汽油机燃用乙醇和汽油的混合燃料的试验研究

第24卷第4期环境科学学报Vol 24, No 4004年7月ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAEJuly, 2004文章绵号:0253-2468(2004)04-073405中图分类号:TK411·,1文献标识码:A汽油机燃用乙醇和汽油的混合燃料的试验研究许沧粟(江大学机械与能源学院,杭州3102摘要:对摩托车汽油机进行了燃用乙醇汽油混合燃料的试验,并与燃用汽油时的结果进行了对比分析,结果显示,汽油机燃用乙醇和汽油的混合燃料,当混合燃料中乙醇比例为10%和15%时,即使发动机的结构不变、燃油系统和点火系统不作任何调整的时候发动机的全负荷输出不受影响,发动机的能耗率得到改善,HC和CO排放有所降低,但是NO,排放会有显著关键词:乙醇;汽油机;燃烧;汽油乙醇混合燃料Experimental investigation on the gasoline engine fueled with blend ofgasoline and ethanolXU Cangsu (Zhejiang University, Institute of Power Machine and Vehicle Engineering, Hangahou 310027)Abstract: This paper describes the experimental study results on gasoline engine for motorcycle fueled with gasoline- ethanol blend while theengine structure has not been modified. The results are compared with that of engine is fueled with gasoline which show that there is no obviousimprove energy consumption and HC, Co emission whileNO, emission is remarkably increasedKeywords: ethanol gasoline engine; combustion; gasoline-ethanol blends社会经济的快速发展汽车、摩托车保有量的增加,不仅使交通运输部门消耗的能量增加,同时,由汽车、摩托车对大气造成的污染也更加严重近几年,我国汽车摩托车工业发展迅速,年产量不断上升,摩托车的保有量居世界第一位汽车的产量和保有量也在迅速增加解决汽车和摩托车的燃油消耗和污染问题日益为人们所重视.其中发动机使用双燃料是收效最快、费用最低的方法之一,双燃料汽车在保持其动力性、经济性、可靠性的同时,排放指标可以达到火花点火、电控汽油喷射、三元催化、废气再循环、闭环反馈单燃料汽车所能达到的排放水平LPG、CNG、甲醇、乙醇等都有可能做汽油机的代用燃料,其中乙醇与汽油有较好的互溶性具有易于部分代用和与纯汽油间相互切换的优点同时,乙醇能由生物质制取、其辛烷值、燃烧速率高于汽油,从而被认为是最有前途的一种代用燃料国外已对汽油-乙醇混合燃料开展了广泛的研究乙醇最早是代替含铅化合物作为提高燃油的辛烷值的添加剂,以提高汽油机抗爆震性能研究显示,车用发动机燃用汽油-乙醇混合燃料可扩大混合气的着火界限,燃用稀混合气,提高燃油经济性;可以提高汽油机的压缩比,从而提高发动机的动力性及燃油经济性;减少燃烧室表面的燃烧沉积物;降低CO和HC排放在美国含乙醇10%的E10、含乙醇85%的E85(85%变性乙醇,15%汽油),巴西E0等乙醇汽油混合燃料在汽车发动机上已获得了实际应用.但是,至今还没有在摩托车发动机上使用的报道根据这样的指导思想,本文试图对摩托车中使用乙醇和汽油的混合燃料作探讨研究进行收稿日期:200308-12;修订日期:200311-25作者简介:许沧粟(1963-),男,副研究员(博士),xc50929@163.com中国煤化工CNMHG4期许沧粟等:汽油机燃用乙醇和汽油的混合燃料的试验研究摩托车汽油机燃用汽油-乙醇混合燃料的动力性、经济性及排放特性的研究.试验中用9号汽油与纯乙醇(纯度为99.5%)按10%和15%比例(按容积计)均匀混合时,分别称此汽油乙醇混合燃料为E10和E51试验条件及设备试验中的主要设备有:CW-15型水力测功仪及发动机控制试验台(包括自动油耗仪);便携式FGA4000系列的4/5组分汽车排气分析仪试验用CC25汽油机的主要参数:单缸四冲程风冷;压缩比:90;缸径:56.5mm,冲程49.5mm;额定功率:7.4kW;额定转速:8500rmin';最大扭矩:85Nm(6500r·min1).当汽油机改燃乙醇和汽油的混合燃料时,由于乙醇的热值低于汽油,为了使发动机的动力性不受影响需加大化油器的主量孔;由于辛烷值提高,燃烧速度加快,还应对发动机进行增加压缩比和改变点火提前角的改造但这些改变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%,为了使发动机具有混合燃料与纯汽油的随意切换性能,因此对发动机未进行改造和调整发动机的负荷转速调控以及油耗功率、扭矩和排气温度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试验在浙江大学的发动机测试台架上完成2实验结果与分析2.1修正功率功率与燃用纯汽油时的比较虽然也进行了不同进气门开度图1为节气门全开时燃用E10和E5时发动机的修正口-E10△E1800010000的试验,但由于试验条件的限制,不能保证不同试验时,具有相同的名义节气门开度的开度真正相同同时,部分开度的动力性能可以通过改变节气门开度来调整,因此,动力性主图1节气门全开时的修正功率比较要看节气门全开时的情况,所以只对全开时的修正功率进行at wide throttle open比较从图中可以看到,在节气门全开时,燃用混合燃料后的发动机功率与燃用纯汽油时几乎没有变化这说明,E0和E15的单位容积的化学能(或者说热值)虽然比汽油下降了,试验中发动机的化油器量孔没有改变,从而使每循环向发动机供给的燃料的化学能有不同程度的减少但从试验结果看测得的功率和扭矩都与燃用汽油的情况相当,对发动机的正常工作没有影响而对于实际应用的汽油机,由于乙醇的低热值小于汽油,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料供给量,同时,结合乙醇的辛烷值高于汽油的特点,可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,从而提高发动机的动力性,本试验时,基于可以在混合燃料和纯汽油间随意切换的考虑测试燃用混合燃料与汽油的对比性质,没有改变化油器的量孔和点火准时2.2能耗率图2是燃用汽油和汽油乙醇混合燃料的能耗率曲线,从图中可以看到,燃用E10和E15时发动机的能耗率低于原汽油机,节气门开度越大能耗率降低越明显.对于节气门全开时,燃用E10和El5与燃用汽油相比,能耗率平均下降约6%左右,而对于节气门开度较小的时候(50%或75%时),则未发现有明显的下降这可能有以下几方面的原因中国煤化工CNMHG736环境科学学报24卷乙醇是含有羟基的含氧燃料,其燃烧速度和火焰传播速度高于汽油,从而使燃烧的定容性较好,燃烧持续期较短,热效率得到提高汽油口--E10-△-E1522全开2075%开度00060008000100004000600080001000040006000800010000图23种节气门开度下发动机的能耗率比较Fig. 2 Comparisons of energy consumption rate when fueled with different fuel at three throttle position在将发动机改燃乙醇和汽油的混合燃料时,化油器的量孔尺寸未变,从而使混合气变得相对较稀,在保证可靠燃烧的条件下,稀燃有利于提高热效率发动机改燃乙醇和汽油的混合燃料以后,输人的燃料的能量减少,节气门全开时,输入燃料能量的下降由燃烧效率的提高得到补偿,使发动机的实际输出功率不受影响而在节气门开度较小时,由于空燃比变得过稀,促使燃烧效率和热效率下降,发动机的输出功率有所下降,而发动机的机械损失并未减少,因而,发动机的机械效率下降,从而影响到能耗率的改善2.3排放从图3可以看到,发动机在燃用E10和El5时的HC排放情况有所不同:E10的HC排放在各种工况下都低于燃油纯汽油,而燃用E5时,则比燃用纯汽油稍高,尤其是高转速时比较明显这可能是是由于:乙醇化学结构中的羟基OH使其燃烧反应特点与汽油中的各种烃类有所不同,它的着火温度较低和不易熄火,壁面激冷淬熄较少燃用E10时,混合气变稀和乙醇的燃烧速度略高于汽油共同作用的结果,使淬熄层变薄和淬熄层中的未燃碳氢减少,从而使排放中的HC有所下降.而燃用E15时,部分负荷时的混合气变得过稀燃烧速度低于纯汽油的混合气(这也与修正功率的变化趋势相吻合).从而导致淬熄层反而有所变厚,HC排放有所增加汽油口-E10一△-E1575%开度50%开度△△△△△口的△1060008000100004000600080001000040006000800010000转速l(rmin)图33种节气门开度下发动机的HC排放比较Fig. 3 Comparisons of HC emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions对于Co排放对比,燃用E10和El5时均比燃用纯汽油时有明显下降.CO排放下降的原因是由于乙醇燃烧时丰富的羟基,乙醇中的羟基OH使燃烧速度更快、着火温度更低,从而使燃烧更完善比较CO与羟基和氧气及氧原子的氧化反应4中国煤化工CNMHG许沧粟等:汽油机燃用乙醇和汽油的混合燃料的试验研究CO+OH→CO2+HC0+O2→·CO2+0Co+0+M→CO2+M(3)一汽油口--E0-△-E1575%开度50%开度8心BE「A0060008000100004000600080001000040006000800010000图43种节气门开度下发动机的CO排放比较Fig. 4 Comparisons of CO emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions反应(1)和反应(2)的活化能分别为每摩尔25415和56573kJ,说明通过羟基氧化的活化能不及通过氧气氧化的一半通过氧原子的氧化反应(3),不仅是3体碰撞发应,而且活化能更高,达到每摩尔123757kJ可见羟基更有能力将CO氧化成CO2图5是发动机燃用E10和E5时的NO.排放与燃用汽油时的比较从图中可以看到,NO排放有所增高,尤其是节气门全开时,情况更加严重究其原因,是因为混合气变稀和燃烧温度提高的共同作用而使化油器的主量孔一般都调整在节气门全开时,为了保证发动机的动力性,混合气稍浓于化学计量比,过量空气系数约在09左右,在量孔不变的条件下,燃用E10和El5时,过量空气系数变大混合气了由于乙醇燃烧温度和燃烧速度高于汽油,在点火定时不变时,着火更接近上止点时完成使气缸内的最高燃烧温度高于汽油这两个条件都有利于NO,的生成从而使NO,的排放上升口--E0一△-E1575%开度50%开度000600080001000040006000800010000000800010000转速/(rmin1l)围53种节气门开度下发动机的NO2排放比较Fig.5 Comparisons of NO, emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions3结论1)在汽油中掺烧小比例(10%~15%)的乙醇,无须对汽油机燃油系统进行改造和调整它不影响发动机的功率、扭矩等使用性能2)汽油中掺混小比例的乙醇,有利于改善汽油机中的燃烧,降低能耗率,改善汽油机的CO排放但是NO,的排放可能恶化,为此,必须做进一步的调整试验,以便全面优化发动机的动力性、经济性和排放性能中国煤化工CNMHG738环境科学学报24卷3)由于所有的试验结果都是在发动机的结构和运行参数尚未进行调整试验下获得的,为了全面了解乙醇在摩托车发动机中的应用前景,还需要通过发动机的结构和运行参数调整试验,优化燃用乙醇时发动机的相关结构参数和运行参数.同时,还必须按照新的摩托车排放法规的要求,通过试验,对摩托车发动机燃用汽油和乙醇的混合燃料时各种有害排放物的整体排放水平和动力性、经济性进行综合平衡、优化参考文献I I) Lee G Dodge, Ken Shouse, Joe Grogan, et al. Development of an Ethanol-Fueled Ultra-Low Emissions Vehicle[ C].SAE,Paper981358.19882]何学良,詹水厚,李疏松内燃机燃料[M].北京:中国石化出版社,1999113]黄佐华,苗海燕,周龙保,等火花点火发动机燃用含氧燃料对冷起动和息速时未燃碳氢排放影响的试验研究[J.小型内燃机,1998,5(27):23-2741 Egolfopoulos F N, Du D X Law C K. A Comprehensive Study of Methanol kinetics in freely-propagating and burmer-stabilized flamesnow and static reactors and shock tubes[ J]. Combat Sci and Tech, 1992, (83): 33-75兰州大学资源环境学院环境科学研究所简介兰州大学资源环境学院环境科学研究所是我国西部环境科学教学、科研、人才培养和服务社会的重要基地,为西部环境教育部重点实验室的主要组成之一。该所成立于1997年,拥有教师26人,其中博士生导师7人,教授1人,副教授7人。拥有环境科学博士点和硕士点,可在环境科学二级学科上招收博士和硕士研究生,并接受国内外访问学者,为国家培养环境科学研究和教学、环境监测、环境评价与管理以及环保产业开发等方面工作的高级专业人才该所拥有一流的科学研究和教学软硬件设施,具备教育部重点实验室先进的物质条件和设备,完善的境分析仪器设备,3S信息系统和中心计算机局域网络系统;拥有国家环境保护总局批准颁发的甲级环境影响评价证书和水利部批准颁发的甲级水资源评价证书,可直接服务于国家和地方的经济建设在研究方面,该所立足西北,放眼全国,面向国家重大需要,瞄准环境科学发展国际前沿,积极参与国际国内合作与交流,发展环境科学教育和研究事业。目前该所研究领域主要有土壤环境质量演变与绿色农业、水环境变化与控制、大气环境污染与控制、环境评价与规划、环境管理与可持续发展、污染控制化学、污染生态学等。特色研究包括干早区绿洲污染土壤环境的化学和生物(植物)修复污染物在多介质中特别是在干早生境和黄土环境中化学行为及其生态效应,重金属和有机污染物复合污染机理、水土气生人的健康风险评价及环境政策等该所目前参与了中科院重大科技创新项目研究,承担了国家自然科学基金委和省部级科研课题等多项,同时还开展了环境影响评价、水资源评价、生态环境规划、环境污染工程治理、ISO14000环境咨询等服务项目。生机勃勃的兰州大学环境科学研究所为进一步加强学科建设,发展环境科学事业,诚邀海内外杰出人才加盟兰州大学环境科学研究所,我校将为来所工作人员提供优惠的工作和生活待遇(详情请登陆兰州大学网站http:/iww,au,edu,cn后进入人事处网页)。中国煤化工CNMHG