汽油機燃用汽油-乙醇混合燃料的試驗研究

42摩托車(chē)No. 2 Vol 32 2003油機燃用汽油—乙醇混合燃料的試驗硏究浙江大學(xué)顧潔杜德興(杭州31007)摘要本文針對摩托車(chē)汽油機燃用乙醇的應用研究在汽油機結構不作變動(dòng)的前提下?lián)綗欢ū壤墓I(yè)乙醇進(jìn)行發(fā)動(dòng)機臺架試驗。在節氣門(mén)開(kāi)度分別為25%、50%、75%及100%時(shí)在不同轉速和負荷下對發(fā)動(dòng)機的功率、扭矩、能耗率及排放性能進(jìn)行了研究并與原機進(jìn)行比較。試驗結果表明燃用汽油—乙醇混合燃料可以提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性有效改善排放特性。關(guān)鍵詞乙醇汽油機燃燒汽油—乙醇混合燃料An Experimental Investigation on Gasoline-Ethanol Blends Fueled Enginersity Gu Jie Du DexinHangzhou 310027)Abstract This paper describes an experimental study of motorcycle gasoline engine fueled with gasoline-ethanolblends when the engine structure is not changed. The Experiments are developed under different engine speed anddifferent engine load when fueled with pure gasoline and gasoline-ethanol blends. The results show that ethanoladded to the gasoline can improve the economy and exhaust emissions of the motorcycle engineKey words Ethanol Gasoline engine Combustion Gasoline-ethanol blends1前言具有可擴大混合氣的著(zhù)火界限、燃用稀混合氣提高汽我國摩托車(chē)工業(yè)在近幾年發(fā)展迅速年產(chǎn)量不斷油機的壓縮比從而提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性及經(jīng)濟性并上升摩托車(chē)的保有量居世界第一位但其排氣污染問(wèn)因燃燒完全,可減少燃燒室表面的燃燒沉積物、降低題也日趨為人們所重視。隨著(zhù)我國加入wT0,競爭也CO和H排放。在美國對含乙醇10%的E10含乙醇會(huì )更加激烈尤其是在摩托車(chē)的品質(zhì)和技術(shù)方面低油85%的F85(85%變性乙醇,15%汽油)和巴西對耗、低排放將有更大的競爭優(yōu)勢根據汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的經(jīng)F20等乙醇一汽油混合燃料在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機上已獲得了驗雙燃料汽車(chē)在保持動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性的同時(shí),實(shí)際應用。但是至今還沒(méi)有在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機上使用排放指標可能達到電控汽油噴射、三元催化、廢氣再循的報道環(huán)和閉環(huán)反饋汽油發(fā)動(dòng)機的排放水平而不失為收效按目前的技術(shù)、資源和經(jīng)濟條件在摩托車(chē)中使用快、費用低的有效方法之雙燃料以改善尾氣排放也許是最現實(shí)和有效的方法。汽油機的代用燃料有 LPG CNG、甲醇、乙醇等其在這樣的指導思想下開(kāi)展了摩托車(chē)汽油機燃用汽油中乙醇因與汽油物理性能接近和較好的互溶性具有乙醇混合燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及排放特性的試驗容易制成溶液、部分代用和與純汽油間相互切換的優(yōu)研究。同時(shí)由于純乙醇很易吸收空氣中的水分而成點(diǎn)。同時(shí)乙醇是屬于可再生燃料并具有比汽油的辛含水乙中國煤化工過(guò)程也增加了成本和烷值髙、燃燒速率快等優(yōu)點(diǎn)從而被認為是最有前途的能源消CNMHG的互溶性會(huì )顯著(zhù)降低。一種代用燃料。國外已對汽油—乙醇混合燃料開(kāi)展了因而了解含水乙醇與汽油淚合燃料的使用特性也就有廣泛的研究。乙醇最早是代替含鉛化合物作為提高燃其特殊意義。在本試驗中我們用90號汽油與純度為油的辛烷值旳添加劑以提高汽油杋抗爆震性能使用95%的工業(yè)乙醇按10%和15%兩種比例均勻混合分的。研究壸京嬋用發(fā)動(dòng)機燃用汽油—乙醇混合燃料別稱(chēng)此汽油一乙醇混合燃料為E1o和E5。003年(第32卷第2期汽油機燃用汽油—乙醇混合燃料的試驗研究E10:10%乙醇+90%汽油(按容積計)機的正常工作。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是由于試驗條E15∶15%乙醇+85%汽油(按容積計)件的限制試驗時(shí)以百分數表示的只是名義節氣門(mén)開(kāi)2試驗條件及設備度它并不是一個(gè)非常準確的數值它不保證不同燃料試驗用的主要設備有:W-15型水力測功儀及在節氣門(mén)具有相同的名義開(kāi)度百分比對時(shí)節氣門(mén)的開(kāi)發(fā)動(dòng)機控制試驗臺(包括自動(dòng)油耗儀);便攜式FGA度完全相同。因此動(dòng)力性的比較以節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的40003列的4/5組分汽車(chē)排氣分析儀。試驗用汽油機數據較為可靠其余的數據只能作為對比參考由浙江星月動(dòng)力公司制造試驗在星月公司的發(fā)動(dòng)機測試臺架上完成。試驗用汽油機的主要參數:單缸四5.0灘程,風(fēng)冷壓縮比9.2,缸徑×行程=524×57.8.54.0·純汽油m)額定功率5.0kW7500r/min)最大扭矩:7.0士-10%工業(yè)乙醇3.5日-15%工業(yè)乙醇Nn(5000r/min)由于乙醇的熱值低于汽油為了保3.03000證發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性使用汽油釀(乙醇—一汽油混合燃5000600070008000轉速/(r/min)料濡加大化油器的主量孔。且由于辛烷值提高燃燒速度加快還應改變發(fā)動(dòng)機的壓縮比和點(diǎn)火提前角。圖1節氣門(mén)全開(kāi)的功率但這一般只在摻醇率大于15%~20%時(shí),才是必須的而本試驗的摻醇率為10%和15%且為了使發(fā)動(dòng)3機具有汽油醇與汽油的隨意切換性能因此對發(fā)動(dòng)機3.6-純汽油未進(jìn)行改造和調整。發(fā)動(dòng)機的負荷、轉速調控以及油安3.4-10%工業(yè)乙醇-日·-15%工業(yè)乙醇耗、功率、扭矩的測量和記錄都由發(fā)動(dòng)機控制試驗臺及所配備的電腦完成300040005000600700080003實(shí)驗結果與討論轉速/(r/min)l勵力性一功率圖275%節氣門(mén)開(kāi)度的功率圖1~圖4為從節氣門(mén)全開(kāi)到約25%節氣門(mén)開(kāi)度3.0盤(pán)下四種節氣門(mén)開(kāi)度時(shí)燃用E10和E15時(shí)發(fā)動(dòng)機的功率與燃用純汽油時(shí)的比較。從圖中可以看到總的說(shuō)來(lái)~純汽油燃用汽油醇時(shí)的發(fā)動(dòng)機功率都比燃用純汽油時(shí)有所下20-+-10%工業(yè)乙醇-15%工業(yè)乙醇降。這主要是因為E10和E15的單位容積的化學(xué)能分別比純汽油小4.3%和6.4%而試驗中發(fā)動(dòng)機的化油300040005000600070008000轉速/(r/min)器的量孔沒(méi)有改變。在實(shí)際應用中,為了保證發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性可以通過(guò)適當增大化油器的主量孔增加燃圖350%節氣門(mén)開(kāi)度的功率料供給量來(lái)恢復發(fā)動(dòng)機的功率。同時(shí)由于乙醇的辛2.5烷值高于汽油還可通過(guò)適當提高發(fā)動(dòng)機的壓縮比加上乙醇的燃燒速度高于汽油的優(yōu)點(diǎn)使發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性得到提高2。本試驗時(shí)基于可以在混合燃料和純中國煤化工純汽油汽油間隨意切換旳考慮測試燃用混合燃料與汽油的110%工業(yè)乙醇CNMHGs%工業(yè)乙醇對比性質(zhì)既未改變化油器的量孔,也未調整點(diǎn)火定3000400060007000時(shí)8000轉速/(r/min)但從試驗計算結果看,雖然功率和扭矩略小于燃用汽油,蜜美壢率下降不到1%基本不影響發(fā)動(dòng)圖425%節氣門(mén)開(kāi)度的功率44摩托車(chē)No. 2 Vol 32 20032羥經(jīng)濟性一能耗率表1節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的能耗率(MJ/kwh)圖5~圖8是發(fā)動(dòng)機燃用汽油和汽油醇時(shí)不同節轉速4563503555326023657970147542氣門(mén)開(kāi)度時(shí)的能耗率曲線(xiàn)。從圖5和圖6中可以看(m到在節氣門(mén)全開(kāi)和75%開(kāi)度時(shí)燃用E10和El5時(shí)汽油14.35.31515.615.819.4發(fā)動(dòng)機的能耗率低于原汽油機的能耗率。452150415516014651470277519(r/min20EI012.614.013.313814.215.02or& 4: a: 8. gi2 r-s純汽油轉速-10%工業(yè)乙醇454650485535601965227073753116}-日-15%工業(yè)乙醇El513.712913.813.714.514.616.0表2節氣門(mén)開(kāi)度為75%時(shí)的能耗率M/kwh)00400050006000700080轉速轉速/(r/min)4575505555576068656270507550(r/min圖5節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的能耗率汽油13413.914.615.015.616.918845585054551260466519706775592422-10%工業(yè)乙醇1213.413.314.214.716.217.815%工業(yè)乙醇轉速45445059551412E1511713.113.914.014.915.91823000400000600070008000轉速/(r/mn)可用下式計算燃用汽油醇Ex時(shí)的能耗降低率。圖675%節氣門(mén)開(kāi)度的能耗率燃用汽油能耗->)燃用E能耗純汽油∑燃用汽油能耗10%工業(yè)乙醇日-15%工業(yè)乙醇δ表示燃用EQx=10或15分別代表E0和E15時(shí)的能耗降低率計算得,215節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)10=9.836%15=9.653%10節氣門(mén)開(kāi)度為75%時(shí):10=5.638%1s=6.007%40005000600070008000轉速/(r/min)可見(jiàn)節氣門(mén)開(kāi)度越大能耗率降低越明顯而對于節氣門(mén)開(kāi)度較小的時(shí)候圖飛節氣門(mén)開(kāi)度50%廂圖8圖750%節氣門(mén)開(kāi)度的能耗率(節氣門(mén)開(kāi)度25%時(shí)結果顯示各種燃料的能耗率50}-0純汽油有明顯的差別或者說(shuō)所出現的差異沒(méi)有系統性的意螽-10%工業(yè)乙醇義圖中所顯示的在5000r/min時(shí)節氣門(mén)開(kāi)度25%時(shí)日-15%工業(yè)乙醇的差異是由于發(fā)動(dòng)機臺架振動(dòng)引起而與燃料無(wú)關(guān)分析這些結果可能有以下幾方面的原因313006000中國煤化工然料其燃燒速度和火轉速/(r/min)焰傳播CNMHG燒的定容性好燃燒持續期較短過(guò)后燃燒的程度小使熱效率得到提高圖825%節氣門(mén)開(kāi)度的能耗率②在將發(fā)動(dòng)杋改燃乙醇和汽油的混合燃料時(shí)未為了能從數量上進(jìn)行比較將節氣門(mén)全開(kāi)和開(kāi)度對化油器的量孔進(jìn)行改變由于單位容積的混合燃料為75%的削*據列成表如表1和表2所示所需的氧氣低于純汽油從而使混合氣變得相對較稀003年(第32卷第2期汽油機燃用汽油—乙醇混合燃料的試驗研究在保證可靠燃燒的條件下稀燃有利于提高熱效率。5展望③發(fā)動(dòng)機改燃乙醇和汽油的混合燃料以后由于綜合比較燃用E15和EI0的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排化油器的量孔未變使得輸入的燃料的能量減少在發(fā)放特性在大多數工況下E10要比E5為好。但乙醇動(dòng)機的節氣門(mén)開(kāi)度較大的時(shí)候輸入燃料能量的下降比例的變化的數據只有兩組而且這只說(shuō)明乙醇的含部分地由燃燒效率的提高得到補償使發(fā)動(dòng)機的實(shí)際水比例為5%的情況。還有待于進(jìn)一步的研究在乙醇輸出功率下降不多而在發(fā)動(dòng)機的節氣門(mén)開(kāi)度較小的時(shí)候由于發(fā)動(dòng)機的功率變得過(guò)小而發(fā)動(dòng)杋的機械槭的含水比例變化、及對汽油中的乙醇摻混量進(jìn)行優(yōu)化。由于時(shí)間和條件的限制所有的試驗都是初步的失并沒(méi)有減少從而使輸出的有效功率下降明顯。這是因為燃燒熱效率的提高不足以抵消機械效率的下降還沒(méi)有系統地測定發(fā)動(dòng)機在各種工況條件下的所有有所致害排放也未對發(fā)動(dòng)機的所有結構和運行參數進(jìn)行調3排放整試驗,為了全面了解含水乙醇在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機中的根據現行摩托車(chē)的排放法規本試驗主要測定了應用前景還必須按照新的摩托車(chē)排放法規的要求通發(fā)動(dòng)機的怠速排放。同時(shí)對最大扭矩工況和最大功率過(guò)試驗,了解摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機燃用部分含水乙醇后各種工況的HC和CO排放也進(jìn)行了初步的測定比較如圖有害排放物的整體排放水平。同時(shí)通過(guò)發(fā)動(dòng)機的結9圖10所示構和運行參數調整試驗研究燃用部分含水乙醇時(shí)發(fā)首先燃用E10和E15時(shí)發(fā)動(dòng)機的穩定怠速明顯動(dòng)機的相關(guān)結構參數和運行參數。這里所作的機理分低于燃用純汽油的怠速穩定怠速越低μC和ωo的析也還有待進(jìn)一步的研究探討。不過(guò)從我們的初步排放越低試驗表明即使是在相同的怠速條件下HC試驗結果可以看到含水乙醇在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機中具有和CO的排放量也低于燃用汽油的排放。在最大扭矩很好應用前途。工況和最大功率工況時(shí)發(fā)動(dòng)機的HC和CO排放也有o純汽油所下降相比較而言,CO比HC排放下降更多,燃用°▲10%工業(yè)乙醇E10時(shí)比燃用E5時(shí)的下降幅度稍大。CO和HC排放口15%工業(yè)乙醇明顯下降的原因主要是由于乙醇化學(xué)結構中的羥基使其燃燒反應特點(diǎn)與汽油中的各種烴類(lèi)有所不820006000使著(zhù)火溫度較低和不易熄火。且壁面激冷淬熄較00轉速/(r/mi少從而使燃燒更完善。圖10發(fā)動(dòng)機的CO排放。20純汽▲10%工業(yè)乙醇參考文獻15%工業(yè)乙醇1 Lee G. Dodge, Ken Shouse, Joe Grogan, Douglas M. Leon寶50Kevin A. Whitney, Patrick M. Merritt. Development of an200040006000Ethanol-Fueled Ultra-Low Emissions Vehicle, SAE 981358轉速/(r/mn)2葉淑貞包玉英汽油機燃用汽油乙醇混合燃料時(shí)的燃燒圖9發(fā)動(dòng)機的HC排放特性.北京農業(yè)工程大學(xué)學(xué)報,104結論巒機燃料.中國石化出版社,中國煤化工1在汽油中摻混小比例10~15%)含水不高的乙THECNMHG醇無(wú)須對汽油機進(jìn)行改造和調整燃油系統雖然發(fā)動(dòng),化休寺火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機燃用含氧燃機的功率、扭矩略有降低但并不影響使用性能。料對冷起動(dòng)和怠速時(shí)未燃碳氫排放影響的試驗研究.小2在汽油中摻混小比例的乙醇有利于改善汽油型內燃機998漢27)機的燃燒瘡甍龍耗率和改善汽油機的排放。(收稿日期2002-08-26)