乙醇混合燃料在乘用车汽油发动机中的试验研究

第32卷第2期Vol 32 No. 22015年4月内燃机与动力装置L.C.E& PowerplantApr.2015【试验研究】乙醇混合燃料在乘用车汽油发动机中的试验研究金晖陈伟国,王伟,冯心水(奇瑞汽车股份有限公司,安徽芜湖241009摘要:随着石油危机的来临,乙醇燃料,因其为可再生生物能源的优势,成为一种很好的代用燃料。本文针对一款汽油发动机,分别对93#无铅汽油、E22乙醇汽油及E00纯乙醇在动力性及燃烧特性进行试验研究和对比分析。试验结果表明:对发动机及ECU数据不进行改动,随着燃料中乙醇比例的提高,发动机动力性增加,最大爆发压力不会超出现有汽油机水平:而修改电控参数点火提前角,随着燃料中乙醇比例的提高,50%已燃质量分数会提前,燃烧持续期缩短,并逐步接近或达到93#汽油的水平。关键词:乙醇;汽油;动力性;燃烧特性中图分类号:TK418.9文献标志码:A文章编号: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年发生首次世界性的“石油危机”,以及科学发展观的的持续开展,使用乙醇混合燃料替代纯1993年我国由石油输出国转变为石油进口国,汽油已经成为未来发展的趋势。因此进行乙醇燃料16年以后的200年,我国石油对外依存度突破对乘用车汽油发动机影响的研究是十分必要的。50%国际公认的安全警戒线。到2013年末,我国使用乙醇混合燃料的发动机,在其经济性、热效石油对外依存度已达到58.1%,逼近60%21。持续率、排放及催化转化等方面具有优势的研究,多篇论升高的石油对外依存度为我国的能源安全带来了巨文均有提及3。而本文针对一款乘用车汽油发动大压力。机,在不修改结构参数的前提下,进行不同比例乙醇YH中国煤化工作者简介:金晖(1979-),男,工程师,主要从事发动机热力学开发、CAE性CNMHG收稿日期:2014-12-06内燃机与动力装置2015年4月混合燃料的台架试验,研究不同比例乙醇混合燃料表2列出了93#无铅汽油与乙醇的主要理化特对该款汽油发动机在全负荷工况下的动力性及燃烧性特性的影响。为研究不同比例乙醇混合燃料对发动机全负荷时动力性及燃烧特性的影响,试验过程采用开发1试验发动机、设备及方法ECU,可以对发动机的点火提前角、空燃比等电控参1.1试验发动机数进行调整。试验采用采用某款三缸四冲程多点电喷汽油发动机,未修改发动机的结构参数。发动机的缸径x2试验结果分析行程:71mm×84mm,排量0.998L,压缩比11.0:1。2.1对发动机动力性影响1.2试验设备试验首先使用93#无铅汽油ECU数据,不做任根据研究的内容,搭建发动机试验台架。台架何改动进行三种燃油的净功率试验。使用AVL电力测功机及 PUMA Open电力测功机控乙醇燃料的蒸发潜热为862kJ/kg、辛烷值106制系统,油耗仪使用AVL735S连续质量流量仪,过均高于93#无铅汽油的蒸发潜热334kJ/kg、辛烷值量空气系数采用 ETAS LA4-4.9-E型空燃比分析93,因此乙醇燃料的抗爆性比93#无铅汽油好,可以仪测量,燃烧数据采集及分析系统使用 AVL Indi-使用93#无铅汽油的电控数据直接进行三种燃油的Com燃烧分析系统,曲轴转角信号采集使用全负荷特性试验,不会因爆震而导致发动机损坏。AVL364C角标仪,缸压力传感器使用 Kistler6053cc60预埋式缸压传感器。试验使用的主要设备及传感器如表1所示。5Nm表1试验主要设备一览表设备名称设备厂家型号生产厂家测功机Dyno Road202/12SLAVL-93#无铅汽油油耗仪AVLE22乙醇汽油空燃比仪LA-4.9-EETASE100纯乙醇燃烧分析仪IndicomAVL100015002000250030003500400045005000550060006500角标仪AVL转速(r/min)缸压传感器6053CC60Kistler1.3试验方法为了验证不同含量的乙醇混合燃料对汽油发动10kW机动力性及燃烧特性的影响,试验分别使用乙醇含量为0的93#无铅汽油、乙醇含量为22%的乙醇汽油(E22)及乙醇含量为100%的纯乙醇(E100)分别日93#无铅汽油E22乙醇汽油进行全负荷特性试验。E100纯乙醇表2汽油与乙醇的主要理化特性表100015002000250030003500400045005000550060006500项目93#汽油乙醇转速(r/min)来源石油炼制产品植物淀粉物质发酵蒸馏图1不修改电控参数的性能对比分子式含C-C的HCC2HOH图1显示的是在不修改电控参数的情况下,发0.855动机使用不同比例乙醇混合燃料的性能对比。从图质量成分gH0.145中可以看出,在不改变发动机电控参数的情况下,发动机使用乙醇燃料后功率和扭矩有所上升,且随着相对分子质量蒸发潜热kJ/kg乙醇比例的增加上升趋势越明显:在4500r/min的334燃料低热值kJ/kg4400027000最大扭矩点,田Fm醇燃油的扭矩要比使混合气热值kJ/m3用93#无铅汽中国煤化工E22乙醇汽辛烷值RON油的扭矩要CNMH矩高3.6%理论空燃比14.82015年第2期金晖,等:乙醇混合燃料在乘用车汽油发动机中的试验研究在6000y/min额定功率点,使用E100纯乙醇燃油的图2显示了对发动机电控参数进行修改,使各功率要比使用93#无铅汽油的功率高5.38%,使用工况均达到发动机爆震边缘的三种燃料的性能对E22乙醇汽油的功率要比使用93#无铅汽油的功率比。从图中可以看出,在仅改动发动机点火提前角高3.53%。的情况下,发动机使用乙醇燃料后功率和扭矩有所根据以往的试验研究及论文描述,汽油发动机上升,且随着乙醇比例的增加上升趋势越明显:在在不修改电控参数,直接使用乙醇燃料的情况下,发4500r/min的最大扭矩点,使用E100纯乙醇燃油的动机的动力性会略有下降0。但在本次试验中,扭矩要比使用93#无铅汽油的扭矩高8.94%,使用相同的电控参数,发动机的性能随着乙醇的掺入比E22乙醇汽油的扭矩要比使用93#无铅汽油的扭矩例的增大而略有增加,这是因为,以前试验使用的发高4.62%;在6000/min额定功率点,使用El00纯动机,采用开关式氧传感器,全负荷下为了获得较大乙醇燃油的功率要比使用93#无铅汽油的功率高的功率,空燃比采用开环控制,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#无的喷油持续时间相同,喷入的醇类燃料与普通汽油铅汽油的功率高4.18%。的体积相同。由于同体积醇类燃料混合物的热值较因为乙醇燃料的蒸发潜热及辛烷值均比9#无普通汽油混合气的热值低,导致循环放热量减少,进铅汽油高,因此乙醇燃料的抗爆性好,在发动机不而造成发动机扭矩和功率的降低,且降低的幅度随进行改动的前提下,可以通过增加电控参数中的点着乙醇所占比例的增大而增加0。而在越来越严火提前角来提高发动机的动力输出。当93#无铅汽格的排放和油耗法规的要求下,传统开关式的氧传油混合了不同比例的乙醇,辛烷值得到不同程度的感器已经逐渐不能满足法规的要求,越来越多的发提高,电控参数中的点火提前角也得到相应的增大,动机为了能够精确的控制空燃比,采用了线性氧传当点火提前角达到各工况的爆震边缘发动机的性感器,替代了原先的开关型氧传感器,从而实现了在能提升明显。全负荷的工况下,发动机空燃比的闭环控制。为了2.2对发动机经济性的影响达到相同的空燃比,乙醇混合燃料自动延长喷油持乙醇燃料的热值为27000kJ/kg,低于93#无铅续时间,增加喷油量,相应的发动机充气效率得到提汽油的4000k,所以在全负荷工况下,为了使发升,从而使发动机性能上升。随着乙醇混合燃料的动机达到各转速最大动力性要求,就需要燃烧更多比例的提高,增加的喷油量也越多,发动机的性能提的乙醇混合燃料。升程度越大。图3显示了三种燃油在外特性工况下的燃油消耗率对比。从图中可以看出,发动机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随着乙醇燃料所占的比例增大而增大。93#无铅汽油曰E22乙醇汽油E。。。。。。。。E100纯乙醇50g/kW.h93#无铅汽油AE22乙醇汽油100015002000250030003500400045005000550060006500转速(rmin)E100纯乙醇I OkW10001500200250030003500400045005000550060006500转速(r/min93#无铅汽油图3发动机燃油消耗率对比E22乙醇汽油2.3对发动机燃烧特性影响e-E100纯乙醇图4显中国煤化改电控参数100015002000250030003500400045005000550060006500的情况下,三CNMHG角、最大爆发压力及其对应时出和我用时刈。从图a)中可以图2修改电控参数的性能对比4内燃机与动力装置2015年4月看出,在不改变发动机电控参数的前提下,各转速下不修改电控参数三种不同燃料对应的发动机输出点火提前角一致;而修改各转速的电控参数,使发动机达到爆震边缘lObar的情况下,E100纯乙醇及E22乙醇汽油的点火提前角相对93#无铅汽油均能提前约2~3°曲轴转角。93#无铅汽油从图b)可以看出,不修改电控参数的前提下,最大E22乙醇汽油爆发压力中,93#无铅汽油的最大爆发压力最大,pE100纯乙醇E22乙醇汽油次之,E100纯乙醇最低;而修改各转速的电控参数,使发动机达到爆震边缘的情况下,各100015002000250030003500400045005000550060006500转速(r/min)转速的最大爆发压力都很接近,相差不超过2bar修改电控参数从图c)可以看出,不修改电控参数的前提下,最大爆发压力对应的曲轴转角3#无铅汽油最大爆发压10b力对应的曲轴转角最提前,E22乙醇汽油次之,E100纯乙醇最滞后;而修改各转速的电控参数,使发动机达到爆震边缘的情况下,各转速最大爆发压力对应93#无铅汽油的曲轴转角也很接近,最大相差不超过2°曲轴转E22乙醇汽油角一E100纯乙醇100015002000250030003500400045005000550060006500不修改电控参数转速(rmin)215°CAb)最大爆发压力不修改电控参数93#无铅汽油一93#无铅汽油E22乙醇汽油E22乙醇汽油e-E100纯乙醇一E100纯乙醇100015002000250030003500400045005000550060006500转速(rmin)8℃A修改电控参数1000150020002500300035004000450050005500600065005°CA转速(rmin)U°温修改电控参数93#无铅汽油93#无铅汽油E22乙醇汽油E22乙醇汽油E100纯乙醇e-E100纯乙醇1000150020002500300035004000450050005500600065005°CA转速(rmin)ga)点火提前角100015002000250030003500400045005000550060006500转速(r/min)c)最大爆发压力对应曲轴转角对比图4缸内燃烧压力对比图5显示了在不修改由控参数和修改电控参数的情况下,三中国煤化工数。从图中可以看出,在CNMHG,点火提前角2015年第2期金晖,等:乙醇混合燃料在乘用车汽油发动机中的试验研究5相同,93#无铅汽油的50%已燃质量分数最提前,93#无铅汽油高因此乙醇燃料的抗爆性好,可以通过E22乙醇汽油次之,E100纯乙醇最滞后;而修改各修改电控参数提前发动机的点火提前角,随之而来转速的电控参数,使发动机达到爆震边缘的情况下,的是最大爆发压力的提升,再加上乙醇燃料中含有由于各转速均达到爆震的边缘,在4000/min以下氧,有利于混合气形成,改善了燃油与空气的混合质工况三者的5⑩%已燃质量分数基本一致,4000r/min量,提高燃烧反应速度,燃烧持续期明显缩短。以上工况,93#无铅汽油的50%已燃质量分数最滞不修改电控参数后,E22乙醇汽油次之,E100纯乙醇最提前,但三者5°CA日93#无铅汽油之间相差并不大,最大相差不超过2曲轴转角。E22乙醇汽油E100纯乙醇不修改电控参数日-93#无铅汽油E22乙醇汽油E100纯乙醇l00015002000250030003500400045005000550060006500修改电控参数5°CA93#无铅汽油100015002000250030003500400045005000550060006500转速(r/min)E22乙醇汽油E100纯乙醇修改电控参数日-93#无铅汽油E22乙醇汽油E100纯乙醇5°CAN=100015002000250030003500400045005000550060006500转速(rmin)100015002000250030003500400045005000550060006500图6燃烧持续期转速(rmin)3结论图550%已燃质量分数对比本文在发动机结构参数未进行任何修改的前提图6显示了在不修改电控参数和修改电控参数下,对发动机燃用93#无铅汽油、乙醇含量为22%的的情况下,三种燃料的燃烧持续期。从图中可以看出,在不修改电控参数的前提下,点火提前角相同,乙醇汽油及乙醇含量为100%的纯乙醇分别进行在’全负荷工况下的动力性及燃烧特性的对比试验研93#无铅汽油的燃烧最快,各转速燃烧持续期最短,究,得出以下结论:E22乙醇汽油次之,E100纯乙醇燃烧最慢,各转速燃烧持续期最长,但在功率点附近,三者的燃烧持续控制系统,乙醇混合燃料可以成为现在乘用车汽油期基本一致;而修改各转速的电控参数,使发动机达发动机的替代燃料,不影响发动机在全负荷工况下到爆震边缘的情况下,由于乙醇混合燃料增加了点的动力性。火提前角,其对应的燃烧持续期有所缩短,并接近于在经济性中,发动机釆用乙醇燃料后燃油消耗93#无铅汽油的燃烧持续期。E22乙醇汽油和E100率增加,并且燃油消耗率增加的幅度随着乙醇燃料纯乙醇的燃烧持续期基本一致,并且三者之间相差所占的比例增大而增大。也不大,最大相差不超过2°曲轴转角。在燃烧特性中,乙醇燃料的蒸发潜热及辛烷值由于乙醇燃料的热值低于%3#汽油,在不修改均比93#无铅汽油高,因此乙醇燃料的抗爆性比93电控参数的前提下,乙醇燃料的最大爆发压力低于#无铅汽油好V凵中国煤化工中的点火提前93#汽油的最大爆发压力;其燃烧速度及燃烧持续期角来提高发CNMH可角的增加幅也较慢;又由于乙醇燃料的蒸发潜热及辛烷值均比(下转第24页)24内燃机与动力装置2015年4月根据计算推荐使用的方案,做凸轮轴进行试验3结论验证,试验数据对比如图9、图10、图11所示。000(1)基于AVL-Boot一维性能仿真模型能够比较准确计算发动机综合性能;(2)基于气门升程和包角的优化方案经试验台多50架验证,发动机额定功率不变,中低转速最大功率最多提高8%,油耗至少降低3%;0-原状态(3)对于此款发动机,小包角、小升程的气门升2#方案3#方案程曲线更有利于提高发动机的低速扭矩,但高速的100020003000400050006000功率会有部分牺牲发动机转速/(rmin)(4)对比不同方案的计算结果,并不是升程越图10原机和优化方案外特性功率对比大、包角越大对发动机的性能有利。发动机的包角310·原状态与升程需要与发动机配合,确定最优的发动机气门2#方案升程曲线。290一合3#方案参考文献260[1]许元默,帅石金,王建昕进气歧管对电喷汽油机充气效率的影响[J].内燃机工程,2004,25(1):27-34.[2]李景渊.发动机进气系统性能分析研究[D].重庆:重庆1000200040006000大学,2005发动机转速/(r/min)3]余国核阎祥安,冯淑杰,等.进气谐振对单缸发动机动图11原机和优化方案外特性油耗率对比力性能影响的试验研究[J].四川大学学报:工程科学通过试验验证,试验结果与仿真计算结果基本版,2007,39(5):166-169一致。发动机额定功率不变,并且中低转速最大功[4]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2005率最多提高达8%,油耗至少降低3%··%·%····…·········……………·%…·上接第5页)度随着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#无铅汽油的ECU数据,乙醇混合Spark Ignition Engine[ J]. Combustion, 2008, 2012: 06燃料发动机的最大爆发压力不会超出现有汽油机水18.平;而修改电控参数点火提前角使在全负荷工况时5]包君.汽油一乙醇混合燃料发动机性能的研究[D].哈发动机达到爆震边缘,随着燃料中乙醇比例的提高,尔滨理工大学,2008最大爆发压力随之提升,50%已燃质量分数提前,燃[6]黄佐华,苗海燕.汽油机燃用汽油一含氧化合物混合燃料时的燃烧特性研究[J].西安交通大学学报,1999,3烧持续期缩短,并逐步接近或达到93#汽油的水平。(9):42-46参考文献[7]郭美华,杜宝杰,李岳林乙醇汽油混合燃料的排放特性研究[J].内燃机,2010(006):45-48[冂]刘仕华,张辉耀,胡国松.中国石油进口安全浅析[J].[8]陈家瑞,马天飞.汽车构造(第5版)[M].北京:人民石油化工技术经济,2005,21(3):144-17交通出版社,2006:327-328[2]2013年国内外油气行业发展报告[R].北京:中国石油9]刘永长内燃机原理[M].武汉:华中科技大学出版社,集团经济技术研究院,2014.2001:74-76.[3] Nakata K, Utsumi s,OaA,etl. The effect of ethanol fu-[10]胡亚楠.电喷发动机燃烧乙醇汽油试验研究[冂·沈阳el on a spark ignition engine [ J]. Natural Gas,2006理工大学学报,2010(1):35-372015:06-22.[11]钱叶剑中国煤化工汽油对电喷汽油[4]Kumar A, Khatri D S, Babu M K G. Experimental Investi-机性能影CNMHG学报,206,2gations on the Performance, Combustion and Emission Char-(4):320-5