发动机燃用乙醇汽油和丁醇汽油性能的实验研究

臧　杰，朱荣福，张德生，孙远涛，林　明

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)



发动机燃用乙醇汽油和丁醇汽油性能的实验研究

臧杰，朱荣福，张德生，孙远涛，林明

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

按照体积分数分别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，研究电喷汽油机在不作改动的情况下燃用丁醇汽油和乙醇汽油混合燃料时的性能变化情况。研究结果表明：在不改变汽油机任何参数的情况下，与相同比例的乙醇汽油相比，发动机燃用丁醇汽油混合燃料热效率略有升高，功率略有下降，CO和HC排放相对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；发动机性能；排放

与传统车用燃料(汽油、柴油)不同，生物燃料如乙醇、丁醇等属于可再生燃料，且汽车燃用生物燃料后，排放普遍低于燃用传统燃料，因此，在众多的车用代用燃料中，生物燃料引起了广泛的关注与研究[1-3]。我国已推广使用车用乙醇汽油燃料多年，乙醇汽油中乙醇所占的体积比为10%，因乙醇与汽油的理化特性差异较大，进一步提高乙醇汽油中乙醇的比例，则需要对发动机进行调整。与乙醇相比，丁醇理化特性与汽油更加接近，且丁醇的制取可不用粮食作为原料，更为适合作为车用燃料。目前，醇类燃料的研究中，对发动机燃用乙醇汽油和丁醇汽油性能的对比性实验研究较少[4-6]。

1　燃料理化特性分析

如表1所示，与汽油相比，乙醇和丁醇都是含氧燃料，且乙醇中氧的质量分数高于丁醇，化学计量比乙醇低于丁醇。燃料含氧有利于提高层流火焰传播速度，促进燃料完全燃烧，降低HC、CO排放，但由于含氧导致燃料的热值降低，3种燃料中，乙醇的热值最低。表1中乙醇的汽化潜热远高于汽油，因此，发动机燃用较高比例的乙醇汽油时，为保证发动机正常起动，必须采用进气加热或使用汽油起动的方法，与之相比，丁醇的汽化潜热与汽油接近，对发动机的起动性能影响较小。此外，丁醇的化学结构与汽油更为接近，腐蚀性和亲水性弱，与汽油混合不需添加助溶剂且便于炼油管道运输[7-8]。

表1　燃料理化特性

2　实验装置及方法

本实验研究的是在发动机结构参数和运行参数不变的条件下，发动机燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油的性能变化，因此,要采用适合的混合比例，乙醇汽油中乙醇的体积比例分别为30%、50%、70%、100%(分别记作E30、E50、E70、E100)，丁醇汽油中丁醇体积的比例分别为30%、50%、70%、100%(分别记作B30、B50、B70、B100),汽油为市售93#汽油，乙醇汽油和丁醇汽油均为现场配置，未添加助溶剂等物质。

实验发动机为东安三菱4G18发动机，发动机主要技术参数如表2所示，实验测试设备如表3所示。实验工况为发动机转速2 500 rpm，油门开度分别为30%和100%。

实验用测功机标定后扭矩精度为±0.2%，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30 min，燃料温度控制在(25±5) ℃，冷却液出口温度控制在(88±5) ℃，机油温度控制在(95±5) ℃，在排气背压低于6.7 kPa时开始试验，每个工况测量时间和实验工况之间间隔不低于3 min[9]。

表2　发动机主要技术参数

表3　主要实验测试仪器

3　实验结果与分析

3.1热效率分析

对比发动机燃用含氧燃料的燃料消耗率并未考虑热值的影响[10]，但如表1所示，由于乙醇与丁醇的热值均低于汽油，因此,发动机燃用醇类汽油后油耗会有所上升。图1和图2分别给出了发动机在2 500 rpm，30%和100%油门开度下，不同比例乙醇汽油与丁醇汽油热效率的对比曲线。如图1、图2所示，100%油门开度时，热效率在22.5%～23.3%变化；30%油门开度时，热效率在28%～28.9%的范围内变化。由于节气门的节流损失，部分负荷时(30%油门开度)热效率明显低于全负荷(100%油门开度)。本次实验发动机包括点火提前角等参数未做任何改动，不能完全发挥醇类汽油辛烷值高、含氧等优势，因此，发动机燃用乙醇和丁醇汽油相对于燃用纯汽油热效率并无明显变化，乙醇汽油由于燃料中含氧高于丁醇，因此，发动机燃用乙醇汽油的热效率相对于丁醇汽油有所提高。

图1　100%油门有效热效率对比

图2　30%油门有效热效率对比

3.2功率分析

图3和图4给出了不同燃料在不同工况下的功率对比曲线。与汽油相比，发动机燃用乙醇汽油与丁醇汽油后功率略有降低，且降低幅度随掺混乙醇和丁醇的比例增加而增加，平均降幅为2%。发动机燃用丁醇汽油的功率略高于乙醇汽油，但差距很小。这是因为一方面与乙醇相比，丁醇的热值与汽油更为接近，因此，发动机燃用乙醇汽油后输出功率会下降，但另一方面乙醇含氧量高于丁醇，火焰传播速度快(见表1)，有利于燃料完全燃烧，导致发动机燃用乙醇汽油后输出功率下降幅度不大。

图3　100%油门发动机功率对比

图4　30%油门发动机功率对比

3.3排放分析

图5～图8给出了不同燃料在不同工况下的HC排放和CO排放对比曲线。随着燃料中乙醇和丁醇比例的增加，HC排放和CO排放逐渐降低，且发动机燃用乙醇汽油时HC排放和CO排放略低于丁醇汽油，在全负荷工况(100%油门开度)相对比较明显。这是因为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；另一方面是因为乙醇汽油的含氧量高于同比例下的丁醇汽油，导致发动机燃用乙醇汽油时HC排放和CO排放下降较为明显。

图5　100%油门发动机HC排放对比

图6　30%油门发动机HC排放对比

图7　100%油门发动机CO排放对比

图9～图10给出了不同燃料在不同工况下的NO排放对比曲线。随着燃料中乙醇和丁醇比例的增加，NO排放逐渐上升。高温和富氧有利于NO排放的生成。一方面，乙醇和丁醇含氧，且火焰传播速度高于汽油，使得燃料在上止点附近集中放热，提高缸内燃烧温度，从而促进NO的生成；另一方面，乙醇的含氧量和火焰传播速度高于丁醇，导致发动机燃用乙醇汽油后NO排放略高于丁醇汽油。

图8　30%油门发动机CO排放对比

图9　100%油门发动机NO排放对比

图10　30%油门发动机NO排放对比

4　结　论

本文对燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油发动机的性能进行了对比性研究，实验结果表明：

1)发动机燃用乙醇汽油的热效率略高于丁醇汽油；

2)发动机燃用乙醇汽油和丁醇汽油后功率略有下降，但幅度很小；

3)与相同比例的乙醇汽油相比，发动机燃用丁醇汽油后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][出版者不详].2013年国内外油气行业发展报告[R].中国石油集团经济技术研究院，2014.

[2]曾现军，邓建，孔华.丁醇作为车用替代燃料的研究进展[J].小型内燃机与摩托车，2012，41(1)：78-82.

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

[4]祁东辉，刘圣华，李晖,等.电喷汽油机燃用乙醇汽油混合燃料排放及催化转化特性研究[J].安全与环境学报，2006，6(5)：21-24.

[5]李克，王宝林，韩志玉,等.汽油机燃用丁醇-汽油调和燃料的可行性试验研究[J].汽车工程，2009，31(9)：820 -823.

[6]杨靖，李克，杨小龙,等.丁醇-汽油混合燃料燃烧放热规律的研究[J].汽车工程，2009,31(10)：911-914.

[7]安相璧.汽车试验工程[M].北京：国防工业出版社，2006.

[8]杨小龙，杨靖，林铁平.丁醇汽油对发动机性能影响的实验研究[J].湖南大学学报(自然科学版)，2010,37(2)：32-35.

[9]石美玉，朱荣福，齐晓杰,等.燃用丁醇汽油对发动机性能影响的实验研究[J].交通科技与经济，2015,17(1):120-123.

[10]石美玉，朱荣福，林明,等.发动机燃用丁醇汽油的性能实验研究[J].黑龙江工程学院学报，2015，29(1)：33-36.

[责任编辑：郝丽英]

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

哈尔滨市科技创新人才专项资金(优秀学科带头人项目)(2014RFXXJ070)

臧杰(1963-)，女，教授，研究方向：车用清洁燃料.

TK464

A

1671-4679(2016)05-0008-04