乙醇混合燃料在乘用車(chē)汽油發(fā)動(dòng)機中的試驗研究

第32卷第2期Vol 32 No. 22015年4月內燃機與動(dòng)力裝置L.C.E& PowerplantApr.2015【試驗研究】乙醇混合燃料在乘用車(chē)汽油發(fā)動(dòng)機中的試驗研究金暉陳偉國,王偉,馮心水(奇瑞汽車(chē)股份有限公司,安徽蕪湖241009摘要:隨著(zhù)石油危機的來(lái)臨,乙醇燃料,因其為可再生生物能源的優(yōu)勢,成為一種很好的代用燃料。本文針對一款汽油發(fā)動(dòng)機,分別對93#無(wú)鉛汽油、E22乙醇汽油及E00純乙醇在動(dòng)力性及燃燒特性進(jìn)行試驗研究和對比分析。試驗結果表明:對發(fā)動(dòng)機及ECU數據不進(jìn)行改動(dòng),隨著(zhù)燃料中乙醇比例的提高,發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性增加,最大爆發(fā)壓力不會(huì )超出現有汽油機水平:而修改電控參數點(diǎn)火提前角,隨著(zhù)燃料中乙醇比例的提高,50%已燃質(zhì)量分數會(huì )提前,燃燒持續期縮短,并逐步接近或達到93#汽油的水平。關(guān)鍵詞:乙醇;汽油;動(dòng)力性;燃燒特性中圖分類(lèi)號:TK418.9文獻標志碼:A文章編號:1673-6397(2015)02-0001-05Experimental Study on Ethanol Blended Fuel on DieselEngine-Powered Passenger VehiclesJIN Hui, CHEN Wei-guo, WANG Wei, FENG Xin-shuiChery Automobile Co, Ltd., Wuhu 241009, China)Abstract: For oncoming oil crisis, ethanol fuel has been considered as a good alternative fuelbecause of its advantages as a renewable bioenergy. Basing on a diesel engine, this paper does theexperimental study and comparative analysis on the dynamic and combustible performance of this en-gine respectively on 93 unleaded gasoline, E22 ethanol gasoline and E100 pure ethanol. The testresults showed that the power increased and the maximum combustion pressure did not exceed thevalue of the engine when the proportion of ethanol in total fuel rise in the case of the engine andecu data has not been changed. When the setting of the ignition advance angle was changed, 50%mass fraction of the combusted gas arrives earlier and the combustion duration period got shorten andwas close to the level of 93# gasoline in the case of the proportion of ethanol in fuel riseKey Words: Ethanol; Gasoline; Dynamic Performance; Combustion Characteristic引言1973年發(fā)生首次世界性的“石油危機”,以及科學(xué)發(fā)展觀(guān)的的持續開(kāi)展,使用乙醇混合燃料替代純1993年我國由石油輸出國轉變?yōu)槭瓦M(jìn)口國,汽油已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢。因此進(jìn)行乙醇燃料16年以后的200年,我國石油對外依存度突破對乘用車(chē)汽油發(fā)動(dòng)機影響的研究是十分必要的。50%國際公認的安全警戒線(xiàn)。到2013年末,我國使用乙醇混合燃料的發(fā)動(dòng)機,在其經(jīng)濟性、熱效石油對外依存度已達到58.1%,逼近60%21。持續率、排放及催化轉化等方面具有優(yōu)勢的研究,多篇論升高的石油對外依存度為我國的能源安全帶來(lái)了巨文均有提及3。而本文針對一款乘用車(chē)汽油發(fā)動(dòng)大壓力。機,在不修改結構參數的前提下,進(jìn)行不同比例乙醇YH中國煤化工作者簡(jiǎn)介:金暉(1979-),男,工程師,主要從事發(fā)動(dòng)機熱力學(xué)開(kāi)發(fā)、CAE性CNMHG收稿日期:2014-12-06內燃機與動(dòng)力裝置2015年4月混合燃料的臺架試驗,研究不同比例乙醇混合燃料表2列出了93#無(wú)鉛汽油與乙醇的主要理化特對該款汽油發(fā)動(dòng)機在全負荷工況下的動(dòng)力性及燃燒性特性的影響。為研究不同比例乙醇混合燃料對發(fā)動(dòng)機全負荷時(shí)動(dòng)力性及燃燒特性的影響,試驗過(guò)程采用開(kāi)發(fā)1試驗發(fā)動(dòng)機、設備及方法ECU,可以對發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火提前角、空燃比等電控參1.1試驗發(fā)動(dòng)機數進(jìn)行調整。試驗采用采用某款三缸四沖程多點(diǎn)電噴汽油發(fā)動(dòng)機,未修改發(fā)動(dòng)機的結構參數。發(fā)動(dòng)機的缸徑x2試驗結果分析行程:71mm×84mm,排量0.998L,壓縮比11.0:1。2.1對發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性影響1.2試驗設備試驗首先使用93#無(wú)鉛汽油ECU數據,不做任根據研究的內容,搭建發(fā)動(dòng)機試驗臺架。臺架何改動(dòng)進(jìn)行三種燃油的凈功率試驗。使用AVL電力測功機及 PUMA Open電力測功機控乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱為862kJ/kg、辛烷值106制系統,油耗儀使用AVL735S連續質(zhì)量流量?jì)x,過(guò)均高于93#無(wú)鉛汽油的蒸發(fā)潛熱334kJ/kg、辛烷值量空氣系數采用 ETAS LA4-4.9-E型空燃比分析93,因此乙醇燃料的抗爆性比93#無(wú)鉛汽油好,可以?xún)x測量,燃燒數據采集及分析系統使用 AVL Indi-使用93#無(wú)鉛汽油的電控數據直接進(jìn)行三種燃油的Com燃燒分析系統,曲軸轉角信號采集使用全負荷特性試驗,不會(huì )因爆震而導致發(fā)動(dòng)機損壞。AVL364C角標儀,缸壓力傳感器使用 Kistler6053cc60預埋式缸壓傳感器。試驗使用的主要設備及傳感器如表1所示。5Nm表1試驗主要設備一覽表設備名稱(chēng)設備廠(chǎng)家型號生產(chǎn)廠(chǎng)家測功機Dyno Road202/12SLAVL-93#無(wú)鉛汽油油耗儀AVLE22乙醇汽油空燃比儀LA-4.9-EETASE100純乙醇燃燒分析儀IndicomAVL100015002000250030003500400045005000550060006500角標儀AVL轉速(r/min)缸壓傳感器6053CC60Kistler1.3試驗方法為了驗證不同含量的乙醇混合燃料對汽油發(fā)動(dòng)10kW機動(dòng)力性及燃燒特性的影響,試驗分別使用乙醇含量為0的93#無(wú)鉛汽油、乙醇含量為22%的乙醇汽油(E22)及乙醇含量為100%的純乙醇(E100)分別日93#無(wú)鉛汽油E22乙醇汽油進(jìn)行全負荷特性試驗。E100純乙醇表2汽油與乙醇的主要理化特性表100015002000250030003500400045005000550060006500項目93#汽油乙醇轉速(r/min)來(lái)源石油煉制產(chǎn)品植物淀粉物質(zhì)發(fā)酵蒸餾圖1不修改電控參數的性能對比分子式含C-C的HCC2HOH圖1顯示的是在不修改電控參數的情況下,發(fā)0.855動(dòng)機使用不同比例乙醇混合燃料的性能對比。從圖質(zhì)量成分gH0.145中可以看出,在不改變發(fā)動(dòng)機電控參數的情況下,發(fā)動(dòng)機使用乙醇燃料后功率和扭矩有所上升,且隨著(zhù)相對分子質(zhì)量蒸發(fā)潛熱kJ/kg乙醇比例的增加上升趨勢越明顯:在4500r/min的334燃料低熱值kJ/kg4400027000最大扭矩點(diǎn),田Fm醇燃油的扭矩要比使混合氣熱值kJ/m3用93#無(wú)鉛汽中國煤化工E22乙醇汽辛烷值RON油的扭矩要CNMH矩高3.6%理論空燃比14.82015年第2期金暉,等:乙醇混合燃料在乘用車(chē)汽油發(fā)動(dòng)機中的試驗研究在6000y/min額定功率點(diǎn),使用E100純乙醇燃油的圖2顯示了對發(fā)動(dòng)機電控參數進(jìn)行修改,使各功率要比使用93#無(wú)鉛汽油的功率高5.38%,使用工況均達到發(fā)動(dòng)機爆震邊緣的三種燃料的性能對E22乙醇汽油的功率要比使用93#無(wú)鉛汽油的功率比。從圖中可以看出,在僅改動(dòng)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火提前角高3.53%。的情況下,發(fā)動(dòng)機使用乙醇燃料后功率和扭矩有所根據以往的試驗研究及論文描述,汽油發(fā)動(dòng)機上升,且隨著(zhù)乙醇比例的增加上升趨勢越明顯:在在不修改電控參數,直接使用乙醇燃料的情況下,發(fā)4500r/min的最大扭矩點(diǎn),使用E100純乙醇燃油的動(dòng)機的動(dòng)力性會(huì )略有下降0。但在本次試驗中,扭矩要比使用93#無(wú)鉛汽油的扭矩高8.94%,使用相同的電控參數,發(fā)動(dòng)機的性能隨著(zhù)乙醇的摻入比E22乙醇汽油的扭矩要比使用93#無(wú)鉛汽油的扭矩例的增大而略有增加,這是因為,以前試驗使用的發(fā)高4.62%;在6000/min額定功率點(diǎn),使用El00純動(dòng)機,采用開(kāi)關(guān)式氧傳感器,全負荷下為了獲得較大乙醇燃油的功率要比使用93#無(wú)鉛汽油的功率高的功率,空燃比采用開(kāi)環(huán)控制,混合燃料和普通燃料6.85%,使用E22乙醇汽油的功率要比使用93#無(wú)的噴油持續時(shí)間相同,噴入的醇類(lèi)燃料與普通汽油鉛汽油的功率高4.18%。的體積相同。由于同體積醇類(lèi)燃料混合物的熱值較因為乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱及辛烷值均比9#無(wú)普通汽油混合氣的熱值低,導致循環(huán)放熱量減少,進(jìn)鉛汽油高,因此乙醇燃料的抗爆性好,在發(fā)動(dòng)機不而造成發(fā)動(dòng)機扭矩和功率的降低,且降低的幅度隨進(jìn)行改動(dòng)的前提下,可以通過(guò)增加電控參數中的點(diǎn)著(zhù)乙醇所占比例的增大而增加0。而在越來(lái)越嚴火提前角來(lái)提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力輸出。當93#無(wú)鉛汽格的排放和油耗法規的要求下,傳統開(kāi)關(guān)式的氧傳油混合了不同比例的乙醇,辛烷值得到不同程度的感器已經(jīng)逐漸不能滿(mǎn)足法規的要求,越來(lái)越多的發(fā)提高,電控參數中的點(diǎn)火提前角也得到相應的增大,動(dòng)機為了能夠精確的控制空燃比,采用了線(xiàn)性氧傳當點(diǎn)火提前角達到各工況的爆震邊緣發(fā)動(dòng)機的性感器,替代了原先的開(kāi)關(guān)型氧傳感器,從而實(shí)現了在能提升明顯。全負荷的工況下,發(fā)動(dòng)機空燃比的閉環(huán)控制。為了2.2對發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性的影響達到相同的空燃比,乙醇混合燃料自動(dòng)延長(cháng)噴油持乙醇燃料的熱值為27000kJ/kg,低于93#無(wú)鉛續時(shí)間,增加噴油量,相應的發(fā)動(dòng)機充氣效率得到提汽油的4000k,所以在全負荷工況下,為了使發(fā)升,從而使發(fā)動(dòng)機性能上升。隨著(zhù)乙醇混合燃料的動(dòng)機達到各轉速最大動(dòng)力性要求,就需要燃燒更多比例的提高,增加的噴油量也越多,發(fā)動(dòng)機的性能提的乙醇混合燃料。升程度越大。圖3顯示了三種燃油在外特性工況下的燃油消耗率對比。從圖中可以看出,發(fā)動(dòng)機采用乙醇燃料后燃油消耗率增加,并且燃油消耗率增加的幅度隨著(zhù)乙醇燃料所占的比例增大而增大。93#無(wú)鉛汽油曰E22乙醇汽油E。。。。。。。。E100純乙醇50g/kW.h93#無(wú)鉛汽油AE22乙醇汽油100015002000250030003500400045005000550060006500轉速(rmin)E100純乙醇I OkW10001500200250030003500400045005000550060006500轉速(r/min93#無(wú)鉛汽油圖3發(fā)動(dòng)機燃油消耗率對比E22乙醇汽油2.3對發(fā)動(dòng)機燃燒特性影響e-E100純乙醇圖4顯中國煤化改電控參數100015002000250030003500400045005000550060006500的情況下,三CNMHG角、最大爆發(fā)壓力及其對應時(shí)出和我用時(shí)刈。從圖a)中可以圖2修改電控參數的性能對比4內燃機與動(dòng)力裝置2015年4月看出,在不改變發(fā)動(dòng)機電控參數的前提下,各轉速下不修改電控參數三種不同燃料對應的發(fā)動(dòng)機輸出點(diǎn)火提前角一致;而修改各轉速的電控參數,使發(fā)動(dòng)機達到爆震邊緣lObar的情況下,E100純乙醇及E22乙醇汽油的點(diǎn)火提前角相對93#無(wú)鉛汽油均能提前約2~3°曲軸轉角。93#無(wú)鉛汽油從圖b)可以看出,不修改電控參數的前提下,最大E22乙醇汽油爆發(fā)壓力中,93#無(wú)鉛汽油的最大爆發(fā)壓力最大,pE100純乙醇E22乙醇汽油次之,E100純乙醇最低;而修改各轉速的電控參數,使發(fā)動(dòng)機達到爆震邊緣的情況下,各100015002000250030003500400045005000550060006500轉速(r/min)轉速的最大爆發(fā)壓力都很接近,相差不超過(guò)2bar修改電控參數從圖c)可以看出,不修改電控參數的前提下,最大爆發(fā)壓力對應的曲軸轉角3#無(wú)鉛汽油最大爆發(fā)壓10b力對應的曲軸轉角最提前,E22乙醇汽油次之,E100純乙醇最滯后;而修改各轉速的電控參數,使發(fā)動(dòng)機達到爆震邊緣的情況下,各轉速最大爆發(fā)壓力對應93#無(wú)鉛汽油的曲軸轉角也很接近,最大相差不超過(guò)2°曲軸轉E22乙醇汽油角一E100純乙醇100015002000250030003500400045005000550060006500不修改電控參數轉速(rmin)215°CAb)最大爆發(fā)壓力不修改電控參數93#無(wú)鉛汽油一93#無(wú)鉛汽油E22乙醇汽油E22乙醇汽油e-E100純乙醇一E100純乙醇100015002000250030003500400045005000550060006500轉速(rmin)8℃A修改電控參數1000150020002500300035004000450050005500600065005°CA轉速(rmin)U°溫修改電控參數93#無(wú)鉛汽油93#無(wú)鉛汽油E22乙醇汽油E22乙醇汽油E100純乙醇e-E100純乙醇1000150020002500300035004000450050005500600065005°CA轉速(rmin)ga)點(diǎn)火提前角100015002000250030003500400045005000550060006500轉速(r/min)c)最大爆發(fā)壓力對應曲軸轉角對比圖4缸內燃燒壓力對比圖5顯示了在不修改由控參數和修改電控參數的情況下,三中國煤化工數。從圖中可以看出,在CNMHG,點(diǎn)火提前角2015年第2期金暉,等:乙醇混合燃料在乘用車(chē)汽油發(fā)動(dòng)機中的試驗研究5相同,93#無(wú)鉛汽油的50%已燃質(zhì)量分數最提前,93#無(wú)鉛汽油高因此乙醇燃料的抗爆性好,可以通過(guò)E22乙醇汽油次之,E100純乙醇最滯后;而修改各修改電控參數提前發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火提前角,隨之而來(lái)轉速的電控參數,使發(fā)動(dòng)機達到爆震邊緣的情況下,的是最大爆發(fā)壓力的提升,再加上乙醇燃料中含有由于各轉速均達到爆震的邊緣,在4000/min以下氧,有利于混合氣形成,改善了燃油與空氣的混合質(zhì)工況三者的5⑩%已燃質(zhì)量分數基本一致,4000r/min量,提高燃燒反應速度,燃燒持續期明顯縮短。以上工況,93#無(wú)鉛汽油的50%已燃質(zhì)量分數最滯不修改電控參數后,E22乙醇汽油次之,E100純乙醇最提前,但三者5°CA日93#無(wú)鉛汽油之間相差并不大,最大相差不超過(guò)2曲軸轉角。E22乙醇汽油E100純乙醇不修改電控參數日-93#無(wú)鉛汽油E22乙醇汽油E100純乙醇l00015002000250030003500400045005000550060006500修改電控參數5°CA93#無(wú)鉛汽油100015002000250030003500400045005000550060006500轉速(r/min)E22乙醇汽油E100純乙醇修改電控參數日-93#無(wú)鉛汽油E22乙醇汽油E100純乙醇5°CAN=100015002000250030003500400045005000550060006500轉速(rmin)100015002000250030003500400045005000550060006500圖6燃燒持續期轉速(rmin)3結論圖550%已燃質(zhì)量分數對比本文在發(fā)動(dòng)機結構參數未進(jìn)行任何修改的前提圖6顯示了在不修改電控參數和修改電控參數下,對發(fā)動(dòng)機燃用93#無(wú)鉛汽油、乙醇含量為22%的的情況下,三種燃料的燃燒持續期。從圖中可以看出,在不修改電控參數的前提下,點(diǎn)火提前角相同,乙醇汽油及乙醇含量為100%的純乙醇分別進(jìn)行在’全負荷工況下的動(dòng)力性及燃燒特性的對比試驗研93#無(wú)鉛汽油的燃燒最快,各轉速燃燒持續期最短,究,得出以下結論:E22乙醇汽油次之,E100純乙醇燃燒最慢,各轉速燃燒持續期最長(cháng),但在功率點(diǎn)附近,三者的燃燒持續控制系統,乙醇混合燃料可以成為現在乘用車(chē)汽油期基本一致;而修改各轉速的電控參數,使發(fā)動(dòng)機達發(fā)動(dòng)機的替代燃料,不影響發(fā)動(dòng)機在全負荷工況下到爆震邊緣的情況下,由于乙醇混合燃料增加了點(diǎn)的動(dòng)力性?；鹛崆敖?其對應的燃燒持續期有所縮短,并接近于在經(jīng)濟性中,發(fā)動(dòng)機釆用乙醇燃料后燃油消耗93#無(wú)鉛汽油的燃燒持續期。E22乙醇汽油和E100率增加,并且燃油消耗率增加的幅度隨著(zhù)乙醇燃料純乙醇的燃燒持續期基本一致,并且三者之間相差所占的比例增大而增大。也不大,最大相差不超過(guò)2°曲軸轉角。在燃燒特性中,乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱及辛烷值由于乙醇燃料的熱值低于%3#汽油,在不修改均比93#無(wú)鉛汽油高,因此乙醇燃料的抗爆性比93電控參數的前提下,乙醇燃料的最大爆發(fā)壓力低于#無(wú)鉛汽油好V凵中國煤化工中的點(diǎn)火提前93#汽油的最大爆發(fā)壓力;其燃燒速度及燃燒持續期角來(lái)提高發(fā)CNMH可角的增加幅也較慢;又由于乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱及辛烷值均比(下轉第24頁(yè))24內燃機與動(dòng)力裝置2015年4月根據計算推薦使用的方案,做凸輪軸進(jìn)行試驗3結論驗證,試驗數據對比如圖9、圖10、圖11所示。000(1)基于A(yíng)VL-Boot一維性能仿真模型能夠比較準確計算發(fā)動(dòng)機綜合性能;(2)基于氣門(mén)升程和包角的優(yōu)化方案經(jīng)試驗臺多50架驗證,發(fā)動(dòng)機額定功率不變,中低轉速最大功率最多提高8%,油耗至少降低3%;0-原狀態(tài)(3)對于此款發(fā)動(dòng)機,小包角、小升程的氣門(mén)升2#方案3#方案程曲線(xiàn)更有利于提高發(fā)動(dòng)機的低速扭矩,但高速的100020003000400050006000功率會(huì )有部分犧牲發(fā)動(dòng)機轉速/(rmin)(4)對比不同方案的計算結果,并不是升程越圖10原機和優(yōu)化方案外特性功率對比大、包角越大對發(fā)動(dòng)機的性能有利。發(fā)動(dòng)機的包角310·原狀態(tài)與升程需要與發(fā)動(dòng)機配合,確定最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機氣門(mén)2#方案升程曲線(xiàn)。290一合3#方案參考文獻260[1]許元默,帥石金,王建昕進(jìn)氣歧管對電噴汽油機充氣效率的影響[J].內燃機工程,2004,25(1):27-34.[2]李景淵.發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣系統性能分析研究[D].重慶:重慶1000200040006000大學(xué),2005發(fā)動(dòng)機轉速/(r/min)3]余國核閻祥安,馮淑杰,等.進(jìn)氣諧振對單缸發(fā)動(dòng)機動(dòng)圖11原機和優(yōu)化方案外特性油耗率對比力性能影響的試驗研究[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)通過(guò)試驗驗證,試驗結果與仿真計算結果基本版,2007,39(5):166-169一致。發(fā)動(dòng)機額定功率不變,并且中低轉速最大功[4]周龍保.內燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005率最多提高達8%,油耗至少降低3%··%·%····…·········……………·%…·上接第5頁(yè))度隨著(zhù)燃料中乙醇比例的提高而提高。acteristics of alcohol blended gasoline in a Fuel Injected直接采用93#無(wú)鉛汽油的ECU數據,乙醇混合Spark Ignition Engine[ J]. Combustion, 2008, 2012: 06燃料發(fā)動(dòng)機的最大爆發(fā)壓力不會(huì )超出現有汽油機水18.平;而修改電控參數點(diǎn)火提前角使在全負荷工況時(shí)5]包君.汽油一乙醇混合燃料發(fā)動(dòng)機性能的研究[D].哈發(fā)動(dòng)機達到爆震邊緣,隨著(zhù)燃料中乙醇比例的提高,爾濱理工大學(xué),2008最大爆發(fā)壓力隨之提升,50%已燃質(zhì)量分數提前,燃[6]黃佐華,苗海燕.汽油機燃用汽油一含氧化合物混合燃料時(shí)的燃燒特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,1999,3燒持續期縮短,并逐步接近或達到93#汽油的水平。(9):42-46參考文獻[7]郭美華,杜寶杰,李岳林乙醇汽油混合燃料的排放特性研究[J].內燃機,2010(006):45-48[冂]劉仕華,張輝耀,胡國松.中國石油進(jìn)口安全淺析[J].[8]陳家瑞,馬天飛.汽車(chē)構造(第5版)[M].北京:人民石油化工技術(shù)經(jīng)濟,2005,21(3):144-17交通出版社,2006:327-328[2]2013年國內外油氣行業(yè)發(fā)展報告[R].北京:中國石油9]劉永長(cháng)內燃機原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,集團經(jīng)濟技術(shù)研究院,2014.2001:74-76.[3] Nakata K, Utsumi s,OaA,etl. The effect of ethanol fu-[10]胡亞楠.電噴發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇汽油試驗研究[冂·沈陽(yáng)el on a spark ignition engine [ J]. Natural Gas,2006理工大學(xué)學(xué)報,2010(1):35-372015:06-22.[11]錢(qián)葉劍中國煤化工汽油對電噴汽油[4]Kumar A, Khatri D S, Babu M K G. Experimental Investi-機性能影CNMHG學(xué)報,206,2gations on the Performance, Combustion and Emission Char-(4):320-5