燃用丁醇汽油对发动机性能影响的实验研究

石美玉，朱荣福，齐晓杰，崔宏耀，安永东，谭建伟

（黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨150050）

生物燃料以其低污染、可再生等优势引起了广泛的关注。对于点燃式发动机，目前我国常用的生物燃料是乙醇汽油，其中乙醇所占的体积为10%。生物丁醇作为第二代生物燃料，与乙醇相比，更适合与汽油混合作为车用燃料使用，因而，许多学者对生物丁醇燃料的性能展开了研究。

1 燃料理化特性分析

表1给出了汽油、乙醇和丁醇的燃料理化特性对比。如表1所示，乙醇和丁醇都是含氧燃料，燃料中的氧有利于燃料完全燃烧，提高热效率，进而降低油耗和排放。与乙醇相比，丁醇作为车用燃料的优势有:丁醇的热值、密度更高，与汽油混合后，对发动机产生的动力性较小；丁醇的蒸汽压仅为乙醇的1／6，远低于汽油，有利于燃料的储存与运输；丁醇的汽化潜热低于乙醇，有利于提高发动机的冷起动性能；丁醇的化学结构与汽油更为接近，亲水性弱，与汽油混合不需添加助溶剂；丁醇的腐蚀性低，可直接使用现有的炼油管道运输，无需改动。

表1 燃料理化特性

2 实验装置及方法

实验发动机为三菱4G18发动机，发动机主要技术参数如表2所示。实验通过AVLi60直采排放分析系统测量和记录排放数据；利用湘仪CW160发动机测试系统测量和记录功率、油耗等数据。

实验工况为全负荷速度特性或2 000rpm、2 500rpm发动机负荷特性。实验方法参照《GB／T 18297－2001汽车发动机性能试验方法》，实验前发动机预热15min以上，燃料温度应控制在298K±5K，机油温度为368K±5K，当排气背的背压低于6.7kPa时开始试验，每个工况测量时间不少于3min，实验工况的间隔不低于5min。

实验燃料为丁醇体积比为10%、20%和30%的三种丁醇汽油混合燃料，分别记作B10、B20和B30。实验时，发动机未做任何改动或调整，三种比例的丁醇汽油混合燃料均为现场调配，未添加任何物质。

表2 发动机主要技术参数

2 实验结果与分析

2.1 动力性分析

图1给出发动机燃用B10（10%丁醇，体积比）、B20（20%丁醇，体积比）和B30（30%丁醇，体积比）丁醇汽油混合燃料的外特性功率对比，如图1所示。在节气门全开的全负荷工况下，随着混合燃料中丁醇比例的增加，外特性功率逐渐降低，与B10相比，B20外特性功率平均降幅为2%，B30平均降幅为5%。这主要是由于燃料热值下降导致的，与汽油相比，丁醇的热值下降约为25%（见表1），因此，随着丁醇比例的增加，丁醇汽油混合燃料的热值逐渐降低，导致发动机的动力性下降，但B20的降幅小于B30。

2.2 经济性分析

在相同的负荷下，由于丁醇的热值低于汽油，因而，发动机的油耗随着混合燃料中丁醇比例的增加而增大。图2和图3表示发动机燃用三种燃料的2 000rpm和2 500rpm负荷特性油耗对比曲线，发动燃用B10的燃油消耗率最低，B30最高，B20的燃油消耗率位于二者之间，且油耗增加在小负荷时尤为明显。

图1 发动机外特性功率对比

图2 2 000rpm负荷特性发动机油耗对比

图3 2 500rpm负荷特性发动机油耗对比

2.3 排放性能分析

图4 ～图7给出发动机燃用三种燃料的2 000rpm和2 500rpm负荷特性HC排放和CO排放对比曲线。由于丁醇是含氧燃料，因而随着混合燃料中丁醇比例的增加，HC排放明显下降。对于CO排放，相对于B10，B30和B20在中小负荷工况CO排放下降明显，但B30和B20相差不大；而在大负荷工况，三种燃料CO排放相差不大，这是由于在中小负荷工况，节气门开度较小，混合气形成质量较差，而燃料含氧有利于混合气的形成和燃烧，因而CO排放改善明显，而在大负荷工况，CO排放较低的情况下，改善不明显。

图4 2 000rpm负荷特性HC排放对比

图5 2 500rpm负荷特性HC排放对比

图6 2 000rpm负荷特性CO排放对比

图7 2 500rpm负荷特性CO排放对比

NOx的生成主要受温度和氧浓度的影响。由于丁醇燃料含氧，从而促进NOx的生成，因此，随着混合燃料中丁醇比例的增加，NOx排放逐渐升高，但相对于B30、B20的上升幅度并不明显，图8和图9表示在2 000rpm和2 500rpm负荷特性下的NOx排放对比曲线。

图8 2 000rpm负荷特性NOx排放对比

图9 2 500rpm负荷特性NOx排放对比

3 结 论

对使用B10、B20和B30三种燃料的发动机性能做初步对比研究，实验结果表明:

1）随着混合燃料中丁醇比例的增加，动力性和经济性下降，CO和HC得到改善，NOx排放有所上升；

2）大负荷工况下，混合燃料中丁醇比例的增加对于发动机CO排放的改善并不明显；

3）相对于B30，发动机燃用B20与B10的动力、经济和排放性能并无明显变化；

4）应通过研究燃烧过程，进一步分析发动机燃用不同燃料的性能差异原因。

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