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柴油机酒精熏蒸的研究进展：关于降低环境的排放一种可行的令人满意的替代方案发动机性能双燃料技术
摘要
在现代蓬勃发展的每一个领域，包括工业发展，交通运输和发电，化石燃料都是最重要的因素。随着化石燃料的使用率迅速增加，对环境有着不可避免的有害影响。增加国际环保意识和严格的排放法规正在被制定。同时化石燃料的存储量正在被消耗。因此，上述情况促使科学家找到替代可持续的燃料，以及它们的合适的使用技术，将减少污染物排放，并将适用于获得满意的发动机性能。在这些角度来看，酒精熏蒸作为一种有效减少柴油车污染物排放的措施被需求的越来越高。酒精熏蒸是一种酒精燃料与进气预混的双燃料发动机操作技术。本文的目的是确定乙醇在熏蒸模式对柴油发动机的潜在用途。在本文综述中，研究乙醇和甲醇熏蒸对柴油机性能和排放进行分析。各种熏蒸比从5%到40%已应用于不同类型的发动机与各种类型的运作模式。人们已经发现，酒精熏蒸技术的应用导致了更多的环境有关的二氧化碳排放量显著降低（CO₂）达7.2%，氮氧化物（NOx）达20%，颗粒物（PM）达57%。然而，使用酒精熏蒸后发现一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的排放增加。由于汽化热量高酒精熏蒸的油耗也增加。在低负荷发动机下的热效率降低，高负荷发动机热效率增加。
1.简介
如今，从更好的效率和耐久性的角度看，全球运输业完全依赖于公共和商业运输的柴油机车辆。然而，交通方面占26%的温室气体排放和温室气体是全球变暖的必然结果[ 1 ]，同时，柴油车在空气中可吸入悬浮粒子是主要来源[ 2,3 ]。柴油车的主要颗粒物（PM）由不同类型的化学成分组成，如元素碳，有机碳，无机离子，微量元素等[ 4 - 6 ]。这些粒子对人体健康和环境都有极其有害的影响。无数的研究已经证明，这些粒子会导致呼吸和心血管健康问题[7–10]和神经组织退化和紊乱 [11,12]。在城市里，车辆排放占有70–75%氮氧化物。NOx是烟雾产生的主要原因，地面臭氧和酸雨是次要原因[13,14]。因此，环境保护的意识在国际正在增长，减少柴油发动机车辆的排放量[ 15 ]。为了达到排放标准，许多发动机制造业已经投入了大量的资源来减少柴油发动机的排放。在这方面，使用替代和可持续的生物燃料，如沼气，生物乙醇和生物柴油被认为是有效的办法，以减少温室气体，PM 和 NOx的排放[16–21]。在最近的一项研究中，国际能源机构报告说，生物燃料可能是一个关键的替代燃料技术，以减少从柴油发动机中排放的温室气体 [ 22 ]。
此外，化石燃料的来源日益减少，据估计，化石燃料储量将持续41年，石油，天然气和煤炭63年和218年[ 2３－2５ ]。世界的日益产业化和机动化已导致能源供应缺乏的情况。石油价格每天都在升高。这些对化石燃料的可用性的挑战。在这种情况下，交通运输部门为解决化石燃料替代能源问题生物燃料的需求正在增加。
生物燃料如生物乙醇和生物柴油，沼气，由于其存储设备的可用性和处理，酒精似乎是最有吸引力的和有前途的替代燃料。使用沼气的汽车需要高压。沼气泄漏可能会导致问题。食用植物油生物柴油可能导致人们缺乏食物供应。非食用油用作生物柴油需要大规模种植粮食作物，可能导致粮食减少。
酒精燃料可以与柴油燃料一起使用在不同的双燃料技术中。最常用的方法是混合和熏蒸。混合方法就是酒精燃料与柴油混合后再向气缸内注入。酒精与柴油混合的相容性是需要额外的添加剂来稳定的。因此需要限制混合操作的醇的剂量。酒精熏蒸被简单地定义为酒精燃料进入管内要么通过喷涂要么通过喷射汽化进入管内。这种方法的优点是提供一部分的总燃料供应与进气预混，从而提高空气利用率。这种方法需要对引擎做轻微的修改，通过添加低压力喷油器，单独的油箱，线和控制系统[26,27] 但允许酒精燃料用于发动机运行的相容性很大一部分原因是需要添加剂稳定的酒精和柴油[27,28] 所以，酒精在熏蒸模式下发动机可以有更好的效率。
在本文中，对通用的柴油发动机的大小和类型在不同的操作条件进行研究。用的最广泛的是四缸型柴油机。通过不同比例的熏蒸得到最好的结果。发动机的效率和排放特性的影响进行了讨论，不同比例的酒精熏蒸对发动机效率和排放的影响。
本文的主要研究目的是酒精熏蒸在发动机上的潜在用途。
2.酒精作为柴油发动机的补充燃料
内燃机使用酒精燃料不是新的技术。自发明内燃机以来，这些燃料在内燃机上已断断续续地使用。乙醇开始作为燃料使用是，福特汽车公司设计的福特汽车公司就使用玉米酒精，称为乙醇1908。在70年代由于石油危机乙醇开始作为替代燃料 [ 26 ]。然而，因为汽车发动机的发明期间，由于发动机的操作方便和供应的可用性，化石燃料一直是主要的运输燃料。但与酒精燃料相比，化石燃料作为汽车燃料有一些缺点。石油燃料具有较低的辛烷值，比酒精燃料排放的有毒物质排放量更大。以确保从石油燃料的柴油和汽油的一致的生产，复杂的精炼过程是必需的 [ 29 ]
2.1 可再生能源
乙醇是一种可再生能源，可以从基础的农业原料所产生的碳，当地种植的作物，甚至浪费的产品包括废纸、树枝和草中获得[ 30 ]。甘蔗渣是另一种生产酒精的能源[ 31 ]。近年来，在全球范围内，已经发现了生产酒精燃料的可再生能源的趋势正在上涨。表1清楚地表明世界各地的乙醇燃料产量增长趋势。
2.2乙醇燃料
乙醇由碳、氢和氧组成。乙醇的分子式CH3CH2OH含有2-碳原子和等距的二甲醚（DME）。乙醇完全可以与水混合。乙醇对铝、黄铜和铜的机械部件有很强的腐蚀作用。乙醇也与橡胶反应，导致燃料管堵塞。为了避免这个问题，建议使用氟橡胶，而不是橡胶[ 40 ]。然而，由于较高的压缩比，乙醇可以让更多的发动机功率比汽油燃料。乙醇安全运输和储存具有较高的自燃温度比柴油[41,42]。通过发酵和蒸馏过程，可以从淀粉作物中产生的乙醇转化成单糖。乙醇可以从各种纤维素原料，如稻草、玉米秸秆、甘蔗渣产生，柳枝稷和纸浆。从排放温室气体量的减少可以看出乙醇有巨大的潜力[43,44]。
2.3甲醇
甲醇（CH₃OH），最简单的醇，是一种无色、易挥发、易燃的液体，具有独特的香味[ 45 ]。甲醇不含硫和有机物，甲醇具有较高的热效率，比石油燃料排放量少。由于具有较高的辛烷值，甲醇是一种高压缩比的用于发动机的极好的燃料。作为酒精燃料，甲醇的潜在资源是巨大的。它可以从任何有机来源，包括生物量。虽然，大部分甲醇是从煤炭和天然气中产生，最近已经做了一些研究，以评估可再生能源和可持续来源的生物甲醇生产的可行性。在这方面，森林生物量已取得相当大的关注，是一种可持续发展的环保甲醇生产源[46,47]。然而，甲醇具有较低的热值和密度比石油燃料，因此需要更大的储液罐安装在车辆。
2.4醇类作为燃料的理化性质
酒精燃料如乙醇和甲醇是可行的替代燃料在压缩点火（CI）引擎中[46 ]。酒精有一定的有效性，支持完全燃烧过程，减少柴油机排放。特点：①酒精具有较低的粘度与柴油燃料相比酒精容易注射和雾化和与空气混合。②酒精具有较高的含氧量，高化学计量空气-燃料比，高氢-碳比和低含硫量，酒精排放量较少。③酒精具有较高的汽化热，进气过程和压缩冲程的冷却效果好。发动机的体积效率增加，并且在压缩行程中减少了工作输入所需的量。④酒精具有很高的层流火焰传播速度，可以更早完成燃烧过程。这提高了发动机的热效率[50,51]。
醇类燃料如乙醇和甲醇与石油燃料的物理性质相同，与汽油和柴油燃料相比，乙醇燃料的物理特性在表2中给出。
酒精是很有前途的替代运输燃料，因为它的性能，允许其利用在现有的柴油发动机与轻微的硬件修改。醇类具有很高的辛烷值，因此，在发动机起动前，可以实现较高的压缩比，以保证发动机在发动机上的高效和经济。酒精燃烧明显比常规石油燃料产生的一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）和氮氧化物少[ 56–58 ]。酒精排放CO₂量比汽油减少7% [ 26 ]。酒精具有高蒸发潜热，导致燃烧过程中缸内温度峰值降低，因此NOx排放降低 [59,60]。
由于其可再生能源，生产成本低，环境友好的燃料特性，醇正吸引着全世界的关注。酒精可以在当地生产，生产工艺简单、环保。酒精作为替代可再生燃料使用是减少有毒排放的有效措施。通过酯交换反应过程可解决醇燃料对各种发动机部件的腐蚀问题。虽然与柴油燃料相比酒精燃料的使用仍然很小，但是该方案正在迅速改变。再生资源丰富，新的降低成本的技术，持续的意识对环境污染和能源短缺正在缓慢稳步地加速酒精燃料市场。表3和表4
表1 2007年到2011年生产乙醇燃料液体国家排名[32–39].
country or region国家或地区 United States美国 Brazil巴西 European Union欧盟 China中国 Canada加拿大 Thailand泰国 India印度 Colombia哥伦比亚 Australia澳大利亚
表2 天然气，酯，汽油和柴油的各种性质的主要酒精燃料的比较[ 52，55 ]。
Methane甲烷 Methanol甲醇 Dimethyl ether乙烷 Ethanol乙醇 Gasoline汽油 Diesel柴油 Formula分子式 Molecular weight (g/mol)分子组成 Density (g/cm3)密度 Normal boiling point (1C)沸点 LHV (kJ/cm3)低热值 Exergy (MJ/l)有效能 Carbon content (wt%)含碳量 Sulfur content (ppm)含硫量
3.熏蒸法作为内燃机的双燃料运行
有几种技术可涉及酒精–柴油双燃料运行在发动机。用于实现双燃料操作的最常用的方法是：
①酒精–在此模式下熏蒸，醇类燃料是用喷洒或汽化引入管进气上游[ 66– 61] 。
②酒精-柴油混合-在这种模式下，酒精和柴油燃料预混均匀，然后直接通过喷油器注入气缸[ 67 - 72 ]。
③酒精-柴油乳化-在这种模式下，乳化剂是用来混合燃料，以防止分离[ 73 - 76 ]。
④在这种模式下独立喷射系统喷射–用于燃料喷射[ 77,78 ]。
然而，在一定的其他模式的影响下酒精–柴油和酒精熏蒸方式大多用于乙醇和柴油发动机[79,80]。在混合模式中，酒精和柴油燃料是预混，然后通过喷油器喷射入汽缸。在这个系统中由于酒精的混溶性差大量的酒精供应是柴油机有限公司。混合物是不稳定的，可在水的存在下分离。为了克服两液相分离的问题，用额外的添加剂用于酒精–柴油调合从而降低能源供应的发动机[ 81,82 ]。因此，混合模式可以提供的酒精对能源的基础上（25%）比熏蒸模式少（50%）[ 83 ]。此外，乙醇进入柴油燃料，改变柴油燃料的物理性质。酒精的加入导致柴油混合燃料柴油的粘度降低，影响了十六烷值下降，减少热值。在熏蒸方式，酒精是进气流通过蒸发或注射预混。图1显示酒精熏蒸系统示意图。
随着一个单独的油箱和控制，这就需要额外的汽化器，汽化器或注射器 [ 84 ]。如果遇到酒精燃烧的问题，这个单独的燃料箱将发动机运转恢复到匀速[ 83 ]。熏蒸的方法，酒精蒸发，然后进气可降低进气温度，增加其密度混合的混合物。因此，如果添加部分燃料，大量的空气可以被传递，并可以实现更大数量的功率 [ 84 ]。因为酒精是预混进气，所以没有必要用加添加剂的方法来提高乙醇和柴油的相溶性。由于熏蒸有益可以取代50%柴油与酒精[ 83 ]。从以上来看，很显然，虽然熏蒸模式增加了车辆的重量，但该系统是能够提供更多的能量比混合模式的发动机。由于更多的能源使得有更多的电力供应的可能性，因此熏蒸模式被认为是替代柴油燃料的可行的解决方案。
4.发动机性能
4.1.制动的特定燃料消耗（油耗）
4.1.1.酒精熏蒸对油耗的影响
制动比燃油消耗率（油耗）是在燃油消耗量和制动有效功率之间的比例，与给定燃料的热效率成反比。油耗的计算公式如下：
其中Pb是千瓦， QM.D和QM分别是柴油和酒精的制动功率， g / h是消费率，柴油发动机熏蒸方式运行，消耗更多的燃料来维持相同的热效率比柴油燃料。乙醇柴油燃料相比具有较高的蒸发热。因此，热量少提取燃烧过程必须在更高的燃油消耗补偿。
发动机使用柴油作为燃料的性能修正发动机汽化乙醇作为一种补充燃料是由Ajav等人的研究[ 85 ]。在这个实验中，发动机运行在两种情况下在第一模式中空气在20℃的环境温度，和第二模式注射前空气预热到50℃。乙醇预热是否汽化油耗没有显着的变化。这种情况发生，因为制动功率随负荷增加而增加。
该[ 86 ]研究发动机效率用乙醇熏蒸雾化技术的四缸柴油机。他们进行了研究，在不同的发动机转速从1000到2400转200转间隔。根据他们的研究结果，导致酒精熏蒸油耗增加的是增加柴油发动机的转速和降低负荷。他们测量了在发动机转速2400 rpm和50%发动机满负荷最大油耗是285克/千瓦时。
一些作者[ 87，89 ]实验分析了酒精熏蒸对发动机性能的影响遵循相同的程序。曾荫权等人，他们进行了实验五台负荷和平均有效压力相等的4缸自然吸气直喷式柴油机。[87] 5%、10%、15%、20%乙醇熏蒸对发动机性能的影响。他们的研究结果表明，V型柴油燃油消耗率高于的任何比例的燃料和增加熏蒸。他们测量了250.5克/千瓦时和255.8克/千瓦
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