丙酮丁醇乙醇/汽油混合燃料对高速发动机性能影响的试验研究

唐琦军，蒋 蘋，刘敬平，彭才望，任 凯

(1.湖南农业大学 机电工程学院，长沙 410128；2.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

0 概述

随着汽柴油消耗量的逐年增长和汽车尾气排放法规的日益严格，内燃机行业面临能源短缺、成本上涨和排放污染超标等问题，促使人们越来越关注替代能源的研究[1-3]。近年来，国内外学者对一种新型的内燃机代用燃料——丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol， ABE)展开了大量研究[4-7]。ABE是丙酮、丁醇和乙醇的混合物(体积比约为3∶6∶1)，是微生物发酵法生产丁醇的中间产物。丁醇的理化特性与汽油最为接近，被认为是很有潜力的替代燃料，2019年全球正丁醇生产能力为634.3万吨，产量为416.8万吨[8-9]。但是发酵法生产丁醇的成本过高，严重影响了丁醇在发动机上的产业化。ABE作为丁醇发酵的中间产物，具备替代能源的众多优点，如可再生、汽化潜热大、层流火焰速度高、生产成本低等。因此，研究人员将ABE作为内燃机代用燃料进行了大量研究，主要包括ABE、ABE/柴油、ABE/汽油混合燃料在定容燃烧弹和发动机中的喷雾、混合气形成及燃烧的试验研究[10-11]。文献[12]中利用定容燃烧弹研究了不同环境温度下ABE、丁醇和柴油的喷雾和燃烧特性。发现环境温度较高时，所有的被测燃料的喷雾形态均类似；但当环境温度较低时，ABE的喷雾体积略小于丁醇。文献[11]中研究发现相比于柴油，在低环境温度(800 K)和低环境氧体积分数(11%)的条件下，ABE20(ABE体积分数为20%，汽油体积分数为80%)的碳烟生成基本得到了抑制；ABE与丁醇在各种条件下的自然火焰光度均低于柴油，且ABE比丁醇更低。文献[13]中研究了含水ABE/柴油混合燃料对发动机NOx及颗粒物生成的影响，结果表明，ABE/柴油中掺混一定量的水可以降低发动机中颗粒物、NOx、多环芳香烃等的排放量，同时可以提高发动机的热效率。ABE/汽油混合燃料作为点燃式发动机的代用燃料也有一定研究[7]。文献[6，14]中研究了燃用纯ABE对点燃式发动机燃烧及排放特性的影响。结果表明，ABE相比于纯汽油表现出了更短的火焰发展期、更高的热效率及更低的CO排放。文献[15-18]中使用进气道喷射的点燃式发动机研究了ABE/汽油混合燃料中的含水比例对发动机燃烧及排放特性的影响。结果表明，相比于纯汽油，燃用体积分数分别为1%、29%、70%的水、ABE、汽油的混合燃料(ABE29W1)可获得更高的转矩及更低的CO、碳氢化合物(HC)和NOx排放。ABE燃料在发动机燃烧及排放的数值仿真研究方面尚处于起步阶段。文献[19]中构建了由262种组分和1 509步反应组成的ABE/柴油的半详细化学反应机理，并用试验结果进行了验证。文献[20-22]中通过KIVA-3V程序耦合碳烟模型，对定容燃烧弹中燃用ABE的碳烟形成过程进行了数值仿真研究。文献[23]中提出了 ABE-柴油碳烟模型，并进行了仿真计算，研究表明柴油机燃用ABE的碳烟排放比燃用柴油时要少。

综上所述，ABE及ABE掺混传统燃料在内燃机行业是比较新的研究热点。现有研究表明，ABE燃料在发动机上的可行性应用确实具有较好的前景，但对ABE的研究大多集中在定容燃烧弹中的喷雾和燃烧的基础性研究，不同掺混比的ABE/传统燃料在发动机上的应用研究还不够全面。为了深入研究ABE/汽油掺混燃料在发动机上的应用，在一台高速汽油机上掺混中低比例ABE，对点火提前角和过量空气系数进行了大范围的扫描试验，旨在揭示ABE掺混比、点火提前角、过量空气系数对点燃式发动机性能的影响。

1 ABE/汽油混合燃料发动机试验

1.1 ABE/汽油燃料属性

试验中采用中国石油化工股份有限公司生产的95号汽油和国药集团化学试剂有限公司生产的丙酮、正丁醇和乙醇(纯度为99.5%)，将丙酮、正丁醇和乙醇按照体积比3∶6∶1混合得到ABE，然后将ABE和95号汽油按照体积比为10∶90、20∶80、30∶70 混合得到ABE10、ABE20和ABE30燃料。根据燃料的基本属性和混合燃料的体积比计算得到ABE10、ABE20和ABE30的主要理化特性，如表1[17，24]所示，其中辛烷值取马达法辛烷值与研究法辛烷值的平均值。随着混合燃料中ABE含量的增加，汽化潜热、自燃温度和层流火焰速度增大比较明显，混合燃料的密度和辛烷值略有增加，低热值和化学当量空燃比减小。

表1 ABE/汽油燃料的属性

1.2 发动机简介

选用本田CBR600RR摩托车发动机为研究对象，该发动机采用双顶置凸轮轴机构、一体式变速箱、多点燃油顺序喷射等技术，发动机的基本参数如表2所示。其主要特点有缸径小、行程短、转速高等。首先对该发动机进行改装，自主设计了发动机的进、排气系统。在进气系统上加装了一个喉口直径为20 mm的拉法尔管，用来提高进气的流速，改善瞬态响应。在排气系统上增加消声器，用来降低发动机的噪声。因为发动机转速较高，试验过程变速器挡位采用3挡，速比为3.519。

表2 发动机的基本参数

1.3 发动机试验台

图1为发动机试验台的示意图。试验设备和仪器类型如表3所示，采用MoTec M84发动机控制单元(engine control unit， ECU)代替原机ECU，并替换电路系统和线束。试验采用了电涡流测功机、冷却液控制系统、燃油供给系统等设备。在发动机进、排气系统上安装了温度、压力、流量等传感器。利用燃烧分析仪测量发动机的气缸压力，利用HORIBA MEXA-584L测量发动机的污染气体浓度，采用BOSCH LSU 4.9氧传感器测量发动机过量空气系数。试验前利用MoTec M84 MANAGER标定软件，对发动机喷油和点火等参数进行了详细的标定，使发动机能够良好运行。

图1 发动机试验台架示意图

表3 发动机试验的设备及仪器

1.4 发动机试验工况

以转速4 000 r/min、节气门开度35%，转速 8 000 r/min、节气门开度45%为试验工况，对汽油、ABE10、ABE20和ABE30开展了两种类型的试验。第一类按照当量空燃比喷油(过量空气系数为1)，调节点火提前角进行试验，通过爆震判断最大点火提前角。第二类固定点火提前角，调节喷油量进行试验。结果表明发动机两种工况点的点火提前角、过量空气系数和ABE掺混比对发动机性能的影响表现出类似的规律。为了简化分析以转速4 000 r/min、节气门开度35%(常用的工况)的试验工况为例开展分析，详细的发动机试验工况如表4所示。

表4 发动机试验工况

图2为发动机两类试验4种燃料燃油流量的变化规律。不同点火提前角下，ABE含量固定则燃油流量变化很小；相同点火提前角下，ABE含量越多燃油流量越大。这是因为随ABE含量增加，燃料对应的当量空燃比降低(表1)，即同样进气量可以燃烧更多燃料。而ABE含量固定时，随过量空气系数增大，燃油流量减小；过量空气系数不变时，ABE含量越高，燃油流量越大。图2(a)黑色虚线框内的4种工况下发动机燃用纯汽油、ABE10、ABE20和ABE30时燃油流量分别为3.03 kg/h、3.13 kg/h、3.22 kg/h、3.34 kg/h。结合表1燃料的热值可以计算出进入发动机燃料的总热量，如表5所示。混合气浓度相同时，随着ABE含量增大，进入发动机燃料的总热量略有增大。

图2 发动机的燃油流量与燃料及工况的关系

表5 燃油流量的总热量

2 试验结果分析

2.1 功率分析

图3为两类试验4种燃料发动机功率的变化规律。由图3(a)可知，ABE含量相同时，随点火提前角增大，发动机功率先增大后减小，过大的点火提前角导致发动机出现爆震，功率降低。另外，点火提前角太大，燃烧主要发生在上止点前，大部分的能量被用来克服压缩阻力，会产生更多的负功，也会导致功率下降。如果点火提前角太小，速燃期滞后于上止点太多，则容易导致燃烧不完全甚至失火，使发动机功率降低。相同点火提前角下，随ABE含量增加，发动机功率增大。虽然混合燃料热值降低，但是喷入的燃油流量增加(如图2(a)所示)，燃料总热值增大，且ABE的层流火焰速度比汽油大，因此功率增大。由图3(b)可知，ABE含量相同时，随过量空气系数增大，发动机功率开始有升高的趋势，而后迅速减小。这是因为随着过量空气系数增大，发动机燃烧过程变得不稳定甚至失火，发动机的热效率降低了，使发动机功率下降。过量空气系数相同时，随ABE含量增加，发动机功率增大。这是因为ABE含量越高，燃料的层流火焰速度越快(如表1所示)，缸内燃烧速率越高。

图3 发动机的功率与燃料及工况的关系

2.2 缸压分析

图4为燃用汽油和ABE20两种燃料时发动机气缸压力的变化规律。由图4(a)可知，随点火提前角增大，发动机燃烧相位提前，最高燃烧压力迅速增大，因此发动机输出功率增大。相同点火角度时，ABE20的燃烧略晚于纯汽油。主要原因是ABE的汽化潜热高，缸内进气温度低，并且自燃温度高，导致滞燃期延长，但速燃期燃烧快，热-功转换过程的等容度越高，综合作用使得发动机燃用ABE/汽油的混合燃料时输出的功率略高于燃用纯汽油时。由图4(b)可知，随着过量空气系数减小，燃烧相位提前，最高燃烧压力增大，发动机输出功率增大。过量空气系数相同时，发动机燃用ABE20的燃烧略晚于燃用纯汽油，同时最高燃烧压力也略低。过量空气系数相同时ABE/汽油混合燃料的燃油量增加，因此发动机燃用ABE/汽油混合燃料时输出的功率高于燃用纯汽油时输出的功率。

图4 发动机的气缸压力与燃料及工况的关系

2.3 有效热效率分析

图5为两类试验4种燃料发动机有效热效率的变化规律。由图5(a)可知， ABE含量相同时，随点火提前角增大，发动机有效热效率先增大后略有减小。过大的点火提前角导致发动机出现爆震，速燃期在压缩冲程，压缩负功增大，有效热效率降低。点火提前角相同时，随ABE含量增加，燃烧更加迅速，热-功转换效率更高，发动机有效热效率增大。由图5(b)可知，ABE含量相同时，随过量空气系数增大，发动机有效热效率先增大后减小。这是因为发动机在浓混合气和过稀混合气时燃料不能完全燃烧，有效热效率降低。过量空气系数相同时，随ABE含量增加，燃烧更加迅速，热-功转换效率更高，发动机有效热效率增大。

图5 发动机的热效率与燃料及工况的关系

2.4 排放污染物分析

图6为两类试验4种燃料发动机NO排放的变化规律。由图6(a)可知，ABE含量相同时，随点火提前角增大，NO比排放增大。因为点火提前角增大，燃烧提前，缸内燃烧温度升高，促进了NO的生成。点火提前角相同时，随ABE含量增加，NO比排放降低，但降低趋势减缓。由图6(b)可知，ABE含量相同时，随过量空气系数增大，发动机NO比排放先增大后减小。这是因为过量空气系数小则缸内缺氧，过量空气系数大则缸内燃烧温度低，都可以降低NO比排放。过量空气系数相同时，随ABE含量增加，发动机NO比排放降低，同样降低的趋势减缓。这是因为随着ABE含量增加，混合燃料的总热值降低，缸内的燃烧温度降低。

图6 发动机的NO比排放与燃料及工况的关系

图7为两类试验4种燃料发动机CO比排放的变化规律。由图7(a)可知，ABE含量相同时，随点火提前角增大，CO比排放先减小而后略有增大的趋势。相同点火提前角下，随ABE含量增加，CO比排放略有增加。由图7(b)可知，ABE含量相同时，随过量空气系数增大，发动机CO比排放先迅速减小而后变化较小；相同过量空气系数下，随ABE含量增加，CO比排放略有增加。ABE含量增大时CO比排放增加主要是因为随着ABE含量增加，汽化潜热增大，使得进气温度降低，燃烧始点的温度降低，滞燃期延长。

图7 发动机的CO比排放与燃料及工况的关系

图8为两类试验4种燃料发动机HC比排放的变化规律。由图8(a)可知，ABE含量相同时，随点火提前角增大，HC比排放先减小后增大。点火提前角相同时，随ABE含量增加，CO比排放先增大后减小，纯汽油HC比排放介于ABE10和ABE20之间。由图8(b)可知，随过量空气系数增大，发动机CO比排放先减小而后迅速增加；过量空气系数相同时，随ABE含量增加，HC比排放先增大后减小，纯汽油HC比排放介于ABE10和ABE20之间。ABE含量增大，HC比排放先增大后减小，与ABE的属性密切相关，如：汽化潜热增大，滞燃期延长，促进HC生成；燃烧速率加快，抑制HC生成。

图8 发动机的HC比排放与燃料及工况的关系

3 发动机性能分析

3.1 ABE掺混比和点火提前角的影响

第一类试验保持发动机转速4 000 r/min、节气门开度35%，按照当量空燃比喷油，扫描点火时刻以得到最佳的点火时刻。从试验中挑选出最佳点火时刻(最大功率)对应的发动机性能参数进行分析。以纯汽油发动机的参数为基准，计算添加ABE后发动机性能参数变化的百分比。图9为4种燃料按照当量空燃比喷油时，改变点火提前角，发动机最大功率时的性能参数。由图9(a)可知，ABE含量越高，喷油质量越大，功率越大。发动机燃用ABE30相对于燃用纯汽油喷油流量增加了10.16%，功率增大了4.80%。图9(b)是有效热效率和有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption, BSFC)随ABE含量的变化。由图可知，ABE含量越高，有效热效率和有效燃油消耗率越大。发动机燃用ABE30相对于燃用纯汽油有效热效率提高了3.73%，有效燃油消耗率增加了5.11%。

图9 发动机的性能与燃料的关系(过量空气系数为1)

图10为发动机最佳点火时刻对应的NO、HC和CO比排放随ABE含量的变化规律。由图可知，随着ABE含量增加，NO比排放减小，CO比排放增加，HC比排放的变化规律不明显。发动机燃用ABE30相对于燃用纯汽油NO比排放降低了42.14%，CO比排放增加了16.92%，HC比排放降低了1.62%。

图10 发动机的比排放与燃料的关系(过量空气系数为1)

3.2 ABE掺混比和过量空气系数的影响

第二类试验固定发动机转速4 000 r/min、节气门开度35%、点火提前角为39°,扫描过量空气系数。从试验中挑选出发动机最大功率时对应的性能参数进行分析，按照前文类似方法计算了发动机性能参数的变化率。图11为4种燃料固定点火提前角而改变喷油量时，试验工况发动机最大功率时的性能参数。由图11(a)可知，ABE含量越多喷油流量越大，ABE20功率比ABE10略小，总体上功率仍是增大的趋势。发动机燃用ABE30相对于燃用纯汽油燃油流量增加了8.08%，功率增大了5.38%。由图11(b)可知，ABE含量越多，有效热效率和有效燃油消耗率越大。发动机燃用ABE30相对于燃用纯汽油有效热效率提高了6.31%，有效燃油消耗率增加了2.56%。与图9相比，在浓混合时增加ABE含量比在当量空燃比状态下增加ABE含量对发动机有效热效率的提高更明显。

图11 发动机的性能与燃料的关系(点火提前角为39°)

图12是发动机最大功率点的比排放参数。由图可知，随着ABE含量增加，NO比排放明显降低，CO比排放先降低后升高，HC比排放先升高后降低。发动机燃用ABE30相对于燃用纯汽油，NO比排放降低了76.01%，CO比排放降低了3.79%，HC比排放降低了7.50%。与图10相比，在浓混合气状态下增加ABE含量比在当量空燃比状态下增加ABE含量对发动机的NO比排放和CO比排放降低更明显。

图12 发动机的比排放与燃料的关系(点火提前角为39°)

4 结论

(1) 发动机燃用不同ABE含量的ABE/汽油混合燃料时，燃油流量、功率、有效热效率等参数随点火提前角和过量空气系数的变化规律呈现一致性。

(2) 发动机燃用不同ABE含量的ABE/汽油混合燃料时NO比排放随点火提前角增大而增加，随过量空气系数增大先增大后减小。NO比排放随着ABE含量增加迅速降低到较低值。浓混合气时CO比排放较高，稀混合气时HC比排放较高。汽油中掺混ABE对CO比排放和HC比排放的影响比对NO比排放的影响要小。

(3) 在浓混合气时增加ABE含量比在当量空燃比状态下增加ABE含量发动机性能改善更明显。发动机燃用ABE30相对于燃用纯汽油,功率增大了5.38%，有效热效率提高了6.31%。

(4) 在浓混合气时增加ABE含量比在当量空燃比状态下增加ABE含量发动机的NO比排放降低更明显，而HC和CO比排放增大的百分比略小一些。发动机燃用ABE30相对于燃用纯汽油NO比排放降低了76.01%，CO比排放降低了3.79%，HC比排放降低了7.50%。