1．目的及意义 能源是维持社会发展的物质基础，也是推动其进步的原动力。人类经历的能源由柴草阶段、煤炭阶段和石油天然气阶段的变迁，逐步改变了工业结构的框架并带动了全球经济的增长[1]。但是现在世界上石油的供应不断减少，供需间的矛盾十分突出。据估计，全球石油储量约为1500亿t，天然气储量约150万亿m3。按全球石油消耗以2%/年递增，天然气耗量以5%/年递增，全球石油将在2032年耗尽，天然气将在2028年耗尽。在1970至1980年的十年间，油价上涨了三十倍，所以这对工业生产又造成了很大的冲击[2]。
化石能源过度使用，随之而来的又是温室气体的排放导致全球气候变暖的问题，并且会将地底下沉积几亿年的碳元素不可逆地引入大气层，导致全球大气中碳元素严重失衡。因此，探寻可替代能源迫在眉睫[3]。习近平总书记在 2014年6月13日主持召开的中央财经领导小组第六次会议上提出了推动能源技术革命，带动产业升级。对于本文研究的柴油机方向而言，燃用双燃料取代纯柴油是解决能源短缺和降低排放污染的有效措施之一。双燃料发动机保留原柴油机的全部装置和功能，增加了燃气供给系统、油气切换系统、油气控制系统，对发动机的改造较简单[4]。用柴油作引燃燃料，代用气做主体燃料，采用原柴油机压燃的工作方式，由柴油着火引燃，该发动机同样能以纯柴油方式工作。这种双燃料发动机以其改装方便、经济性好、燃料选用灵活、热效率高以及排放性能好等优点在国内外日益受到重视[5]。
从世界可再生能源的利用与发展趋势来看，风能、太阳能和生物质能发展最快，产业前景最好，作为载运工具的替代燃料，与其他可再生能源相比，生物质能中的生物柴油和生物酒精能量密度高，对环境友好，更具优势[6]。从现有的研究成果来看，可用作替代燃料的物质有以下几种：天然气、醇类燃料、氢燃料、煤粉燃料，但是天然气和氢燃料的罐装和安全储存技术还存在局限性，煤粉燃料对缸内零部件的磨损十分严重，所以本文对乙醇相关应用技术进行探讨[7]。
目前，大多数国家以植物为原料生产乙醇。在巴西，甘蔗资源丰富；在美国则采用玉米；我国利用陈化粮制取，并且在粗纤维素制取酒精方面有了进展。此外还可以通过在荒滩、盐碱等地种植高产能作物由此获取原材料，不仅可以改善生态环境，还可以增长农民收入。但现有阶段，车辆保有量巨大，采用混合燃料掺烧时，其中乙醇的含量不能超过混合燃料的10%，替代率较低，而且对乙醇的纯度要求较高，但燃用高含量的乙醇代用燃料又会使得尾气中含有大量致癌物醛类排放；采用柴油为主，进气管喷醇的方式，需要对发动机结构做很大的改造（改造缸盖、进气道，加装双喷头）；若以乙醇为主，自发着火性能差，发动机冷起动困难，工作粗暴，影响发动机寿命[8]。为了解决上述问题，本文采用酒精重整气作为替代燃料，并为此设计供给系统，精确控制输送量，可以实现油气转换并且能够保证发动机动力性及排放性指标。重整后的混合气中以氢气为主，其余组分也均可作为燃料，不需提纯，而且解决了氢气的储存问题。富氢气体与其他燃料相比，着火范围宽，点火能量低，着火温度高，火焰传播速度快，诸多的优点使得将酒精重整后燃烧作为值得研究的一个方向，并且设计的供给系统应避免对发动机内部构造进行改装[9]。
国内外研究现状分析：在双燃料发动机的研究和应用上，以天然气资源供应充足的意大利、加拿大、美国等国技术最为先进与成熟，并出现了一些高水平的双燃料发动机。我国对双燃料发动机的研究仍停留在对柴油的简单替代阶段，并未发挥代用燃料作为发动机主燃料的真正潜力[10]。按照燃气量柴油量的调控方式,可区分三种类型的双燃料供给系统。
1.机械控制式双燃料供给系统:其柴油量一般是由机械限位固定不可调,燃气量由驾驶员通过油门踏板改变燃气调节阀的开度来调节,当踏板位置一定时,燃气量随转速的变化决定于混合器喉管真空度的变化。
2.机电结合控制式双燃料供给系统:其柴油量由机械限位固定不可调,燃气量由电子控制器通过电磁式控制阀来控制。
3.全电控式双燃料供给系统:其柴油量、喷油提前角和燃气供气量均由电子控制器调控;燃气量由电子控制器通过电磁式天控制阀来控制,柴油量的控制方式则取决于柴油喷射系统是哪一类型的电控柴油喷射系统[11]。
燃料发动机的供气方式分为缸外供气和缸内直接喷气，其中缸外供气又有进气管混合器供气和进气喷射两种形式[7]。最近几年AVL公司开展了双燃料发动机燃烧特性并根据目前的参数推测运行边界的研究，对燃气运行模式高 BMEP工况评估。基于现有的柴油机配置最大的BMEP接近27bar，正如预期，通过燃油预喷提前实现的高 BMEP 水平情况下能够获得最佳效率。效率可以超过45%且燃烧保持稳定，COV-IMEP(平均指示压力的差异系数)不到3%，而NOx排放依旧保持在2 g /kWh以下。预喷燃油量在0.5%～8%之间变化，以满足对效率和爆发压力的影响[11]。
为了更大程度上发挥效果，减轻排放，所以对于发动机系统的改装升级也是一个研究热点[12]。在美国市场上，所有汽车都可以燃用乙醇含量为10%的混合燃料E10，加装特殊装置的汽车可以燃用E85；巴西则立法规定汽油中要添加25%的乙醇燃料；法国希望将5%的乙醇含量逐步提高到10%等等[13]，虽然使用乙醇作为替代燃料已经成为可能，但是目前技术手段还没能突破其高限度替代率问题[9]。另外的一种方式则采用双喷头微油引燃技术，使燃油和乙醇从不同的两个喷射器中喷出（单点或多点喷射），最终在燃烧室燃烧[14]，但是在各个工况下输送比例和供醇规律进行实时调整还较为困难，需要在发动机原有结构上做较大调整，并且直接将乙醇通入燃烧在冷启动时很困难，并且会使发动机工作粗暴影响寿命[15]。所以各国也在研究如何将乙醇燃料转化燃烧，保证更好的发动机性能。纵观国内外，对于乙醇双燃料发动机的现有设计方案研究还有很多的不足，也需要对其进行极大地优化。
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2. 研究的基本内容与方案
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（1） 基本内容：查阅国内外相关文献，分析含水酒精重整燃料的特点并研究国内外双燃料发动机以及使用乙醇作为替代燃料的应用现状；设计出适用于非增压柴油机的酒精重整燃料供给系统（考虑单点和多点喷射的两种情况）并分析各零部件的功能及设计依据；针对试验用柴油发动机进行改装并通过实验探究其性能的稳定性；依托以上数据基础，针对增压发动机设计供给系统及控制方案（考虑单点和多点喷射的两种情况），探究如何定时定量的控制燃料输送和油/气供给模式切换问题。
（2） 目标：通过实验探究针对试验用非增压柴油机的改装方案的可行性，满足动力性、经济性以及排放指 标；初步设计重整气燃料供给系统模型，通过实验及数据计算，达到系统最优化（保证重整率，改进重 整器排气背压大，残余废气多，重整气易凝结、启动预热等问题）；根据以上的数据结果，对增压柴油 机重整气燃料供给系统进行设计，实现燃料定时定量控制并且模式可以切换；针对以上两种发动机，对比 其单点和多点喷射时的性能。
（3） 技术方案：查阅国内外相关文献，依据试验用汽油机改装的基础设计非增压柴油机改装方案，通过在 排气管上加装乙醇重整器，利用排气余热及特殊的催化剂使乙醇通过时裂解为以氢气为主的多种可燃 混合气体，最终将这些气体经过稳压罐稳压之后由发动机进气道喉口吸入与柴油混合燃烧。
根据发动机机型及经验公式，计算相关的数据（流量参数、缓冲罐、重整器、喉口尺寸计算等等）作为 设计依据，设计施工图纸，初步搭建发动机系统进行试验，并通过实际工况测试油耗、排放物成分及示功 图等等来验证该方案的可行性及必要性，并逐步改进供给系统。
依托以上设计基础，设计多点喷射系统（去除喉口），开展相关计算与单点喷射系统对比。
针对增压式柴油机（单点和多点喷射两种情况）设计重整气燃料供给电控系统，分别由重整气管理模 块、传感元件、执行元件（电磁阀）、控制器组成，实现通过ECU自动控制，根据发动机的转速、油门 位置、相位等条件的反馈信号调整重整气供给量，达到定时定量；油/气模式切换时，控制阀延迟关闭， 保证管路中无残余气体。
3. 参考文献 【1】 游伏兵.含水酒精重整燃料发动机研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.11
【2】 朱萃汉.酒精燃料的特性与研究[C].浙江：浙江大学
【3】 李格升.含水酒精在发动机上的应用研究.《武汉理工大学学报》[J]，2008年，第32卷第6期.
【4】 Hinrich Mohr，Torsten Baufeld.面向未来的双燃料发动机技术进展[J].《国外铁道机车与动车》2013 年第6期
【5】 金锋. 柴油-CNG双燃料电子控制系统研究［D］.武汉：武汉理工大学，2003.04
【6】 吴建强.车用含水酒精重整器研究[C].武汉：武汉理工大学，2008
【7】 廖世勇.发动机代用燃料的开发与应用［J］.《内燃机》，1998年第6期
【8】 曹钰. 柴油/乙醇双燃料柴油机电控喷射系统的研究［D］.武汉：华中科技大学，2013.01.10
【9】 吴建强.乙醇重整燃料发动机的重整器性能仿真研究[D].武汉：武汉理工大学2009.05
【10】郑斌.小型柴油机改装为双燃料发动机的燃气供给系统设计[J].《小型内燃机与摩托车》，2009年， 第38卷第4期.
【11】徐进.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[J].《浙江交通职业技术学院学 报》，2015 年，第16卷第1期.
【12】张毅.含水乙醇重整燃料发动机用催化剂试验研究［D］. 武汉：武汉理工大学，2011.05
【13】Wojciech Tutak. Alcohol-diesel fuel combustion in the compression ignition engine[J]. 《FUEL》，2015
【14】Francisco Vigil. Emissions and Performance Characteristics of Diesel-Biodiesel-Alcohol Blends in Compression Ignition Engines [J]. 新墨西哥矿业和技术研究所，2015.08
【15】G.K. Prashant. Investigations on the effect of ethanol blend on the combustion parameters of dual fuel diesel engine[J].《Applied Thermal Engineering》，2016.
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