汽油-乙醇混合燃料发动机的性能试验研究

张　帅　鲁志远　姜志永　张　莹　赵和亮（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北 保定　071000　2-河北省汽车工程技术研究中心）

汽油-乙醇混合燃料发动机的性能试验研究

张帅1，2鲁志远1，2姜志永1，2张莹1，2赵和亮1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北 保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

根据汽油与乙醇燃料不同的理化特性，对某1.5 L气道喷射增压汽油机进行了改进，将原汽油机9.3的压缩比调整为10，进行E22乙醇汽油发动机性能试验，并与原汽油机的排放和油耗进行对比。研究结果表明：压缩比对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，负荷特性下分析，THC较原机有很大程度的下降，NOχ排放整体呈现出先升高后下降的趋势；外特性工况下，E22燃料发动机经济性改善，燃油消耗率下降大于40g/（kW·h）。综合E22发动机燃料油耗和排放性能的分析，E22混合燃料发动机对节能减排有重大意义。

乙醇汽油压缩比排放发动机

引言

随着汽车工业的不断发展，石油资源日益减少，发动机燃料的供应也越来越紧张，同时车用汽油、柴油造成的环境污染也日益严重。乙醇燃料由于具有来源广泛、丰富及抗爆性好的特点已成为最受汽车厂家重视的一种清洁替代燃料。使用乙醇不但可以改善能源结构，减少对石油的依赖，同时可以降低汽车有害物的排放，缓解能源紧张和环境污染所带来的压力［1］。

本文结合国内外乙醇燃料的研究及应用情况，通过对乙醇与汽油燃料的理论分析并结合乙醇燃料抗爆性好的特点，将汽油机压缩比由9.3调整为10后，进行E22乙醇汽油发动机性能试验，结合试验数据，与原汽油机的排放和油耗进行对比，并对其中一些试验结果进行研究分析。

1　试验条件及设备

试验用机为一台国产4G15T型增压汽油机，该发动机为直列四缸、双顶置凸轮轴结构，采用了废气涡轮增压中冷，多点顺序燃油喷射，电控机械式节气门等多种先进技术，排放水平达到欧V标准，表1为试验发动机原机主要技术参数。试验中采用AVL公司生产的电涡流测功机，采用HORIBA 7500DEGR排放设备对NOχ及THC等常规排放物进行检测。

表1　试验发动机主要技术参数

试验用汽油是从中国石油加油站购买的93号汽油，E22燃料为乙醇和汽油的混合燃料（乙醇体积分数为22%）。表2为汽油和乙醇的主要理化特性对比，由于乙醇的汽化潜热和辛烷值要比普通汽油高，因此乙醇汽油的抗爆性好，可以通过提高汽油机的压缩比来改善发动机的热效率和输出功率。本文通过改造活塞来增加发动机的压缩比，由9.3调整到10，燃用E22燃料进行发动机试验，并与原汽油机经济性及排放性能进行对比。

表2　汽油和乙醇的主要理化特性对比

2　试验结果及分析

2.1总功率特性

图1所示为汽油机（ε=9.3）与E22燃料汽油机（ε=10）总功率特性对比。从图中可以看出，在发动机整个转速区间内，原汽油机与E22燃料汽油机的各功率及扭矩点基本相当，动力性未出现衰减；E22燃料发动机燃油经济性改善明显，燃油消耗率下降超过40g/（kW·h）。

图1　原汽油机与E22汽油机总功率对比

从表2可以看出，乙醇的热值低于普通汽油的热值，其热值只相当于普通汽油的61%，但汽油中不含氧，而乙醇中含氧，乙醇燃烧所需要的理论空气量不到汽油的一半，两者的混合气热值基本一致［2］，可以保证发动机动力性不降低；另一方面，乙醇含氧，有利于燃烧完全，热效率较高，并且乙醇的汽化潜热比汽油高约3倍，更有利于高负荷下燃料的充分燃烧，所以可以保证发动机动力性，弥补了低热值的不足［3］。此外，乙醇的辛烷值高于汽油，发动机的抗爆性能得以提高，借鉴TolgaTopgül等人在恒转速、不同压缩比下汽油-乙醇混合燃料的试验研究结果［4］，将E22燃料发动机压缩比增大到10，将燃烧点火时刻提前，这样有利于优化混合燃料的燃烧条件，改善燃烧状况，通过提高压缩比和增加点火提前角等手段提高发动机的热效率和动力性［5］。综上所述，总功率特性下，原汽油机与E22燃料汽油机动力输出基本相当，E22燃料发动机燃油经济性改善明显。

2.2燃烧特性分析

气缸中的瞬时压力是反映燃烧情况的重要参数之一，对车用发动机的动力性和经济性有很大的影响。图2为发动机在n=2 000 r/min、0.2 MPa不同压缩比工况，缸内压力随曲轴转角的变化情况。从图2可知：原汽油机（ε=9.3）与E22燃料汽油机（ε=10）相比缸压曲线具有相同的单峰特性，且混合燃料的滞燃期随乙醇比例的增加而延长。在该工况下整体来看，E22燃料汽油机缸内平均爆发压力大于纯汽油燃料时缸内平均爆发压力，这是由于压缩比的增大，燃油有了更好的着火环境，有助于获得更高的火焰传播速度，因此，着火延迟期变得更短，使喷入的燃料能够更稳定、充分燃烧，提高了循环平均吸热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，循环效率和平均有效压力均增大，提高了理论循环经济性和动力性［6］。

图2　缸压对比数据

2.3负荷特性分析

2.3.1THC排放分析

图3给出了原汽油机（ε=9.3）与E22燃料汽油机（ε=10）的THC的排放状况，图中横轴为转矩，纵轴为THC排放数据。在1 500 r/min和3 000 r/min负荷特性工况下，整体来看，发动机的THC排放均呈现出先下降后上升的趋势，且原汽油机的THC排放水平高于E22燃料汽油机（ε=10）的THC的排放水平。

图3　压缩比对THC排放的影响

THC都是不完全燃烧的产物，产生THC排放下降的主要原因与壁面淬熄和缝隙效应有关［7］。E22燃油与93#汽油相比，含碳量少（其含碳量仅为汽油的61%左右），含氧量多，而含氢量却大致与汽油相仿，由于乙醇化学结构中的羟基OH使E22燃料燃烧反应特点与汽油中的各种烃类有所不同，乙醇含氧，燃烧时生成大量的羟基，乙醇中的羟基OH使燃烧速度更快、着火温度更低，从而能够促进燃烧和CO的氧化，使着火温度较低和不易熄火，且壁面激冷淬熄较少，从而使燃烧更完善，且压缩比的增加，使燃烧更充分。从试验数据来看，呈现出E22燃料发动机THC相比原汽油机大幅降低的趋势。

2.3.2NOχ排放分析

图4给出了原汽油机（ε=9.3）与E22燃料汽油机（ε=10）的NOχ的排放状况，图中横轴为转矩，纵轴为NOχ排放数据。在1 500 r/min和3 000 r/min负荷特性工况下，发动机的NOχ排放在中低负荷工况E22燃料发动机（ε=10）较低，随着负荷的增加而增加。

图4　压缩比对Noχ排放的影响

NOχ生成的条件为高温、富氧和高温滞留时间。在中低转速工况，由于E22燃油汽化潜热比纯汽油汽化潜热大，缸内温度较低，此时温度的影响为主要因素，所以燃烧温度的降低可以减少NOχ排放；高速时，缸内温度相对升高，由于乙醇分子中含有氧原子，可以提供额外的氧，乙醇的含氧使得氧含量增加，有利于NOχ的生成，此时氧含量为NOχ生成的主要因素［8］。所以高速时，E22燃油NOχ排放逐渐增加了，所以最终结果取决于温度和含氧量两个因素谁占上风。从试验数据来看，在中低转速工况E22燃料发动机NOχ排放低于原汽油机，在高速时，E22燃料发动机NOχ排放高于原汽油机。

3　结论

本文以一台1.5T四缸汽油发动机为基础，进行燃用E22混合燃料发动机（ε=10）实验研究，得出以下主要结论。

1）负荷特性下分析，E22混合燃料发动机（ε= 10）与原汽油发动机相比，THC有很大程度的下降，在中低负荷下THC排放减少11%～25%，高负荷下THC排放减少约65%；NOχ排放整体呈现出先升高后下降的趋势，NOχ排放在中低负荷时相比原汽油机降低，在高速时却有所增加。

2）外特性工况下，E22燃料发动机经济性改善，燃油消耗率下降大于40 g/（kW·h）。

从排放及燃油经济性这两方面比较，燃用E22混合燃料发动机有较大优势。

1王晋，朱建军，王勇，等.高压缩比甲醇发动机的性能和排放研究［J］.农机化研究，2014（9）：229-232

2顾洁，杜德兴.汽油机燃用汽油-乙醇混合燃料的试验研究［J］.小型内燃机与摩托车，2003（2）：42-45

3彭美春，谢兴文，徐朝闽，等.乙醇汽油摩托车排放控制技术研究［J］.小型内燃机与摩托车，2009（5）：30-33

4钱叶剑，谈建，左承基，等.车用乙醇汽油对电喷汽油机性能影响的实验研究［J］.内燃机学报，2006（4）：320-325

5Tolga Topgül，Hüseyin Serdar Yücesu，Can Cinar，et al.The effects of ethanol-unleaded gasoline blends and ignition timing on engine performance and exhaust emissions［J］. Renewable Energy，2006，31（15）:2534-2542

6刘圣华，魏衍举，吕胜春，等.乙醇汽油发动机排放特性研究［J］.西安交通大学学报，2006（7）：745-747

7刘全根.汽油乙醇的应用［J］.炼油设计，2002（2）：40-43

8李岳林，杜宝杰，李薛，等.汽油机燃用乙醇/汽油混合燃料的研究进展［J］.小型内燃机与摩托车，2009（4）：85-87

Experiment and Research on Performance of Ethanol-Gasoline Engine

Zhang Shuai1，2*，Lu Zhiyuan1，2，Jiang Zhiyong1，2，Zhang Ying1，2，Zhao Heliang1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

According to physical and chemical characteristics of ethanol fuel，an 1.5L intake port injection and turbo charged gasoline engine was improved.Changing the compression ratio 9.3 to 10，E22 ethanol gasoline engine performance tests are carried out，and compared with the original gasoline engine emissions and fuel consumption.The research indicated:the compression ratio has a significant influence on the engine performance，combustion and emissions.Under the partial load mode，THC emission is lower than original gasoline engine，NOχemissions rose first and fell afterwards；In external characteristic condition，the E22 ethanol fuel engine can improve economy，the fuel consumption was decreased by over 40g/（kW·h）. The fuel consumption and emission characteristics study in E22 ethanol fuel engine confirms that it has great significance for energy saving and emission reduction.

Ethanol-gasoline，Compression ratio，Exhaust emission，Engine

TK411+.71

A

2095-8234（2016）01-0052-04

张帅（1987-），男，本科，主要研究方向为汽油发动机设计与性能开发。

2015-07-29）