孟兵 胡亞楠

摘 要：能源短缺和環(huán)境保護(hù)雙重壓力使得醇類燃料的應(yīng)用研究日益突出。從應(yīng)用分析的角度，通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了M30、M50、E10對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能的影響，并與93#汽油進(jìn)行了對(duì)比分析，而在試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)未作任何調(diào)整。

關(guān) 鍵 詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；甲醇汽油；乙醇汽油

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(duì)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(jī)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(yīng)用研究具有重要意義[1-3]。

本文對(duì)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(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并通過臺(tái)架試驗(yàn)研究了電噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃用上述幾種燃料時(shí)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能，并與93#汽油進(jìn)行了對(duì)比分析，以確定醇混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)性能的影響。

1 試驗(yàn)燃料物理性能研究

本文主要對(duì)甲醇汽油、乙醇汽油混合燃料及93#汽油在電噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，表1為試驗(yàn)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?jǐn)?shù)計(jì)算

醇混合燃料是甲醇、乙醇以不同的體積分?jǐn)?shù)與汽油組成的混合物，甲醇、乙醇含量不同，試驗(yàn)燃料的低熱值不同，混合燃料中汽油、醇類燃料的質(zhì)量分?jǐn)?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(xiàng) 目 甲醇 乙醇 汽油

化學(xué)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?jǐn)?shù)：

（1）

混合燃料中醇類燃料的質(zhì)量百分質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)所用各種醇汽油混合燃料中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2 各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Table 2 Quality percentage of each component %

燃 料 E10 M30 M50

汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù) 89.46 68.70 48.48

醇燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10.54 31.30 51.52

1.2 混合燃料低熱值的計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)是以熱工轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的熱機(jī)，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?xì)馔苿?dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對(duì)外輸出，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。燃料所含熱量是發(fā)動(dòng)機(jī)熱功轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要指標(biāo)。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(dòng)機(jī)的工作能力越強(qiáng)。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?jǐn)?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?jǐn)?shù)。

根據(jù)式（3）計(jì)算試驗(yàn)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(shì)。

表3 試驗(yàn)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(yàn)方案與試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)的使用特性是指發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的使用性能，包括負(fù)荷特性和速度特性。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷是指發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)械所消費(fèi)的功率或有效轉(zhuǎn)矩的大小，也可以表述為發(fā)動(dòng)機(jī)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?jǐn)?shù)表示[6]。速度特性是指發(fā)動(dòng)機(jī)在供油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)保持不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率、燃料消耗率等性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置不同，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率、輸出扭矩及燃油消耗率存在很大差異。汽油機(jī)在節(jié)氣門全開時(shí)的速度特性反映發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高動(dòng)力性能，在其曲線上可確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率、最大扭矩及對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

本文的對(duì)比試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下，測(cè)得不同轉(zhuǎn)速條件下發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1 500～5 000 r/min（步長(zhǎng)為500 r/min）。通過試驗(yàn)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)性能的影響。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次對(duì)比試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)上進(jìn)行，所用發(fā)動(dòng)機(jī)為直列、四缸捷達(dá)ATK多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為1.595 L，壓縮比為9.0，標(biāo)定功率為64（kW）/5 800（r/min），標(biāo)定扭矩135（N·m）/2 800（r/min）。

所用到的設(shè)備主要有電渦流測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、機(jī)油溫度調(diào)節(jié)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)、智能油耗儀及廢氣分析儀。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能分析

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

從發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)大體相同。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M30、M50、E10三種醇汽油混合燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩比燃用93#汽油分別下降1.4%、17.2%和4.1%，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大功率分別下降17.1%、30.9%和2.9%。

由于電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷時(shí)采用的是開環(huán)控制，電控單元不會(huì)由于燃料性質(zhì)的改變而相應(yīng)變化噴油量，這將導(dǎo)致高比例醇燃料燃燒時(shí)放出的熱量減少，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率及扭矩輸出。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，即使發(fā)動(dòng)機(jī)沒有進(jìn)行任何調(diào)整，燃燒低比例的醇汽油混合燃料時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)機(jī)動(dòng)力性降低幅度也隨之加大。所以，要想在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用高比例醇類燃料，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖1 全負(fù)荷下扭矩曲線

Fig.1 Torque curve under the load

圖2 全負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線

Fig.2 Power curve under full load

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率是指發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)了不同發(fā)動(dòng)機(jī)在燃料消耗方面經(jīng)濟(jì)性的好壞。在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用幾種測(cè)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(dòng)機(jī)燃用M30、M50 、E10時(shí)的燃油消耗率高于燃用93#汽油，燃油消耗率最低點(diǎn)的油耗率分別增大了9.4%、29.4%和23.4%。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃用四種燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最低點(diǎn)都出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)中等轉(zhuǎn)速位置。

圖3 全負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率曲線

Fig.3 Specific fuel consumption curve under full load

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能分析

為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒醇汽油混合燃料的排放性能，測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)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(shí)，CO、HC的排放量都隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而增加，但相比于93#汽油，燃用M30、M50、E10時(shí)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(dāng)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(huì)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(dòng)機(jī)全負(fù)荷下CO排放特性曲線

Fig.4 Characteristic curve of CO under full load

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)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(duì)醇汽油混合燃料的理化特性進(jìn)行分析，利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)試驗(yàn)燃料中醇、汽油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及不同試驗(yàn)燃料的低熱值進(jìn)行計(jì)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(dòng)機(jī)任何參數(shù)的情況下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M30、M50、E10、93#汽油四種燃料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在電噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)燃用醇類燃料的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能明顯改善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭蘭，劉小平.乙醇汽油靈活燃料汽油機(jī)仿真計(jì)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(yīng)用[J].河北化工，2011（05）：58-59. （下轉(zhuǎn)第1483頁）