丁醇-汽油混合燃料应用于汽油机的性能实验研究

安铭 ，冯洪庆* ，刘道建 ，张静 ，李顿，张晓东

(1. 中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院能源与动力工程系， 山东 青岛266580；2. 山东省科学院能源研究所，山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南250014 )

【生物质能源】

丁醇-汽油混合燃料应用于汽油机的性能实验研究

安铭1，冯洪庆1*，刘道建1，张静1，李顿1，张晓东2

(1. 中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院能源与动力工程系， 山东 青岛266580；2. 山东省科学院能源研究所，山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南250014 )

本文对不同比例的丁醇-汽油混合燃料在气道电控喷射汽油机台架上进行了性能实验研究。在转速为2 000 r/min和2 500 r/min时，将分别添加体积分数10%、20%丁醇的混合汽油与纯汽油进行了对比。研究结果表明，掺混丁醇后，发动机动力性略有下降，有效燃油消耗率略有增加，在90 N·m时比油耗取得最低值，在实验工况下HC和NOx排放略有下降，对CO影响较小。

汽油机；丁醇；混合燃料；排放

随着汽油机的进一步发展，必须努力改善其燃油经济性。与传统化石燃料相比，丁醇可来源于木质纤维、生物秸秆等生物质，具有可再生性。同时，丁醇还具有更高的能量密度和较高的辛烷值，腐蚀性小，与汽油互溶性好，具有良好的应用前景。目前，国内外就丁醇在内燃机上的应用开展了一系列的研究[1-3]，主要涉及汽油机的动力性、经济性和排放特性等方面。

杨靖等[4]通过实验和计算研究了在汽油机上燃烧丁醇-汽油混合燃料的放热规律以及与燃烧汽油的不同，从燃料的性质和内燃机燃烧学的角度分析了放热速率形成差异的原因。介绍了燃用丁醇-汽油混合燃料对发动机性能的影响，并通过点火提前角优化和空燃比优化得到了更好的综合性能，从而验证了丁醇取代部分汽油后在发动机中燃烧的可行性和实现节能减排的双重优越性。李克等[5]对比分析了丁醇与汽油的理化性质和燃烧特性之后，对掺入不同比例丁醇的汽油在发动机中进行了台架实验，初步确定了燃用丁醇-汽油调合燃料对发动机动力性和经济性的影响。同时，对发动机瞬变参数进行了合理调整，实验结果表明，在结构不做改动而仅对可变参数进行调整时，该汽油机可以燃用丁醇体积分数达30%的丁醇-汽油混合燃料，其排放得到了很大的改善而动力性和经济性基本保持不变。胡志远等[6]在一台电控进气道多点喷射汽油机上，对燃用按不同比例混合的丁醇-汽油燃料的非常规排放特性进行了实验研究。结果发现，在未对发动机进行任何改动的情况下，与燃用纯汽油相比，发动机燃用丁醇-汽油混合燃料的动力性、SO2排放和温室气体(包括CO2、CH4和NOx等)排放降低，燃油消耗率和醛类排放增加，其变化幅度随混合燃料中丁醇体积分数的增加而增大。当掺混丁醇体积分数低于20%时发动机的醇类排放降低，当混合比例超过20%时发动机的醇类排放增大。

Venugopal等[7]采用双燃料喷射策略实现了进气道同时喷射汽油和丁醇，对火花点火发动机燃用丁醇-汽油混合燃料进行了实验研究。结果表明，采用双燃料喷射策略能够实现更高的混合比，不同工况下通过改变混合燃料的掺混比例可显著降低HC的排放。Wallner等[8]研究了使用丁醇和汽油的混合物作为DISI发动机燃料时的各种排放，研究发现，在任何工况下，添加丁醇的汽油在发动机中燃烧， NOx排放都会较纯汽油时低。随着丁醇掺混比例的增加，甲醛和乙醛排放逐渐增多；然而，在较高的丁醇掺混比例下，HC排放中的含氧化合物成分将占总HC排放的一半以上。Tornatore等[9]在一台装配有涡轮增压器的单缸进气道喷射的火花点火发动机上研究了两种喷油时刻下，汽油中掺混体积分数为40%的丁醇(简称BU40)时对发动机性能和排放的影响，喷油时刻分别在进气阀关闭和进气阀开启时刻。采用BU40燃料可以有效减少燃烧室积碳和颗粒物排放。

由此可见，丁醇掺混在汽油中对于汽油机燃烧和排放具有积极效果，但研究者对于丁醇在丁醇汽油混合燃料中所起的作用认识并不完全一致。本文主要研究丁醇-汽油混合燃料对火花点火发动机性能的影响，在多缸汽油发动机台架上进行丁醇-汽油混合燃料对汽油机的动力性、经济性和排放等特性影响的实验研究。

1 实验设备及燃料制备

1.1 实验设备及参数

实验装置示意图如图1所示。本文实验在一台直列四缸、四冲程、自然吸气式火花点火发动机上进行，发动机的基本参数见表1。发动机喷油系统采用德国BOSCH公司Motronic3.8.2电子控制多点汽油顺序喷射系统。发动机与电涡流测功机相连，并通过测控系统调整发动机的转速和扭矩大小。尾气分析仪型号为AVL DiGas4000 Light 五组分尾气分析仪，该仪器可以测量CO、CO2、HC和NOx的排放，以及O2含量、过量空气系数和发动机转速等参数。该分析仪能够进行多燃料测试，包括汽油、CNG、LPG和乙醇，具有可靠性好、精度高等优点。

1.2 燃料制备及理化特性分析

本文实验中发动机所用混合燃料分别是BU0、BU10和BU20 3种丁醇-汽油混合燃料，即丁醇在混合燃料中体积分数分别为 0%、10%、20%。其中，汽油为从加油站购买的普通93#汽油，丁醇纯度大于99.5%。在对发动机不做任何改动的情况下，混合燃料的理化特性对发动机性能的影响比较大。然而丁醇-汽油混合燃料的理化特性受丁醇含量的影响比较大，因此下面分析丁醇含量对丁醇混合燃料理化特性的影响。

1 发动机；2 测功机；3 火花塞；4 喷油器；5 进气节流阀；6 冷却装置；7 缸压传感器；8 轴角编码器；9 空气滤清器；10 尾气分析仪；11 数据采集及指令传输系统；12 ECU及测控系统。图1 实验装置图Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

项目参数发动机类型直列4冲程4缸8气门自然吸气式排量/mL1781缸径/mm81冲程/mm86．4压缩比9．5：1最大功率74kW/5200(r/min)最大扭矩155N·m/3800(r/min)供油方式BoschM3．8．2电子控制顺序多点燃油喷射系统最低燃油消耗率≤278．5g/kW·h冷却系统水冷

本文采用密度计分别测量了BU0、BU10和BU20等3种丁醇-汽油混合燃料的密度，同时采用式(1)计算丁醇-汽油混合燃料的密度。混合燃料密度的计算值与测量值非常相近，且随丁醇体积分数的增加而增加。

(1)

式中，ρm为混合燃料密度，g·mL-1；ρb为丁醇密度，g·mL-1；ρg为汽油密度，g·mL-1；α为混合燃料中丁醇所占的体积分数。

本文采用IKA C200量热仪分别测量了BU0、BU10、BU20等3种丁醇/汽油混合燃料的低热值，同时采用式(2)和(3)计算丁醇-汽油混合燃料的低热值，二者间的对比如表2所示。可以看出，混合燃料低热值的计算值与测量值相近，虽然丁醇的低热值只有汽油的76.6%，但是混合燃料低热值随丁醇体积分数的增加下降并不明显。

(2)

(3)

式中，HL,m为混合燃料低热值，MJ·kg-1；HL,b为丁醇低热值，MJ·kg-1；HL,g为汽油低热值，MJ·kg-1；w为混合燃料中丁醇所占的质量分数。

表2 混合燃料低热值

燃料燃烧的本质是燃料中的碳和氢与空气中的氧气进行氧化放热反应，因此燃料在气缸中的循环放热量主要由缸内可燃混合气的能量密度决定。若空气中氧气体积分数为21%，氮气体积分数为79%，汽油分子式记为C8H16，则汽油的化学计量空燃比为14.7，丁醇的化学计量空燃比为11.12，混合燃料BU10和BU20的化学计量空燃比分别为14.31和13.93。化学计量可燃混合气的能量密度可通过式(4)计算得到。可以看出，汽油掺混丁醇后，混合燃料的理论空燃比降低，但化学计量可燃混合气的能量密度基本保持不变。因此，汽油掺混丁醇后，可以通过调整发动机的喷油系统，来保证可燃混合气的能量密度基本保持不变从而保证发动机的动力性不下降。若对发动机不做任何改动，同一工况点时增加丁醇在汽油中的掺混比例，会导致过量空气系数变大。

(4)

式中，Em,0为化学计量可燃混合气能量密度，MJ·kg-1；L0为燃料理论空燃比，kg·kg-1。

2 结果与分析

为了分析在对发动机未做任何改动的情况下，丁醇-汽油混合燃料对汽油发动机的动力性、经济性和排放特性的影响，本文在车用不同转速、不同负荷状态下进行了部分负荷特性实验。所用燃料为BU0、BU10、BU20，选定转速分别为2 000 r/min和2 500 r/min，在同一转速下，从无负荷开始逐渐加大节气门开度，直至节气门全开。

由于丁醇理论空燃比明显低于汽油，在对发动机喷油系统不做任何调整的情况下，掺混丁醇会增大过量空气系数，因此，在高负荷情况下，负荷相同时，掺混丁醇后节气门开度要大于纯汽油。综上所述，在本文研究工况范围内，在未对发动机参数做任何改动的情况下，汽油机燃用丁醇-汽油混合燃料时的动力性有所下降。

2.1 丁醇-汽油混合燃料对经济性的影响

有效热效率和有效燃油消耗率(BSFC)是发动机经济性的重要指标。在获得发动机有效燃油消耗率的情况下，有效热效率ηet与有效燃油消耗率之间存在如下关系，如式(5)所示。

(5)

式中，be为有效燃油消耗率，g·(kW·h)-1；HL为燃料低热值，MJ·kg-1。

图2给出了不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下有效燃油消耗率随负荷变化的情况。可以看出，不同转速下3种燃料的有效燃油消耗率随负荷变化的趋势相同。有效燃油消耗率随负荷的增加先减小后增大，转速为2 500 r/min时最低燃油消耗率扭矩点要较2 000 r/min时右移。总体来看，在去除误差因素及整个负荷范围内，有效燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大，但增长幅度不大。这是因为发动机的电控喷射系统是根据发动机所处的工况(如起动、怠速、加速、减速和常用工况等)采用相应喷油策略的，并不能识别不同燃料，汽油掺混丁醇后，喷油系统依然按照汽油喷射策略喷油。混合燃料理论空燃比随丁醇掺混比例的增加而变小，因此当发动机转速和负荷相同时，实际过量空气系数随丁醇掺混比例的增加而变大，混合气变稀，能量密度降低，导致节气门开度随丁醇掺混比例的增加而增大，同时由于丁醇汽化潜热大，热值低，导致喷油量增大，因而燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大。

图2 有效燃油消耗率随扭矩变化的规律Fig.2 Variation of brake specific fuel consumption (BSFC) with torque moment

汽油掺混丁醇后，混合燃料的热值降低，因此单纯用燃油消耗率来比较汽油机燃用丁醇-汽油混合燃料的经济性并不全面。有效热效率是衡量发动机经济性的另一个重要指标。图3是不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下有效热效率随负荷变化的情况。可以看出，不同转速下3种燃料的有效热效率随负荷变化的趋势相同。有效热效率随负荷的增加先增大后减小，转速为2 500 r/min时最高有效效率扭矩点要较2 000 r/min时右移。总体来看，在去除误差因素及整个负荷范围内，虽然有效燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大，但有效效率并不随丁醇掺混比例的增加而降低，掺混丁醇对有效热效率的影响并不大。这主要有三方面的原因：一是因为丁醇为含氧燃料，在燃烧过程中自身含有的氧原子改善了燃烧，使得燃烧更加充分，从而提高了发动机的热效率，改善了发动机的经济性；二是因为丁醇的汽化潜热高，当丁醇掺混比例增加时，会降低缸内混合气体的温度，使得经缸壁向外传热的损失减小，从而提高了发动机的热效率；三是相比于汽油，丁醇燃烧火焰传播速度和燃烧速度快，燃烧定容程度高，峰值压力大，从而提高了发动机的热效率[10]。

图3 有效热效率随扭矩变化的规律Fig.3 Variation of effective heat efficiency with torque moment

2.2 丁醇/汽油混合燃料对排放特性的影响

汽油机的排气污染物主要是CO、HC和NOx3种，NOx通常是指NO和NO2，其中主要是NO，占90%～95%。本文通过AVL DiGas 4000 Light五组份尾气分析仪对过量空气系数及尾气中的CO、HC和NOx3种污染物进行检测。

图4给出了不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下过量空气系数随负荷变化的情况。可以看出，不同转速下3种燃料的过量空气系数随负荷变化的趋势相同。转速为2 000 r/min时，在中低负荷下，过量空气系数稳定保持在化学计量比附近，在高负荷时，过量空气系数减小。在相同负荷下，随丁醇掺混比例的增加过量空气系数增加，这主要是因为丁醇理论空燃比明显低于汽油，在对发动机不做任何改动的情况下，掺混丁醇使实际的过量空气系数降低。而在转速为2 500 r/min时，过量空气系数始终稳定保持在化学计量比附近，且在高负荷时略有升高。这是因为在相同负荷下，增大转速需要进一步增大节气门开度。

图4 过量空气系数随扭矩的变化情况Fig.4 Variation of excess air coefficient with torque moment

图5给出了不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下CO排放随负荷变化的情况。可以看出，不同转速下3种燃料的CO排放随负荷变化的趋势相同。在转速为2 000 r/min时，3种燃料在中低负荷下CO排放差别不大，且随着负荷的增加变化也不明显。这是因为在中低负荷时，过量空气系数保持相对稳定，CO的生成主要由燃料的不完全燃烧导致，因而CO排放量较少且变化不大。而在转速为2 500 r/min时，CO的排放随负荷增加的变化并不明显。此外，随丁醇掺混比例的增加虽然燃油消耗率增加，但丁醇为含氧燃料，在燃烧过程中自身含有的氧原子改善了燃烧情况，使得燃烧更加充分，因而CO排放量并不随丁醇掺混比例的增加而增加。在高负荷时，过量空气系数减小，混合气变浓，燃料在缺氧情况下不完全燃烧加重，因而CO排放量增加较多。

图5 CO排放随扭矩变化的情况Fig.5 Variation of CO emission with torque moment

图6给出了不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下HC排放随负荷变化的情况。汽油机中HC的生成原因比较复杂，主要途径有不完全燃烧、壁面淬熄效应、壁面油膜和积碳的吸附效应。由图可以看出，对于同一种燃料，在转速为2 000 r/min、中低负荷时，HC排放量随负荷的变化无明显变化。这主要是因为在中低负荷下，过量空气系数稳定保持在化学计量比附近，混合气燃烧充分，因而HC的排放较少。但在高负荷时，过量空气系数降低，混合气变浓，燃料燃烧不充分，因而HC排放量总体上升。而转速为2 500 r/min 时，由于过量空气系数始终稳定保持在化学计量比附近，且在高负荷时略有升高，所以HC排放量在中低负荷时差别不大，而在高负荷时有所下降。此外，在工况相同的条件下，随着丁醇掺混比例的增加，HC的排放减少。这是由于丁醇为含氧燃料，在燃烧过程中自身含有的氧原子改善了燃烧情况，同时丁醇掺混比例的增加，过量空气系数增大，使得燃烧更加充分。

图6 HC排放随扭矩变化的情况Fig.6 Variation of HC emission with torque moment

图7为不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下NOx排放随负荷变化的情况。可以看出，不同转速下3种燃料的NOx排放随负荷变化的趋势相同。对于同一种燃料，在中低负荷时，NOx排放随负荷的增加而增加。原因在于发动机在中低负荷工况时，发动机处于化学计量比工作条件，此时NOx的生成受温度的影响更为明显，负荷的增加导致发动机燃烧温度升高，因而NOx排放随之增加。在高负荷时，由于过量空气系数减小，燃料在缺氧状态下燃烧，因而NOx排放降低。而汽油掺混丁醇后，在转速为2000 r/min时，NOx排放随负荷的增加明显降低，而转速为2500 r/min时，在中低负荷下，NOx排放随负荷的增加变化不明显，在高负荷时明显降低。这是因为丁醇理论空燃比明显低于汽油，在对发动机不做任何改动的情况下，掺混丁醇使实际的过量空气系数降低，同时由于丁醇汽化潜热高于汽油，而热值低于汽油，导致燃烧温度降低，因而NOx排放随丁醇掺混比例的增加而降低。

图7 NO排放随扭矩变化的情况Fig.7 Variation of NO emission with torque moment

3 结论

(1)在未对发动机参数做任何改动的情况下，汽油机燃用丁醇-汽油混合燃料后的动力性有所下降。

(2)转速为2 000 r/min，在扭矩90 N·m时，油耗率最低；在转速为2 500 r/min，扭矩为90 N·m和105 N·m时均最低，有效燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大，有效热效率并不随丁醇掺混比例的增加而降低，掺混丁醇对有效热效率的影响并不大。

(3)在2 000 r/min和2 500 r/min的实验条件下，对于不同扭矩，汽油掺混丁醇能降低HC和NOx排放，但对CO排放影响不大。

[1]柳茂斌，何邦全，袁杰，等. 正丁醇-汽油HCCI发动机燃烧特性[J]. 内燃机学报，2013，31(4)：324-330.

[2]JIN C, YAO M F, LIU H F, et al. Progress in the production and application of n-butanol as a biofuel[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(8): 4080-4106.

[3]ZHANG Z J, WANG T Y, JIA M, et al. Combustion and particle number emissions of a direct injection spark ignition engine operating on ethanol/gasoline and n-butanol/gasoline blends with exhaust gas recirculation[J]. Fuel, 2014, 130: 177-188.

[4]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.

[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]胡志远, 杨奇, 谭丕强, 等. 电喷汽油机燃用丁醇-汽油混合燃料的非常规排放特性[J]. 内燃机工程, 2014, 35(3): 26-31.

[7]VENUGOPAL T, RAMESH A. Effective utilisation of butanol along with gasoline in a spark ignition engine through a dual injection system[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 59(1/2): 550-558.

[8]WALLNER T, FRAZEE R. Study of regulated and non-regulated emissions from combustion of gasoline, alcohol fuels and their blends in a DI-SI engine[EB/OL]. [2016-02-18]. http://dx.doi.org/10.4271/2010-01-1571.

[9]TORNATORE C, MARCHITTO L, VALENTINO G, et al. Optical diagnostics of the combustion process in a PFI SI boosted engine fueled with butanol-gasoline blend[J]. Energy, 2012, 45(1): 277-287.

[10]ALASFOUR F N. NOxemission from a spark ignition engine using 30% iso-butanol-gasoline blend: Part 1—Preheating inlet air[J]. Applied Thermal Engineering, 1998, 18(5): 245-256.

Performance experiment of N-butanol-gasoline blending fuel applied gasoline engine

AN Ming1, FENG Hong-qing1*, LIU Dao-jian1, ZHANG Jing1, LI Dun1, ZHANG Xiao-dong2

(1.Department of Energy and Power Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Biomass Gasification Technology, Institute of Energy Research, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶ We conducted performance experiment for blending fuel of different blending ratios of n-butanol and gasoline applied port fuel injection engine. We compared pure gasoline and the blending fuel of blending ratios of 10% and 20% for 2 000 r/min and 2 500 r/min. Results show that the power of the engine slightly falls and BSFC increases a little. Specific fuel consumption is the lowest for torque moment of 90 N·m. For experimental condition, HC and NOxemission slightly decreases. The effect on CO emission is less.

∶gasoline engine; butanol; blending fuel; emission

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.013

2016-06-20

中央高校基本科研业务费专项资金项目(14CX05041A)

安铭(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为节能技术。

*通信作者：冯洪庆(1977—)，男，博士，教授，研究方向为汽油机燃料与燃烧。E-mail: fenghongqing@upc.edu.cn

TK427

A

1002-4026(2016)06-080-07