汽油機燃用乙醇和含水乙醇與汽油的混合燃料的試驗研究

第26卷第2期太陽(yáng)能學(xué)報Vol 26. No. 22005年4月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAApr.,2005文章編號:0254009%6(2005)02025305汽油機燃用乙醇和含水乙醇與汽油的混合燃料的試驗研究許滄粟,杜德興(浙江大學(xué),杭州310027)摘要:報導了在摩托車(chē)汽油機中燃用乙醇-汽油混合燃料的試驗結果,并與燃用汽油時(shí)的結果進(jìn)行了對比分析。結果顯示,汽油機燃用乙醇和汽油的混合燃料,當純乙醇或含水5%的工業(yè)乙醇在混合燃料的比例為10%的時(shí)候,即使發(fā)動(dòng)機的結構不變、燃油系統和點(diǎn)火系統不作任何調整動(dòng)的時(shí)候,發(fā)動(dòng)機的全負荷輸出不受影響,發(fā)動(dòng)機的能耗率得到改善、HC和CO排放有所降低,但是NOx排放會(huì )有顯著(zhù)的增加。關(guān)鍵詞:乙醇;汽油機;燃燒;汽油-乙醇混合燃料中圖分類(lèi)號:TM619文獻標識碼:A1前言提高燃油經(jīng)濟性;可能提高汽油機的壓縮比,從而提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟性;減少燃燒室表社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展,汽車(chē)、摩托車(chē)保有量的面的燃燒沉積物;降低CO和HC排放等優(yōu)越性。增加,不僅使交通運輸部門(mén)消耗的能量增加,同在美國含乙醇10%的E10、含乙醇85%的Ed85時(shí),汽車(chē)、摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機還是大氣污染的重要來(lái)(85%變性乙醇,15%汽油),巴西對E20等乙醇源。近幾年我國汽車(chē)摩托車(chē)工業(yè)發(fā)展迅速,年產(chǎn)量汽油混合燃料在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機上已獲得了實(shí)際應用。不斷上升,摩托車(chē)的保有量居世界第一位。汽車(chē)的但是,至今還沒(méi)有在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機上使用的報道產(chǎn)量和保有量也在迅速增加。解決汽車(chē)和摩托車(chē)的根據這樣的指導思想,本文試圖在摩托車(chē)中使燃油消耗問(wèn)題日趨為人們所重視。其中使用雙燃料用乙醇和汽油的混合燃料作探討研究。進(jìn)行摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機是收效最快、費用最低的方法之一,雙燃料汽油機燃用汽油-乙醇混合燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟性汽車(chē)在保持動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性的在同時(shí),排及排放特性的研究。同時(shí),考慮到純乙醇很易吸收放指標可以達到火花點(diǎn)火、電控汽油噴射、三元催空氣中的水分而成含水乙醇,乙醇含水后與汽油的化、廢氣再循環(huán)、閉環(huán)反饋單燃料汽車(chē)所能達到的互溶性大大降低。了解含水乙醇與汽油混合燃料的排放水平。使用特性也就有其特殊意義。因此,用90號汽油LPG、CNG、甲醇、乙醇等都有可能做汽油機分別與純乙醇(純度為995%)和含水的工業(yè)乙醇的代用燃料,其中乙醇與汽油有較好的互溶性,有(純度為95%)按以下比例均勻混合,分別稱(chēng)此汽容易部分代用和與純汽油間相互切換的優(yōu)點(diǎn)。同油-乙醇混合燃料混合物為E0和El0W時(shí),乙醇能由生物質(zhì)制取、有辛烷值高于汽油的、燃燒速率高于汽油的優(yōu)點(diǎn),從而被認為是最有前途E10:10%純乙醇+90%汽油(按容積計)E10W:10%含水乙醇+90%汽油(按容積計)的一種代用燃料。國外已對于汽油-乙醇混合燃料開(kāi)展了廣泛的研究。乙醇最早是代替含鉛化合物作2試驗條件及設備為提高燃油的辛烷值的添加劑,以提高汽油機抗爆震性能。研究顯示,車(chē)用發(fā)動(dòng)機燃用汽油-乙醇混rV凵中國煤化工5型水力測功儀合燃料可擴大混合氣的著(zhù)火界限,燃用稀混合氣及發(fā)CNMH與油耗儀);便攜式FGA4000系列的4/5組分汽車(chē)排氣分析儀。試驗收稿日期:200308-11254太陽(yáng)能學(xué)報26卷用CC125汽油機的主要參數:單缸四沖程,風(fēng)冷;燃料與汽油的對比性質(zhì),既未改變化油器的量孔和壓縮比:9.0,缸徑:56.5(mm),沖程49.5發(fā)動(dòng)機的壓縮比,也未調整點(diǎn)火準時(shí),而試驗中測(mm);額定功率:74kW(8500/min);最大扭得的功率和扭矩都與燃用汽油的情況相當,對發(fā)動(dòng)矩:8.5Nm(6500/min)。當汽油機改燃乙醇和汽機的正常工作沒(méi)有影響。更可喜的是,使用含水油的混合燃料時(shí),由于乙醇的熱值低于汽油,為了5%的乙醇與汽油形成的混合燃料時(shí),發(fā)動(dòng)機的功使發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性不受影響,需加大化油器的主量率和扭矩也與使用純乙醇與汽油的混合燃料時(shí)孔;由于辛烷值提高,燃燒速度加快,還應對發(fā)動(dòng)樣,未對發(fā)動(dòng)機的功率和扭矩產(chǎn)生明顯的影響。機進(jìn)行增加壓縮比和改變點(diǎn)火提前角的改造。但這些改變一般只在摻醇率大于15%~20%時(shí),才是O汽油必須的。而本試驗的摻醇率為10%,且為了使發(fā)6的a@aE10△EIOW動(dòng)機具有混合燃料與純汽油的隨意切換性能,因此對發(fā)動(dòng)機未進(jìn)行改造和調整。發(fā)動(dòng)機的負荷轉速調控以及油耗、功率、扭矩和排氣溫度的測量和記錄800010000都由發(fā)動(dòng)機控制試驗臺及所配備的電腦完成。試驗圖1100%節氣門(mén)修正功率在浙江大學(xué)的發(fā)動(dòng)機測試臺架上完成Fig. 1 Modified output power at wide open throttle3實(shí)驗結果與分析1)修正功率圖1~3為節氣門(mén)從全開(kāi)到約50%三種節氣門(mén)2△EI0W開(kāi)度時(shí)燃用E10和E10W時(shí)發(fā)動(dòng)機的修正功率與燃48g。m用純汽油時(shí)的比較。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是,由于4000600010000試驗條件的限制,試驗時(shí)以百分數表示的只是名義節氣門(mén)開(kāi)度,它并不是一個(gè)非常正確的數值,并不圖275%節氣門(mén)開(kāi)度修正功率保證不同燃料在節氣門(mén)具有相同的名義開(kāi)度(百分Fig. 2 Modified output power at 75% throttle比)時(shí)節氣門(mén)的開(kāi)度完全相同。因此,動(dòng)力性的比較,以節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的數據較為可靠,其余的數據O汽油只能作為參考?！鱁0W從圖中可以看到,在節氣門(mén)全開(kāi)時(shí),燃用混合燃料后的發(fā)動(dòng)機功率與燃用純汽油時(shí)幾乎沒(méi)有變化。這說(shuō)明,雖然E10和E10W的單位容積的化學(xué)10006000800010000能(或者說(shuō)熱值)比汽油下降了,試驗中的發(fā)動(dòng)機的化油器的量孔沒(méi)有改變,從而使每循環(huán)向發(fā)動(dòng)機圖350%節氣門(mén)開(kāi)度修正功率供給的燃料的化學(xué)能有不同程度的減少,但發(fā)動(dòng)機Fig, 3 Modified output power at 50% throttle的輸出功率并未受到影響。在實(shí)際應用中,由于乙2)能耗率醇的低熱值雖然小于汽油,但是同樣當量比濃度的圖4~6中汽油-乙醇混合燃料的能耗率曲線(xiàn)乙醇和汽油的混合氣的熱值卻基本相當。為了提高從圖中可以看到,燃用E0和E10W時(shí)發(fā)動(dòng)機的能發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性,可以通過(guò)適當增大化油器的主量耗率低于原汽油機,節氣門(mén)開(kāi)度越大,能耗率降低孔,增加燃料供給量,結合乙醇的辛烷值高于汽油越明顯中國煤化工月E0和E0W的的特點(diǎn),適當提高發(fā)動(dòng)機的壓縮比,加上乙醇的燃能耗率CNMHG均下降達到大約燒速度高于汽油的特點(diǎn),調整點(diǎn)火正時(shí),使發(fā)動(dòng)機6%左右,而對于節氣門(mén)開(kāi)度較小的時(shí)候(50%或的動(dòng)力性得到提高2)。本試驗時(shí),基于可以在混75%時(shí)),則沒(méi)能測到明顯的下降。這可能有以下合燃料和純汽油間隨意切換的考慮,測試燃用混合幾方面的原因2期許滄粟等:汽油機燃用乙醇和含水乙醇與汽油的混合燃料的試驗研究少,使發(fā)動(dòng)機的機械效率下降,從而影響到能耗率18D ElO的改善。9a△EIoW3)排放從圖7~12可以看到,發(fā)動(dòng)機在燃用E10和E10W時(shí)的HC排放情況有所不同:E10的HC排800010000放在各種工況下都低于燃油純汽油,而燃用轉速/rninE10W時(shí),則比燃用純汽油稍高,尤其是高轉速圖4節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的能耗率時(shí)比較明顯。這主要是由于乙醇化學(xué)結構中的羥Fig 4 Energy consumption rate at wide open throttle基OH使其燃燒反應特點(diǎn)與汽油中的各種烴類(lèi)有所不同,著(zhù)火溫度較低和不易熄火。壁面激冷淬o汽(油熄較少。燃用E10時(shí)因混合氣變稀和乙醇的燃燒21烏QE0速度略高于汽油共同作用的結果,它使淬熄層變△E10W薄和淬熄層中的未燃碳氫減少。燃用E10W時(shí)的部分負荷的混合氣則變得過(guò)稀,燃燒速度已低于4000600080001純汽油的混合氣,這一結果也與修正功率的變化轉速/rmin趨勢相吻合。圖575%節氣門(mén)開(kāi)度能耗率rgy consumption rate at 75% throttO汽油go ooo△口E10△EI0w40O汽油,,2#三2032⊙△A△EI0W40006000800010000轉速/r,min4000600080001000圖7節氣門(mén)全開(kāi)HC排放轉速/ r- mir.Fig 7 HC emission at wide open throttle圖650%節氣門(mén)開(kāi)度能耗率Fig 6 Energy consumption rate at 50% throttle口EI0乙醇是含有羥基的含氧燃料,其燃燒速度和火60△E10W焰傳播速度高于汽油,使燃燒的定容性較好,燃燒持續期較短,過(guò)后燃燒的程度小,使得其放熱規律40006000800010000的熱效率得到提高。轉速/rmin在將發(fā)動(dòng)機改燃乙醇和汽油的混合燃料時(shí),未圖875%節氣門(mén)開(kāi)度HC排放改變化油器的量孔,由于單位容積的混合燃料所需Fig8 HC emission at 75% throttle的氧氣低于純汽油,從而使混合氣變得相對較稀,在保證可靠燃燒的條件下,稀燃有利于提高熱汽油效率。80D E10發(fā)動(dòng)機改燃乙醇和汽油的混合燃料以后,由于△AA△444心△E|OW化油器的量孔未變,使輸入的燃料的能量減少,輸中國煤化工8入燃料能量的下降部分地由燃燒效率的提高得到補CNMHG償,使發(fā)動(dòng)機的實(shí)際輸出功率不受影響。而在節氣門(mén)開(kāi)度較小時(shí),由于混合氣變得過(guò)稀,使發(fā)動(dòng)機的圖950%節氣門(mén)開(kāi)度HC排放輸出功率有所下降,而發(fā)動(dòng)機的機械損失并未減Fig 9 HC emission at 50% throttle26卷燃用E10和E0W時(shí)的CO排放均有所下降,想圖13~15是發(fā)動(dòng)機燃用E10和E0W時(shí)的比較而言,CO比HC排放下降更多,燃用E10時(shí)比NO2排放與燃用汽油時(shí)的比較。從圖中可以看到燃用EloW時(shí)的下降幅度稍大。CO排放明顯下降的NO,排放有所增高,尤其是節氣門(mén)全開(kāi)時(shí),情況更原因也是因為乙醇中的羥基OH使燃燒速度更快、著(zhù)加嚴重。究其原因,是因為混合氣變稀和燃燒溫度火溫度更低,從而使燃燒更完善所致。比較乙醇燃燒提高的共同作用?；推鞯闹髁靠滓话愣颊{整在節時(shí)豐富的羥基和氧氣及氧原子與CO的氧化反應5氣門(mén)全開(kāi)時(shí)過(guò)量空氣系數約在0.9左右、稍濃于當CO+OH—CO2+H量混合氣的濃混合氣以保證發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性。在量CO+02-+C02+0(2)孔不變的條件下,燃用E10和E10W時(shí),過(guò)量空氣Co+0+M-co + M(3)系數變大了,燃燒產(chǎn)物中的氧濃度提高了。同時(shí)乙可見(jiàn),反應(1)和反應(2)的活化能分別為醇燃燒溫度高于汽油,燃燒速度高于汽油,在點(diǎn)火每摩爾25415kJ和56573kJ,說(shuō)明通過(guò)羥基氧化的定時(shí)不變時(shí),著(zhù)火在更接近上止點(diǎn)時(shí)完成,使氣缸活化能不及通過(guò)氧氣氧化的一半。通過(guò)氧原子的氧內的燃燒產(chǎn)物的溫度高于汽油燃燒的情況。這兩個(gè)化反應(3),不僅是三體碰撞發(fā)應,而且活化能更條件都有利于NO,的生成。從而使NO,的排放高,達到每摩爾123757kJ?？梢?jiàn)羥基更有能力將上升。氧化CO成CO2。2500汽油O汽(油D E10△EIW△E10W1000合40O△50040006000800010000轉速/rmn40006000800010000轉速/rmin圖13節氣門(mén)全開(kāi)NO,排放圖10節氣門(mén)全開(kāi)CO排放Fig 13 No. emission at wide汽油D EIO△E|0w25000aa△EI0W2 3 O合600080001000040006000800010000轉速/rmin轉速rmin圖1175%節氣門(mén)開(kāi)度CO排放Fig 11 CO emission at 75% throttle圖1475%節氣門(mén)開(kāi)度NO,排放Fig 14 NO, emission at 75% throttle△EI0W30△只△△口E10△中國煤化工60000000轉速/rmin1CNMHG圖1250%節氣門(mén)開(kāi)度CO排放圖1550%節氣門(mén)開(kāi)度NO,排放2期許滄粟等:汽油機燃用乙醇和含水乙醇與汽油的混合燃料的試驗研究2574結論放物的整體排放水平和動(dòng)力性、經(jīng)濟性進(jìn)行綜合平衡、優(yōu)化。1)在汽油中摻混小比例(10%)純的或含水第三,由于測試設備的限制,試驗中未曾測量不高的乙醇,無(wú)須對汽油機進(jìn)行改造和調整燃油系某些非常規排放物,例如,醛類(lèi)的排放可能會(huì )有所統,它不影響發(fā)動(dòng)機的功率、扭矩等使用性能。變化,很多文獻都提到,乙醇燃燒中存在大量的中2)汽油摻混小比例的乙醇,有利于改善汽油間生成產(chǎn)物乙醛,會(huì )導致排放物醛污染的問(wèn)題。雖機中的燃燒,降低能耗率,改善汽油機的HC和然我們的模型計算結果并未反映這一情況(相關(guān)內CO排放。但是NO,的排放可能惡化,為此,必須容將在另外的文章中論述)。但還是需要在這方面做進(jìn)一步的調整試驗,以便在動(dòng)力性、經(jīng)濟性和綜做細致的研究工作合排放性能方面做綜合優(yōu)化工作。[參考文獻]5進(jìn)一步的工作和展望雖然綜合比較燃用E10和E0W的動(dòng)力性、經(jīng)1LeC.Dosg, Ken Shouse,, e Grogan,ea. Whitneyand Patrick M. Merritt, Development of an Ethanol-Fu濟性和排放特性,在大多數工況下,E10好于eled Ultra-Low Emissions Vehicle [C], SAE 981358E10W。但沒(méi)有明顯變化的功率輸出和略低的能耗1998:459-469率結果,結合含水乙醇的生產(chǎn)成本大大低于純乙醇[2]葉淑貞,包玉英.汽油機燃用汽油乙醇混和燃料時(shí)和高純度乙醇容易在與空氣接觸中吸收空氣中的水的燃燒特性[J].北京農業(yè)工程大學(xué)學(xué)報,1990,10分的事實(shí)的條件,使得研究含水乙醇的實(shí)用潛力。(2):30-38.由于只說(shuō)明乙醇的含水比例為5%的情況。還有待[3]何學(xué)良,詹永厚,李疏松.內燃機燃料[M].中國于進(jìn)一步的研究在乙醇的含水比例變化、對汽油中石化出版社,199901的乙醇摻混量進(jìn)行優(yōu)化。[4]黃佐華,苗海燕,周龍保等.火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機燃用第二,所有的試驗都是初步的,還未對發(fā)動(dòng)機含氧燃料對冷起動(dòng)和怠速時(shí)未燃碳氫排放影響的試的結構和運行參數進(jìn)行調整試驗。為了全面了解乙驗研究[J].小型內燃機,1998,5(27):23-27.[5] Egolfopoulos F N, Du DX, Law C K A Comprehen-醇或含水乙醇在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機中的應用前景,還需sive Study of Methanol kinetics in freely-propagating and要通過(guò)發(fā)動(dòng)機的結構和運行參數調整試驗,優(yōu)化燃bumer- stabilized flames flow and static reactors and用乙醇時(shí)發(fā)動(dòng)機的相關(guān)結構參數和運行參數。同shock tubes [J]. Combat Sci and Tech, 1992,(83)時(shí),還必須按照新的摩托車(chē)排放法規的要求,通過(guò)試驗,對摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機燃用部分乙醇后各種有害排EXPERIMENTS OF THE GASOLINE ENGING FUELED WITH BLENDSOF GASOLINE AND ETHANOL OR AQUIFEROUS ETHANOLXu Cangsu, Du DexingZhejiang University, Hangzhou 310027, ChinaAbstract: This paper s of a study on gasoline engine for motorcycle fueled with gasoline-ethanol blends withoutchanging the engine structure was described. The results were cor中國煤化工 ine was fueled withgasoline. The results showed that there is no obvious output changCNMH Gion; ethanol blendsimproving the energy consumption and HC, CO emission, but increasemission.Keywords: ethanol; gasoline engine; comb聯(lián)系人E-mal:;xcs0929@163.com