汽油机燃用乙醇和含水乙醇与汽油的混合燃料的试验研究

第26卷第2期太阳能学报voL 26. No. 22005年4月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAApr.,2005文章编号:02540096(2005)02025305汽油机燃用乙醇和含水乙醇与汽油的混合燃料的试验研究许沧粟,杜德兴(浙江大学,杭州310027)摘要:报导了在摩托车汽油机中燃用乙醇-汽油混合燃料的试验结果,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,当纯乙醇或含水5%的工业乙醇在混合燃料的比例为10%的时候,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动的时候,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NOx排放会有显著的增加。关键词:乙醇;汽油机;燃烧;汽油-乙醇混合燃料中图分类号:TM619文献标识码:A1前言提高燃油经济性;可能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;减少燃烧室表社会经济的快速发展,汽车、摩托车保有量的面的燃烧沉积物;降低CO0和HC排放等优越性增加,不仅使交通运输部门消耗的能量增加,同在美国含乙醇10%的E10、含乙醇85%的Ed85时,汽车、摩托车发动机还是大气污染的重要来(85%变性乙醇,15%汽油),巴西对E20等乙醇源。近几年我国汽车摩托车工业发展迅速,年产量汽油混合燃料在汽车发动机上已获得了实际应用不断上升,摩托车的保有量居世界第一位。汽车的但是,至今还没有在摩托车发动机上使用的报道。产量和保有量也在迅速增加。解决汽车和摩托车的根据这样的指导思想,本文试图在摩托车中使燃油消耗问题日趋为人们所重视。其中使用双燃料用乙醇和汽油的混合燃料作探讨研究。进行摩托车发动机是收效最快、费用最低的方法之一,双燃料汽油机燃用汽油-乙醇混合燃料的动力性、经济性汽车在保持动力性、经济性、可靠性的在同时,排及排放特性的研究。同时,考虑到纯乙醇很易吸收放指标可以达到火花点火、电控汽油喷射、三元催空气中的水分而成含水乙醇,乙醇含水后与汽油的化、废气再循环、闭环反馈单燃料汽车所能达到的互溶性大大降低。了解含水乙醇与汽油混合燃料的排放水平。使用特性也就有其特殊意义。因此,用90号汽油LPG、CNG、甲醇、乙醇等都有可能做汽油机分别与纯乙醇(纯度为99.5%)和含水的工业乙醇的代用燃料,其中乙醇与汽油有较好的互溶性,有容易部分代用和与纯汽油间相互切换的优点。同(纯度为95%)按以下比例均匀混合,分别称此汽油-乙醇混合燃料混合物为E10和E10W时,乙醇能由生物质制取、有辛烷值高于汽油的、E10:10%纯乙醇+90%汽油(按容积计)燃烧速率高于汽油的优点,从而被认为是最有前途E10W:10%含水乙醇+90%汽油(按容积计)的一种代用燃料。国外已对于汽油-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2试验条件及设备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-乙醇混试验中的主要设备有:CW-15型水力测功仪合燃料可扩大混合气的着火界限,燃用稀混合气,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。试验收稿日期:200308-11254太阳能学报26卷用CC125汽油机的主要参数:单缸四冲程,风冷;燃料与汽油的对比性质,既未改变化油器的量孔和压缩比:9.0,缸径:56.5(mm),冲程49.5发动机的压缩比,也未调整点火准时,而试验中测(mm);额定功率:74kW(8500r/min);最大扭得的功率和扭矩都与燃用汽油的情况相当,对发动矩:85Nm(6500ymin)。当汽油机改燃乙醇和汽机的正常工作没有影响。更可喜的是,使用含水油的混合燃料时,由于乙醇的热值低于汽油,为了5%的乙醇与汽油形成的混合燃料时,发动机的功使发动机的动力性不受影响,需加大化油器的主量率和扭矩也与使用纯乙醇与汽油的混合燃料时一孔;由于辛烷值提高,燃烧速度加快,还应对发动样,未对发动机的功率和扭矩产生明显的影响。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O汽油必须的。而本试验的掺醇率为10%,且为了使发△EIOW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6控以及油耗、功率、扭矩和排气温度的测量和记录4000800010000转速/rmin都由发动机控制试验台及所配备的电脑完成。试验图1100%节气门修正功率在浙江大学的发动机测试台架上完成。Fig 1 Modified output power at wide open throttle3实验结果与分析汽油1)修正功率E10图1~3为节气门从全开到约50%三种节气门△EIoW开度时燃用E10和E10W时发动机的修正功率与燃用纯汽油时的比较。这里需要说明的一点是,由于000.6000000试验条件的限制,试验时以百分数表示的只是名义转速/r-mim节气门开度,它并不是一个非常正确的数值,并不图275%节气门开度修正功率保证不同燃料在节气门具有相同的名义开度(百分Fig 2 Modified output power at 75% throttle比)时节气门的开度完全相同。因此,动力性的比较,以节气门全开时的数据较为可靠,其余的数据O汽油e88口E10只能作为参考。△E10W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,虽然E10和E10W的单位容积的化学40006000800010000转速/r·mint能(或者说热值)比汽油下降了,试验中的发动机的化油器的量孔没有改变,从而使每循环向发动机图350%节气门开度修正功率Fig 3 Modified output power at 50% throttle供给的燃料的化学能有不同程度的减少,但发动机的输出功率并未受到影响。在实际应用中,由于乙2)能耗率醇的低热值虽然小于汽油,但是同样当量比浓度的图4~6中汽油-乙醇混合燃料的能耗率曲线,乙醇和汽油的混合气的热值却基本相当。为了提高从图中可以看到,燃用E10和E0W时发动机的能发动机的动力性,可以通过适当增大化油器的主量耗率低于原汽油机,节气门开度越大,能耗率降低孔,增加燃料供给量,结合乙醇的辛烷值高于汽油越明显。对于节气门全开时,燃用E1O和E10W的的特点,适当提高发动机的压缩比,加上乙醇的燃能耗率与燃用汽油相比,能耗率平均下降达到大烧速度高于汽油的特点,调整点火正时,使发动机6%左右,而对于节气门开度较小的时候(50%或的动力性得到提高2)。本试验时,基于可以在混75%时),则没能测到明显的下降。这可能有以下2期许沧粟等:汽油机燃用乙醇和含水乙醇与汽油的混合燃料的试验研究少,使发动机的机械效率下降,从而影响到能耗率的改善26。0ga△E1oW3)排放E12从图7~12可以看到,发动机在燃用E0和E10W时的HC排放情况有所不同:E10的HC排800010000放在各种工况下都低于燃油纯汽油,而燃用转/ r. minIE10W时,则比燃用纯汽油稍高,尤其是高转速图4节气门全开时的能耗率时比较明显。这主要是由于乙醇化学结构中的羟Fig, 4 Energy consumption rate at wide open throttle基OH使其燃烧反应特点与汽油中的各种烃类有所不同,着火温度较低和不易熄火。壁面激冷淬Q④°汽油熄较少。燃用E10时因混合气变稀和乙醇的燃烧口E10速度略高于汽油共同作用的结果,它使淬熄层变△E10W薄和淬熄层中的未燃碳氢减少。燃用E10W时的部分负荷的混合气则变得过稀,燃烧速度已低于400600纯汽油的混合气,这一结果也与修正功率的变化转速/r趋势相吻合。图575%节气门开度能耗率Fig 5 Energy consumption rate at 75% throttle100O汽(油80o60△E10W40132⊙汽油oa△EIoW4000600080001000040006000800010000图7节气门全开HC排放转速rminFig. 7 HC emission at wide open thr图650%节气门开度能耗率Fig 6 Energy consumption rate at 50% throttleO汽油口E10乙醇是含有羟基的含氧燃料,其燃烧速度和火00△E0W焰传播速度高于汽油,使燃烧的定容性较好,燃烧持续期较短,过后燃烧的程度小,使得其放热规律6000800010000的热效率得到提高转速/rmin在将发动机改燃乙醇和汽油的混合燃料时,未图875%节气门开度HC排放改变化油器的量孔,由于单位容积的混合燃料所需Fig 8 HC emission at 75% throttle的氧气低于纯汽油,从而使混合气变得相对较稀在保证可靠燃烧的条件下,稀燃有利于提高热汽油效率。80D ElO发动机改燃乙醇和汽油的混合燃料以后,由于40△化油器的量孔未变,使输入的燃料的能量减少,输合888入燃料能量的下降部分地由燃烧效率的提高得到补40006000800010000偿,使发动机的实际输出功率不受影响。而在节气转速/rmin门开度较小时,由于混合气变得过稀,使发动机的图950%节气门开度HC排放输出功率有所下降,而发动机的机械损失并未减Fig9 HC emission at 50% throttle太阳26卷燃用E10和E0W时的CO排放均有所下降,想图13-15是发动机燃用E10和E10W时的比较而言,CO比HC排放下降更多,燃用E0时比NO2排放与燃用汽油时的比较。从图中可以看到燃用EloW时的下降幅度稍大。C0排放明显下降的NO,排放有所增高,尤其是节气门全开时,情况更原因也是因为乙醇中的羟基OH使燃烧速度更快、着加严重。究其原因,是因为混合气变稀和燃烧温度火温度更低,从而使燃烧更完善所致。比较乙醇燃烧提高的共同作用。化油器的主量孔一般都调整在节时丰富的羟基和氧气及氧原子与CO的氧化反应气门全开时过量空气系数约在0.9左右、稍浓于当Co+OH一CO2+H量混合气的浓混合气以保证发动机的动力性。在量CO+O2—CO2+0(2)孔不变的条件下,燃用E10和E10W时,过量空气CO+0+M—CO,+M(3)系数变大了,燃烧产物中的氧浓度提高了。同时乙可见,反应(1)和反应(2)的活化能分别为醇燃烧温度高于汽油,燃烧速度高于汽油,在点火每摩尔25415J和56573kJ,说明通过羟基氧化的定时不变时,着火在更接近上止点时完成,使气缸活化能不及通过氧气氧化的一半。通过氧原子的氧内的燃烧产物的温度高于汽油燃烧的情况。这两个化反应(3),不仅是三体碰撞发应,而且活化能更条件都有利于NO2的生成。从而使NO,的排放高,达到每摩尔123757kJ。可见羟基更有能力将上升。氧化CO成CO22500汽油O汽油2000口△aD E10△EIUw△EIOws100o44=500Ooo O4000600080001000转速/rmin6000800010000转速/r.minh图13节气门全开NO,排放图10节气门全开CO排放Fig. 13 NO, emission at wide open throttleFig 10 CO emissE10△EI0W△EI0wOooOO2000。e。。合da△a坠Ba1000600080001000040006000800010000转速/rmin转速图1175%节气门开度CO排放Fig 11 CO emission at 75% throttle图1475%节气门开度NO,排放on at 75% throat4口E10△EIOW口E10o△E10W80001000040006000800010000转速/rmmn1转速/rmin1图1250%节气门开度CO排放图1550%节气门开度No,排放Fig 12 CO emission at 50% throttleFig. 15 NO, emission at 50% throttle2期许沧粟等:汽油机燃用乙醇和含水乙醇与汽油的混合燃料的试验研究257放物的整体排放水平和动力性、经济性进行综合平4结论衡、优化。1)在汽油中掺混小比例(10%)纯的或含水第三,由于测试设备的限制,试验中未曾测量不高的乙醇,无须对汽油机进行改造和调整燃油系某些非常规排放物,例如,醛类的排放可能会有所统,它不影响发动机的功率、扭矩等使用性能。变化,很多文献都提到,乙醇燃烧中存在大量的中2)汽油掺混小比例的乙醇,有利于改善汽油间生成产物乙醛,会导致排放物醛污染的问题。虽机中的燃烧,降低能耗率,改善汽油机的HC和然我们的模型计算结果并未反映这一情况(相关内CO排放。但是NO,的排放可能恶化,为此,必须容将在另外的文章中论述)。但还是需要在这方面做进一步的调整试验,以便在动力性、经济性和综做细致的研究工作合排放性能方面做综合优化工作。[参考文献]5进一步的工作和展望虽然综合比较燃用E10和E0W的动力性、经[1 Lee G. Dodge, Ken Shouse, Joe Grogan, et al. Whitney济性和排放特性,在大多数工况下,E10好于and Patrick M. Merritt, Development of an Ethanol-Fueled Ultra-Low Emissions Vehicle [C],SAE981358E10W。但没有明显变化的功率输出和略低的能耗1998:459469率结果,结合含水乙醇的生产成本大大低于纯乙醇[2]叶淑贞,包玉英.汽油机燃用汽油乙醇混和燃料时和高纯度乙醇容易在与空气接触中吸收空气中的水的燃烧特性[J.北京农业工程大学学报,1990,10分的事实的条件,使得研究含水乙醇的实用潜力(2):30-38由于只说明乙醇的含水比例为5%的情况。还有待3]何学良,詹永厚,李疏松.内燃机燃料[M].中国于进一步的研究在乙醇的含水比例变化、对汽油中石化出版社,1999.11.的乙醇掺混量进行优化。[4]黄佐华,苗海燕,周龙保等.火花点火发动机燃用第二,所有的试验都是初步的,还未对发动机含氧燃料对冷起动和怠速时未燃碳氢排放影响的试的结构和运行参数进行调整试验。为了全面了解乙验研究[J.小型内燃机,1998,5(27):23-27醇或含水乙醇在摩托车发动机中的应用前景,还需[s] Egolopoulos F N,DuDX, LawC K A Comprehensive Study of Methanol kinetics in freely-propagating and要通过发动机的结构和运行参数调整试验,优化燃bumer- stabilized flames, flow and static reactors and用乙醇时发动机的相关结构参数和运行参数。同shock tubes [J]. Combst Sci and Tech, 1992,(83)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部分乙醇后各种有害排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联系人E-mal:xcs0929@163.com