臧　杰，朱榮福，張德生，孫遠濤，林　明

(黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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發(fā)動機燃用乙醇汽油和丁醇汽油性能的實驗研究

臧杰，朱榮福，張德生，孫遠濤，林明

(黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

按照體積分數(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，研究電噴汽油機在不作改動的情況下燃用丁醇汽油和乙醇汽油混合燃料時的性能變化情況。研究結(jié)果表明：在不改變汽油機任何參數(shù)的情況下，與相同比例的乙醇汽油相比，發(fā)動機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)動機性能；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，進一步提高乙醇汽油中乙醇的比例，則需要對發(fā)動機進行調(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，對發(fā)動機燃用乙醇汽油和丁醇汽油性能的對比性實驗研究較少[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)量分數(shù)高于丁醇，化學計量比乙醇低于丁醇。燃料含氧有利于提高層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，促進燃料完全燃燒，降低HC、CO排放，但由于含氧導致燃料的熱值降低，3種燃料中，乙醇的熱值最低。表1中乙醇的汽化潛熱遠高于汽油，因此，發(fā)動機燃用較高比例的乙醇汽油時，為保證發(fā)動機正常起動，必須采用進氣加熱或使用汽油起動的方法，與之相比，丁醇的汽化潛熱與汽油接近，對發(fā)動機的起動性能影響較小。此外，丁醇的化學結(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輸[7-8]。

表1　燃料理化特性

2　實驗裝置及方法

本實驗研究的是在發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)不變的條件下，發(fā)動機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)。

實驗發(fā)動機為東安三菱4G18發(fā)動機，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，實驗測試設(shè)備如表3所示。實驗工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 500 rpm，油門開度分別為30%和100%。

實驗用測功機標定后扭矩精度為±0.2%，實驗方法參照《GB/T 18297-2001 汽車發(fā)動機性能試驗方法》，實驗前發(fā)動機預(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) ℃，機油溫度控制在(95±5) ℃，在排氣背壓低于6.7 kPa時開始試驗，每個工況測量時間和實驗工況之間間隔不低于3 min[9]。

表2　發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

表3　主要實驗測試儀器

3　實驗結(jié)果與分析

3.1熱效率分析

對比發(fā)動機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)動機燃用醇類汽油后油耗會有所上升。圖1和圖2分別給出了發(fā)動機在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比曲線。如圖1、圖2所示，100%油門開度時，熱效率在22.5%～23.3%變化；30%油門開度時，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，部分負荷時(30%油門開度)熱效率明顯低于全負荷(100%油門開度)。本次實驗發(fā)動機包括點火提前角等參數(shù)未做任何改動，不能完全發(fā)揮醇類汽油辛烷值高、含氧等優(yōu)勢，因此，發(fā)動機燃用乙醇和丁醇汽油相對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)動機燃用乙醇汽油的熱效率相對于丁醇汽油有所提高。

圖1　100%油門有效熱效率對比

圖2　30%油門有效熱效率對比

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比曲線。與汽油相比，發(fā)動機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)動機燃用丁醇汽油的功率略高于乙醇汽油，但差距很小。這是因為一方面與乙醇相比，丁醇的熱值與汽油更為接近，因此，發(fā)動機燃用乙醇汽油后輸出功率會下降，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，導致發(fā)動機燃用乙醇汽油后輸出功率下降幅度不大。

圖3　100%油門發(fā)動機功率對比

圖4　30%油門發(fā)動機功率對比

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)動機燃用乙醇汽油時HC排放和CO排放略低于丁醇汽油，在全負荷工況(100%油門開度)相對比較明顯。這是因為一方面乙醇和丁醇都是含氧燃料，燃料含氧有利于降低HC排放和CO排放；另一方面是因為乙醇汽油的含氧量高于同比例下的丁醇汽油，導致發(fā)動機燃用乙醇汽油時HC排放和CO排放下降較為明顯。

圖5　100%油門發(fā)動機HC排放對比

圖6　30%油門發(fā)動機HC排放對比

圖7　100%油門發(fā)動機CO排放對比

圖9～圖10給出了不同燃料在不同工況下的NO排放對比曲線。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停沟萌剂显谏现裹c附近集中放熱，提高缸內(nèi)燃燒溫度，從而促進NO的生成；另一方面，乙醇的含氧量和火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂诙〈迹瑢е掳l(fā)動機燃用乙醇汽油后NO排放略高于丁醇汽油。

圖8　30%油門發(fā)動機CO排放對比

圖9　100%油門發(fā)動機NO排放對比

圖10　30%油門發(fā)動機NO排放對比

4　結(jié)　論

本文對燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油發(fā)動機的性能進行了對比性研究，實驗結(jié)果表明：

1)發(fā)動機燃用乙醇汽油的熱效率略高于丁醇汽油；

2)發(fā)動機燃用乙醇汽油和丁醇汽油后功率略有下降，但幅度很??；

3)與相同比例的乙醇汽油相比，發(fā)動機燃用丁醇汽油后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)展報告[R].中國石油集團經(jīng)濟技術(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展[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，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)境學報，2006，6(5)：21-24.

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

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[7]安相璧.汽車試驗工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[8]楊小龍，楊靖，林鐵平.丁醇汽油對發(fā)動機性能影響的實驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版)，2010,37(2)：32-35.

[9]石美玉，朱榮福，齊曉杰,等.燃用丁醇汽油對發(fā)動機性能影響的實驗研究[J].交通科技與經(jīng)濟，2015,17(1):120-123.

[10]石美玉，朱榮福，林明,等.發(fā)動機燃用丁醇汽油的性能實驗研究[J].黑龍江工程學院學報，2015，29(1)：33-36.

[責任編輯：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)新人才專項資金(優(yōu)秀學科帶頭人項目)(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