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:02540096(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CO0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99.5%)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,有容易部分代用和與純汽油間相互切換的優(yōu)點(diǎn)。同(純度為95%)按以下比例均勻混合,分別稱(chēng)此汽油-乙醇混合燃料混合物為E10和E10W時(shí),乙醇能由生物質(zhì)制取、有辛烷值高于汽油的、E10:10%純乙醇+90%汽油(按容積計)燃燒速率高于汽油的優(yōu)點(diǎn),從而被認為是最有前途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-乙醇混試驗中的主要設備有:CW-15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)動(dòng)機控制試驗臺(包括自動(dòng)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(8500r/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:85Nm(6500ymin)。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)一孔;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)△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6控以及油耗、功率、扭矩和排氣溫度的測量和記錄4000800010000轉速/rmin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)驗結果與分析汽油1)修正功率E10圖1~3為節氣門(mén)從全開(kāi)到約50%三種節氣門(mén)△EIoW開(kāi)度時(shí)燃用E10和E10W時(shí)發(fā)動(dòng)機的修正功率與燃用純汽油時(shí)的比較。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是,由于000.6000000試驗條件的限制,試驗時(shí)以百分數表示的只是名義轉速/r-mim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e88口E10只能作為參考?！鱁10W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)40006000800010000轉速/r·mint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Fig 3 Modified output power at 50% throttle供給的燃料的化學(xué)能有不同程度的減少,但發(fā)動(dòng)機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E10和E0W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。對于節氣門(mén)全開(kāi)時(shí),燃用E1O和E10W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與燃用汽油相比,能耗率平均下降達到大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,從而影響到能耗率的改善26。0ga△E1oW3)排放E12從圖7~12可以看到,發(fā)動(dòng)機在燃用E0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/ r. minIE10W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Q④°汽油熄較少。燃用E10時(shí)因混合氣變稀和乙醇的燃燒口E10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400600純汽油的混合氣,這一結果也與修正功率的變化轉速/r趨勢相吻合。圖575%節氣門(mén)開(kāi)度能耗率Fig 5 Energy consumption rate at 75% throttle100O汽(油80o60△E10W40132⊙汽油oa△EIoW4000600080001000040006000800010000圖7節氣門(mén)全開(kāi)HC排放轉速rminFig. 7 HC emission at wide open thr圖650%節氣門(mén)開(kāi)度能耗率Fig 6 Energy consumption rate at 50% throttleO汽油口E10乙醇是含有羥基的含氧燃料,其燃燒速度和火00△E0W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6000800010000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Fig 8 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 ElO發(fā)動(dòng)機改燃乙醇和汽油的混合燃料以后,由于40△化油器的量孔未變,使輸入的燃料的能量減少,輸合888入燃料能量的下降部分地由燃燒效率的提高得到補40006000800010000償,使發(fā)動(dòng)機的實(shí)際輸出功率不受影響。而在節氣轉速/rmin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Fig9 HC emission at 50% throttle太陽(yáng)26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E10W時(shí)的比較而言,CO比HC排放下降更多,燃用E0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。C0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一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+O2—CO2+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25415J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NO2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CO22500汽油O汽油2000口△aD E10△EIUw△EIOws100o44=500Ooo O4000600080001000轉速/rmin6000800010000轉速/r.minh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 open throttleFig 10 CO emissE10△EI0W△EI0wOooOO2000。e。。合da△a墜Ba1000600080001000040006000800010000轉速/rmin轉速圖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on at 75% throat4口E10△EIOW口E10o△E10W80001000040006000800010000轉速/rmmn1轉速/rmin1圖1250%節氣門(mén)開(kāi)度CO排放圖1550%節氣門(mén)開(kāi)度No,排放Fig 12 CO emission at 50% throttleFig. 15 NO, emission at 50% throttle2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257放物的整體排放水平和動(dòng)力性、經(jīng)濟性進(jìn)行綜合平4結論衡、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)[1 Lee G. Dodge, Ken Shouse, Joe Grogan, et al. Whitney濟性和排放特性,在大多數工況下,E10好于and Patrick M. Merritt, Development of an Ethanol-Fueled Ultra-Low Emissions Vehicle [C],SAE981358E10W。但沒(méi)有明顯變化的功率輸出和略低的能耗1998:459469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,1999.11.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醇或含水乙醇在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機中的應用前景,還需[s] Egolopoulos F N,DuDX, LawC K A Comprehensive 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]. Combst 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 Uninersity, 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 compared with to that when engine was fueled withline.The results showed that there is no obvious output change at full load operation condition; ethanol blendsimproving the energy consumption and HC, CO emission, but increasing NOx emission.Keywords: ethanol; gasoline engine; combustion聯(lián)系人E-mal:xcs0929@163.com