汽油机燃用汽油-乙醇混合燃料的试验研究

42摩托车No. 2 Vol 32 2003油机燃用汽油—乙醇混合燃料的试验硏究浙江大学顾洁杜德兴(杭州31007)摘要本文针对摩托车汽油机燃用乙醇的应用研究在汽油机结构不作变动的前提下掺烧一定比例的工业乙醇进行发动机台架试验。在节气门开度分别为25%、50%、75%及100%时在不同转速和负荷下对发动机的功率、扭矩、能耗率及排放性能进行了研究并与原机进行比较。试验结果表明燃用汽油—乙醇混合燃料可以提高发动机的动力性和经济性有效改善排放特性。关键词乙醇汽油机燃烧汽油—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前言具有可扩大混合气的着火界限、燃用稀混合气提高汽我国摩托车工业在近几年发展迅速年产量不断油机的压缩比从而提高发动机的动力性及经济性并上升摩托车的保有量居世界第一位但其排气污染问因燃烧完全,可减少燃烧室表面的燃烧沉积物、降低题也日趋为人们所重视。随着我国加入wT0,竞争也CO和H排放。在美国对含乙醇10%的E10含乙醇会更加激烈尤其是在摩托车的品质和技术方面低油85%的F85(85%变性乙醇,15%汽油)和巴西对耗、低排放将有更大的竞争优势根据汽车发动机的经F20等乙醇一汽油混合燃料在汽车发动机上已获得了验双燃料汽车在保持动力性、经济性、可靠性的同时,实际应用。但是至今还没有在摩托车发动机上使用排放指标可能达到电控汽油喷射、三元催化、废气再循的报道环和闭环反馈汽油发动机的排放水平而不失为收效按目前的技术、资源和经济条件在摩托车中使用快、费用低的有效方法之双燃料以改善尾气排放也许是最现实和有效的方法。汽油机的代用燃料有 LPG CNG、甲醇、乙醇等其在这样的指导思想下开展了摩托车汽油机燃用汽油中乙醇因与汽油物理性能接近和较好的互溶性具有乙醇混合燃料的动力性、经济性及排放特性的试验容易制成溶液、部分代用和与纯汽油间相互切换的优研究。同时由于纯乙醇很易吸收空气中的水分而成点。同时乙醇是属于可再生燃料并具有比汽油的辛含水乙中国煤化工过程也增加了成本和烷值髙、燃烧速率快等优点从而被认为是最有前途的能源消CNMHG的互溶性会显著降低。一种代用燃料。国外已对汽油—乙醇混合燃料开展了因而了解含水乙醇与汽油泪合燃料的使用特性也就有广泛的研究。乙醇最早是代替含铅化合物作为提高燃其特殊意义。在本试验中我们用90号汽油与纯度为油的辛烷值旳添加剂以提高汽油杋抗爆震性能使用95%的工业乙醇按10%和15%两种比例均匀混合分的。研究壸京嬋用发动机燃用汽油—乙醇混合燃料别称此汽油一乙醇混合燃料为E1o和E5。003年(第32卷第2期汽油机燃用汽油—乙醇混合燃料的试验研究E10:10%乙醇+90%汽油(按容积计)机的正常工作。这里需要说明的一点是由于试验条E15∶15%乙醇+85%汽油(按容积计)件的限制试验时以百分数表示的只是名义节气门开2试验条件及设备度它并不是一个非常准确的数值它不保证不同燃料试验用的主要设备有:W-15型水力测功仪及在节气门具有相同的名义开度百分比对时节气门的开发动机控制试验台(包括自动油耗仪);便携式FGA度完全相同。因此动力性的比较以节气门全开时的40003列的4/5组分汽车排气分析仪。试验用汽油机数据较为可靠其余的数据只能作为对比参考由浙江星月动力公司制造试验在星月公司的发动机测试台架上完成。试验用汽油机的主要参数:单缸四5.0滩程,风冷压缩比9.2,缸径×行程=524×57.8.54.0·纯汽油m)额定功率5.0kW7500r/min)最大扭矩:7.0士-10%工业乙醇3.5日-15%工业乙醇Nn(5000r/min)由于乙醇的热值低于汽油为了保3.03000证发动机的动力性使用汽油酿(乙醇—一汽油混合燃5000600070008000转速/(r/min)料濡加大化油器的主量孔。且由于辛烷值提高燃烧速度加快还应改变发动机的压缩比和点火提前角。图1节气门全开的功率但这一般只在掺醇率大于15%~20%时,才是必须的而本试验的掺醇率为10%和15%且为了使发动3机具有汽油醇与汽油的随意切换性能因此对发动机3.6-纯汽油未进行改造和调整。发动机的负荷、转速调控以及油安3.4-10%工业乙醇-日·-15%工业乙醇耗、功率、扭矩的测量和记录都由发动机控制试验台及所配备的电脑完成300040005000600700080003实验结果与讨论转速/(r/min)l勵力性一功率图275%节气门开度的功率图1~图4为从节气门全开到约25%节气门开度3.0盘下四种节气门开度时燃用E10和E15时发动机的功率与燃用纯汽油时的比较。从图中可以看到总的说来~纯汽油燃用汽油醇时的发动机功率都比燃用纯汽油时有所下20-+-10%工业乙醇-15%工业乙醇降。这主要是因为E10和E15的单位容积的化学能分别比纯汽油小4.3%和6.4%而试验中发动机的化油300040005000600070008000转速/(r/min)器的量孔没有改变。在实际应用中,为了保证发动机的动力性可以通过适当增大化油器的主量孔增加燃图350%节气门开度的功率料供给量来恢复发动机的功率。同时由于乙醇的辛2.5烷值高于汽油还可通过适当提高发动机的压缩比加上乙醇的燃烧速度高于汽油的优点使发动机的动力性得到提高2。本试验时基于可以在混合燃料和纯中国煤化工纯汽油汽油间随意切换旳考虑测试燃用混合燃料与汽油的110%工业乙醇CNMHGs%工业乙醇对比性质既未改变化油器的量孔,也未调整点火定3000400060007000时8000转速/(r/min)但从试验计算结果看,虽然功率和扭矩略小于燃用汽油,蜜美坜率下降不到1%基本不影响发动图425%节气门开度的功率44摩托车No. 2 Vol 32 20032羟经济性一能耗率表1节气门全开时的能耗率(MJ/kwh)图5~图8是发动机燃用汽油和汽油醇时不同节转速4563503555326023657970147542气门开度时的能耗率曲线。从图5和图6中可以看(m到在节气门全开和75%开度时燃用E10和El5时汽油14.35.31515.615.819.4发动机的能耗率低于原汽油机的能耗率。452150415516014651470277519(r/min20EI012.614.013.313814.215.02or& 4: a: 8. gi2 r-s纯汽油转速-10%工业乙醇454650485535601965227073753116}-日-15%工业乙醇El513.712913.813.714.514.616.0表2节气门开度为75%时的能耗率M/kwh)00400050006000700080转速转速/(r/min)4575505555576068656270507550(r/min图5节气门全开时的能耗率汽油13413.914.615.015.616.918845585054551260466519706775592422-10%工业乙醇1213.413.314.214.716.217.815%工业乙醇转速45445059551412E1511713.113.914.014.915.91823000400000600070008000转速/(r/mn)可用下式计算燃用汽油醇Ex时的能耗降低率。图675%节气门开度的能耗率燃用汽油能耗->)燃用E能耗纯汽油∑燃用汽油能耗10%工业乙醇日-15%工业乙醇δ表示燃用EQx=10或15分别代表E0和E15时的能耗降低率计算得,215节气门全开时10=9.836%15=9.653%10节气门开度为75%时:10=5.638%1s=6.007%40005000600070008000转速/(r/min)可见节气门开度越大能耗率降低越明显而对于节气门开度较小的时候图飞节气门开度50%厢图8图750%节气门开度的能耗率(节气门开度25%时结果显示各种燃料的能耗率50}-0纯汽油有明显的差别或者说所出现的差异没有系统性的意螽-10%工业乙醇义图中所显示的在5000r/min时节气门开度25%时日-15%工业乙醇的差异是由于发动机台架振动引起而与燃料无关分析这些结果可能有以下几方面的原因313006000中国煤化工然料其燃烧速度和火转速/(r/min)焰传播CNMHG烧的定容性好燃烧持续期较短过后燃烧的程度小使热效率得到提高图825%节气门开度的能耗率②在将发动杋改燃乙醇和汽油的混合燃料时未为了能从数量上进行比较将节气门全开和开度对化油器的量孔进行改变由于单位容积的混合燃料为75%的削*据列成表如表1和表2所示所需的氧气低于纯汽油从而使混合气变得相对较稀003年(第32卷第2期汽油机燃用汽油—乙醇混合燃料的试验研究在保证可靠燃烧的条件下稀燃有利于提高热效率。5展望③发动机改燃乙醇和汽油的混合燃料以后由于综合比较燃用E15和EI0的动力性、经济性和排化油器的量孔未变使得输入的燃料的能量减少在发放特性在大多数工况下E10要比E5为好。但乙醇动机的节气门开度较大的时候输入燃料能量的下降比例的变化的数据只有两组而且这只说明乙醇的含部分地由燃烧效率的提高得到补偿使发动机的实际水比例为5%的情况。还有待于进一步的研究在乙醇输出功率下降不多而在发动机的节气门开度较小的时候由于发动机的功率变得过小而发动杋的机械槭的含水比例变化、及对汽油中的乙醇掺混量进行优化。由于时间和条件的限制所有的试验都是初步的失并没有减少从而使输出的有效功率下降明显。这是因为燃烧热效率的提高不足以抵消机械效率的下降还没有系统地测定发动机在各种工况条件下的所有有所致害排放也未对发动机的所有结构和运行参数进行调3排放整试验,为了全面了解含水乙醇在摩托车发动机中的根据现行摩托车的排放法规本试验主要測定了应用前景还必须按照新的摩托车排放法规的要求通发动机的怠速排放。同时对最大扭矩工况和最大功率过试验,了解摩托车发动机燃用部分含水乙醇后各种工况的HC和CO排放也进行了初步的测定比较如图有害排放物的整体排放水平。同时通过发动机的结9图10所示构和运行参数调整试验研究燃用部分含水乙醇时发首先燃用E10和E15时发动机的稳定怠速明显动机的相关结构参数和运行参数。这里所作的机理分低于燃用纯汽油的怠速稳定怠速越低μC和ωo的析也还有待进一步的研究探讨。不过从我们的初步排放越低试验表明即使是在相同的怠速条件下HC试验结果可以看到含水乙醇在摩托车发动机中具有和CO的排放量也低于燃用汽油的排放。在最大扭矩很好应用前途。工况和最大功率工况时发动机的HC和CO排放也有o纯汽油所下降相比较而言,CO比HC排放下降更多,燃用°▲10%工业乙醇E10时比燃用E5时的下降幅度稍大。CO和HC排放口15%工业乙醇明显下降的原因主要是由于乙醇化学结构中的羟基使其燃烧反应特点与汽油中的各种烃类有所不820006000使着火温度较低和不易熄火。且壁面激冷淬熄较00转速/(r/mi少从而使燃烧更完善。图10发动机的CO排放。20纯汽▲10%工业乙醇参考文献15%工业乙醇1 Lee G. Dodge, Ken Shouse, Joe Grogan, Douglas M. Leon宝50Kevin A. Whitney, Patrick M. Merritt. Development of an200040006000Ethanol-Fueled Ultra-Low Emissions Vehicle, SAE 981358转速/(r/mn)2叶淑贞包玉英汽油机燃用汽油乙醇混合燃料时的燃烧图9发动机的HC排放特性.北京农业工程大学学报,104结论峦机燃料.中国石化出版社,中国煤化工1在汽油中掺混小比例10~15%)含水不高的乙THECNMHG醇无须对汽油机进行改造和调整燃油系统虽然发动,化休寺火花点火发动机燃用含氧燃机的功率、扭矩略有降低但并不影响使用性能。料对冷起动和怠速时未燃碳氢排放影响的试验研究.小2在汽油中掺混小比例的乙醇有利于改善汽油型内燃机998汉27)机的燃烧瘡甍龍耗率和改善汽油机的排放。(收稿日期2002-08-26)