1.1能源现状、研究目的及意义

（1）世界能源现状：能源是人类生存与经济发展的物质基础,。工业革命以来,大规模使用化石燃料至今,环境污染已经到了地球难以承受的地步。然而随着世界经济持续、高速地发展,能源短缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深,能源供需矛盾日益突出。当前世界能源消费以化石资源为主,其中中国等数国家是以煤炭为主,其它国家大部分则是以石油与天然气为主。根据专家预测,按目前的消耗量，石油、天然气最多只能维持不到半个世纪,煤炭也只能维持一二百年。所以不管是哪一种常规能源结构人类面临的能源危机都日趋严重。世界上许多国家在提高能源使用效率,开发可再生能源上进行了积极的探索和实践。尽管可再生能源在能源生产总量中的比重还比较低,但增长势头异常迅猛。化石能源的短缺和温室气体排放问题迫使各国另寻稳定充足的能源供应，可再生能源的开发与利用登上舞台。

综合来看,全球及各主要经济体能源消费仍保持增长势头,近年石油消费基本持平,天然气消费稳步增长,煤炭消费逐渐降低,核能消费在安全前提下复苏,可再生资源发展迅猛,能源结构转型为清洁低碳。从发展趋势上看,能源消费的清渃低碳化成为主流,天然气作为现实可行的清洁能源,正越来越受到重视,但从长期来看,随着技术发展和进步,非化石能源将逐步替代化石能源。从世界可再生能源的利用与发展趋势看，太阳能、风能、海洋能、地热能和生物质能等可再生能源都是未来潜在的替代能源。生物质能中的生物柴油和生物酒精能量密度高，技术较为成熟，作为载运工具的替代燃料更具优势。目前乙醇生产以粮食为原料为主，但是对人类粮食供应构成了威胁。近年来各国都加大力度开发纤维素乙醇技术，初见成效。但是,从总体来说，该项技术尚不成熟，诸如预处理、纤维素酶和多糖发酵等关键性问题尚待研究解决。醇类作为可再生燃料，具由安全性好、清洁环保、造取简便等优点，甲醇作为燃料与柴油掺烧技术已经成熟[4]，但是工业制甲醇采用煤制甲醇的方法，仍然会对环境产生污染；而乙醇大多是从植物中提取，无论是环保性还是经济性都要优于甲醇。所以，如何优化醇类的燃烧来提高发动机的性能，是一个重要的研究问题。

（2）我国能源现状：我国人口众多，能源资源相对不足，能源资源的消耗强度高，消费规模不断扩大，能源供需矛盾越来越突出。从2002年开，中国超过日本成为全球第二大石油消费国和进口国，石油进口对外依存度越来越高。我国能源需求增长迅猛，过去十年能源消费增长了54.6%，2017年能源消费31.32亿t油当量，占全球能源消费总量的23.2%。我国近年能源消费增长路有放缓，但2017年仍然贡献了全球增长量的34%，是全世界最大的能源消费国。根据国家统计局数据，2017年我国石油消费总量为6.08亿t，同比增长5.2%，其中进口量达3.96亿t，比上年增长10.8%，对外依存度上升为67.4%，为历史最高。据有关部门预测，到2020年, 我国最低石油需求估计为6.5亿t，国内产量1.8亿t，中国石油的进口量将超过5亿t，天然气进口量将超过1000亿m3，对外依存度将达到76%；如果到2030~2040年经济持续增长，我国原油产量仅剩下1亿t，需要进口5亿t，对外依存度将达到87%，石油供需矛盾更加突出，石油资源将成为我国经济发展的瓶颈。中国正积极发展生物能源等可再生能源，以确保国家能源安全。中国加大力度鼓励生物能源发展，但是坚持“不与人争粮、不与粮争地”的原则，严格控制利用玉米等粮油产品生物燃料，在利用纤维素制取燃料乙醇技术方面也取得了一定的进展。

（3）目的和意义：在燃料乙醇的应用技术上，大多数国家采用的是乙醇汽油技术，即纯度为99.9%的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成替代燃料。按乙醇含量不同有E10、E15、E20等乃至E85、E100，但只有安装有特殊装置的汽车才能燃烧乙醇浓度大于10%的乙醇汽油，替代率低，若直接燃用高乙醇含量的乙醇汽油发动机需作大的结构改造。而且无水乙醇的成本很高，尾气中还会有大量的致癌物醛类排放。含水酒精重整燃料技术却能够实现不对现有发动机作大的改造、高替代率、安全地燃用生物乙醇燃料。基本原理是将含水酒精重整为富氢混合气后供发动机燃烧，含水酒精的蒸发和重整所需的热量由发动机的排气余热提供。利用氢良好的燃烧特性,改善现有内燃机的燃烧和排放性能，重整后的产物——富氢混合气将是优良的发动机燃料。使用乙醇重整燃料的意义在于一是回收发动机余热对醇进行重整，回收了部分废气能量，使得废热污染减小，热效率提高；二是重整过程，可以将液体燃料质变为富氢小分子燃料，这不仅改善了燃烧性能，而且使得氢气与空气混合进入气缸，实现稀薄燃烧，降低了排放，同时实现了高效率的运转。由于氢起到助燃剂的作用,缩短了着火延迟期，火焰传播速度加快，使发动机燃烧完全，并可实现稀燃，进一步提高效率改善排放。

1.2国内外研究现状

1991年, Garcia和 Laborde首先从热力学角度对乙醇水蒸气反应的可行性以及气相产物分布进行了计算；1996年左右, Vaudey等、 Freni等也都对乙醇水蒸气重整制氢用于燃料电池的可行性进行分析和研究，经过计算和论证,得出乙醇重整制氢作为燃料电池的氢源是完全可行的。

重整催化剂的研究现状，催化剂对乙醇的转化率和氢气的选择性起决定性的作用，不同的催化剂会导致不同的反应途径和氢气选择性，催化剂还可以加快反应速率，使反应快速达到热力学平衡。目前用于乙醇水汽重整反应的催化剂体系可分为两大类金属氧化物催化剂，金属氧化物担载的金属催化剂后者还可以分为过渡金属催化剂和贵金属催化剂。现在国内外主要是负载型Cu基、Ni基、Co基催化剂和Pt、Ru、Rh、Pd等贵金属催化剂[6]。

在发动机的应用方面，乙醇作为发动机代用燃料长久以来国内外都有很多研究和应用，近年来上海交通大学陈桢皓、李铁等[11]采用进气道喷射乙醇、缸内直喷微量柴油引燃的方式进行燃料供给，基于单缸四冲程柴油机进行改造成柴油微引燃乙醇发动机，引燃柴油的喷射时刻对发动机的燃烧、性能和排放影响显著，在中高负荷能够稳定运行,指示热效率可达34%以上,通过适当调节柴油喷射时刻,可以有效控制未燃碳氢(UHC)、NOx与CO排放,同时可以实现极低的炭烟排放。A.F. Kheiralla Mohamed 和M. El-Awad等[16]测定了点燃式发动机使用E10、E15、E20以及E25、E30和E35等生物燃料乙醇/汽油混合物的燃料特性，对燃料特性如密度、API比重、运动粘度、浊点、闪点和燃点等进行了研究，并与汽油进行了比较。采用水力测功机和数据记录装置，燃料性能试验结果表明，发现随着乙醇含量的增加，辛烷值含量呈连续线性增加。研究结果对乙醇/汽油混合物作为点燃式发动机生物燃料很具有优势。

相较于氢燃烧和乙醇汽油燃烧的研究，利用含水酒精重整得到富氢混合气直接供发动机燃烧的研究较少，我校能源与动力工程学院近年来开始研究，取得初步成果。游伏兵[7]研究了含水乙醇催化重整在发动机运行条件下的重整规律及影响重整率的因素，首次对重整燃料的特性及其对发动机性能的影响进行了系统地研究，研究含水酒精重整燃料的各种特性,寻找对含水酒精重整燃料发动机热效率产生重大影响的燃料内在因素，提出含水酒精重整燃料发动机性能优化策略,为发动机的开发提供理论依据和技术支持。黄勇[10]通过建立乙醇重整燃料发动机放热规律的零维燃烧模型和相应的燃料、反应物和燃烧产物特性计算程序，完成了乙醇重整燃料发动机的燃料、反应物和燃烧产物特性的计算分析和放热规律的分析。

2.1研究内容

本文主要是简要介绍和分析乙醇催化重整的原理和方法，分析重整后燃料的特性，以及通过含水乙醇燃料重整试验和发动机燃用含水乙醇重整燃料台架试验，分析发动机燃用含水乙醇重整燃料的性能。

本设计主要有以下工作：

（1）乙醇水蒸气催化重整试验，研究在发动机运行的条件下，乙醇水蒸气在催化剂作用下的重整规律，包括不同温度、流量和浓度等情况下；

（2）含水乙醇重整燃料特性分析，分析含水乙醇重整燃料的热值变化、对发动机充气效率的影响以及燃料分子组分的变化；

（3）含水乙醇重整燃料发动机台架试验结果及其分析，对比研究发动机分别燃用含水酒精重整燃料和汽油的工作循环，分析发动机的能耗、动力性和排放性能指标。

2.2技术方法

（1）搜集国内外研究生物质乙醇车用燃料和乙醇重整的文献，阅读并整理文献，为后续工作做铺垫；

（2）根据文献，总结归纳国内外乙醇燃料发动机的发展现状及应用以及乙醇在发动机上应用技术特点，针对乙醇重整制氢技术，简要分析其工作原理；

（3）进行含水乙醇燃料重整试验，计算重整率，通过色谱分析各类产物的占比，分析重整后燃料特性；

（4）发动机燃用含水乙醇重整燃料台架试验，将重整气通入发动机中燃烧，

在不同工况下：

①不同点火提前角（原机的点火提前角和增加适量如6~7°CA提前角）

②不同乙醇含量（70%、75%、80%和95%）

③不同空燃比

记录指示效率、分析排放气体成分，分析发动机能耗、动力性和排放性能；

（5）整理实验数据结果，得出含水乙醇重整燃料发动机性能总结，为以后的乙醇重整发动机试验提供指导。

[1] 王忠俊，赵宇，刘英杰，游伏兵. 2135G船用柴油机掺烧含水乙醇重整燃料试验分析. 船海工程. 2018.4

[2] 黄国钧,张幽彤,李静波. 乙醇氧化重整制氢的热力学研究. 工程热物理学报. 2018.11

[3] 孙晨，郑子良，李星等. Pt-Ni双金属催化剂的制备及其乙醇水蒸气重整制氢催化性能研究. 太原理工大学学报. 2018.5

[4] 刘说，李思思，姜沐彤. 乙醇水蒸气重整制氢热力学分析. 可再生能源. 2018.5

[5] 车载含水乙醇低温重整制氢方法及其装置和应用系统. 乙醛醋酸化工. 2015.7

[6] 张毅. 含水乙醇重整燃料发动机用催化剂试验研究. 武汉理工大学. 2011.5

[7] 游伏兵. 含水酒精重整燃料发动机研究. 武汉理工大学. 2008.11

[8] 徐进，李金寿，唐炜铭等. 低浓度乙醇重整燃料发动机空燃比控制系统的设计与试验. 浙江交通职业技术学院学报. 2015.1

[9] 周越，董健，郑亮，欧阳林. 温度对乙醇重整燃料发动机充气效率的影响. 内燃机. 2011.2

[10] 黄勇. 乙醇重整燃料发动机的燃烧特性研究. 武汉理工大学2009.4

[11] 陈桢皓，李铁，王斌. 柴油微引燃乙醇发动机燃烧、性能及排放特性研究. 车用发动机. 2017.6

[12] Yaser Noorollahi，Mohsen Azadbakht，Barat Ghobadian. The effect of different diesterol (diesel–biodiesel–ethanol) blends on small air-cooled diesel engine performance and its exhaust gases. Energy,2018, 196-200

[13] Yulin Chen，Marco Mehl， Yongliang Xie，yh-Yuan Chen. Improved skeletal reduction on multiple gasoline-ethanol surrogates using a Jacobian-aided DRGEP approach under gasoline compression ignition (GCI) engine conditions. Fuel, 2017,617-624

[14] Yamamoto, S. , Sakaguchi, D. , Ueki, H. , Ishida, M. Effect of fuel mass distribution on ethanol combustion in diesel engine. IEEE会议论文, 2012

[15] Sebastian Verhelst, James WG Turner, Louis Sileghem, Jeroen Vancoillie. Methanol as a fuel for internal combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science, 2019,43–88

[16] A.F. Kheiralla Mohamed，M. El-Awad. Experimental Determination of Fuel Properties of Ethanol/Gasoline Blends as Bio-fuel for SI engines. ICBBPS 2012，02-11