1、武汉科技大学本科毕业论文I摘 要随着国民经济的持续高速发展，能源危机与环境污染问题日益突出。因此，发展清洁代用燃料对于我国减少对进口原油的依赖和减轻环境污染具有十分重要的战略意义。本文从能源短缺与环境污染的角度出发，说明发展代用燃料的必要性。充分说明醇类代用燃料是极具潜力的一种清洁代用燃料,从物质本身的结构和性能出发阐述其成为清洁代用燃料的可行性。结合使用背景和相关实验参数，说明甲醇汽油对发动机功率、扭矩、燃油消耗率等性能和常规排放物 CO、 HC、NOx 的影响并进行论证分析。除此之外也阐述了甲醇柴油的优缺点，对它的负荷特性和常规排放物 HC、NOx、颗粒物等进行了分析，从而进一步说明甲醇是
2、一种值得去开发研究的清洁代用燃料 。本文还对乙醇进行了一定的介绍，从乙醇的基本物理化学性质分析其成为清洁代用燃料的可行性。说明乙醇汽油、乙醇柴油的使用情况，它们所具有的优缺点和目前在使用上存在的一些问题及相关改进方法。最后对清洁气体燃料二甲醚做了相应的简介，根据它的相关性能特点说明它也是一种很有潜力的清洁代用燃料。关键词： 汽车； 代用燃料； 甲醇； 乙醇武汉科技大学本科毕业论文II武汉科技大学本科毕业论文IIIAbstractWith the high-speed development of national economy, the energy crisis and environme
3、ntal pollution problems have become increasingly prominent.So,it is very important to develop clean alternative fuels to reduce dependence on imported oil and reduce environmental pollution.This thesis illustrate the necessity of developing clean alternative fuels according to energy shortage and en
4、vironmental pollution.Fully explains the fact that alcohol alternative fuels is of great potential as a clean alternative fuel,explaining its feasibility to be clean alternative fuels from the angle of from the structure and the properties of alcohol.illustrates the influence of methanol gasoline on
5、 engine power, torque, fuel consumption and regular emissions of CO,HC,NOx from the background and experimental data and then giving a analysis.In addition,it also describes the advantages and disadvantages of methanol diesel,and the load characteristics and regular emissions of HC, NOx, particles a
6、re analyzed to further illustrate that methanol is a worthy of research to be clean alternative fuels.This paperalso introduces ethamol,and analyzes the feasibility to be clean alternative fuels fromfrom the basic physical and chemical properties of ethanol.Give a usage description of ethanol gasoli
7、ne, ethanol diesel, illustrate the advantage and disadvantage and problems in current use,and then give some related improved methods.At last,there is a breif introduction of airfuels DME,and show that it is also a promising clean alternative fuels according to its characteristic.Key words: Automobi
8、le； Alternative fuel； Methanol； ethanol武汉科技大学本科毕业论文IV目录绪论 .11 汽车，石油与环境 .21.1 中国及世界汽车保有量概况 .21.2 中国和世界石油概况 .21.3 机动车排放污染 .32 汽车代用清洁燃料的提出与意义 .43 甲醇燃料 .53.1 世界和我国甲醇燃料的使用状况 .53.2 甲醇的物化性质 .73.3 甲醇作为汽车燃料的技术可行性 .83.4 甲醇-汽油混合燃料对汽油机性能和排放的影响 .93.4.1 燃用 M10 燃料对发动机性能的影响 .103.4.2 燃用 M10 燃料对常规排放的影响 .113.4.3 燃用 M1
9、0 燃料对醇醛类排放的影响 .133.5 甲醇汽油存在的一些问题及改善方法 .133.6 甲醇-柴油混合燃料对柴油机排放和性能的影响 .153.6.1 负荷特性的比较 .163.6.2 排放结果的比较分析 .163.6.3 不同混合燃料的燃烧特性分析 .194 乙醇燃料 .204.1 世界和我国乙醇使用状况 .204.2 乙醇的性质及乙醇汽油可行性分析 .214.3 乙醇作为汽油代用燃料的排放性能分析 .234.3.1 乙醇汽油常规排放物结果分析 .234.3.2 乙醇汽油的优缺点比较 .264.4 乙醇作为柴油替代燃料 .284.4.1 乙醇与柴油的理化性质与性能分析 .284.4.2 乙醇
10、的添加对柴油排放性能的影响 .284.4.3 乙醇替代柴油存在的主要问题 .295 二甲醚清洁燃料简介 .305.1 二甲醚的性质 .305.2 二甲醚的应用简介 .315.2.1 用作民用燃料 .315.2.2 用作汽车燃料 .31结论 .32参考文献 .34致谢 .36武汉科技大学本科毕业论文0绪论近年来，中国国民经济取得了持续快速发展，随之而来的是环境污染形势越来越严峻。就大气环境来说，大气污染呈多元化的发展趋势，特别是随着机动车保有量的迅速增长，城市大气污染在煤烟污染的同时，机动车排放污染越来越严重。一些大城市的空气污染已由煤油型污染转向煤烟和机动车尾气混合型污染，氮氧化物居高不下，成
11、为主要污染物；交通道路的 CO 浓度常年超标 1。由机动车排放污染物引起的城市光化学污染也逐渐突出。同时，随着全球工业的迅速发展，石油等不可再生能源也面临着前所未有的能源危机，能源短缺将是一个困扰全球的问题，石油危机也意味着经济危机。所以，为了改善环境污染和能源结构，我们一方面应该更合理的利用有限的资源，另一方面我们也应该采取相应的措施来寻找可持续的清洁代用燃料本文对醇类代用燃料进行了一定的研究。由于醇类是烃基和羧基的组合，这从本质上也决定了其作为发动机代用燃料的可行性。醇类与汽油、柴油某些相似的物理化学性质使其成为有潜力的清洁代用燃料，下文对甲醇汽油、甲醇柴油、乙醇汽油、乙醇柴油以及二甲醚做
12、了相应的介绍，并从技术和实验数据的角度对其可行性与优越性进行了分析。除了可行性的介绍，本文也对醇类燃料的不足与技术缺陷做了一定的介绍，分析了制约醇类代用燃料发展的一些因素。发展清洁代用燃料势在必行，这也需要广大的科技工作者和相关部门作出进一步的努力。我相信，随着时间的推移，相关技术和其它条件将不断成熟，醇类代用燃料的使用与推广将会不断扩大，它将有着光明的前景。武汉科技大学本科毕业论文11 汽车，石油与环境1.1 中国及世界汽车保有量概况根据国外的 IHSautomotive 汽车咨询公司发布公告称，预计到 2013 年底，全球的汽车产量有望实现上升态势，包括汽车和轻型卡车在内的总产量将会超过
13、8000 万辆。而截至 2011 年底，全球的汽车包括重型卡车在内，共有 9.79 亿辆汽车在路上行驶，而在 2012 年，得益于亚洲特别是中国以及南美等地区汽车需求的增长，全球汽车市场正在缓慢复苏 2。尽管有报道称,中国汽车市场增长正开始放缓,但仍可以看到，从 2000 年到 2011 年间,中国的汽车数量从低于 1000 万辆快速增长到 7300 万辆，而且大多数车企认为，中国以及其他新兴市场的需求仍未饱和。随着近年来中国国民经济快速稳定增长，中国汽车工业也取得了飞速增长。2012 年上半年全国机动车和驾驶人保持快速增长趋势，截至 2012 年 6 月底，全国机动车总保有量达 2.33 亿
14、辆。其中，汽车 1.14 亿辆，摩托车 1.03 亿辆。全国机动车驾驶人达 2.47 亿人，其中汽车驾驶人 1.86 亿人。截至 6 月底，全国汽车保有量为 1.14 亿辆，与 2011 年底相比，增加 811 万辆，增长 7.66%。汽车保有量占机动车总量的 48.87%，比 2011 年底上升 1.81 个百分点。全国 17 个城市的汽车保有量超过 100 万辆，其中北京、成都、天津、深圳、上海等 5 个城市的汽车保有量超过 200 万辆。私人汽车保有量达 8613 万辆，占全部汽车保有量的 75.62%，比 2011年底上升 1.21 个百分点。尽管今年是创纪录的产量水平,但仍然没有完全
15、满足现有的生产能力。IHS 称,如果每个制造商都充分利用发挥他们的生产设施，2012 年汽车产量可能达到 9500 万辆。但依现在的形势，预计是到 2016 年才能实现这一目标,也许 2016 年将是第一次全球汽车年产量超过 1 亿辆的年份。到 2011 年底,包括重型卡车等车型在内，估计全球共有 9.79 亿辆汽车在路上行驶,比 2010 年增加 3000 万辆。而到 2012 年底,全球汽车总量会突破 10 亿辆,这意味着在这个星球上大约平均每七人就拥有一辆车。1.2 中国和世界石油概况1998 年 6 月 7 日，美国洛杉矶时报发表题为即将来临的石油危机真正的危机的文章认为 3，今后 1
16、0 年左右，世界石油供应似乎是充足的。在今后 20 年左右的时间，全球石油产量可能开始持续下降。虽然市场力量和石油生产技术的改进可能使石油供应继续保持到 21 世纪，但是石油危机的到来可能比一般人的设想早得多。武汉科技大学本科毕业论文2美国托莱多大学地质学教授克雷格哈特菲尔德指出：“自 1979 年以来，全世界已烧掉的石油比到那一年为止人类整个烧油史中烧掉的石油还多。 ”这位教授认为，自从石油时代开始以来，全世界已烧掉约 8000 亿桶石油。据估计，约有 1 万亿桶到 1.6 万亿桶石油埋藏在可以廉价开采的地层中。按目前世界石油消耗速度看，1.6 万亿桶石油大约60 年就会消耗光。而且世界石油
17、消耗速度并未停滞，而是在逐年增加。目前全球每天消耗石油量已达 7100 万桶，几乎每年增加 2。以每年这个增加数字计算，到 2010 年，全世界将消耗掉从经济到技术上都容易开采的全部石油的一半。尽管地质勘探技术有了惊人的进步，但所探明的新的石油储量明显减少，因为现有石油消费量同新勘探到的石油量的比例是 41。在不久的将来，不论是发达国家还是发展中国家，最终都会面临石油危机。在本世纪内，世界主要靠丰富的低价石油推动了经济车轮的前进，如果石油枯竭那么世界经济将面临严峻挑战。 中东报认为，到 1997 年底，开采石油已达 8070 亿桶，其中一半是在石油动荡的 70 年代开采的。根据一些保守的估计，
18、石油储量不会超过 8300 亿桶。还有一些报告指出，世界石油总储量约达 9950 亿桶。目前，世界每年消费石油 240 亿桶，而新勘探出的石油越来越少，每年只有 50 亿桶。中东地区以外的石油储量正在下降。石油资源是有限的。据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采不超过 95 年的时间。在 2050 年到来之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在 2250 到 2500 年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。未来石油燃料的产量终将日趋减少，许多世界能源机构及权威人士认为：现已查明易开采的石油可维持 50 年左右，1990 年左右世界石油产量达到
19、过一个高峰，而后逐步下降，本世纪将出现石油短缺的现象。到 2030年液体燃料中的 40%左右要由煤的合成燃料来满足。面对即将到来的能源危机，全世界认识到必须采取开源节流的战略，即一方面节约能源，另一方面开发新能源。1.3 机动车排放污染随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，正面临汽车能源需求与环境保护的双重巨大压力。汽车行驶的主要燃料是从石油中提炼出来的柴油和汽油，据世界能源大会数据表明，我国的能源资源 4，煤的保有储量约占世界的 30，可采年数达数百年，石油的保有储量仅占世界的 2.4。1993 年起我国已成为石油纯进口国，2000 年我国石油总需求的 33已从国外进口，2010 年
20、我国石油总需求的 47需进口，随着制造业和汽车的发展，我国石油的供应将严重不足。在另一方面 5，我国的汽车排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。汽车数量剧增，给自然环境中的空气、土地资源、水资源、海洋、人文环境及人类的生存和健康带来许多不利影响。这些影响效应往往相互叠加，引发出人类事先未曾预料到的诸多问题。汽车是依靠发动机燃烧燃料产生驱动力而行驶的，在发动机燃烧燃料做功后排放的尾气中，含有一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物以及对人体产生不良影响的其他一些固体细微颗粒武汉科技大学本科毕业论文3物。一氧化碳是无色、无刺激的有毒气体，是汽车有害排放物中浓度最高的一种成分。城市大气中的一氧化碳
21、大部分都来自汽车尾气，它是燃油燃烧不充分的产物，车速越慢，交通堵塞越严重，排放量就越多。空气中一氧化碳浓度较低时，可导致人体出现中枢神经系统慢性中毒，引起头痛，眼睛发直。当每立方米的空气中一氧化碳含量达到 4 克时，能在 30 分钟内使人死亡。二氧化碳是大气主要的温室气体之一。当大气中二氧化碳含量升高时，会增强大气对太阳光中红外线辐射的吸收，阻止地球表面的热量向外散发，使地球表面的平均气温上升，产生温室效应。目前，全世界二氧化碳的排放量已超过 200 亿吨，其中汽车的排放量约占 1015。汽车尾气排放物中的二氧化碳占废气总量的 20。氮氧化物与空气中的水分和其他物质反应形成酸雨、酸雾等，腐蚀金
22、属物、汽车、建筑物和历史文物等。酸雨还污染河流、湖泊，严重影响鱼类生存。氮氧化物与空气中的水分、氨以及其他化合物反应，生成含硝酸的细微颗粒物，影响呼吸和呼吸系统，损害肺组织；进入人体肺脏深部，引起或者恶化呼吸系统疾病。汽车尾气中所含的各种碳氢化合物总称为烃类，成分有百余种之多，其浓度总量比一氧化碳要少。碳氢化合物中大部分对人体健康的直接影响并不明显，但碳氢化合物中含有少部分醛类(甲醛、丙烯醛)和多环芳烃(苯)。其中甲醛与丙烯醛对鼻、眼和呼吸道黏膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎、支气管炎等症状，它们还有难闻的臭味。苯被认为是一种致癌物质。汽车尾气中含有的细微颗粒物，主要有作为抗爆剂加入到汽油中的
23、四乙基铅经燃烧后生成的铅化物微粒以及燃料不完全燃烧生成的碳烟粒等。铅化物扩散到大气中对人体健康十分有害，当人们吸入这种有害物并积累到一定程度时，将阻碍血液中红血球的生长与成熟，使心、肺等发生病变。铅中毒的症状主要表现为头晕、头痛、失眠、多梦、记忆力减退、乏力、食欲不振、上腹胀满、恶心、腹泻、便秘、贫血、周围神经炎等。重症中毒者有明显的肝脏损害，会出现黄疸、肝脏肿大、肝功能异常等症状。2 汽车代用清洁燃料的提出与意义任何国家的经济发展都与能源问题密切相关，而内燃机对燃料的需求，在能源总消耗中占很大比例。当前内燃机主要用石油作为燃料，一般工业发达国家消耗在内燃机上的燃料约占整个石油消耗量的 60%
24、左右。未来石油燃料的产量终将日趋减少，许多世界能源机构及权威人士认为：现已查明易开采的石油可维持 50 年左右，1990 年左右世界石油产量达到过一个高峰，而后逐步下降，本世纪将出现石油短缺的现象。到2030 年液体燃料中的 40%左右要由煤的合成燃料来满足。因此，为保证未来交通运输以及国民经济的持续发展，研究与开发清洁代用燃料是势在必行。另一方面汽车用的汽油、柴油，造成的环境污染日趋严重，在各国的大中城市，汽车尾气排放污染已经成为大气污染的最主要污染源，它们对人体健康的危害已经引起世人的关注。这也是武汉科技大学本科毕业论文4人们使用其它清洁能源替代石油产品的重要原因。代用燃料的发展就是为了解
25、决目前面临的能源短缺问题，可以在不会影响汽车使用的情况下发展新的代用燃料，其性能可能更优于一般的普通燃料，同时它的使用也更加经济。举例说明 6，拿油改气来说，如果一辆索纳塔出租车采用油改气的话，一天可节约燃料费 25 元，一月可节约 750 元，一年下来能节约 9000 元。而改装费只需 8500 元，不到一年便能收回成本。再如一种醇燃料酒精车来说，以一辆出租车每天跑 350 公里计算，酒精车比汽油车一年可节约燃料费上万元。而油车改装成酒精车需 3000 元。改装时只要在汽油车上安装无触点高能点火装置，便能将高浓度有水酒精迅速燃烧，启动汽车。改装一辆汽油车只需 1 个多小时，只在油路和电路上稍
26、作变动，其它部件基本不动。而且它们燃烧后的尾气也不会严重污染环境，相反可能要比汽油作为燃料更清洁。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。根据汽车的特点，使用的代用燃料或新能源应具备如下条件 7:(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内燃机动力性能的要求；(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
27、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。所以，针对我国自然条件和“富煤贫油“ 能源资源特点，加快天然气的开发利用，同时发展可从煤、天然气制取的甲醇、二甲醚燃料和从生物质木薯、秸秆、玉米等制得的乙醇燃料，形成适合中国国情、具有中国特色的汽车代用燃料体系，对逐步改变汽车能源结构，降低对石油燃料的依赖性，减轻对石油需求的压力，保证我国能源安全，保护大气环境具有重大战略意义。3 甲醇燃料3.1 世界和我国甲醇燃料的使用状况上世纪二十年代甲醇汽油开始用作车用燃料 8；在二次世界大
28、战期间，甲醇汽油广泛应用于德国；上世纪七十年代受二次石油危机的影响，美国、日本、德国和瑞典等国先后投入人力、物力进行甲醇燃料及甲醇汽车配套技术的研究开发。武汉科技大学本科毕业论文5美国对甲醇燃料和甲醇汽车进行开发和应用，重点开发燃烧 M85（含甲醇 85%） 、M100（含甲醇 100%）专用甲醇燃料汽车。1987 年美国福特汽车公司及美洲银行，改装 500 辆福特车，试用 M85 甲醇燃油，总行程 3380 万千米，时间长达 3 年，取得甲醇汽车改装生产的经验。1995 年美国 DOE 能源研究中心投入 12700 辆甲醇车试用M85。日本汽车研究所 1993 年用大型公共汽车、载货车使用
29、M85、M100 燃料，进行了6 万千米的道路试验，以检验发动机的耐久性、可靠性。1994 年，日本奥托甲醇型汽车，用 7 年时间进行道路试验。1996 年，日本本田技研工业株式会社，试用汽油、甲醇自由混合双燃料车，已完成确保与汽油大致相同耐久、可靠的灵活燃料车，得出的结论是，成本降低，有利于批量生产。在欧洲，瑞典 1975 年首先提出甲醇可以成为汽车代用燃料，并随即成立国家级的瑞典甲醇开发公司（SMAB） 。前德意志联邦共和国在上世纪七十年代开始研制甲醇发动机，1979 年制定了“ 用于公路交通运输的醇类燃料” 的研究规划，将 M15 汽油用于汽车，其间组织过由 6 家汽车厂生产的一千多辆燃
30、醇汽车投入试运行，并在全国主要大、中城市建立 M15 汽车加油站，形成全国供应甲醇汽油的网络。在上世纪七八十年代，德国大众汽车公司还在中国建立了 M100 甲醇汽车示范车队。可以说，德国是至今世界上发展甲醇汽车最有成效的国家。资料表明：使用甲醇汽油用于汽车是完全可行的。据统计，目前，瑞典、新西兰已推广使用 M15 汽油，意大利计划用含甲醇 80%的混合醇代替汽油。综合世界其他国家研究和实用结果，可以得出在现有汽车发动机上，不致发生运行障碍的酒精混合率以乙醇 20%或甲醇 15%为最合适的界限。我国对甲醇燃料的研究起步于 20 世纪 70 年代初期。 “六五” 期间由国家科委组织、交通部负责将
31、M15(甲醇占 15%)甲醇渗烧汽油研究列入国家重点攻关项目 ,在山西组织有 480 辆汽车、并建有 4 个加油站的营运规模。 “七五” 期间,由国家科委组织,中科院负责将北内的 492 发动机改烧甲醇(M85 以上)技术列入攻关项目。 “八五”期间,进行中、德M100 科技合作项目,有 8 辆桑塔纳轿车在北京行驶 ,并建有一个加油站。同期,国家继续将低比例 M3、M5 甲醇燃料应用列入攻关计划。在四川、重庆等地有数百辆汽车投入运营试验。多年来,有关部门和科研院所进行了相应甲醇燃料汽车的开发研究。1996 年由国家科委和福特汽车公司组织中科院、清华大学、化工部、山西省等单位参加并完成“中国山西和其他富煤地区,把煤转化汽车燃料及其应用的经济、环境和能源利用的生命周期评估”的课题研究。在此基础上由国家科委推荐,原国家经贸委于 1997 年对国家甲醇燃料汽车试验示范项目立项,由山西佳新能源化工实业有限公司承担实施,组建 50 辆甲醇轻型客车队进行商业化试验示范。另外,山西省自行研制成功的“华顿甲醇汽油”,在太原经 23 辆汽车试验运行 5 个月
