甲醇作为内燃机燃料外文翻译资料

 2021-11-02 10:11

英语原文共 46 页

甲醇作为内燃机燃料

摘要:

人类的出行和货物的运输很大程度的依赖化石碳氢化合物的使用导致全球变暖和当地的空气质量问题。有许多化石燃料的替代品可以避免净碳排放,也可以减少污染物排放。然而,由于有限的可用性、有限的能源密度、高昂的成本或这些因素的综合作用,许多国家在与化石燃料的竞争中面临巨大困难。

甲醇(CH3OH)就是其中的一种替代品,在20世纪80年代和90年代的大型舰队试验中得到了验证,现在又不断地在不同的地方和各种各样的应用中被引入。它可以用化石燃料生产,也可以从生物量和可再生能源中用碳捕获和利用计划中生产。它可以被单独使用也可以作为一种混合组成部分被运用于内燃机中或者直接甲醇电池中。这些特点加上他是一种液体燃料的现实使它成为一种高效的能源储存和分配方式,使其成为最具吸引力的可伸缩替代能源之一。

本文着重于叙述甲醇单独或者作为一种混合成分在内燃机中的使用。首先,我们从历史的角度对甲醇进行了介绍,简要介绍了甲醇生产的各种方法,并对甲醇作为燃料的健康和安全进行了总结。然后,我们重点研究了它作为内燃机燃料的用途。论述了大量的和内燃机有关的化学和物理性质的数据着重介绍了甲醇和其他燃料,比如乙醇和汽油的区别。这些与所报道的关于甲醇和甲醇混合物在火花点火和压缩点火发动机中的行为的研究相关。甲醇大量的特性是明显和其他的燃料不同的比如汽油(比如它的高温蒸发性质)既带来了优势也带来了挑战。两者都被广泛的讨论着。

总结了甲醇的性能在所谓的弹性燃料发动机以及专用发动机,在功率输出,峰值和部分负载效率,以及排放的信息。我们还简要介绍了发动机硬件的变化和材料的兼容性。讨论了利用发动机余热进行甲醇燃料重整,作为进一步提高效率和降低排放的潜在途径。在实验工作的基础上,对甲醇作为燃料的行为进行建模的研究工作,包括混合物的形成、正常燃烧和异常燃烧。甲醇具有高潜热、燃烧速度快、抗爆性强和无碳碳键等特性表明其能促进发动机技术的发展,如压缩比的提高、体积的缩小和稀释;使发动机效率大大提高。

最终,我们指出了目前知识上的不足来说明未来的研究应该针对哪些领域。

目录

1.引言

1.1甲醇和乙醇

1.2历史上使用甲醇作为发动机燃料的形式

1.3现有基础设施和生产能力

1.4甲醇的可再生生产

1.5健康和安全

1.6用甲醇作为发动机燃料的方法

1.6.1二元酒精混合

1.6.2三元混合

2.基础方面

2.1甲醇和发动机相关的物理化学性质

2.2反应原理和排放形成原理

2.3层流燃烧速率

2.4湍流燃烧速率

2.5滞燃期

2.6喷射

2.7甲醇-水混合物的性质

2.8甲醇-汽油混合物的性质

2.8.1体积与摩尔浓度

2.8.2气体压力

2.8.3蒸馏曲线

2.8.4马达法辛烷值/研究法辛烷值

2.8.5密度

2.8.6甲醇-汽油混合物的耐水性

2.8.7燃烧速率

2.8.8自然滞时

2.9三元混合物的性能

2.9.1体积比列

2.9.2三元混合性能

3.甲醇引擎和车辆设计特点

3.1简介

3.2材料适应性

3.3冷启动

3.4点火和燃油供给系统

3.5发动机缸盖及周边设备

3.6车辆改造

4.点火发动机实验

4.1中、高程度混合和纯甲醇燃烧

4.1.1专用甲醇引擎

4.1.2多燃料汽车

4.2电池运用混合

4.3甲醇水混合

4.4对辛烷值的需求

5.在压燃引擎中使用甲醇

5.1压燃引擎原理

5.2压燃引擎结论

5.2.1Fumigation

5.2.2其他

5.3甲醇作为船舶燃料

6. 利用发动机余热进行燃料重整

7. 仿真研究

7.1准维模型

7.1.1纯甲醇的规律燃烧仿真

7.1.2酒精混合物的正常燃烧仿真

7.1.3纯醇的爆震模型

7.1.4醇-汽油混合物的爆震模型

7.1.5缸内传热子模型

7.1.6燃料重整。

7.2多维模型

8. 结论、展望和建议

1.引言

甲醇(CH3OH)是一种简单的碳氢化合物,同时在世界上交易最广泛的化学药品之中排名第五,传统上用于生产粘合剂,油漆,液晶显屏,硅树脂,药品,也用于木材和汽车工业的大规模生产。几年来,它被越来越多地用于能源应用,每年生产大约2000万吨甲醇作为燃料或燃料混合成分,这个数字每年都在增加。

可扩展性是研究甲醇作为运输燃料的主要原因之一。其易于合成和广泛的原料来源,使其具有成为一个强有力的可持续燃料的候选的潜力,能明显减少在运输中的化石碳足迹。与乙醇或合成碳氢化合物相比,其合成效率的提高(见1.1和1.4节)再加上它在燃烧系统中产生的改进的制动热效率(见第4和5节),意味着在改进初级能源利用方面有双重的、复合的效果。此外,尽管它产生的水碳排放量与汽油相当(尽管种类不同),但其燃烧特性和单碳分子性质意味着它的氮氧化物和颗粒物质的排放量明显低于复杂碳氢燃料。因此,它在能源安全、可持续性和空气质量等方面都有潜在的优势,且都没有真正的规模上限。当使用可再生能源和直接空气捕捉二氧化碳的生产技术被认为是向封闭的碳循环提供投入的一种手段时,就会出现后一种情况(见1.4节)。

甲醇具有许多优良的特性,使其成为优良的火花塞式点火发动机燃料。这些性能包括:

  1. 高温气化
  2. 低化学计量空气燃料比
  3. 高能比(每单位燃料-空气混合物的能量)
  4. 高速火焰传播速度
  5. 高摩尔膨胀比
  6. 燃烧温度较低
  7. 高氢碳比
  8. 标准温度和标准压力下是液体(STP)

所有这些将进一步讨论,但两个重要的特点是,第一,它可以非常清洁的燃烧; 正如人们后来所说的,甲醇为了空气质量被用作燃料的原因。由于只有一个碳原子,它不容易从长链碳氢化合物中形成常见的碳质颗粒物质(这一特征与甲烷相同)。第二,甲醇是STP(标准温度和压力下)下最简单的液态碳分子。这使得车辆和燃料基础设施的损失最小化,便于存储和运输。甲醇是STP下的液体,其氢键现象是由其OH特征基团引起的,在2.1节中有详细的解释。

甲醇的另一个优点是,它不像汽油、柴油、煤油等一样,是一种化合物的混合物,其性质可以根据来源的不同而改变。甲醇只有一个分子,因此它更容易模拟/优化过程。

在后续章节讨论甲醇作为发动机燃料的燃烧特性和性能之前,以下章节将提供以下背景知识:

甲醇作为发动机燃料的各种使用方法,从20世纪初至今(1.2)

目前的甲醇生产(1.3节)

可再生(碳中性)甲醇的生产(1.4节)

健康和安全(1.5节)

甲醇用作发动机燃料的不同方法(1.6)

在这些背景部分之后,我们将深入研究甲醇作为发动机燃料的相关物理化学性质、反应动力学、燃烧速度、含甲醇混合物的性质等(第2节)

发动机和汽车在中高水平甲醇混合物或纯甲醇上运行所需的硬件更改(第3节)

从甲醇和甲醇共混物的火花点火发动机上获得了实验结果(第4节)

介绍了甲醇在压缩点火发动机中的应用,考察了各种概念及其产生的结果(第5节)

利用发动机余热将甲醇转化为富氢气体,提高效率,减少排放(第6节)

甲醇燃料实验的数值结果和计算性能(第7节)

在此之后,我们总结并指出将从进一步研究或演示中受益的领域(第8节)

首先,我们简单讨论一下甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH的区别。

1.1甲醇与乙醇

甲醇和乙醇都是单质分子。甲醇与乙醇有许多相同的特性,尤其是在燃烧系统中。这是因为他们有相似的辛烷值,较高的汽化潜热和较低的化学计量空燃比(尽管后者区别比前两者大)。由于这个这一加上事实(因其日益普及和使用生物燃料)有更多近期乙醇发动机的性能的数据,在本文中,我们使用乙醇作为甲醇的模拟,我们认为这是合理的,为了估计甲醇的影响。这一观点还得到了一个事实的进一步支持,即这两种分子的相似性意味着它们也可以与汽油混合在一起,而且有混合规则,这从本质上意味着可以创造出完全替代燃料(见第1.6.2节)。

当试图预测甲醇在燃烧系统中的表现时,它与乙醇的相似度是有用的,在温室气体减排方面,两者的不同被证明可能是非常有用的。甲醇是传统化石能源(通常是通过蒸汽重整或来自煤炭,本身有重大化石二氧化碳的影响),但因为它可以由任何含碳热化学方法,有可能是——不像乙醇——这可以从生物原料生产。由于化学过程通常比生物过程快得多,这就有可能提高生产率。此外,这种方法绕过了从非粮食作物生产生物乙醇的困难- -例如木质纤维素过程- -以及原料在种类和数量方面的限制。因此,甲醇生产可能更容易扩大规模,也可以与生物乙醇工厂合并,以提高原料进入流程[5]的总能源产量。

1.2甲醇作为发动机燃料的历史用途

从火花点火发动机的早期开始,人们就在寻求延长燃料辛烷值的方法,并开始了辛烷值促进剂的早期开发,如苯胺化合物和最终的四乙基铅(TEL) 。Boyd讨论了早期的担忧,即石油将在20世纪20年代耗尽,并在此基础上通过提高精炼燃料的抗爆性来提高发动机效率以减少消耗。有趣的是,他指出“丁醇(丁醇)并没有撞击当时的任何引擎”,指的是20世纪20年代可用的引擎;很早就证明了酒精作为抗撞击燃料的吸引力。

自从寻找一种燃料的自燃阻力的标度以来[7,8],异构化是一个重要的参数。长链烷烃异构化的辛烷值可能在100左右。然而,简单分子也是如此。图1所示为几种来源的饱和分子研究辛烷值(RON)与所含碳原子数的比值。从图中可以明显看出,对于正链烷烃分子,随着链的加长,其抗爆性明显降低。相反地,如果分子能大量异构化,那么RON保持在100左右。值得注意的是,单一醇、甲醇和乙醇本身也有很高的抗爆性,这可以归因于如第2.5节所述的NTC行为的缺失。当醇的正常碳主链变长,抗爆性下降,这可以用同分异构化的方法来恢复。尽管如此,酒精分子固有的高能量是显而易见的,值得注意的是,它们是唯一一个碳数低于4的家族,而碳原子数是4标准温度和压力下是液体(STP),这是使它们成为可感知燃料的一个因素。

乙醇和甲醇的性能增强特性在赛车运动中很早就被认识到了。含有甲醇和苯的混合物经常用于大奖赛的汽车,特别是当增压被开发为一种工具,以从一个给定发动机容量中提取最大的性能(和充电冷却没有广泛使用)。其中阿尔法罗密欧和布加迪在他们的战前大奖赛的汽车中使用了这种混合物。而甲醇的存在引起的体积的减少能量(见第二节),与燃料介绍增压器前高潜热冷却电荷被压缩,而其高辛烷值支持苯的比例(其密度有助于抵消有害影响甲醇的体积能量)。

航空也代表了一个舞台,甲醇被用于在辛烷值和潜热方面的好处,但只是在起飞和最大功率的程度上被需要。能量密度是飞机推进的首要考虑因素,因此直链烃燃料主要用于高推力飞机发动机。然而,在起飞时需要在海平面上达到最高性能,并使用甲醇和水的补充混合物作为爆震抑制剂,将主燃料注入压缩机入口。这意味着必须携带最少数量的“抗爆注射”(ADI)液体,以减少其对飞机质量的影响。ADI中水和甲醇的体积比通常为50:50。除了提供一些可用的化学物质,甲醇还有助于阻止水在高空结冰。

这种方法在很多方面预示了所谓的“辛烷值随需应变(OOD)方法”,即在主燃料爆震极限之外引入辛烷值助推器[10 16]。这不是一个新概念,甲醇或乙醇作为辛烷助推器到低质量主要燃料的潜力很早就被理解了。这两种方法都经常用于这一功能,但这种方法需要双燃料系统,因此(加上要求混合辛烷值助推器与负载)增加了复杂性和成本的车辆。这个问题将在第4.4节中讨论。

单一燃料方式的简单性是目前内燃机和碳氢燃料模式在交通运输中占据主导地位的原因之一。然而,混合燃料的方法——一个燃油系统保留,但任何比例的控制系统可以优化两个可以在任何比例混合的燃料油箱[18]——一样便宜的应用证明了美国汽车制造商的公司平均燃料经济性(CAFE)规定实施提高产品的效率。在这里,许多能够在油箱中使用汽油和E853混合燃料的汽车以不高于只能用汽油的汽车的标价卖给客户。之所以这样做,是因为以平均燃油经济性标准信贷的形式出售汽车的财政收益超过了生产成本。自从美国可以大量生产第一代乙醇(即从玉米中提取乙醇),用E85的混合燃料操作被认为具有优势。车辆技术也已经发展,因为E85 - M85的甲醇当量已经在1980年代和1990年代的加州甲醇燃料试验中被证明是实用的;在现实中,汽油-乙醇混合燃料的能力已经被研发出来,并在甲醇方面得到了充分的证明。

加州的甲醇燃料试验主要是基于空气质量的考虑,与当时使用的

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