汽油機燃用乙醇和汽油的混合燃料的試驗研究

第24卷第4期環(huán)境科學(xué)學(xué)報Vol 24, No 4004年7月ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAEJuly, 2004文章綿號:0253-2468(2004)04-073405中圖分類(lèi)號:TK411·,1文獻標識碼:A汽油機燃用乙醇和汽油的混合燃料的試驗研究許滄粟(江大學(xué)機械與能源學(xué)院,杭州3102摘要:對摩托車(chē)汽油機進(jìn)行了燃用乙醇汽油混合燃料的試驗,并與燃用汽油時(shí)的結果進(jìn)行了對比分析,結果顯示,汽油機燃用乙醇和汽油的混合燃料,當混合燃料中乙醇比例為10%和15%時(shí),即使發(fā)動(dòng)機的結構不變、燃油系統和點(diǎn)火系統不作任何調整的時(shí)候發(fā)動(dòng)機的全負荷輸出不受影響,發(fā)動(dòng)機的能耗率得到改善,HC和CO排放有所降低,但是NO,排放會(huì )有顯著(zhù)關(guān)鍵詞:乙醇;汽油機;燃燒;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社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展汽車(chē)、摩托車(chē)保有量的增加,不僅使交通運輸部門(mén)消耗的能量增加,同時(shí),由汽車(chē)、摩托車(chē)對大氣造成的污染也更加嚴重近幾年,我國汽車(chē)摩托車(chē)工業(yè)發(fā)展迅速,年產(chǎn)量不斷上升,摩托車(chē)的保有量居世界第一位汽車(chē)的產(chǎn)量和保有量也在迅速增加解決汽車(chē)和摩托車(chē)的燃油消耗和污染問(wèn)題日益為人們所重視.其中發(fā)動(dòng)機使用雙燃料是收效最快、費用最低的方法之一,雙燃料汽車(chē)在保持其動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性的同時(shí),排放指標可以達到火花點(diǎn)火、電控汽油噴射、三元催化、廢氣再循環(huán)、閉環(huán)反饋單燃料汽車(chē)所能達到的排放水平LPG、CNG、甲醇、乙醇等都有可能做汽油機的代用燃料,其中乙醇與汽油有較好的互溶性具有易于部分代用和與純汽油間相互切換的優(yōu)點(diǎn)同時(shí),乙醇能由生物質(zhì)制取、其辛烷值、燃燒速率高于汽油,從而被認為是最有前途的一種代用燃料國外已對汽油-乙醇混合燃料開(kāi)展了廣泛的研究乙醇最早是代替含鉛化合物作為提高燃油的辛烷值的添加劑,以提高汽油機抗爆震性能研究顯示,車(chē)用發(fā)動(dòng)機燃用汽油-乙醇混合燃料可擴大混合氣的著(zhù)火界限,燃用稀混合氣,提高燃油經(jīng)濟性;可以提高汽油機的壓縮比,從而提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟性;減少燃燒室表面的燃燒沉積物;降低CO和HC排放在美國含乙醇10%的E10、含乙醇85%的E85(85%變性乙醇,15%汽油),巴西E0等乙醇汽油混合燃料在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機上已獲得了實(shí)際應用.但是,至今還沒(méi)有在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機上使用的報道根據這樣的指導思想,本文試圖對摩托車(chē)中使用乙醇和汽油的混合燃料作探討研究進(jìn)行收稿日期:200308-12;修訂日期:200311-25作者簡(jiǎn)介:許滄粟(1963-),男,副研究員(博士),xc50929@163.com中國煤化工CNMHG4期許滄粟等:汽油機燃用乙醇和汽油的混合燃料的試驗研究摩托車(chē)汽油機燃用汽油-乙醇混合燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及排放特性的研究.試驗中用9號汽油與純乙醇(純度為99.5%)按10%和15%比例(按容積計)均勻混合時(shí),分別稱(chēng)此汽油乙醇混合燃料為E10和E51試驗條件及設備試驗中的主要設備有:CW-15型水力測功儀及發(fā)動(dòng)機控制試驗臺(包括自動(dòng)油耗儀);便攜式FGA4000系列的4/5組分汽車(chē)排氣分析儀試驗用CC25汽油機的主要參數:單缸四沖程風(fēng)冷;壓縮比:90;缸徑:56.5mm,沖程49.5mm;額定功率:7.4kW;額定轉速:8500rmin';最大扭矩:85Nm(6500r·min1).當汽油機改燃乙醇和汽油的混合燃料時(shí),由于乙醇的熱值低于汽油,為了使發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性不受影響需加大化油器的主量孔;由于辛烷值提高,燃燒速度加快,還應對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行增加壓縮比和改變點(diǎn)火提前角的改造但這些改變一般只在摻醇率大于15%~20%時(shí),才是必須的而本試驗的摻醇率為10%和15%,為了使發(fā)動(dòng)機具有混合燃料與純汽油的隨意切換性能,因此對發(fā)動(dòng)機未進(jìn)行改造和調整發(fā)動(dòng)機的負荷轉速調控以及油耗功率、扭矩和排氣溫度的測量和記錄都由發(fā)動(dòng)機控制試驗臺及所配備的電腦完成試驗在浙江大學(xué)的發(fā)動(dòng)機測試臺架上完成2實(shí)驗結果與分析2.1修正功率功率與燃用純汽油時(shí)的比較雖然也進(jìn)行了不同進(jìn)氣門(mén)開(kāi)度圖1為節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)燃用E10和E5時(shí)發(fā)動(dòng)機的修正口-E10△E1800010000的試驗,但由于試驗條件的限制,不能保證不同試驗時(shí),具有相同的名義節氣門(mén)開(kāi)度的開(kāi)度真正相同同時(shí),部分開(kāi)度的動(dòng)力性能可以通過(guò)改變節氣門(mén)開(kāi)度來(lái)調整,因此,動(dòng)力性主圖1節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的修正功率比較要看節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的情況,所以只對全開(kāi)時(shí)的修正功率進(jìn)行at wide throttle open比較從圖中可以看到,在節氣門(mén)全開(kāi)時(shí),燃用混合燃料后的發(fā)動(dòng)機功率與燃用純汽油時(shí)幾乎沒(méi)有變化這說(shuō)明,E0和E15的單位容積的化學(xué)能(或者說(shuō)熱值)雖然比汽油下降了,試驗中發(fā)動(dòng)機的化油器量孔沒(méi)有改變,從而使每循環(huán)向發(fā)動(dòng)機供給的燃料的化學(xué)能有不同程度的減少但從試驗結果看測得的功率和扭矩都與燃用汽油的情況相當,對發(fā)動(dòng)機的正常工作沒(méi)有影響而對于實(shí)際應用的汽油機,由于乙醇的低熱值小于汽油,為了保證發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性,可以通過(guò)適當增大化油器的主量孔增加燃料供給量,同時(shí),結合乙醇的辛烷值高于汽油的特點(diǎn),可適當提高發(fā)動(dòng)機的壓縮比,加上乙醇的燃燒速度高于汽油的優(yōu)點(diǎn),從而提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性,本試驗時(shí),基于可以在混合燃料和純汽油間隨意切換的考慮測試燃用混合燃料與汽油的對比性質(zhì),沒(méi)有改變化油器的量孔和點(diǎn)火準時(shí)2.2能耗率圖2是燃用汽油和汽油乙醇混合燃料的能耗率曲線(xiàn),從圖中可以看到,燃用E10和E15時(shí)發(fā)動(dòng)機的能耗率低于原汽油機,節氣門(mén)開(kāi)度越大能耗率降低越明顯.對于節氣門(mén)全開(kāi)時(shí),燃用E10和El5與燃用汽油相比,能耗率平均下降約6%左右,而對于節氣門(mén)開(kāi)度較小的時(shí)候(50%或75%時(shí)),則未發(fā)現有明顯的下降這可能有以下幾方面的原因中國煤化工CNMHG736環(huán)境科學(xué)學(xué)報24卷乙醇是含有羥基的含氧燃料,其燃燒速度和火焰傳播速度高于汽油,從而使燃燒的定容性較好,燃燒持續期較短,熱效率得到提高汽油口--E10-△-E1522全開(kāi)2075%開(kāi)度00060008000100004000600080001000040006000800010000圖23種節氣門(mén)開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機的能耗率比較Fig. 2 Comparisons of energy consumption rate when fueled with different fuel at three throttle position在將發(fā)動(dòng)機改燃乙醇和汽油的混合燃料時(shí),化油器的量孔尺寸未變,從而使混合氣變得相對較稀,在保證可靠燃燒的條件下,稀燃有利于提高熱效率發(fā)動(dòng)機改燃乙醇和汽油的混合燃料以后,輸人的燃料的能量減少,節氣門(mén)全開(kāi)時(shí),輸入燃料能量的下降由燃燒效率的提高得到補償,使發(fā)動(dòng)機的實(shí)際輸出功率不受影響而在節氣門(mén)開(kāi)度較小時(shí),由于空燃比變得過(guò)稀,促使燃燒效率和熱效率下降,發(fā)動(dòng)機的輸出功率有所下降,而發(fā)動(dòng)機的機械損失并未減少,因而,發(fā)動(dòng)機的機械效率下降,從而影響到能耗率的改善2.3排放從圖3可以看到,發(fā)動(dòng)機在燃用E10和El5時(shí)的HC排放情況有所不同:E10的HC排放在各種工況下都低于燃油純汽油,而燃用E5時(shí),則比燃用純汽油稍高,尤其是高轉速時(shí)比較明顯這可能是是由于:乙醇化學(xué)結構中的羥基OH使其燃燒反應特點(diǎn)與汽油中的各種烴類(lèi)有所不同,它的著(zhù)火溫度較低和不易熄火,壁面激冷淬熄較少燃用E10時(shí),混合氣變稀和乙醇的燃燒速度略高于汽油共同作用的結果,使淬熄層變薄和淬熄層中的未燃碳氫減少,從而使排放中的HC有所下降.而燃用E15時(shí),部分負荷時(shí)的混合氣變得過(guò)稀燃燒速度低于純汽油的混合氣(這也與修正功率的變化趨勢相吻合).從而導致淬熄層反而有所變厚,HC排放有所增加汽油口-E10一△-E1575%開(kāi)度50%開(kāi)度△△△△△口的△1060008000100004000600080001000040006000800010000轉速l(rmin)圖33種節氣門(mén)開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機的HC排放比較Fig. 3 Comparisons of HC emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions對于Co排放對比,燃用E10和El5時(shí)均比燃用純汽油時(shí)有明顯下降.CO排放下降的原因是由于乙醇燃燒時(shí)豐富的羥基,乙醇中的羥基OH使燃燒速度更快、著(zhù)火溫度更低,從而使燃燒更完善比較CO與羥基和氧氣及氧原子的氧化反應4中國煤化工CNMHG許滄粟等:汽油機燃用乙醇和汽油的混合燃料的試驗研究CO+OH→CO2+HC0+O2→·CO2+0Co+0+M→CO2+M(3)一汽油口--E0-△-E1575%開(kāi)度50%開(kāi)度8心BE「A0060008000100004000600080001000040006000800010000圖43種節氣門(mén)開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機的CO排放比較Fig. 4 Comparisons of CO emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions反應(1)和反應(2)的活化能分別為每摩爾25415和56573kJ,說(shuō)明通過(guò)羥基氧化的活化能不及通過(guò)氧氣氧化的一半通過(guò)氧原子的氧化反應(3),不僅是3體碰撞發(fā)應,而且活化能更高,達到每摩爾123757kJ可見(jiàn)羥基更有能力將CO氧化成CO2圖5是發(fā)動(dòng)機燃用E10和E5時(shí)的NO.排放與燃用汽油時(shí)的比較從圖中可以看到,NO排放有所增高,尤其是節氣門(mén)全開(kāi)時(shí),情況更加嚴重究其原因,是因為混合氣變稀和燃燒溫度提高的共同作用而使化油器的主量孔一般都調整在節氣門(mén)全開(kāi)時(shí),為了保證發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性,混合氣稍濃于化學(xué)計量比,過(guò)量空氣系數約在09左右,在量孔不變的條件下,燃用E10和El5時(shí),過(guò)量空氣系數變大混合氣了由于乙醇燃燒溫度和燃燒速度高于汽油,在點(diǎn)火定時(shí)不變時(shí),著(zhù)火更接近上止點(diǎn)時(shí)完成使氣缸內的最高燃燒溫度高于汽油這兩個(gè)條件都有利于NO,的生成從而使NO,的排放上升口--E0一△-E1575%開(kāi)度50%開(kāi)度000600080001000040006000800010000000800010000轉速/(rmin1l)圍53種節氣門(mén)開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機的NO2排放比較Fig.5 Comparisons of NO, emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions3結論1)在汽油中摻燒小比例(10%~15%)的乙醇,無(wú)須對汽油機燃油系統進(jìn)行改造和調整它不影響發(fā)動(dòng)機的功率、扭矩等使用性能2)汽油中摻混小比例的乙醇,有利于改善汽油機中的燃燒,降低能耗率,改善汽油機的CO排放但是NO,的排放可能惡化,為此,必須做進(jìn)一步的調整試驗,以便全面優(yōu)化發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放性能中國煤化工CNMHG738環(huán)境科學(xué)學(xué)報24卷3)由于所有的試驗結果都是在發(fā)動(dòng)機的結構和運行參數尚未進(jìn)行調整試驗下獲得的,為了全面了解乙醇在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機中的應用前景,還需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機的結構和運行參數調整試驗,優(yōu)化燃用乙醇時(shí)發(fā)動(dòng)機的相關(guān)結構參數和運行參數.同時(shí),還必須按照新的摩托車(chē)排放法規的要求,通過(guò)試驗,對摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機燃用汽油和乙醇的混合燃料時(shí)各種有害排放物的整體排放水平和動(dòng)力性、經(jīng)濟性進(jìn)行綜合平衡、優(yōu)化參考文獻I I) Lee G Dodge, Ken Shouse, Joe Grogan, et al. Development of an Ethanol-Fueled Ultra-Low Emissions Vehicle[ C].SAE,Paper981358.19882]何學(xué)良,詹水厚,李疏松內燃機燃料[M].北京:中國石化出版社,1999113]黃佐華,苗海燕,周龍保,等火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機燃用含氧燃料對冷起動(dòng)和息速時(shí)未燃碳氫排放影響的試驗研究[J.小型內燃機,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蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所簡(jiǎn)介蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所是我國西部環(huán)境科學(xué)教學(xué)、科研、人才培養和服務(wù)社會(huì )的重要基地,為西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室的主要組成之一。該所成立于1997年,擁有教師26人,其中博士生導師7人,教授1人,副教授7人。擁有環(huán)境科學(xué)博士點(diǎn)和碩士點(diǎn),可在環(huán)境科學(xué)二級學(xué)科上招收博士和碩士研究生,并接受?chē)鴥韧庠L(fǎng)問(wèn)學(xué)者,為國家培養環(huán)境科學(xué)研究和教學(xué)、環(huán)境監測、環(huán)境評價(jià)與管理以及環(huán)保產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)等方面工作的高級專(zhuān)業(yè)人才該所擁有一流的科學(xué)研究和教學(xué)軟硬件設施,具備教育部重點(diǎn)實(shí)驗室先進(jìn)的物質(zhì)條件和設備,完善的境分析儀器設備,3S信息系統和中心計算機局域網(wǎng)絡(luò )系統;擁有國家環(huán)境保護總局批準頒發(fā)的甲級環(huán)境影響評價(jià)證書(shū)和水利部批準頒發(fā)的甲級水資源評價(jià)證書(shū),可直接服務(wù)于國家和地方的經(jīng)濟建設在研究方面,該所立足西北,放眼全國,面向國家重大需要,瞄準環(huán)境科學(xué)發(fā)展國際前沿,積極參與國際國內合作與交流,發(fā)展環(huán)境科學(xué)教育和研究事業(yè)。目前該所研究領(lǐng)域主要有土壤環(huán)境質(zhì)量演變與綠色農業(yè)、水環(huán)境變化與控制、大氣環(huán)境污染與控制、環(huán)境評價(jià)與規劃、環(huán)境管理與可持續發(fā)展、污染控制化學(xué)、污染生態(tài)學(xué)等。特色研究包括干早區綠洲污染土壤環(huán)境的化學(xué)和生物(植物)修復污染物在多介質(zhì)中特別是在干早生境和黃土環(huán)境中化學(xué)行為及其生態(tài)效應,重金屬和有機污染物復合污染機理、水土氣生人的健康風(fēng)險評價(jià)及環(huán)境政策等該所目前參與了中科院重大科技創(chuàng )新項目研究,承擔了國家自然科學(xué)基金委和省部級科研課題等多項,同時(shí)還開(kāi)展了環(huán)境影響評價(jià)、水資源評價(jià)、生態(tài)環(huán)境規劃、環(huán)境污染工程治理、ISO14000環(huán)境咨詢(xún)等服務(wù)項目。生機勃勃的蘭州大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所為進(jìn)一步加強學(xué)科建設,發(fā)展環(huán)境科學(xué)事業(yè),誠邀海內外杰出人才加盟蘭州大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所,我校將為來(lái)所工作人員提供優(yōu)惠的工作和生活待遇(詳情請登陸蘭州大學(xué)網(wǎng)站http:/iww,au,edu,cn后進(jìn)入人事處網(wǎng)頁(yè))。中國煤化工CNMHG