汽油機燃用乙醇/汽油混合燃料的研究進(jìn)展

第38卷第2期小型內燃機與摩托車(chē)Vol 38 No. 22009年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2009綜述汽油機燃用乙醇/汽油混合燃料的研究進(jìn)展李岳林杜寶杰李薛劉省波!郭美華(1-長(cháng)沙理工大學(xué)湖南長(cháng)沙4100762-中南林業(yè)科技大學(xué))摘要:總結了目前在汽油機上已經(jīng)開(kāi)展的有關(guān)乙醇/汽油混合燃料的試驗硏究,主要包括:燃用乙醇汽油混合燃料對發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能的影響;催化轉化器、過(guò)量空氣系數(φ-)以及壓縮比和點(diǎn)火時(shí)刻對燃用乙醇/汽油混合燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機的燃燒和排放特性的影響。最后對其發(fā)展和研究方向做出展望。關(guān)鍵詞:乙醇/汽油混合燃料汽油機燃燒排放中圖分類(lèi)號:U473.1+4文獻標識碼:A文章編號:1671-0630(200)02-0085-03Development on Research of GasolineEngine Fueled with Ethanol-gasoline BlendsLi Yuelin, Du Baojie, Li Xue, Liu Shengbo, Guo MeihuaChangsha University of Science and Technology( Changsha, Hunan, 410076, China)2-Central SOUTH University of Forestry and TechnologyAbstract: The relevant research of ethanol-gasoline blends which has been developed currently on the gasolineengine is summarized in the following aspects the effects of buming ethanol-gasoline blends to engine powerfuel economy and emissions; the combustion and emission characteristics which are effected by catalytic converter,excess air coefficient(oa), compression ratio and ignition timing when ethanol-gasoline blends isIsed. Finally new developments and future trends on the research are presentedKeywords: Ethanol-gasoline blends, gasoline engine, Combustion, Emission引言為有利。同時(shí)乙醇的辛烷值高于汽油,可以提高發(fā)動(dòng)伴隨著(zhù)工業(yè)和社會(huì )的快速發(fā)展,人類(lèi)對石油燃料機的抗爆震性能因此如果使用乙醇作為燃料,可以的需求越來(lái)越高,但因為石油資源有限,所以能源短缺提高壓縮比以改善發(fā)動(dòng)機的熱效率和輸出功率。但是成為一個(gè)令人憂(yōu)的問(wèn)題。除∫設計更高效的發(fā)動(dòng)機另一方面如果使用純乙醇作為燃料的話(huà),就必須對發(fā)以節省燃料資源外,必須尋找其他的能源以部分或者動(dòng)機進(jìn)行改裝,所以最好是把研究重點(diǎn)放在乙醇汽油完全替代我們當前正在使用的燃料。甲醇和乙醇是最的混合燃料上從而避免改裝發(fā)動(dòng)機。常用的燃料和燃料添加劑,但制造甲醇需要天然氣和1混合燃料對發(fā)動(dòng)機性能的影響煤等不可再生資源,而我國的天然氣等資源并不富足,1.1混合燃料對發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟性的影響所以如果依靠甲醇作為燃料的話(huà),很難實(shí)現能源自給;乙醇的熱值比汽油低得多,但乙醇中含氧量大,所而乙醇可以通過(guò)農作物發(fā)酵和蒸餾得到,所以可以看需的理論空氣量不到汽油的一半,所以?xún)烧叩幕旌蠚獬墒且环N可再生能源,另外對于無(wú)鉛汽油來(lái)說(shuō),甲基叔熱值都差不多,從而保證發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性不致降低,同時(shí)丁基醚(MIBE)會(huì )污染地下水資源和危害人體健康,由于熱值低,混合燃料的燃料消耗率比汽油高,但熱效所以在將來(lái)有可能用乙醇來(lái)代替MTBE,于是從經(jīng)濟率并中國煤化工氣油混合氣還稀;另和環(huán)保的角度出發(fā),研究乙醇代替甲醇作為燃料也更方HCNMHG,熱效率較高;并且基金項目:湖南省自然科學(xué)基金資助項目(06J20045);湖南省教育廳重點(diǎn)資助科研項目(07A004)作者簡(jiǎn)介:李岳林(1963-)男教授主要研究方向為汽車(chē)污染與排放控制。小型內燃機與摩托車(chē)第38卷乙醇的汽化潛熱比汽油高約3倍,混合燃料蒸發(fā)汽化,量的多少關(guān)系不大,但這一結論仍需進(jìn)行試驗驗證可以促使進(jìn)氣溫度進(jìn)一步降低,有利于增加進(jìn)氣量和004年董素榮等人在一臺多點(diǎn)電噴汽油機上研究提高功率,因此混合燃料的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟性與純發(fā)現,汽油機摻燒乙醇后,苯排放降低,且隨著(zhù)添加比汽油應當不相上下。1986年 Hamdan和 Jubran2兩人例的增大苯排放改善越明顯摻燒體積分數為9.826%發(fā)現,通過(guò)向汽油中添加5%的乙醇,可以使發(fā)動(dòng)機獲的乙醇對苯排放的改善程度達50%。2006年祁東輝得最佳的功率輸出和部分負荷下提高4%~21%的熱等人發(fā)現,混合燃料發(fā)動(dòng)機的CO排放低于汽油效率。2003年Al- Hasan3發(fā)現使用混合燃料可以增機,并且隨著(zhù)乙醇體積分數的增大而降低,HC的排放加有效功率扭矩、容積熱效率和有效熱效率,同時(shí)可在較大負荷時(shí)略高于汽油機,NO,排放與汽油機相比以降低有效燃油消耗率。許滄粟和杜德興在一臺變化不明顯;同時(shí)混合燃料的乙醛排放明顯高于汽油摩托車(chē)用汽油機上分別使用10%的純乙醇(純度為而未燃乙醇排放與汽油基本相當并且乙醇含量的增99.5%)和10%的含水乙醇(純度為%5%)與90號汽加對未燃乙醉的排放影響較小。此外,他們還發(fā)現混油混合進(jìn)行試驗,結果表明:在汽油中摻混小比例合燃料發(fā)動(dòng)機甲醇排出,排放量與汽油機相差不太(10%)純的或含水不高的乙醇后,不影響發(fā)動(dòng)機的功明顯說(shuō)明甲醇的排放主要來(lái)自汽油中的添加成分甲率、扭矩等使用性能,無(wú)須對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行改裝;而且汽基叔丁基醚(MTBE)油中摻混小比例的乙醇后,有利于改善發(fā)動(dòng)機的燃燒以上研究表明:使用混合燃料可以大幅度改善法狀況,降低能耗率。206年祁東輝等人發(fā)現,電噴規排放,雖然會(huì )使非法規排放(如乙醛)增加,但與燃汽油機燃用混合燃料的最大功率和扭矩與汽油機相比用汽油而排放的芳香烴對環(huán)境的危害相比起來(lái)前者略有減小,但減小幅度較低;質(zhì)量燃料消耗率略高,但是遠遠不及后者的。能量燃料消耗率比汽油低,有效熱效率比汽油高可以2混合燃料的燃燒和排放控制獲得較好的燃料經(jīng)濟性。2.1催化轉化器可見(jiàn),使用混合燃料后,發(fā)動(dòng)機的燃燒狀況得到改催化轉化器是現代汽車(chē)不可或缺的組成部分,它善有利于提高發(fā)動(dòng)機的燃油經(jīng)濟性,對發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力的核心主要是催化劑通過(guò)催化劑來(lái)達到凈化汽車(chē)尾性影響不大。氣的排放。2002年何幫全等人研究發(fā)現,P/h催1.2混合燃料對發(fā)動(dòng)機排放性能的影響化劑對排氣中的乙醇轉化效率較低,而對乙醛表現出在許多由汽車(chē)尾氣排放而造成大部分空氣污染的較高的轉化效率。董荼榮等人例還發(fā)現,普通三效催工業(yè)國家中環(huán)保問(wèn)題也日益凸顯出來(lái)使用乙醇/汽化器對排氣中苯的平均凈化效率約為87%,同時(shí)只在油混合燃料的另一個(gè)目標就是降低尾氣排放。由于乙低速時(shí)催化器前檢測到甲醛,催化器后沒(méi)有檢測到甲醇分子中含有氧原子,可以提供額外的氧;并且含碳比醛,說(shuō)明催化劑對甲醛的催化凈化效果較好。2004年例減小燃燒較為完全,燃用混合燃料可以使CO和高祥等人在一臺多點(diǎn)電噴汽油機上試驗結果表HC的排放降低;并且由于乙醇的熱值較低,燃燒溫度明:在低轉速時(shí),三效催化器對排放中CO的凈化效率低,使NO.排放少;但另一方面,乙醇含氧,有利于普遍較高,而中高轉速時(shí)隨負荷的增加凈化效率降低;NO,的生成,又使NO,排放可能增加,所以最終結果同時(shí)對THC的凈化效率也較高;并且三效催化器的凈取決于兩個(gè)因素誰(shuí)占上風(fēng)。1995年 Guerrieri和Caf-化效率與乙醇的含量、發(fā)動(dòng)機的負荷和轉速有關(guān)。fey于6輛在用車(chē)上進(jìn)行試驗發(fā)現,當乙醇含量高于200年劉圣華等人發(fā)現經(jīng)三效催化器轉化后法25%時(shí),CO2的排放減少;當乙醇含量提高到40%時(shí),規排放可達到與汽油機同等的水平,而甲醇和乙醇以總碳氡化合物(THC)排放在最初的時(shí)候先增加了一及甲醛和乙醛在大部分工況下可以實(shí)現零排放。祁東點(diǎn),而后隨著(zhù)CO的減少而逐漸降低。1996年Kly輝等人的研究也發(fā)現催化器對混合燃料發(fā)動(dòng)機等人在21輛轎車(chē)上使用純汽油和兩種混合燃料E50C0、HC和NO.轉化效率的影響與混合燃料中的含醇(乙醇所占體積分數為50%,下同)、F85三種燃料進(jìn)量以及發(fā)動(dòng)機的負荷和轉速有關(guān)。行試驗發(fā)現,使用F85可以減少CO和非甲烷碳氫化從整個(gè)催化轉化特性看,燃用混合燃料時(shí)的催化合物的排放。1990年 Moreira和 Goldemberg研究發(fā)轉化特性效果與燃用汽油相差不大,但醇、醛類(lèi)排放經(jīng)現燃用混合燃料可以減少含硫化合物的排放,甚至消過(guò)三效催化轉化器后基本可以實(shí)現零排放,表明P除有毒芳香烴(如苯)的排放。1994年 Rideout等人和Rh系三效催化轉化器能夠滿(mǎn)足汽油機燃用乙醇/汽油2000年Chao等人的研究表明:使用混合燃料會(huì )增混中國煤化工要求。加甲醛乙醛和丙酮的排放。2002年Hsih等人在2.2CNMHG一臺閉環(huán)控制發(fā)動(dòng)機上研究發(fā)現,加入乙醇可以使CO基雙甲且啊看混合燃料燃燒時(shí)的和HC分別減少10%-90%和20%~80%,同時(shí)NO,氣體溫度,同時(shí)由于不同比例的混合燃料含氧量的不的排放與發(fā)動(dòng)機的運行工況有很大關(guān)系,而與乙醇含同也會(huì )影響混合燃料的燃燒和排放狀況。國立成功大第2期李岳林等:汽油機燃用乙醇/汽油混合燃料的研究進(jìn)展學(xué)和南臺科技大學(xué)的研究者們使用E5、E10E20和3)目前大量的研究工作都是在未加改裝的發(fā)動(dòng)E30在兩種轉速(30:mn和400·min-4)不同機上進(jìn)行的,因此下一步工作可針對改裝后的發(fā)動(dòng)機節氣門(mén)開(kāi)度下研究φ(0.6-1.6之間)發(fā)現,在所有以及其他運行參數(如EGR冷卻水溫度等)對混合燃工況下,當d接近于1和略大于1時(shí),可以分別獲得料燃燒和排放特性的影響進(jìn)行研究。最大輸出功率和最小的燃油消耗率;d。直接影響著(zhù)CO的排放,并隨中的增大CO排放逐漸減少直至零參考文獻排放;CO2受中和CO的排放濃度兩個(gè)因素共同影響1 Chan Wei W, Rong Hong C, Jen Yung P,eta. The infl著(zhù)隨ψ增大,CO2排放逐漸增加;當d約為1時(shí)ence of air-fuel ratio on engine performance and pollutant e-CO2的排放量最大而后逐漸減小;HC排放與dn也有mission of an SI engine using ethanol -gasoline-blended fu-著(zhù)密切聯(lián)系,隨φ增大,HC排放逐漸減少;當ψ略大els[ J]. Atmospheric Environment, 2004(26): 7093-7100于1時(shí),HC的排放量最小,然而一旦繼續增大φ,HC2 Hamdan M A, Jubran B A. The effect of ethanol addition on的排放量將會(huì )上升。H. Serdar yucesu等人叫使用the performance of diesel and gasoline engines[J].Dirasat1986(10):229~244E10、E20、E40和E60在恒轉速(200r,min)、節氣3A- Hasan M. Effect of ethanol- unleaded gasoline blends門(mén)全開(kāi)、不同壓縮比(5:1~13:1)下研究ψ的影響作on engine performance and exhaust emission [J]. Energy用結果也與此一致:當φ=0.9和1.05時(shí),可以分Conversion and Management, 2003(9): 1547-1561別獲得最大輸出功率和最小的燃油消耗率。4許滄粟,杜德興.汽油機燃用乙醇和含水乙醇與汽油的混可見(jiàn),在d。=1附近,分別存在有最大輸出功率合燃料的試驗研究[J.太陽(yáng)能學(xué)報,005(2):253~257和最小燃油消耗率的極值點(diǎn)并且CO和HC隨增5祁東輝,劉圣華,李暉等電噴汽油機燃用醇汽油混合燃大會(huì )逐漸減小,CO2會(huì )相應增加。料的試驗研究[J.內燃機工程,2007(2):27~302.3壓縮比和點(diǎn)火時(shí)刻6 Guerrieri D A, Caffrey P J. Investigation into the vehicle ex-由于乙醇的辛烷值高于汽油,發(fā)動(dòng)機的抗爆性能haust emissions of high percentage ethanol blends[C]. SAEpaper 950777得以提高,因而壓縮比可增大,點(diǎn)火時(shí)刻可提前,有利7 Kelly KJ, Bailey B K, Cobun T C, et al. Federal test proce-于優(yōu)化混合燃料的燃燒條件,改善燃燒狀況。 Tolgadure emissions test results from ethanol variable-fuel vehicleTopl等人3在恒轉速(200rmin-)、不同壓縮比Chevrolet Luminas[ C]. SAE paper 961092(8:1,9:1,10:1)下使用E10、E20、E40和E60進(jìn)行了8 Moreira JR, Goldemberg J. The alcohol program[刀] Energy試驗研究,結果表明:在所有的運行工況下,獲得最大oiy,9(4):229~245功率輸出的點(diǎn)火時(shí)刻與使用純汽油時(shí)沒(méi)有明顯區別9董素榮,宋崇林趙昌普等.乙醇-汽油燃料汽油機非常規而推遲點(diǎn)火時(shí)刻可以增加發(fā)動(dòng)機的輸出功率;在較大染物的排放特性[J].天津大學(xué)學(xué)報,200(1):68~72壓縮比時(shí),可以獲得較大的輸出功率,而此時(shí)點(diǎn)火時(shí)刻10祁東輝,劉圣華,李暉等.電噴汽油機燃用乙醇/汽油混合影響不大;當點(diǎn)火時(shí)刻提前到上止點(diǎn)前(BTDC)24°CA燃料排放及催化轉化特性研究[冂].安全與環(huán)境學(xué)報,2006(5):21~24時(shí),使用純汽油就會(huì )發(fā)生爆震,與使用較高比例的混合II何邦全,工建昕,郝吉明等.乙醇-汽油燃料電噴汽油機燃料相比起來(lái),即使點(diǎn)火時(shí)刻提前到BTDC36°CA,發(fā)的排放及催化性能[J].內燃機學(xué)報,2002(6):529~533動(dòng)機也沒(méi)有出現爆震;這一結果同樣與H. Serdar12高祥,宋崇林,成存玉等.乙醇/汽油混合燃料對電噴汽油Yuicesu等人H的研究結果一致。此外, Tolga Topgil機排放特性的影響[J]農業(yè)機械學(xué)報,2005(8):5~8等人還發(fā)現,在不同壓縮比下,點(diǎn)火時(shí)刻對排氣溫3劉圣華魏衍舉,呂勝春等乙醇汽油發(fā)動(dòng)機排放特性研度的影響基本一致;同時(shí)點(diǎn)火時(shí)刻對CO的排放沒(méi)有明究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2006(7):745~747顯的影響,而HC的排放在點(diǎn)火時(shí)刻推遲后略有減小。14 H. Serdar Yucesu, Adnan Sozen, Tolga Topgul, et al. Compar-可見(jiàn),使用混合燃料后,發(fā)動(dòng)機的抗爆性能得以提ative study of mathematical and experimental analysis of高,可以采用較高的壓縮比;同時(shí)推遲點(diǎn)火時(shí)刻可以增spark ignition engine performance used ethanol-gasolineblend fuel[ J] Applied Thermal Engineering, 2007(27): 353加發(fā)動(dòng)機的輸出功率,對排放性能也有所改善。3展望15 Tolga Topgil, Huseyin Serdar Yucesu, Can Cinar, et al. The1)乙醇和汽油的理化性質(zhì)有所不同,為了使發(fā)動(dòng)effects of ethanol -unleaded gasoline blends and ignition tim-機的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能達到綜合最優(yōu),應ing on engine performance and exhaust emissions[ J].Renew-當刈燃料供給系統重新進(jìn)行優(yōu)化匹配中國煤化工2)由于乙醇的汽化潛熱比汽油高很多,燃用混合污染治理及催化轉化CN MHGo燃料時(shí)進(jìn)氣溫度較低冷起動(dòng)性能變差,因此在改善17邊耀章,劉生全,張春化等汽車(chē)新能源技術(shù)[M].北京:人混合燃料發(fā)動(dòng)機冷起動(dòng)性能方面還需做進(jìn)一步的試驗民交通出版社,2003研究(收稿日期:20