發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油和丁醇汽油性能的實(shí)驗(yàn)研究

臧　杰，朱榮福，張德生，孫遠(yuǎn)濤，林　明

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

?

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油和丁醇汽油性能的實(shí)驗(yàn)研究

臧杰，朱榮福，張德生，孫遠(yuǎn)濤，林明

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

按照體積分?jǐn)?shù)分別配制出不同比例的丁醇汽油混合燃料和乙醇汽油混合燃料，研究電噴汽油機(jī)在不作改動(dòng)的情況下燃用丁醇汽油和乙醇汽油混合燃料時(shí)的性能變化情況。研究結(jié)果表明：在不改變汽油機(jī)任何參數(shù)的情況下，與相同比例的乙醇汽油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用丁醇汽油混合燃料熱效率略有升高，功率略有下降，CO和HC排放相對(duì)于汽油的降低幅度低于乙醇汽油，NOx增加幅度低于乙醇汽油。

丁醇；乙醇；發(fā)動(dòng)機(jī)性能；排放

與傳統(tǒng)車用燃料(汽油、柴油)不同，生物燃料如乙醇、丁醇等屬于可再生燃料，且汽車燃用生物燃料后，排放普遍低于燃用傳統(tǒng)燃料，因此，在眾多的車用代用燃料中，生物燃料引起了廣泛的關(guān)注與研究[1-3]。我國已推廣使用車用乙醇汽油燃料多年，乙醇汽油中乙醇所占的體積比為10%，因乙醇與汽油的理化特性差異較大，進(jìn)一步提高乙醇汽油中乙醇的比例，則需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整。與乙醇相比，丁醇理化特性與汽油更加接近，且丁醇的制取可不用糧食作為原料，更為適合作為車用燃料。目前，醇類燃料的研究中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油和丁醇汽油性能的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)研究較少[4-6]。

1　燃料理化特性分析

如表1所示，與汽油相比，乙醇和丁醇都是含氧燃料，且乙醇中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于丁醇，化學(xué)計(jì)量比乙醇低于丁醇。燃料含氧有利于提高層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋龠M(jìn)燃料完全燃燒，降低HC、CO排放，但由于含氧導(dǎo)致燃料的熱值降低，3種燃料中，乙醇的熱值最低。表1中乙醇的汽化潛熱遠(yuǎn)高于汽油，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用較高比例的乙醇汽油時(shí)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)，必須采用進(jìn)氣加熱或使用汽油起動(dòng)的方法，與之相比，丁醇的汽化潛熱與汽油接近，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能影響較小。此外，丁醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)與汽油更為接近，腐蝕性和親水性弱，與汽油混合不需添加助溶劑且便于煉油管道運(yùn)輸[7-8]。

表1　燃料理化特性

2　實(shí)驗(yàn)裝置及方法

本實(shí)驗(yàn)研究的是在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)不變的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油的性能變化，因此,要采用適合的混合比例，乙醇汽油中乙醇的體積比例分別為30%、50%、70%、100%(分別記作E30、E50、E70、E100)，丁醇汽油中丁醇體積的比例分別為30%、50%、70%、100%(分別記作B30、B50、B70、B100),汽油為市售93#汽油，乙醇汽油和丁醇汽油均為現(xiàn)場配置，未添加助溶劑等物質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為東安三菱4G18發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備如表3所示。實(shí)驗(yàn)工況為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 rpm，油門開度分別為30%和100%。

實(shí)驗(yàn)用測功機(jī)標(biāo)定后扭矩精度為±0.2%，實(shí)驗(yàn)方法參照《GB/T 18297-2001 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，實(shí)驗(yàn)前發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱30 min，燃料溫度控制在(25±5) ℃，冷卻液出口溫度控制在(88±5) ℃，機(jī)油溫度控制在(95±5) ℃，在排氣背壓低于6.7 kPa時(shí)開始試驗(yàn)，每個(gè)工況測量時(shí)間和實(shí)驗(yàn)工況之間間隔不低于3 min[9]。

表2　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表3　主要實(shí)驗(yàn)測試儀器

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1熱效率分析

對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)燃用含氧燃料的燃料消耗率并未考慮熱值的影響[10]，但如表1所示，由于乙醇與丁醇的熱值均低于汽油，因此,發(fā)動(dòng)機(jī)燃用醇類汽油后油耗會(huì)有所上升。圖1和圖2分別給出了發(fā)動(dòng)機(jī)在2 500 rpm，30%和100%油門開度下，不同比例乙醇汽油與丁醇汽油熱效率的對(duì)比曲線。如圖1、圖2所示，100%油門開度時(shí)，熱效率在22.5%～23.3%變化；30%油門開度時(shí)，熱效率在28%～28.9%的范圍內(nèi)變化。由于節(jié)氣門的節(jié)流損失，部分負(fù)荷時(shí)(30%油門開度)熱效率明顯低于全負(fù)荷(100%油門開度)。本次實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)包括點(diǎn)火提前角等參數(shù)未做任何改動(dòng)，不能完全發(fā)揮醇類汽油辛烷值高、含氧等優(yōu)勢(shì)，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇和丁醇汽油相對(duì)于燃用純汽油熱效率并無明顯變化，乙醇汽油由于燃料中含氧高于丁醇，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油的熱效率相對(duì)于丁醇汽油有所提高。

圖1　100%油門有效熱效率對(duì)比

圖2　30%油門有效熱效率對(duì)比

3.2功率分析

圖3和圖4給出了不同燃料在不同工況下的功率對(duì)比曲線。與汽油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油與丁醇汽油后功率略有降低，且降低幅度隨摻混乙醇和丁醇的比例增加而增加，平均降幅為2%。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用丁醇汽油的功率略高于乙醇汽油，但差距很小。這是因?yàn)橐环矫媾c乙醇相比，丁醇的熱值與汽油更為接近，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油后輸出功率會(huì)下降，但另一方面乙醇含氧量高于丁醇，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?見表1)，有利于燃料完全燃燒，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油后輸出功率下降幅度不大。

圖3　100%油門發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)比

圖4　30%油門發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)比

3.3排放分析

圖5～圖8給出了不同燃料在不同工況下的HC排放和CO排放對(duì)比曲線。隨著燃料中乙醇和丁醇比例的增加，HC排放和CO排放逐漸降低，且發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油時(shí)HC排放和CO排放略低于丁醇汽油，在全負(fù)荷工況(100%油門開度)相對(duì)比較明顯。這是因?yàn)橐环矫嬉掖己投〈级际呛跞剂?，燃料含氧有利于降低HC排放和CO排放；另一方面是因?yàn)橐掖计偷暮趿扛哂谕壤碌亩〈计?，?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油時(shí)HC排放和CO排放下降較為明顯。

圖5　100%油門發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放對(duì)比

圖6　30%油門發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放對(duì)比

圖7　100%油門發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放對(duì)比

圖9～圖10給出了不同燃料在不同工況下的NO排放對(duì)比曲線。隨著燃料中乙醇和丁醇比例的增加，NO排放逐漸上升。高溫和富氧有利于NO排放的生成。一方面，乙醇和丁醇含氧，且火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂谄?，使得燃料在上止點(diǎn)附近集中放熱，提高缸內(nèi)燃燒溫度，從而促進(jìn)NO的生成；另一方面，乙醇的含氧量和火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂诙〈?，?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油后NO排放略高于丁醇汽油。

圖8　30%油門發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放對(duì)比

圖9　100%油門發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放對(duì)比

圖10　30%油門發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放對(duì)比

4　結(jié)　論

本文對(duì)燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了對(duì)比性研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油的熱效率略高于丁醇汽油；

2)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油和丁醇汽油后功率略有下降，但幅度很?。?/p>

3)與相同比例的乙醇汽油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用丁醇汽油后CO和HC排放降低幅度低于乙醇汽油，NOx增加幅度低于乙醇汽油。

[1][出版者不詳].2013年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告[R].中國石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，2014.

[2]曾現(xiàn)軍，鄧建，孔華.丁醇作為車用替代燃料的研究進(jìn)展[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2012，41(1)：78-82.

[3]丁峰.生物丁醇：新生代生物能源[J].生物技術(shù)世界，2008，2(5)：40-41.

[4]祁東輝，劉圣華，李暉,等.電噴汽油機(jī)燃用乙醇汽油混合燃料排放及催化轉(zhuǎn)化特性研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，6(5)：21-24.

[5]李克，王寶林，韓志玉,等.汽油機(jī)燃用丁醇-汽油調(diào)和燃料的可行性試驗(yàn)研究[J].汽車工程，2009，31(9)：820 -823.

[6]楊靖，李克，楊小龍,等.丁醇-汽油混合燃料燃燒放熱規(guī)律的研究[J].汽車工程，2009,31(10)：911-914.

[7]安相璧.汽車試驗(yàn)工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[8]楊小龍，楊靖，林鐵平.丁醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010,37(2)：32-35.

[9]石美玉，朱榮福，齊曉杰,等.燃用丁醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2015,17(1):120-123.

[10]石美玉，朱榮福，林明,等.發(fā)動(dòng)機(jī)燃用丁醇汽油的性能實(shí)驗(yàn)研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，29(1)：33-36.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Experimental research on performance of engine fueled with ethanol/gasoline and butanol/gasoline blend

ZANG Jie,ZHU Rongfu,ZHANG Desheng,SUN Yuantao,LIN Ming

(College of Automobile and Traffic Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

Butanol/gasoline and ethanol/gasoline blended fuels are mixed based on volume ratio with gasoline.The effects of blended fuels compared with gasoline on the engine performance are investigated through experiments.The experiment results show: without any modification of the engine,compared with same proportion of ethanol/gasoline blended fuel，the thermal efficiency increases and the power of engine fueled with butanol/gasoline blended fuel decreases slightly; compared with engine fueled with gasoline,HC and CO emission of engine fueled with butanol/gasoline blended fuel decreases more significantly,but the increment of NOx emission is higher than that of ethanol/gasoline blended fuel.

butanol；ethanol；engine performance；emission

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.003

2016-06-30

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才專項(xiàng)資金(優(yōu)秀學(xué)科帶頭人項(xiàng)目)(2014RFXXJ070)

臧杰(1963-)，女，教授，研究方向：車用清潔燃料.

TK464

A

1671-4679(2016)05-0008-04