醇汽油混合燃料的應用研究

孟兵 胡亞楠

摘 要：能源短缺和環(huán)境保護雙重壓力使得醇類燃料的應用研究日益突出。從應用分析的角度，通過發(fā)動機臺架試驗，研究了M30、M50、E10對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性及排放性能的影響，并與93#汽油進行了對比分析，而在試驗過程中發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)未作任何調(diào)整。

關(guān) 鍵 詞：發(fā)動機；甲醇汽油；乙醇汽油

中圖分類號：TE 624 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1477-03

Study on Application of Gasohol Blend

MENG -Bing 1， HU Ya-nan 2

（1. School of Mechanical Engineering， Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China；

2. School of Mining Engineering， Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract： In order to alleviate the dual pressure of energy shortage and environmental protection， application research of alcohol fuel has become a hot spot. In this paper， starting from the application analysis， effects of M30， M50 and E10 on engine power performance， fuel economic performance and emission performance were studied through the engine bench test. The comparison analysis with 93# gasoline under the same parameters of the engine was carried out.

Key words： Engine； Methanol-gasoline； Ethanol-gasoline

隨著人們對能源和環(huán)境問題的日益關(guān)注，尋找石油替代燃料的研究越來越顯得迫切，醇類燃料作為一種替代能源，在緩解能源危機及環(huán)境污染方面發(fā)揮著一定的作用，開展醇類燃料的應用研究具有重要意義[1-3]。

本文對M30、M50 、E10醇汽油混合燃料的質(zhì)量百分比、低熱值等物理性能指標進行計算，并通過臺架試驗研究了電噴發(fā)動機燃用上述幾種燃料時的動力性、經(jīng)濟性及排放性能，并與93#汽油進行了對比分析，以確定醇混合燃料對發(fā)動機相關(guān)性能的影響。

1 試驗燃料物理性能研究

本文主要對甲醇汽油、乙醇汽油混合燃料及93#汽油在電噴發(fā)動機上的應用進行對比試驗研究，表1為試驗中所用燃料甲醇、乙醇及93#汽油的主要理化特性。

1.1 混合燃料中各組分的質(zhì)量百分數(shù)計算

醇混合燃料是甲醇、乙醇以不同的體積分數(shù)與汽油組成的混合物，甲醇、乙醇含量不同，試驗燃料的低熱值不同，混合燃料中汽油、醇類燃料的質(zhì)量分數(shù)按式（1）及式（2）換算[4]。

表1 汽油和醇類燃料的主要理化特性

Table 1 Main physical and chemical properties of gasoline and alcohol fuel

項 目 甲醇 乙醇 汽油

化學分子式 CH3OH C2H5OH C4～C12

密度/（kg·m-3） 794 792 747

理論空燃比 6.4 9 14.8

低熱值/（MJ·kg-1） 19.7 27.2 43.5

混合燃料中汽油的質(zhì)量分數(shù)：

（1）

混合燃料中醇類燃料的質(zhì)量百分質(zhì)量分數(shù)：

（2）

式中 ρg—汽油的密度，kg/m3；

α—混合燃料中汽油所占的體積比；

ρe—醇類燃料的密度，kg/m3；

β—混合燃料中醇類燃料的體積比。

試驗所用各種醇汽油混合燃料中各組分的質(zhì)量分數(shù)如表2所示。

表2 各組分的質(zhì)量分數(shù)

Table 2 Quality percentage of each component %

燃 料 E10 M30 M50

汽油質(zhì)量分數(shù) 89.46 68.70 48.48

醇燃料質(zhì)量分數(shù) 10.54 31.30 51.52

1.2 混合燃料低熱值的計算

發(fā)動機是以熱工轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的熱機，在做功沖程中，汽缸內(nèi)的燃料燃燒，放出大量的熱能，缸內(nèi)壓力和溫度迅速增加，高溫、高壓燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，通過曲柄連桿機構(gòu)將熱能轉(zhuǎn)化為機械能對外輸出，實現(xiàn)化學能與機械能之間的轉(zhuǎn)化。燃料所含熱量是發(fā)動機熱功轉(zhuǎn)換的一個重要指標。燃料的熱值越高，單位質(zhì)量的燃料燃燒產(chǎn)生的熱量越多，發(fā)動機的工作能力越強。醇汽油混合燃料的低熱值可以按式（3）估算[5]：

（3）

式中： HGE—混合燃料的低熱值，MJ/kg；

Hg —汽油的低熱值，MJ/kg；

MG—混合燃料中汽油的質(zhì)量分數(shù)；

He—醇燃料的低熱值，MJ/kg；

ME—混合燃料中醇燃料的質(zhì)量分數(shù)。

根據(jù)式（3）計算試驗所用醇汽油混合燃料的低熱值，結(jié)果如表3所示。由于汽油的低熱值高于甲醇、乙醇的低熱值（如表1所示），所以混合燃料的低熱值隨著混合燃料中醇類燃料的增加而呈下降的趨勢。

表3 試驗燃料的低熱值

Table 3 Low calorific value of the test fuel

燃 料 E10 M30 M50

低熱值/（MJ·kg-1） 41.78 36.05 31.24

2 試驗方案與試驗設備

2.1 試驗方案

發(fā)動機的使用特性是指發(fā)動機在不同工況下的使用性能，包括負荷特性和速度特性。發(fā)動機負荷是指發(fā)動機驅(qū)動從動機械所消費的功率或有效轉(zhuǎn)矩的大小，也可以表述為發(fā)動機所能發(fā)出的功率與同一轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大功率之比，以百分數(shù)表示[6]。速度特性是指發(fā)動機在供油量調(diào)節(jié)機構(gòu)保持不變的情況下，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩、功率、燃料消耗率等性能指標隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置不同，發(fā)動機的輸出功率、輸出扭矩及燃油消耗率存在很大差異。汽油機在節(jié)氣門全開時的速度特性反映發(fā)動機所能達到的最高動力性能，在其曲線上可確定發(fā)動機的最大功率、最大扭矩及對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

本文的對比試驗是在發(fā)動機全負荷工況下，測得不同轉(zhuǎn)速條件下發(fā)動機的有效扭矩、有效功率、燃油消耗率及有害物質(zhì)的排放，試驗時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍為1 500～5 000 r/min（步長為500 r/min）。通過試驗測得的發(fā)動機最大扭矩、最大功率、燃油消耗率及有害物質(zhì)的排放量，研究醇汽油混合燃料對發(fā)動機相關(guān)性能的影響。

2.2 試驗設備

本次對比試驗是在發(fā)動機臺架試驗上進行，所用發(fā)動機為直列、四缸捷達ATK多點噴射發(fā)動機，該發(fā)動機的排量為1.595 L，壓縮比為9.0，標定功率為64（kW）/5 800（r/min），標定扭矩135（N·m）/2 800（r/min）。

所用到的設備主要有電渦流測功機、發(fā)動機水溫、機油溫度調(diào)節(jié)裝置、發(fā)動機自動測控系統(tǒng)、智能油耗儀及廢氣分析儀。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 發(fā)動機動力性能分析

發(fā)動機的功率及扭矩曲線是在發(fā)動機節(jié)氣門全開的情況下獲得的，其數(shù)值大小反應了發(fā)動機在相應轉(zhuǎn)速下所能達到的最佳狀態(tài)。發(fā)動機燃用M30、M50、E10、93#汽油四種燃料時發(fā)動機的扭矩及功率特性曲線如圖1、圖2所示。

從發(fā)動機功率、扭矩特性曲線可以看出，四種燃料的扭矩及功率曲線在試驗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的變化趨勢大體相同。發(fā)動機燃用M30、M50、E10三種醇汽油混合燃料時發(fā)動機最大扭矩比燃用93#汽油分別下降1.4%、17.2%和4.1%，發(fā)動機輸出最大功率分別下降17.1%、30.9%和2.9%。

由于電噴發(fā)動機在大負荷時采用的是開環(huán)控制，電控單元不會由于燃料性質(zhì)的改變而相應變化噴油量，這將導致高比例醇燃料燃燒時放出的熱量減少，進而影響發(fā)動機的功率及扭矩輸出。從試驗結(jié)果可以看出，即使發(fā)動機沒有進行任何調(diào)整，燃燒低比例的醇汽油混合燃料時對發(fā)動機的動力性影響不大，只是略有降低。但隨著醇類燃料摻燒比例的增加，發(fā)動機動力性降低幅度也隨之加大。所以，要想在現(xiàn)有發(fā)動機上燃用高比例醇類燃料，必須對發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行適當調(diào)整。

圖1 全負荷下扭矩曲線

Fig.1 Torque curve under the load

圖2 全負荷下發(fā)動機功率曲線

Fig.2 Power curve under full load

3.2 發(fā)動機經(jīng)濟性能分析

發(fā)動機的燃油消耗率是指發(fā)動機每發(fā)出1 kW的有效功率，在1 h內(nèi)所消耗的燃油質(zhì)量（以g為單位），其數(shù)值的大小直接反應了不同發(fā)動機在燃料消耗方面經(jīng)濟性的好壞。在發(fā)動機全負荷工況下，發(fā)動機燃用幾種測試燃料的燃油消耗率變化曲線如圖3所示。

從總體上來說，發(fā)動機燃用M30、M50 、E10時的燃油消耗率高于燃用93#汽油，燃油消耗率最低點的油耗率分別增大了9.4%、29.4%和23.4%。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃用四種燃料時發(fā)動機的燃油消耗率最低點都出現(xiàn)在發(fā)動機中等轉(zhuǎn)速位置。

圖3 全負荷下發(fā)動機燃油消耗率曲線

Fig.3 Specific fuel consumption curve under full load

3.3 發(fā)動機排放性能分析

為了研究發(fā)動機燃燒醇汽油混合燃料的排放性能，測量了發(fā)動機全負荷狀態(tài)下CO、HC的排放量，其結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出，燃用四種燃料時，CO、HC的排放量都隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升而增加，但相比于93#汽油，燃用M30、M50、E10時的排放量明顯下降。這主要是由于醇類燃料屬于含氧燃料，在空燃比不變的情況下燃燒醇汽油混合燃料，相當于空氣燃油混合物中氧的含量增加。CO主要是由于燃料的不完全燃燒產(chǎn)生的，一切影響燃燒的因素都會增加HC的排放。燃燒醇汽油混合燃料使燃料的不完全燃燒程度降低，從而改善了排放性能[7]。

圖4 發(fā)動機全負荷下CO排放特性曲線

Fig.4 Characteristic curve of CO under full load

圖5 發(fā)動機全負荷下HC排放特性曲線

Fig.5 Characteristic curve of HC under full load

4 結(jié) 論

本文對醇汽油混合燃料的理化特性進行分析，利用經(jīng)驗公式對試驗燃料中醇、汽油的質(zhì)量分數(shù)以及不同試驗燃料的低熱值進行計算。結(jié)果表明，隨著混合燃料中醇含量的增加，燃料低熱值降低。

在沒有調(diào)整發(fā)動機任何參數(shù)的情況下，對發(fā)動機燃用M30、M50、E10、93#汽油四種燃料進行對比試驗研究。試驗結(jié)果表明，在電噴發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制策略保持不變的情況下，與燃用93#汽油相比，發(fā)動機燃用醇類燃料的動力性和經(jīng)濟性都略有降低，且隨著混合燃料中醇類燃料比例的增大，差距增大，但是燃用醇汽油混合燃料時，發(fā)動機的排放性能明顯改善。

參考文獻：

[1] 郭蘭，劉小平.乙醇汽油靈活燃料汽油機仿真計算[J]. 汽車工程師，2011（01）： 32-37.

[2] 安增虎，陳小飛.甲醇汽油發(fā)展及應用[J].河北化工，2011（05）：58-59. （下轉(zhuǎn)第1483頁）