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论文翻译
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2.7甲醇-水混合物的性能
因为水被认为是一种抗爆剂，轻醇在水中的无限可混性导致了对燃烧系统中的水-醇溶液的一些研究。同时，如第1.3节所述，直接使用“甲醇”可降低燃料成本。Most和Longwell在一台CFR单缸发动机上测试了纯甲醇和5vol%和vol10%水的混合物，都发现水增加了混合物的抗爆性。他们在这方面的数据如表6所示。抗爆性的提高是由于较大的冷却效果和水蒸气稀释，这两者都有助于降低气缸内的温度。
在Most和Longwell的数据中，有一点很明显，那就是向甲醇中加水的非线性效应。这是值得进一步研究的，在按需辛烷值（OOD）系统中，水/甲醇作为ADI混合物的任何应用中，这都很重要，这将在第4.4节中讨论。需要注意的是在甲醇中加入一定体积百分比的水，摩尔百分比不会随着线性变化。在图9中绘制了含水乙醇和含水甲醇的摩尔分数和体积分数之间的关系。这种关系很重要：向甲醇中加入少量水会导致摩尔组成的显著变化；例如向甲醇中加入10%的水会使其摩尔分数变化20%。
当在实际中考虑使用这些混合物的时候，凝固点显然很重要。图10显示了向水中加入甲醇或者乙醇对所得二元混合物凝固点的影响。在图10中，可以看到当加入甲醇影响更大。按质量计，水中25%的甲醇会将所得ADI混合物的凝固点抑制在-21℃。当加入同样当量的乙醇时温度为-15℃。对于ADI系统中常用的1:1甲醇水混合物，在飞机活塞式发动机中，凝固点为-44℃。这对于高空系统中的任何残留物来说都是一个重要的考虑因素。最后这两种混合物的共沸点很有意思，在甲醇质量分数为82%时，其凝固点最低，为-124℃，既低于水的凝固点（0℃）也低于甲醇的凝固点（-97.6℃）。
水比甲醇、乙醇或汽油具有更高的汽化潜热和更高的比热容(水的汽化热为2257 kJ/kg，而甲醇为1100kJ/kg )。因为化学计量空气量也随着燃料混合物中水的加入而减少，所以每千克空气的汽化潜热显著增加，这导致进气的冷却效果更大。因此，如何将其转化为可实现的发动机功率输出将取决于通过增压冷却获得的较高体积效率和燃料的较低能量含量之间的关系。水蒸气比热容越高，越趋近于等温压缩，因此压缩功降低，这应该对热效率产生积极影响
由于惰性水的存在降低了燃烧速度，所以甲醇燃料中加水量的限制对燃烧稳定性有很大影响。最近，Liang和Stone测量了加入40 vol%（容量百分数）的水对层流燃烧速度的影响，结果显示加入40 vol%的水稀释后的混合物燃烧速度降低55%。水的加入也影响(延迟)火焰不稳定的发生，这表明湍流燃烧速度可能受到更大的影响。第4.3节报告了水-甲醇混合物的发动机试验结果。
2.8甲醇-汽油混合物的性质
甲醇和/或乙醇在汽油中的溶液表现为非理想混合物:乙醇-乙醇相互作用不同于乙醇-汽油或汽油-汽油相互作用，这是由于乙醇分子的极性和由此产生的乙醇分子之间的氢键。随着共混比的变化，某些相互作用会变得更强或更弱，导致与单个组分摩尔质量的非线性变化。例如，当酒精与数量不断增加的汽油（一种非极性液体）混合时，氢键逐渐减少，变得不那么广泛。以甲醇为例，甲醇分子开始表现为汽油中的低分子量组分，汽油是数百种碳氢化合物的混合物，而不是质量是单个甲醇分子4倍的环状四聚体。
在本节中，将会对具有非线性特性的属性进行讨论。
2.8.1体积摩尔浓度
如上所述，燃料混合物的浓度通常是用体积分数来量化的，但是自燃料在气态燃烧以来，摩尔分数应该能更有意义地揭示其组分的物理化学性质的变化。不同燃料的混合物，如果其组分的密度与摩尔质量之比相差很大，则其浓度在摩尔分数和体积分数上表现出较大的差异。对于混合在汽油中的低碳醇来说尤其如此。如图11所示，绘制了标准汽油(摩尔质量= 107kg/kmol, 密度=740kg/m3)中醇类的摩尔分数与体积分数的关系。乙醇和甲醇有显著的区别。例如M10和E10的在体积基础分别变成了M28和E22在摩尔基础上。对于含碳较多的醇，由于这些分子的分子质量较高，它们之间的差别较小。
2.8.2蒸汽压力
最常用的蒸汽压力的测量方法是雷德蒸汽压法(RVP),定义为在蒸汽与液体体积比为4:1的空间中，温度为37.8℃(100°F)下测量的蒸汽压。这表明在低温下蒸发的非常轻的馏分。如图12所示，甲醇和乙醇与汽油混合时，RVP在10vol%酒精馏分附近有非常明显的峰值，而这种特征随着醇链长度的增加而减少。
这种（甲醇）乙醇-汽油混合物的不直观的性质是汽油组分与(甲醇)乙醇分子相互作用的结果。对于理想的组分混合物，蒸汽压按照摩尔浓度加权，蒸汽压可以用拉乌尔定律表示:
（6）
式中，p为混合物的蒸气压，为化合物i的蒸气压，为化合物i的摩尔分数。然而，甲醇和/或乙醇和汽油混合是不理想的。如前所述，随着在酒精中加入汽油的增多，氢键逐渐减少，酒精开始表现为低分子质量组分，汽油-酒精相互作用发生变化。汽油中的非极性烃类分子干扰极性(甲醇)乙醇分子之间的分子间氢键，而(甲醇)乙醇干扰汽油烃类分子之间的分子相互作用。这些对分子间键的干扰使得各自的分子更容易以蒸汽的形式从液体中逸出，从而增加蒸汽压力，从而形成(甲醇)乙醇和汽油组分的近共沸物。随着加入汽油的增多，酒精浓度降至零，低分子质量组分的影响最终可忽略不计。
从图12可以看出，与甲醇相比，加入乙醇时RVP的增加幅度较小。这是由于较低的蒸汽压和较低的乙醇极性所致。
蒸汽压力的这种变化会影响发动机的冷启动性能，并解释了为什么使用甲醇和乙醇的高掺混合物的蒸发排放低于汽油，以及为什么使用低掺混合物的蒸发排放量更高。
2.8.3蒸馏曲线
燃料的汽化特性对保证发动机的正常冷启动和正常运行至关重要。对于美国汽油，蒸馏曲线必须符合ASTM标准D4814，其他地区也适用类似标准。10vol%的燃料蒸发温度必须为70°(T10)，50vol% 燃料蒸发温度在77°至121°(T50)，90vol%燃料的最高蒸发温度190°(T90)。汽油必须在225°完全蒸发。在混合物中加入大量的单一组分(在本例中为甲醇)会使蒸馏曲线在接近该单一组分的沸点时发生扭曲。近共沸物的形成会造成进一步的扭曲，甲醇和乙醇就是这种情况。由于这种近似共沸的性质，蒸馏不是作为化合物的离散部分进行的，而是作为具有逐渐变化的组成和降低的挥发性的混合物的蒸发进行的。
在图13中，甲醇-汽油混合物的近共沸特征可以看到，蒸馏曲线上升速度较慢，表明其挥发性低于原汽油。通过增加甲醇的含量，蒸馏曲线上升速度加快，覆盖蒸馏曲线的大部分。需要注意的是，对于高纯度的乙醇-汽油混合物，由于低温蒸馏曲线前端的低挥发性，在使用中可能会出现问题。正如前面提到的，由于低挥发性，“E85”混合物中的乙醇馏分在冬季的几个月中按体积计算通常下降到70%。
要解决上述问题，可以调整校准发动机参数，或者在冷启动时用另一种燃料安装第二个燃料箱。尽管增加一个燃料箱使得系统更加复杂和昂贵，但是这种方法已经被用于巴西的弹性燃料汽车，这些汽车使用的是含水乙醇。第3节概述了为确保冷启动而对发动机进行了可能的相关调整。
2.8.4 RON/MON
Anderson等人进行了汽油-酒精共混物的研究辛烷值(RON)和马达辛烷值(MON)的研究，发现这些值随体积分数的变化是呈非线性的，但是其值关于摩尔分数变化却是线性的。甲醇-汽油和乙醇-汽油共混物的摩尔分数和体积分数的差异如图11所示。因为乙醇-酒精混合物的辛烷值可以用摩尔分数来评估,那么它的敏感性,S =RONminus;MON,也可以通过摩尔分数来判断。
然而，如图14所示，可以发现乙醇的RON和MON的变化与其摩尔含量关系也不是完全线性的。Anderson等人提出用非线性项来改善乙醇-汽油混合物中RON和MON的摩尔加权估计值，因为测量的RON值比摩尔加权估计值高3 RON。他们用乙醇和某些碳氢化合物之间的相互作用来解释这种非线性关系。这对类似的甲醇-汽油混合物的研究将是有用的。
注意,安德森等人指出解释酒精RON和MON测试结果的微妙之处：“MON测定规定了入口空气（38°/100°F）和空气燃料混合物（149°/300°F）的温度，而RON测试规定了入口空气的温度（名义上为52°/125°F），没有规定空气燃料混合物的温度。这意味着酒精固有的高热值是RON测试中的一个因素，但不是MON测试中的因素。”
2.8.5 密度
由于不同分子大小的液体混合在一起的方式，不同液体组分的混合物的总体积不等于混合前各组分的体积之和。许多分子占据的体积取决于它们周围的分子。这可能会影响醇-汽油混合物的密度，特别是在加入水时。例如，因为水分子密度更大，当1摩尔的水在25°时被添加到大量的水,体积增加18立方厘米。而当1摩尔的水在25°被添加到大量的乙醇中时,体积增加只有14个立方厘米。对于大多数涉及无水乙醇-汽油混合物的应用，使用线性组合的方式可以足够精确地估计其近似密度。Turner等人使用比重瓶在20°测量不同的汽油-甲醇-乙醇三元混合物的密度在下一节中讨论。所测密度为各组分密度的近似线性组合。
2.8.6甲醇-汽油混合物的耐水性
燃料储存的一个重要方面是燃料必须是稳定的。与甲醇和乙醇相反，汽油不能与水混合。因此，共混物的稳定性和耐水性是影响醇汽油共混物性能的重要因素。水、甲醇和汽油混合时遇到的主要问题是分层，即水相和有机液相的分层。这会引起冷启动问题、波动的爆震阻力和次优映射等问题(油箱上面是低辛烷值汽油层，下面是腐蚀性的醇水混合物)。
共混物的耐水性是指共混物在平衡状态下分解成两相之前能够溶解的水量(体积百分比)。Skinner等人指出促使相分层的趋势是水的量、醇的种类、温度和醇/汽油比的综合作用导致的。Qi等人得出一系列甲醇/汽油共混物的临界相分层温度随含水量的变化关系（如图15所示）。甲醇-汽油共混物的临界相分离温度随着共混物中含水量的增加而升高。此外，他们还指出乙醇的加入会降低相分层温度。Donnelly等人的结论是,当0.1vol%水添加到M20混合物时，在温度为20°C时便会发生相分离。由于甲醇-汽油混合物的耐水性很小，因此必须避免甲醇运输和储存过程中的水污染。
为了提高甲醇-汽油混合物的稳定性，通常也需要用到其他醇类。Qi和同事讨论了乙醇在甲醇-汽油混合物中作为共溶剂的使用，并展示了温度稳定极限的数据。Pearson和Turner后来研究了其中一个明显的没有规律的地方，并提出了一个使用乙醇的最小量，以及它与汽油、乙醇和甲醇三元混合物的关系。
Sileghem利用Aspen软件对醇-汽油混合物的相分层过程进行了研究。采用单因素液-液-液模型对汽油-醇-水共混物的相分离进行了定性研究。对于汽油，甲苯参考燃料(由异辛烷、正庚烷和甲苯混合而成)被用作汽油的代表。结果如图16所示。汽油-醇-水混合物中的醇是甲醇和乙醇的混合物，从100%的甲醇到100%的乙醇。如图所示，在直线以下，共混物是不稳定的，很明显会发生相分层。如文献所料，酒精含量高的共混物的耐水性更强，乙醇的加入会减少相分层的机概率。
2.8.7燃烧速率
Sileghe等人研究了使用简单的“混合规则”从甲醇和汽油的层流燃烧速度中确定甲醇-汽油混合物层流燃烧速度(LBV)。他们通过比较混合LBVs测量数据以及计算数据(使用一维化学动力学模拟)来评价不同的混合规则。
评价结果表明，共混物的LBV在共混物组成中不是线性的，这是通过使用基于体积分数或质量分数平均的混合规则对共混物的LBV错误预测来证明的。利用能量分数混合规则、Hirasawa等人提出的混合规则和基于能量分数的勒夏特列规则估算结果都比较理想。这三种多组分燃料，以及“二元”燃料混合物，它们本身就是组分的混合物，即使在更高的温度和压力下。考虑到混合料层流燃烧速度和纯燃料层流燃烧速度的不确定性，作者提出的三种混合规律可用于仿真模型中，以可接受的精度计算层流燃烧速度。
为了说明这一点，这里给出了基于能量的混合规则来估计混合的LBV。首先,能量分数gamma;我需要计算,如下:
（7）
用表示混合物组分的燃烧热，表示混合物组分的摩尔分数。然后可以使用能量分数和混合成分的LBVs来估计混合的LBV，使用公式8。
（8）
2.8.8自动点火延迟时间
在2.5节中，我们分别描述了甲醇(单级)和汽油(两级)的自燃行为。图17显示了由Yates等人计算的自动点火延迟时间tau;与甲醇或汽油或两者混合物反应温度的函数。汽油用主要参考燃料(PRF)80表示，它是80vol%异辛烷和20vol%正庚烷的混合物。图17显示向PRF80中加入甲醇后，冷焰温升降低，NTC区域逐渐减小。由于SI发动机的自动点火发生在750-900K的未燃烧混合物温度下，冷焰效应是汽油比甲醇更低的化学抗爆性的主要原因。
Sileghem等人为了预测甲醇汽油混合物的自燃延时而研究了明确的混合规则。他们用了Yates等人的经验公式计算一次基准燃料与甲醇共混物的点火延迟。正如之前讨论的那样，最简单的混合规则由质量、摩尔数、体积、能量分数。他们发现，由于甲醇和用于模拟汽油的PRF燃料的点火延迟值存在很大差异，由于PRF燃料的冷火焰行为，混合规则可以过度预测低温下的点火延迟。他们用点火延迟的对数解出如下:
(8)
或者
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资料编号：[1555]
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