含水酒精重整燃料发动机研究

论文摘要

目前人类所依存的能源,主要是不可再生的化石能源。但对化石能源储采比的研究表明,化石能源的可开采年限有限。而大规模的使用化石能源,将地底下沉积几亿年的碳元素不可逆地引入大气层,也导致了全球温室气体排放严重,气候变暖。随着经济的发展,能源消费量的日益增加与能源储量日益减少和环境日益恶化的矛盾迫使人类不得不寻找新的替代能源。太阳能、风能、海洋能、地热能和生物质能等可再生能源都是未来潜在的替代能源。在目前的技术条件下,和其他可再生能源相比,生物质能中的生物柴油和生物酒精因其能量密度的优势更适于作为载运工具的替代燃料。生物乙醇作为车用替代燃料的技术最为成熟,乙醇汽油已得到广泛应用。但在现有发动机上使用乙醇汽油乙醇的含量不能大于10%,替代率低。若直接燃用高乙醇含量的乙醇汽油发动机需作大的结构改造。而且乙醇汽油对乙醇的纯度要求高,必须是脱水酒精,体积浓度在99.5%以上。本课题提出的含水酒精重整燃料方案可克服以上缺点,将含水酒精直接在现有发动机上应用。基本原理是将含水酒精重整为富氢混合气后供发动机燃烧,含水酒精的蒸发和重整所需的热量由发动机的排气余热提供。本文的主要目的就是研究含水酒精重整燃料的各种特性,寻找对含水酒精重整燃料发动机热效率产生重大影响的燃料内在因素,提出含水酒精重整燃料发动机性能优化策略,为发动机的开发提供理论依据和技术支持。主要研究内容为:1)论述了本文研究的背景、目的和意义。2)研究了在发动机运行的条件下,乙醇水蒸气在催化剂作用下的重整规律。利用乙醇水蒸气催化重整可得到富氢混合气;在可比条件下,重整率随温度的升高而增加,随酒精浓度的增加而增加,随着酒精流量增加而减小,但在有效空速比范围内,酒精流量对重整率影响有限。3)分析了含水酒精重整燃料的特性。含水酒精经过重整后燃料的热值得到了提高,由于富含H2燃烧特性得到了改善。但因其气体的形态,对发动机的充气效率带来不利影响,而且燃烧时分子体积减小,部分抵消了燃料热值提高和燃烧特性改善有利于发动机性能提高的作用。4)研究了含水酒精重整燃料-空气混合气发动机的理论循环。随着重整率的提高,理想循环的最高温度逐渐增大,由于分子体积变化系数的影响,循环最大压力随着重整率的提高逐渐下降;随着重整率的提高,循环热效率逐渐增加。5)对比分析了RE发动机和VE发动机台架试验结果。RE发动机热效率较VE发动机高,主要原因是由于RE燃料为富氢混合气,实现了快速燃烧和稀薄燃烧;6)研究了以现有发动机改造的含水酒精重整燃料发动机性能优化策略。提高压缩比、点火提前角增大、实现稀薄燃烧都可改善发动机经济性和排放性能。与原机相比,优化后的RE发动机除动力性有所下降外,经济性和排放性能都大幅提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景、目的和意义
• 1.1.1 全球化石能源紧缺
• 1.1.2 化石能源的过度消耗引起全球气候突变
• 1.1.3 中国能源安全现状与对策
• 1.1.4 可再生能源的发展趋势
• 1.1.5 生物乙醇燃料的开发与应用
• 1.1.6 含水酒精及氢的应用
• 1.2 本文的主要工作
• 第2章 乙醇水蒸气催化重整研究
• 2.1 乙醇水蒸气催化重整反应的机理研究现状
• 2.1.1 乙醇水蒸气催化重整反应的热力学研究
• 2.1.2 乙醇水蒸气重整反应的动力学研究
• 2.1.3 乙醇水蒸气催化重整机理研究
• 2.1.4 乙醇水蒸气重整催化剂的开发研究
• 2.2 乙醇水蒸气催化重整试验研究及结果分析
• 2.2.1 重整率的定义方法
• 2.2.2 试验条件
• 2.2.3 色谱分析条件及成分标定
• 2.2.4 催化剂还原
• 2.2.5 含水酒精催化重整试验
• 2.2.6 重整率试验
• 2.3 本章小结
• 第3章 含水酒精重整燃料特性分析
• 3.1 热值提高
• 3.2 燃烧特性
• 3.4 重整燃料对发动机充气效率的影响
• 3.5 重整燃料对气体分子体积变化系数的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 含水酒精重整燃料发动机理论循环分析
• 4.1 乙醇重整燃料混合气体
• 4.2 理论循环的基本假设
• 4.3 理论循环的计算分析
• 4.4 计算实例结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 含水酒精重整燃料发动机试验结果及其分析
• 5.1 试验台架
• 5.2 发动机运行时重整率估算
• 5.3 试验结果与分析
• 5.3.1 RE发动机与VE发动机热效率对比
• 5.3.2 RE与VE发动机排放对比
• 5.4 发动机热力循环分析
• 5.4.1 示功图对比
• 5.4.2 循环热力学分析
• 5.5 添加液体酒精的作用
• 5.5.1 添加液体酒精有利于提高重整率
• 5.5.2 添加液体酒精对发动机性能影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 含水酒精重整燃料发动机性能优化策略研究
• 6.1 改变压缩比
• 6.1.1 提高压缩比对动力性影响
• 6.1.2 提高压缩比对能耗的影响
• 6.1.3 提高压缩比对排放的影响
• 6.2 改变点火提前角
• 6.3 稀薄燃烧的控制
• 6.4 酒精含水量的优化
• 6.4.1 不同含水量酒精重整发动机性能对比
• 6.4.2 75%酒精重整气与95%酒精蒸汽比较
• 6.5 优化后RE发动机与原型汽油机性能比较
• 6.6 本章小结
• 第7章 全文总结及展望
• 7.1 本文工作的总结
• 7.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目