摘 要

从工业革命开始，煤炭、石油、天然气等不可再生能源消耗快速增长，然而地球上的化石能源毕竟不是无限的，众所周知，人类正处于后化石能源时代。因此寻找汽车新的能源以及开发新的汽车动力方式是汽车行业发展的新趋势。

在所有代用燃料中，甲醇和乙醇是最容易实现可再生的液体燃料，且是目前使用最多最广泛的。因此不在发动机上作大的改造，能够安全且高替代率地燃用乙醇燃料是现代技术发展的新课题之一。

本文提出将含水乙醇直接应用在发动机上，以LJ4K18QS发动机为原型，设计燃用含水乙醇总体方案。主要内容为：

（1）进行了发动机排烟能量与含水乙醇蒸发重整能量匹配计算，研究了在催化剂的作用下含水乙醇的重整规律。

（2）构建了LJ4K18QS发动机燃用含水乙醇重整燃料供给系统。设计了重整器、缓冲罐和喷气阀及其选型计算。

（3）提出了适用于LJ4K18QS发动机改用含水乙醇重整燃料发动机后的总体运行控制方案。

关键词：含水乙醇；发动机；重整；总体方案

Abstract

Since the industrial revolution, the consumption of non-renewable energy such as coal, oil, and natural gas rose rapidly. However, fossil energy on Earth is not infinite . It is well-known that mankind is in the post-fossil energy era. Therefore, the search for new energy sources for automobiles and the new ways of driving automobiles are new trends in the development of the automotive industry.Of all alternative fuels, methanol and ethanol are the easiest liquid fuels to achieve renewable, and are currently the most widely used. How to make little modifications to the engine,high replacement rates and safe use of bio-ethanol fuel in existing engines have become new topics in the development of modern technologies.This paper proposes to apply water-containing ethanol directly to the engine and use the LJ4K18QS engine as a prototype to design an overall scheme for burning water-containing ethanol. The main content is:Matching calculation between engine exhaust energy and hydrated ethanol evaporation reforming energy was conducted, and the reforming rule of hydrated ethanol under the action of catalyst was studied.(2) An LJ4K18QS engine fueled with an aqueous ethanol reforming fuel supply system was constructed. Reformers, buffer tanks, and jet valves and their selection calculations were designed.(3) Proposed a general operation control scheme for LJ4K18QS engine after changing to hydrated ethanol reforming fuel engine.Keywords: hydrous ethanol; engine; reforming； overall scheme

目录

第1章 绪论 2

1.1研究背景 2

1.1.1化石能源储量不足 2

1.1.2我国石油替代料燃料政策背景 4

1.2含水乙醇重整燃料 5

1.2.1乙醇的国内外研究现状 5

1.2.2含水乙醇的理化性质 6

第2章 含水乙醇重整 7

2.1含水乙醇重整研究 7

2.1.1乙醇水蒸气催化重整机理研究 7

2.1.2重整率的定义 7

2.2发动机排烟与含水乙醇重整能量匹配 8

2.3重整率的影响因素 11

2.3.1重整率和温度的关系 12

2.3.2重整率和流量的关系 12

2.2.3重整率和酒精浓度的关系 13

2.3.4重整气组分 14

第3章 燃料供给系统 16

3.1空气供给系统 16

3.1.1进气量的标定实验 17

3.2燃油供给系统 20

3.2.1喷油器的喷射流量标定 21

3.3含水乙醇供给系统 22

3.3.1重整器 23

3.3.2缓冲罐 25

3.3.3喷气阀 27

第4章 发动机运行的总体方案 29

4.1起动控制方案 29

4.1.1点火控制 29

4.1.2喷油控制 30

4.2切换控制方案 31

4.3持续运转控制方案 32

4.4 停机控制方案 34

第5章 总结与展望 36

5.1本文工作总结 36

5.2下一步工作展望 37

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1化石能源储量不足

人类发展历史中，每一次重大进步都伴随着能源的更替和改进,能源的发展极大地推动了世界经济和人类社会的发展。

目前能源储量分布情况如下：

表1.1 2008年世界主要能源储量分布情况分布情况^[1]

表中显示了近年来中国石油进口依存度变化情况，汽车工业的发展使得我国石油依存量快速增长。未来，中国石油需求还将进持续增加，在石油消费总量上，中国已经成为了除美国以外的石油消费大国。然而我国的原油采储比却并不乐观，如下图所示：

表1.2 我国2007年原油产储量表（亿吨）^[2]

由此可知，可供开采的石油能源真的不多了，虽然中国是世界能源资源大国之一，能源资源非常丰富，但由于中国是全球人口最多的国家，因此人均能源资源却不多。

中国虽然是世界能源资源大国，能源资源丰富，但由于中国人口众多，人均能源资源相对匮乏。据统计，中国煤炭2008年的探明储量为1145亿t,占世界总量的13.86%，居世界第三位，但人均仅为世界人均的70%，石油和天然气探明储量分别为21亿t和2.46万亿，占世界总量的1.23%和1.33%，分别居世界第14位和第16位，而人均仅为世界的十分之一和二百五十分之一^[3]。

因此寻找汽车新的能源以及开发新的汽车动力方式是汽车行业发展的新趋势。而乙醇和甲醇是目前最看好的替代燃料。

1.1.2我国石油替代料燃料政策背景

为了我国未来的可持续发展，中国也早已出台了相关政策。

表1.3 我国国家相关政策及内容

由此可知，发展新能源是适应国家发展需求，是国家支持推崇的项目，因此寻找汽车新的能源以及开发新的汽车动力方式是汽车行业发展的新趋势。而乙醇和甲醇是目前最看好的替代燃料。

燃料乙醇是高辛烷值燃料，当乙醇的浓度达到95%时，与水达到共沸点，与汽油混合必须是无水乙醇，而无水乙醇的定义是乙醇体积浓度达到99.5%以上，因此乙醇蒸馏后还需要精馏才能得到燃料乙醇。在我国，燃料乙醇可与汽油成为乙醇汽油，燃料乙醇所占比例最大为10%，乙醇汽油可以没有在原汽油发动机上做任何改动而直接使用。乙醇汽油的使用减少了汽油消耗量，增加了含氧量，使得燃烧更加充分，减少了燃烧后有害物质的排放。

1.2含水乙醇重整燃料

我国石油储量有限，石油需求不断增长。甲醇和乙醇是目前为止使用最广泛的醇类代用燃料。而作为石油替代燃料乙醇由于其以下三个优点日益受到重视：

（1）它的生产原料是可再生的；

（2）它完全燃烧只生产二氧化碳和水的无害物质，而产生的二氧化碳易被植物通过光合作用吸收成为有机物，这对于抑制温室效应具有重要意义；

（3）它是一种高辛烷值燃料，可以代替甲基叔丁基醚，也增加了燃料的含氧量，提升燃烧质量，降低汽车尾气中的有害物质。

燃料乙醇可以同普通汽油按照一定的比例进行调配成为乙醇汽油，来作为汽车的燃料。由于燃料乙醇的清洁性和可再生性，可以用其代替石油而减资源，减少我国对石油等不可再生能源的利用，保证我国用能的可持续性^[2]。

1.2.1乙醇的国内外研究现状

20世纪30年代乙醇开始作为发动机燃料，由于石油危机的刺激，到了20世纪70年代，一些石油资源匮乏而醇类资源丰富的国家才开始在政策上和经济上来鼓励和支持燃料乙醇的发展。

20世纪80年代，巴西利用全国甘蔗产量高的优势，抢占了发展燃料乙醇先机，成为目前世界上最大的燃料乙醇生产和消费国。

表1.4 巴西燃用乙醇现状

仅次于巴西，燃料乙醇的第二生产大国是美国。美国主要用玉米作为乙醇的生产强烈。美国关于燃料乙醇的发展政策如下：

表1.5 美国燃用乙醇现状

在我国，现在大量使用的是用90%的普通汽油和10%的燃料乙醇调和而成的乙醇汽油，即E10，替代率相对较低。

1.2.2含水乙醇的理化性质

燃烧乙醇生产阶段主要有这样5个阶段，如下表所示：

表1.6 乙醇生产能耗^[4]

由此可知蒸煮液糖化、蒸馏、脱水过程中所消耗的能量最大，脱水过程的能耗都有20%，含水酒精不需要脱水过程，原料的能耗将大大降低。而且，含水酒精去除了脱水过程，大大降低了原料制造能耗和精馏塔产生的成本。而且，使用的含水酒精的能耗的浓度低于乙醇水蒸气的共沸点达到的95%，蒸馏过程的耗能也可以减少很大一部分。

当温度达到一定程度，金属催化剂发挥活性，含水乙醇在贵金属催化剂的作用下发生重整反应，产生氢气，得到富氢燃料，不需提纯。富氢气体的重整气是优良的发动机燃料。另外，不用在发动机上作过大的改造，能燃用含水酒精重整燃料，而且经催化重整预处理后的燃料，有害物质排放明显减少。

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