的問題，氫氣能量密度最小、儲運條件十分苛刻、續(xù)駛里程短、加注不方便；目前氫氣的制取、儲運、制。加注、氫能汽車成本等存在很多問題，短期內(nèi)氫氣作為汽車能源的發(fā)展受到了限。 但氫來源的廣泛性、可再生性和燃燒清潔性使氫成為世界各國汽車代用燃料的長期發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。二甲醚的優(yōu)勢：二甲醚十六烷值高，自燃點低，在發(fā)動機氣缸內(nèi)蒸發(fā)速度快，有利于混合氣的形成，燃燒速度快，滯燃期短。汽化潛熱高于柴油，蒸發(fā)過程吸收熱量較柴油多，可有效地降低氣缸內(nèi)最高燃燒溫度，有利于降低NOX排放和噪聲。作為含氧化合物，可提高燃燒效率，

20、在燃燒過程中幾乎無碳煙生成，CO、PM的排放都比較小。以DME為燃料的發(fā)動機，其動力性和起動性與柴油機相當(dāng)。二甲醚的不足：需要開發(fā)新的燃料供應(yīng)系統(tǒng)及新的發(fā)動機技術(shù)和整車技術(shù)，發(fā)動機技術(shù)不成熟、儲運不便、能量密度低，續(xù)駛里程短，液態(tài)密度隨溫度變化較大，容易使燃料供給系統(tǒng)運動件發(fā)生磨損。并CNG、LPG一樣，對基礎(chǔ)設(shè)施要求較高，受便利性、燃料加注基礎(chǔ)設(shè)施等因素限制，發(fā)展空間有限，適合于在區(qū)域間運行的大型客車上應(yīng)用。2.3氣體燃料汽車的應(yīng)用及前景2.3.1氣體發(fā)動機發(fā)展現(xiàn)狀我國20世紀50年代開始發(fā)展低壓天然氣汽車，80年代中后期改革開放之后氣體燃料汽車開發(fā)應(yīng)用的步伐加快。國內(nèi)大型發(fā)動機廠和汽車廠如

21、玉柴、上柴、濰柴、東風(fēng)和解放等廠家相繼推出了各自的氣體發(fā)動機產(chǎn)品在市場上推廣應(yīng)用。1988年我國從澳大利亞、蘭、加拿大等國引進CNG加氣站的全套設(shè)施、改裝汽車部件及高壓氣瓶，分別建站于大慶等地開啟了CNG汽車發(fā)展的新時代。相對于LNG發(fā)動機，CNG發(fā)動機和LPG發(fā)動機的技術(shù)成熟程度、經(jīng)濟成本等都更現(xiàn)實，目前CNG發(fā)動機已經(jīng)廣泛應(yīng)用其第三代電控噴射CNG的技術(shù)，采用高壓噴射，通過節(jié)氣門傳感器，氣體流量傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，水溫傳感器，進氣溫度傳感器，壓力傳感器和氧傳感器等經(jīng)過中央處理單元來控制點火、空燃比等。更先進的LNG缸內(nèi)直噴技術(shù)目前已得到小批試用，動力性、經(jīng)濟性和排放俱佳，但開發(fā)難度較大，費

22、用昂貴，成本也高，國內(nèi)尚未開始研制。與傳統(tǒng)柴油機相比，氣體發(fā)動機取消了原柴油機的燃油噴射系統(tǒng)相關(guān)的零部件，增加了蒸發(fā)調(diào)壓器(LPG發(fā)動機、減壓器(CNG發(fā)動機)等供給氣體燃料的相關(guān)零部件。傳統(tǒng)柴油機是壓燃式發(fā)動機，而氣體發(fā)動機由于受燃料特性限制(抗爆振性能)，采用的是與汽油機一樣的點燃方式。在取消了噴油器后，將原缸蓋上的噴油器孔改為了火花塞孔。在取消了油泵后，在原油泵安裝位置裝上了一個點火傳動裝置，通過點火正時傳感器獲得發(fā)動機的點火正時信號。增加了以點火模塊、點火線圈及火花塞等零件組成的點火系統(tǒng)。氣體發(fā)動機的控制系統(tǒng)多采用電控，與機械式柴油機相比，各工況點的空燃比、點火提前角、增壓壓力都實現(xiàn)了

23、更精確更科學(xué)的控制。為滿足這些控制要求，增加了相應(yīng)的MAP、MAT、ECT、點火正時以及氧濃度等傳感器。由于我國能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)的調(diào)整，未來將有更多的氣體燃料資源通過進口為國內(nèi)使用。目前在國內(nèi)正在實施LNG加氣系統(tǒng)的城市有北京、烏魯木齊、長沙等，約有近百輛LNG單一燃料公交示范車輛正在運營。CNG車則已在四川、重慶、北京、西安、內(nèi)蒙等地推廣。LPG環(huán)保節(jié)能型氣體城市客車也在北京、上海、廣東、四川、重慶、海南、甘肅等許多城市的公交系統(tǒng)已經(jīng)試行。在國外，LPG被用作輕型車輛燃料已有許多年。2.3.2氣體發(fā)動機發(fā)展前景氣體發(fā)動機的電控系統(tǒng)和傳統(tǒng)柴油機電控系統(tǒng)有所不同，其增壓、后處理均有特殊要求，且將先進

24、的電子控制燃料噴射技術(shù)應(yīng)用于氣體發(fā)動機，以便根據(jù)發(fā)動機的溫度、負荷、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)對氣體燃料的供給、混合氣濃度、點火正時等進行精確控制，以提高發(fā)動機的功率和降低排氣污染。空燃比控制在電子控制燃料噴射發(fā)動機的應(yīng)用效果非常好，它通過監(jiān)控發(fā)動機排放狀態(tài)實時調(diào)節(jié)空燃比，并通過高能、精確點火等自動協(xié)調(diào)優(yōu)化方式實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟性和排放性。而從成本來看，氣體發(fā)動機電控系統(tǒng)成本竟還稍低于柴油機電控系統(tǒng)。因此深入開發(fā)電控系統(tǒng)的潛力十分巨大，未來必將有更好的發(fā)展。第三章 醇類燃料目前內(nèi)燃機上應(yīng)用的醇類燃料主要包括甲醇、乙醇。醇類燃料具有高辛烷值的特點，故主要靠火花塞或高十六烷值燃料如柴油點燃。對于醇類燃料，甲醇是最

25、簡單的醇燃料，其來源廣泛，可由天然氣合成，解決了天然氣不易運輸及火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷娜秉c，也可由煤制取，更符合中國煤炭資源豐富的特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。但在使用中需防范其可能產(chǎn)生的毒性危害，另外由于其對橡膠和金屬的腐蝕性，還需考慮相關(guān)部件的防腐問題。近年來國外將研究對象轉(zhuǎn)為含碳量更高的丁醇上，主要是看中了其與汽油相近的性質(zhì)及較高的單位質(zhì)量能量密度，故可直接用于現(xiàn)有的汽油機，同時丁醇由生物質(zhì)制取，也是一種綠色燃料，但產(chǎn)量更少。3.1醇類燃料的物性醇類燃料主要指甲醇( CH3OH ) 和乙醇( C2H5OH) 。醇分子結(jié)構(gòu)中含有氧, 易于燃

26、燒, 理化特性與汽油接近但其熱值比汽油低得多其化學(xué)當(dāng)量比所需的空氣比汽油燃燒所需的空氣少得多醇類的汽化潛熱高, 汽化時所需的熱量也比汽油多。醇類的飽和蒸氣壓比汽油低。低的蒸氣壓力和高的汽化潛熱使其蒸發(fā)更困難因而對混合氣形成系統(tǒng)提出了更高的要求。醇類的辛烷值高允許內(nèi)燃機的壓縮比高這對點燃式內(nèi)燃機的燃燒特別有利。將汽油機改為醇類發(fā)動機不太困難。凡是能得到CO 和H2 的原料都能合成甲醇其原料豐富、工藝成熟但設(shè)備投資大。目前主要是用天然氣和煤生產(chǎn)甲醇。甲醇是一種輕質(zhì)、無色、略有臭味、低污染的燃料, 與水能無限互溶但甲醇本身有毒。甲醇只有一個C

27、0;原子, 無C- C 鍵, 含有50%的氧, 熱值低。與汽、柴油相比, 甲醇的著火溫度高、辛烷值較高抗爆性較好，且十六烷值很 低, 適用于點燃式發(fā)動機。甲醇燃燒時不易看到火焰, 具有較寬的著火界限, 閃點較高。從能源多元化和能源安全的角度出發(fā), 發(fā)展甲醇有重大的戰(zhàn)略意義。另外,使用汽油- 甲醇比使用汽油- 天然氣更為便。乙醇的來源很廣泛, 多由單糖類( 如甘蔗、甜菜等) 或淀粉類( 薯類、各種谷物) 植物制成, 或

28、由化學(xué)原料( 如乙烯) 合成, 或由木質(zhì)纖維素( 如木屑、樹枝、秸桿等) 發(fā)酵生產(chǎn)。乙醇同樣是含氧燃料, 具有高的辛烷值, 熱值比甲醇高, 汽化潛熱則較低, 乙醇比甲醇更易和汽油及柴油相溶和乳化。3.2醇燃料發(fā)動機的熱效率醇類燃料的熱值低, 所需的循環(huán)供應(yīng)量要大大增加; 高的汽化潛熱可提高充氣效率, 降低缸內(nèi)溫度, 因而壓縮比可以提高; 燃燒速度加快可使熱效率提高; 醇類燃料的C/ H 值比汽油和柴油的小, 完全燃燒

29、時產(chǎn)生的CO2 較少, H2O 較多, 對于相同的燃燒熱值, 燃燒產(chǎn)物的比熱相對較高這有利于熱效率的提高。此外, 醇類燃料的著火界限較寬, 燃燒速度快, 在稀混合氣中的火焰?zhèn)鞑ニ俣热阅鼙３州^高, 這使燃燒的定容部分增加, 也有利于熱效率的提高。循環(huán)壓力的波動比汽油機小。6.3醇類燃料的使用醇類燃料的能量密度比汽油和柴油低, 但與氣體燃料相比更適用于運輸車輛。目前醇類燃料首先用來與其它燃料摻燒, 也在考慮使用純醇類作發(fā)動機的燃料。醇類燃料的辛烷值高有一定的揮發(fā)性, 易

30、于與汽油混合較適合作點燃式內(nèi)燃機的燃料。含甲醇較少的甲醇- 汽油混合燃料與汽油性質(zhì)接近, 含甲醇或乙醇不超過15%, 現(xiàn)有汽油機不作大的變動就能使用。醇類燃料的十六烷值低, 不適宜直接在壓燃式內(nèi)燃機中使用, 但利用現(xiàn)代技術(shù)也可摻燒醇類燃料。在內(nèi)燃機中摻燒醇類燃料的份額可用其在燃料中占的容積百分比或質(zhì)量百分比來表示, 如M10表示甲醇占10% , E5 表示乙醇占5%。我國目前推廣使用的乙醇汽油為E10。內(nèi)燃機摻燒醇類燃料時, 應(yīng)根據(jù)不同的摻燒方式調(diào)整燃料的性質(zhì), 改進內(nèi)燃機結(jié)構(gòu),

31、60;設(shè)計良好的摻燒和控制裝置。如調(diào)整汽油的組分或加入添加劑,以改善點燃式內(nèi)燃機的啟動性, 避免汽阻; 加入著火改善劑, 以改善壓燃式內(nèi)燃機使用時的著火性能。在內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)方面, 在點燃式內(nèi)燃機上增加啟動時的混合氣加濃裝置、混合氣預(yù)熱裝置; 在壓燃式內(nèi)燃機上增添輔助點火裝置; 改變內(nèi)燃機的壓縮比、點火提前角及調(diào)整噴油提前角等。在摻燒及控制裝置方面, 研究醇類燃料及石油燃料的機械混合乳化裝置、多種燃料混合氣形成方式及薰蒸裝置、醇類燃料及空氣量的控制措施及裝置等。確定內(nèi)燃機摻燒何種醇類燃料、采用何種方式,取決于下列因素:內(nèi)燃機的動

32、力性、經(jīng)濟性及排放性能; 冷啟動性及熱機性能; 內(nèi)燃機用摻燒燃料或純石油燃料的互換性; 內(nèi)燃機的可靠性及壽命; 醇類燃料的供應(yīng)及摻燒后的經(jīng)濟性; 若加助溶劑, 助溶劑的供應(yīng)及混合燃料的穩(wěn)定性; 材料的相容性; 內(nèi)燃機是否適用, 如需改動, 結(jié)構(gòu)的改動程度及投資。點燃式內(nèi)燃機摻燒醇類燃料, 可以以醇代油, 與燃燒純汽油相比有如下優(yōu)點: 提高辛烷值, 在無鉛汽油中加入醇類燃料, 可達到含鉛汽油所具備的抗爆能力; 可擴大混合氣著火界限,

33、60;燃用稀混合氣, 提高燃油經(jīng)濟性; 可提高壓縮比, 從而提高內(nèi)燃機的動力性和經(jīng)濟性; 減少燃燒室表面的燃燒沉積物; 改善排放性能。  目前對摻燒甲醇的研究較多的是M15, 這是發(fā)動機稍作變動可接受的最高摻燒比極限。在較高壓縮比的實驗中, 使用M30 對發(fā)動機性能幾乎沒有什么影響。采用M40 在壓縮比為9. 7、過量空氣系數(shù)為1 實驗時, 其動力性和經(jīng)濟性接近汽油機。而排放則在使用汽油和純甲醇之間。添加乙醇可提高汽油的辛烷值, 以提高抗爆性,E22

34、60;可完全代替含鉛汽油。點燃式內(nèi)燃機的摻燒方式有混合燃料法和薰蒸法兩大類?；旌先剂戏ㄊ峭ㄟ^機械方法或加助溶劑的方法將醇類燃料和汽油溶混在一起, 由化油器或低壓噴嘴噴入氣缸。薰蒸法是利用醇類燃料的表面張力及粘度低的特點將醇燃料霧化, 再在進氣沖程中經(jīng)過氣道送入氣缸。由于醇類燃料存在十六烷值低, 著火性能差, 自燃溫度高, 壓燃困難, 汽化潛熱大, 延遲期加長, 含OH 根, 與柴油不相溶, 乳化困難等問題, 在壓燃式內(nèi)燃機中使用醇類燃料需要將內(nèi)燃機徹底改裝。因壓燃式內(nèi)燃式的類

35、型和燃燒室型式很多, 可變動方案也較多, 具體方法有乳化液法、薰蒸法、醇類蒸汽法和雙燃料法。3.4醇類燃料的排放內(nèi)燃機燃用醇類燃料后, 排氣中的NOx, HC,CO, CO2 及顆粒的排放量均會變化, 總體來說是有改善。未燃燒的醇類燃料和醛類有所增加。因醇類燃料的汽化潛熱大, 混合氣受到激冷時, 燃燒可能不完全, 會導(dǎo)致未燃燒的醇類燃料的排放增加, 在高負荷、高溫時, 廢氣中未燃燒的醇較少。醛類排放物包括甲醛、乙醛、丙醛和丙稀醛等, 是使用醇類燃料內(nèi)燃機的主要排放物

36、。醛有強烈的氣味, 對人的呼吸系統(tǒng)和眼睛有害, 醛還會在大氣中發(fā)生光化學(xué)作用,產(chǎn)生光化學(xué)煙霧。用M85 的實驗表明, 因其不含硫和復(fù)雜的有機物, 生成臭氧的活性很低, 排放的苯和芳香烴一類的有害排放比汽油機低得多。但甲醛的排放量比汽油機高5 倍, 而甲醛有毒, 可能致癌。甲醛的光化學(xué)反應(yīng)活性強, 基本抵消了甲醇在臭氧方面的排放效益。其 乙醛排放量接近乙醇- 汽油混合燃料的排放水平。乙醇燃料汽車排放的未燃燒乙醇、乙醛( 比汽油機高12 倍) 和甲醛比汽油機高

37、。若缸內(nèi)氧氣的濃度大, 當(dāng)溫度適宜時會促進甲醛的生成, 但工質(zhì)中的OH 和H 有利于甲醛的消失。使用醇類燃料的內(nèi)燃機, 可使用稀混合氣, 排氣中有足夠的氧, 燃料中也不含鉛和其它使催化劑中毒的物質(zhì), 采用簡單的氧化催化器就可將醛類的排放降低。甲醇混合燃料的冷啟動困難, 也會導(dǎo)致過量的未燃燒的HC 和CO 的排放。乙醇燃料車與汽油機相比, CO 和NOx 排放分別低20% 30% , 排放的顆粒物也低得多, 蒸發(fā)排放也

38、低。但在環(huán)境溫度很低時,可能會因啟動困難造成高的冷啟動排放。第四章國內(nèi)柴油機發(fā)展歷程從發(fā)展歷程上看，我國內(nèi)燃機車發(fā)展經(jīng)歷了4代，相應(yīng)地機車用柴油機的發(fā)展也是如此。表1列出了具有代表性的4代內(nèi)燃機車和柴油機的主要參數(shù)，表中也列出了我國目前生產(chǎn)的NXN3和NXN5型內(nèi)燃機車的參數(shù)。以DF型和DFH1型內(nèi)燃機車為代表的第l代產(chǎn)品，其柴油機基本上是仿制產(chǎn)品。前者是仿制前蘇聯(lián)的10L207E型(2沖程、對置活塞、掃氣泵掃氣)柴油機；后者是先仿制前西德的12V175型4沖程高速柴油機，之后在此基礎(chǔ)上進行了大量試驗和改進。以DF4、BJ、DF8型內(nèi)燃機車為代表的第2代產(chǎn)品，其柴油機完全是我國自主研發(fā)的，均是

39、4沖程帶有廢氣渦輪增壓器的柴油機，柴油機功率較第1代產(chǎn)品有成倍的增長，技術(shù)性能和可靠性有較大的提高。 以DF4D、DF8B(DF11)型交直流傳動內(nèi)燃機車為代表的第3代產(chǎn)品，其柴油機主要是在我國自主研制生產(chǎn)的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，通過與國外廠家合作開發(fā)的產(chǎn)品，技術(shù)性能和可靠性有很大的提高。以DF4DJ、DF8BJ、DF8CJ型交流傳動內(nèi)燃機車為代表的第4代產(chǎn)品，其柴油機主要是與國外合作開發(fā)的新型產(chǎn)品，均采用電子噴射系統(tǒng)DF型機車的柴油機裝車功率達4 410 kW，已接近國際先進水平。第4代內(nèi)燃機車目前還處于試運用階段。從我國內(nèi)燃機車和柴油機的發(fā)展歷程可以看出，機車柴油機由仿制發(fā)展到自

40、主研制，再發(fā)展到與國外合作開發(fā)；由2沖程和4沖程、中速、高速柴油機，發(fā)展到全部采用4沖程、廢氣渦輪增壓的中速柴油機；柴油機的功率由小到大，增長了23倍；柴油機缸徑由175、180、200、207、240、280 mm等多種系列，發(fā)展到主型機車只采用240 mm和280 mm兩種系列；柴油機噴射方式由傳統(tǒng)的機械噴射方式發(fā)展到電子控制的噴射方式。第五章 使用新型動力我圍每年都需要進口大量的石油。而且逐年在增長。石油資源逐漸枯竭，所以必須考慮替代燃料，目前已經(jīng)應(yīng)用和發(fā)展了多元化的燃料，包括天然氣(CNG)、液化石油氣(LPG)，甲醇、乙醇、氫。二甲醚及生物柴油等，其中天

41、然氣、液化石油氣、乙醇已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。氧氣是理想的清潔燃料是科研人員追求的目標(biāo)月前，無論用水或生物質(zhì)制氫都是效率低、成本高，包括儲存的一些技術(shù)仍遠未解決。納米材料及納米技術(shù)有助于解決這一一問題，但這需要較長時間的開發(fā)研究，寶馬公司一直致力于氫氣內(nèi)燃機的研制，開發(fā)了多款氫氣內(nèi)燃機車，其中V12氫內(nèi)燃機是世界上首批用于轎車上的內(nèi)燃機該內(nèi)燃機可使用氫氣和汽油兩種燃料；從20世紀80年代起國外就開始研究生物質(zhì)能不斷取得一些成果，但仍未達到商業(yè)化的水平，據(jù)專家預(yù)測，2010年左右可達到廉價工業(yè)化要求。我國有關(guān)大學(xué)及科研單位也在進行研究、開發(fā)和應(yīng)用生物質(zhì)能及燃料。這是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必由之路。第六章降噪

42、聲、隔噪聲措施內(nèi)燃機噪聲是動力設(shè)備噪聲的主要來源，隨著內(nèi)燃機的高速、輕型和大功率化，其振動噪聲問題日益突出。世界各國大多制定了越來越嚴格的噪聲控制法規(guī)。國內(nèi)外研究者在噪聲機理研究、噪聲源識別技術(shù)、噪聲預(yù)測、噪聲控制等方面進行了大量理論及試驗研究，推動著內(nèi)燃機噪聲控制技術(shù)的不斷發(fā)展，下面主要總結(jié)在這幾個方面的發(fā)展現(xiàn)狀。內(nèi)燃機噪聲按激勵源分類，有機械噪聲、燃燒噪聲和空氣動力噪聲。噪聲源識別及分離技術(shù)是內(nèi)燃機噪聲研究的一個重要領(lǐng)域，它是進行噪聲控制及噪聲預(yù)測的基礎(chǔ)。目前的研究趨勢：一是基于噪聲測試的噪聲識別技術(shù)，主要是通過噪聲測試，識別內(nèi)燃機某部件的噪聲大小及頻譜特性；其次是基于試驗及現(xiàn)代信號處理方

43、法進行噪聲分離技術(shù)，如活塞敲擊噪聲與燃燒噪聲的分離問題。當(dāng)前，為了適應(yīng)市場變化的要求，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，國內(nèi)外許多研究者在內(nèi)燃機噪聲預(yù)測方面進行了深入的研究，提出了多種噪聲預(yù)測方法，大致可分為振動法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值解法三類。噪聲傳遞過程大致可分為聲源一傳播途徑接受者三個環(huán)節(jié)。對于內(nèi)燃機，聲源有燃燒激勵力、機械激勵力及氣體動力激勵。這些激勵力通過各結(jié)構(gòu)零件傳遞到內(nèi)燃機的外表面上，形成表面振動。表面振動又激發(fā)介質(zhì)(空氣)質(zhì)點的振動向外輻射噪聲，如下圖所示。相應(yīng)地，噪聲控制采取降低噪聲源噪聲，限制噪聲的傳播途徑的原則。根據(jù)社會需求和目前該領(lǐng)域存在的問題，在未來發(fā)展中下面幾方面會被引起足夠的重視：開

44、展內(nèi)燃機噪聲源產(chǎn)生機理的研究，提高對內(nèi)燃機噪聲本質(zhì)的認識。理論人手，研究影響燃燒噪聲的特征因素，有助于提高對燃燒噪聲機理的認識；探索內(nèi)燃機進氣噪聲的來源和形成機理，為合理降噪提供技術(shù)支持。當(dāng)前改善現(xiàn)有內(nèi)燃機振動聲學(xué)特性的可能性有限，而在設(shè)計階段考慮內(nèi)燃機的低噪聲設(shè)計是解決問題的較好途徑。力求在內(nèi)燃機設(shè)計開發(fā)階段考慮噪聲問題，采取有效的方法降低內(nèi)燃機噪聲，達到改善內(nèi)燃機性能和降低噪聲等級。在材料科學(xué)迅速發(fā)展的前提下，探索新的隔聲材料，研制開發(fā)新的隔聲部件，減少內(nèi)燃機噪聲的傳播；研究聲輻射模態(tài)方法在內(nèi)燃機噪聲控制中的應(yīng)用，確定影響內(nèi)燃機輻射噪聲的主要模態(tài)，達到有的放矢地控制內(nèi)燃機噪聲。研究和推廣更

45、有效的噪聲測量方法，掌握內(nèi)燃機噪聲在空間的分布情況及流動方向，更準(zhǔn)確地定位噪聲源；研究內(nèi)燃機燃燒噪聲和機械噪聲的識別原理和快速分離技術(shù)，更清晰地認識噪聲的特征。開展內(nèi)燃機噪聲預(yù)測方法的研究，解決目前噪聲預(yù)測方法面臨的困難，提高預(yù)測結(jié)果的精度。如：在特征波數(shù)處解的非唯一性問題是邊界元方法研究在全波數(shù)范圍內(nèi)準(zhǔn)確計算振動聲輻射需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)難題；內(nèi)燃機工作過程中存在各種隨機激勵力，合理地對模型加載是噪聲預(yù)測中重要問題；在整機預(yù)測方面，采用子結(jié)構(gòu)法，考慮機體、曲軸、連桿、氣缸蓋、氣缸套、主軸承蓋、主軸瓦和各主要螺栓的聯(lián)合作用，同時更加精確的模擬外力的傳遞也是提高預(yù)測精度的關(guān)鍵問題。第七章 粉塵燃

46、料 7.1研制和開發(fā) 粉塵燃料內(nèi)燃機的緊迫性內(nèi)燃機是重要的工業(yè)動力之一，現(xiàn)有的內(nèi)燃機均采用汽油、柴油作燃料，不僅尾氣排放污染了環(huán)境，而且其資源日益枯竭。專家估計，世界上已探明的石油儲量最多夠人類使用50 年。為解決世界石油危機，人們積極探索以煤代油、天然氣代油、電代油、酒精代油、核能代油及生物柴油等等多種途徑。但時至今日，在替代石油的再生能源的開發(fā)上，人類沒有根本的進展。粉塵燃料內(nèi)燃機是一種全新的往復(fù)式內(nèi)燃機。它跟傳統(tǒng)的汽油、柴油往復(fù)式內(nèi)燃機截然不同，它利用“ 粉塵爆炸原理”，既可以直接燃燒精制的木炭粉、竹炭粉、淀粉等再生燃料產(chǎn)生工業(yè)動力，也可以直接燃燒精制的焦炭粉、煤炭粉等一次性燃料產(chǎn)生工業(yè)

47、動力。 7.2粉塵燃料內(nèi)燃機的理論依據(jù) 100 多年前人們從多次的面粉廠爆炸事故中發(fā)現(xiàn)了一個重要的物理學(xué)原理粉塵爆炸原理。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，粉塵爆炸的發(fā)生必須具備三個條件（：1）粉塵燃料能充分地與空氣混合（；2）粉塵燃料與空氣混合后達到了一定的濃度（；3）粉塵燃料與空氣達到了一定的溫度。粉塵爆炸能量之大，爆速之高，引起了軍火炸彈專家和發(fā)動機專家的極大興趣，他們對該原理的應(yīng)用進行了長期的探索和研究。在國家利益和大量資金的驅(qū)動下炸彈專家獲得了成功：上世紀50年代美國和前蘇聯(lián)研究出了利用粉塵爆炸原理的高爆炸彈燃料空氣炸彈。該種炸彈又稱“ 云爆彈”“、環(huán)氧乙炔炸彈“”、小原子彈”。美國在伊拉克戰(zhàn)爭中使用的“

48、 炸彈之母”MOAB 炸彈，即是這種炸彈，內(nèi)有8.16 噸裝藥，其威力僅次于原子彈。燃料空氣炸彈研制的成功，關(guān)鍵在于解決了二次引爆技術(shù)，滿足了粉塵爆炸的條件。該炸彈達到目標(biāo)位置時第一次引爆，將彈體內(nèi)的環(huán)氧乙炔燃料均勻地撒布空氣中形成氣溶膠云霧。這時再進行第二次引爆，向這些氣溶膠云霧提供活化能（ 即一定的熱能），使這些氣溶膠云霧猛烈燃燒爆炸起來。該種炸彈爆炸時不僅爆炸能大，沖擊波強，而且能奪取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的氧氣，使人缺氧窒息而死。7.3粉塵燃料內(nèi)燃機的獨特發(fā)明、關(guān)鍵設(shè)計和重要措施粉塵燃料內(nèi)燃機由三室汽缸、送料預(yù)熱系統(tǒng)、閥門正時機構(gòu)、活塞連桿機構(gòu)等四大部分組成。該機型構(gòu)思巧妙、設(shè)計新穎，精制過的木炭

49、粉、竹炭粉、淀粉以及焦炭粉、煤炭粉等粉塵燃料進入該內(nèi)燃機后，不僅能充分形成粉塵爆炸的三個條件，會產(chǎn)生激烈的燃燒爆炸，而且能克服燃料供應(yīng)、粉塵點火、活塞潤滑、廢氣排放等等問題。因此該機型能連續(xù)運行，向外輸出動力。7.3.1、獨特發(fā)明三室汽缸粉塵燃料內(nèi)燃機汽缸的缸蓋與缸體之間安裝有缸臺，缸臺下表面與活塞上端面形成的空腔為燃燒室，缸臺上表面與缸蓋內(nèi)表面形成的空腔為儲氣室。缸臺中有貫通其上下表面的調(diào)氣管道和噴氣管道，調(diào)氣管道上端有控制調(diào)氣口啟閉的調(diào)氣閥，噴氣管道上下端分別有控制其啟閉的小噴閥和大噴閥。缸臺中有待料室，待料室位于噴氣管道上部并與外裝預(yù)熱器的送料管相接通，送料管和貯料箱底部的壓料管相接通7

50、.3.2、關(guān)鍵設(shè)計粉塵燃料的預(yù)熱以前，狄塞爾柴油內(nèi)燃機成功的關(guān)鍵設(shè)計在于：壓縮空氣和油嘴噴油；依靠壓縮空氣的高溫點燃。油嘴噴出的柴油。現(xiàn)在，粉塵內(nèi)燃機可實現(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)計在于：隔絕空氣的情況下將粉塵燃料預(yù)熱到燃點，然后通過送料管和送料塞桿送入到缸體內(nèi)的待料室中。爆發(fā)沖程開始時，新鮮空氣從貯氣室中高速噴向待料室，與高溫粉塵燃料充分混合并發(fā)生激烈爆炸，推動活塞，輸出動力。7.3.3 、重要措施閉鎖連桿粉塵燃料內(nèi)燃機的送料管和貯料箱底部的壓料管相接通，送料管前端從缸臺一側(cè)進入待料室，送料管中有可前后移動的送料塞桿，送料塞桿后端靠鉸接環(huán)與閉鎖連桿一端鉸接，行程輪與閉鎖連桿另一端鉸接。通過行程輪即可操縱閉鎖

51、連桿的開、閉及送料塞桿的前后移動輸送燃料。7.3.4 、活塞潤滑由于精制的粉塵燃料粒度較小，平均尺寸在5m以下，而且經(jīng)過炭化或焦炭化處理，所以進入汽缸的粉塵燃料本身就是很好的潤滑劑，對活塞及活塞環(huán)起潤滑作用。7.4、粉塵燃料的處理及要求再生性粉塵燃料的來源為樹木、竹子、農(nóng)作物秸桿及糧食淀粉等，它們可以進行大面積人工種植，屬于再生性原料。雖然它們歸屬于生物質(zhì)能的范疇，但其熱能是很可觀的，例如木炭的熱值就是焦炭熱值的1.13 倍。焦炭、煤炭屬于一次性能源，但是它們在地球上的儲量遠遠大于石油，還可以夠人類使用300 多年。19 世紀雷諾發(fā)明汽油機以前的所有內(nèi)燃機都是燃燒煤氣的。20 世紀下半葉以來人

52、們再度興起了以煤代油的研究，走的就是煤變柴油、煤水懸乳液、超細煤粉等路子。至今為止煤水懸乳液、超細煤粉做現(xiàn)行內(nèi)燃機燃料的路子沒有成功過；煤變柴油、煤變煤氣很成功，但是投資大、成本高。由于粉塵燃料內(nèi)燃機直接使用精制煤粉做燃料，不必使煤變氣或者使煤變油，因此可以大大低燃料的成本。粉塵燃料須經(jīng)去除雜質(zhì)、超細粉碎、炭化或焦化處理。需要除去有害金屬和有害物質(zhì)，比如有害重金屬、苯并芘或煤焦油等有害物質(zhì)。粒度一般要求平均尺寸在5m以下。7.5、粉塵燃料內(nèi)燃機工作過程粉塵燃料內(nèi)燃機為四沖程往復(fù)式發(fā)動機，由吸氣沖程、壓縮沖程、爆發(fā)沖程、排氣沖程構(gòu)成一個工作循環(huán)。六、研制和開發(fā)粉塵燃料內(nèi)燃機的重要意義粉塵燃料往復(fù)式內(nèi)燃機是一種全新的內(nèi)燃機，研制和開發(fā)粉塵燃料內(nèi)燃機的重要意義在于：7.5.1該內(nèi)燃機通過植物燃料的再生性，實現(xiàn)太陽能生物質(zhì)能機械能的生態(tài)能量循環(huán)，不僅能永遠地解決人類的能源危機，減少溫室效應(yīng)和環(huán)境污染；而且能使占人口大多數(shù)的農(nóng)民從低產(chǎn)值的糧食生產(chǎn)中解脫出來，轉(zhuǎn)移到高附加值的內(nèi)燃機燃料栽培產(chǎn)業(yè)中來。粉塵燃料內(nèi)燃機不僅能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，而且會產(chǎn)生巨大的社會效益。7.5.2煤炭、焦炭雖然屬于一次性化石燃料，但是在地球中的儲量比石油大，夠