丁醇-汽油混合燃料应用于汽油机的性能实验研究

山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ
第２９卷第６期２０１６年１２月出版
Ｖｏｌ.２９Ｎｏ.６Ｄｅｃ.２０１６ＤＯＩ:１０.３９７６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２￣４０２６.２０１６.０６.０１３ʌ生物质能源ɔ
收稿日期:２０１６￣０６￣２０
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(１４ＣＸ０５０４１Ａ)
作者简介:安铭(１９９１ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为节能技术ꎮ∗通信作者:冯洪庆(１９７７ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ研究方向为汽油机燃料与燃烧ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｆｅｎｇｈｏｎｇｑｉｎｇ＠ｕｐｃ.ｅｄｕ.ｃｎ
丁醇￣汽油混合燃料应用于汽油机的性能实验研究
安铭１ꎬ冯洪庆１∗ꎬ刘道建１ꎬ张静１ꎬ李顿１ꎬ张晓东２
(１.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院能源与动力工程系ꎬ山东青岛２６６５８０ꎻ２.山东省科学院能源研究所ꎬ山东省生物质气化技术重点实验室ꎬ山东济南２５００１４)
摘要:本文对不同比例的丁醇￣汽油混合燃料在气道电控喷射汽油机台架上进行了性能实验研究ꎮ在转速为２０００ｒ/ｍｉｎ和２５００ｒ/ｍｉｎ时ꎬ将分别添加体积分数１０％㊁２０％丁醇的混合汽油与纯汽油进行了对比ꎮ研究结果表明ꎬ掺混丁醇后ꎬ发动机动力性略有下降ꎬ有效燃油消耗率略有增加ꎬ在９０Ｎ ｍ时比油耗取得最低值ꎬ在实验工况下ＨＣ和ＮＯｘ排放略有下降ꎬ对ＣＯ影响较小ꎮ
关键词:汽油机ꎻ丁醇ꎻ混合燃料ꎻ排放
中图分类号:ＴＫ４２７㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０１６)０６￣０８０￣０７
ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆＮ￣ｂｕｔａｎｏｌ￣ｇａｓｏｌｉｎｅ
ｂｌｅｎｄｉｎｇｆｕｅｌａｐｐｌｉｅｄｇａｓｏｌｉｎｅｅｎｇｉｎｅ
ＡＮＭｉｎｇ１ꎬＦＥＮＧＨｏｎｇ￣ｑｉｎｇ１∗ꎬＬＩＵＤａｏ￣ｊｉａｎ１ꎬＺＨＡＮＧＪｉｎｇ１ꎬＬＩＤｕｎ１ꎬＺＨＡＮＧＸｉａｏ￣ｄｏｎｇ２
(１.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍꎬＱｉｎｇｄａｏ２６６５８０ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｉｏｍａｓｓＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｅｒｇｙＲｅｓｅａｒｃｈꎬＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＪｉｎａｎ２５００１４ꎬＣｈｉｎａ)
ＡｂｓｔｒａｃｔʒＷｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｂｌｅｎｄｉｎｇｆｕｅｌｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｌｅｎｄｉｎｇｒａｔｉｏｓｏｆｎ￣ｂｕｔａｎｏｌａｎｄｇａｓｏｌｉｎｅａｐｐｌｉｅｄｐｏｒｔｆｕｅｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅ.Ｗｅｃｏｍｐａｒｅｄｐｕｒｅｇａｓｏｌｉｎｅａｎｄｔｈｅｂｌｅｎｄｉｎｇｆｕｅｌｏｆｂｌｅｎｄｉｎｇｒａｔｉｏｓｏｆ１０％ａｎｄ２０％ｆｏｒ２０００ｒ/ｍｉｎａｎｄ２５００ｒ/ｍｉｎ.ＲｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｓｌｉｇｈｔｌｙｆａｌｌｓａｎｄＢＳＦＣｉｎｃｒｅａｓｅｓａｌｉｔｔｌｅ.Ｓｐｅｃｉｆｉｃｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｓｔｈｅｌｏｗｅｓｔｆｏｒｔｏｒｑｕｅｍｏｍｅｎｔｏｆ９０Ｎ ｍ.ＦｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎꎬＨＣａｎｄＮＯｘｅｍｉｓｓｉｏｎｓｌｉｇｈｔｌｙ
ｄｅｃｒｅａｓｅｓ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｎＣＯｅｍｉｓｓｉｏｎｉｓｌｅｓｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓʒｇａｓｏｌｉｎｅｅｎｇｉｎｅꎻｂｕｔａｎｏｌꎻｂｌｅｎｄｉｎｇｆｕｅｌꎻｅｍｉｓｓｉｏｎ
㊀㊀随着汽油机的进一步发展ꎬ必须努力改善其燃油经济性ꎮ与传统化石燃料相比ꎬ丁醇可来源于木质纤维㊁生物秸秆等生物质ꎬ具有可再生性ꎮ同时ꎬ丁醇还具有更高的能量密度和较高的辛烷值ꎬ腐蚀性小ꎬ与汽油互溶性好ꎬ具有良好的应用前景ꎮ目前ꎬ国内外就丁醇在内燃机上的应用开展了一系列的研究[１￣３]ꎬ主要涉
１８第６期安铭ꎬ等:丁醇￣汽油混合燃料应用于汽油机的性能实验研究
及汽油机的动力性㊁经济性和排放特性等方面ꎮ
杨靖等[４]通过实验和计算研究了在汽油机上燃烧丁醇￣汽油混合燃料的放热规律以及与燃烧汽油的不同ꎬ从燃料的性质和内燃机燃烧学的角度分析了放热速率形成差异的原因ꎮ介绍了燃用丁醇￣汽油混合燃料对发动机性能的影响ꎬ并通过点火提前角优化和空燃比优化得到了更好的综合性能ꎬ从而验证了丁醇取代部分汽油后在发动机中燃烧的可行性和实现节能减排的双重优越性ꎮ李克等[５]对比分析了丁醇与汽油的理化性质和燃烧特性之后ꎬ对掺入不同比例丁醇的汽油在发动机中进行了台架实验ꎬ初步确定了燃用丁醇￣汽油调合燃料对发动机动力性和经济性的影响ꎮ同时ꎬ对发动机瞬变参数进行了合理调整ꎬ实验结果表明ꎬ在结构不做改动而仅对可变参数进行调整时ꎬ该汽油机可以燃用丁醇体积分数达３０％的丁醇￣汽油混合燃料ꎬ其排放得到了很大的改善而动力性和经济性基本保持不变ꎮ胡志远等[６]在一台电控进气道多点喷射汽油机上ꎬ对燃用按不同比例混合的丁醇￣汽油燃料的非常规排放特性进行了实验研究ꎮ结果发现ꎬ在未对发动机进行任何改动的情况下ꎬ与燃用纯汽油相比ꎬ发动机燃用丁醇￣汽油混合燃料的动力性㊁ＳＯ２排放和温室气体(包括ＣＯ２㊁ＣＨ４和ＮＯｘ等)排放降低ꎬ燃油消耗率和醛类排放增加ꎬ其变化幅度随混合燃料中丁醇体积分数的增加而增大ꎮ当掺混丁醇体积分数低于２０％时发动机的醇类排放降低ꎬ当混合比例超过２０％时发动机的醇类排放增大ꎮ
Ｖｅｎｕｇｏｐａｌ等[７]采用双燃料喷射策略实现了进气道同时喷射汽油和丁醇ꎬ对火花点火发动机燃用丁醇￣汽油混合燃料进行了实验研究ꎮ结果表明ꎬ采用双燃料喷射策略能够实现更高的混合比ꎬ不同工况下通过改变混合燃料的掺混比例可显著降低ＨＣ的排放ꎮＷａｌｌｎｅｒ等[８]研究了使用丁醇和汽油的混合物作为ＤＩＳＩ发动机燃料时的各种排放ꎬ研究发现ꎬ在任何工况下ꎬ添加丁醇的汽油在发动机中燃烧ꎬＮＯｘ排放都会较纯汽油时低ꎮ随着丁醇掺混比例的增加ꎬ甲醛和乙醛排放逐渐增多ꎻ然而ꎬ在较高的丁醇掺混比例下ꎬＨＣ排放中的含氧化合物成分将占总ＨＣ排放的一半以上ꎮＴｏｒｎａｔｏｒｅ等[９]在一台装配有涡轮增压器的单缸进气道喷射的火花点火发动机上研究了两种喷油时刻下ꎬ汽油中掺混体积分数为４０％的丁醇(简称ＢＵ４０)时对发动机性能和排放的影响ꎬ喷油时刻分别在进气阀关闭和进气阀开启时刻ꎮ采用ＢＵ４０燃料可以有效减少燃烧室积碳和颗粒物排放ꎮ
由此可见ꎬ丁醇掺混在汽油中对于汽油机燃烧和排放具有积极效果ꎬ但研究者对于丁醇在丁醇汽油混合燃料中所起的作用认识并不完全一致ꎮ本文主要研究丁醇￣汽油混合燃料对火花点火发动机性能的影响ꎬ在多缸汽油发动机台架上进行丁醇￣汽油混合燃料对汽油机的动力性㊁经济性和排放等特性影响的实验研究ꎮ１㊀实验设备及燃料制备
１.１㊀实验设备及参数
实验装置示意图如图１所示ꎮ本文实验在一台直列四缸㊁四冲程㊁自然吸气式火花点火发动机上进行ꎬ发动机的基本参数见表１ꎮ发动机喷油系统采用德国ＢＯＳＣＨ公司Ｍｏｔｒｏｎｉｃ３.８.２电子控制多点汽油顺序喷射系统ꎮ发动机与电涡流测功机相连ꎬ并通过测控系统调整发动机的转速和扭矩大小ꎮ尾气分析仪型号为ＡＶＬＤｉＧａｓ４０００Ｌｉｇｈｔ五组分尾气分析仪ꎬ该仪器可以测量ＣＯ㊁ＣＯ２㊁ＨＣ和ＮＯｘ的排放ꎬ以及Ｏ２含量㊁过量空气系数和发动机转速等参数ꎮ该分析仪能够进行多燃料测试ꎬ包括汽油㊁ＣＮＧ㊁ＬＰＧ和乙醇ꎬ具有可靠性好㊁精度高等优点ꎮ
１.２㊀燃料制备及理化特性分析
本文实验中发动机所用混合燃料分别是ＢＵ０㊁ＢＵ１０和ＢＵ２０３种丁醇￣汽油混合燃料ꎬ即丁醇在混合燃料中体积分数分别为０％㊁１０％㊁２０％ꎮ其中ꎬ汽油为从加油站购买的普通９３＃汽油ꎬ丁醇纯度大于９９.５％ꎮ在对发动机不做任何改动的情况下ꎬ混合燃料的理化特性对发动机性能的影响比较大ꎮ然而丁醇￣汽油混合燃料的理化特性受丁醇含量的影响比较大ꎬ因此下面分析丁醇含量对丁醇混合燃料理化特性的影响ꎮ
山㊀东㊀科㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１６
年
１发动机ꎻ２测功机ꎻ３火花塞ꎻ４喷油器ꎻ５进气节流阀ꎻ６冷却装置ꎻ７缸压传感器ꎻ８轴角编码器ꎻ９空气滤清器ꎻ１０尾气分析仪ꎻ１１数据采集及指令传输系统ꎻ１２ＥＣＵ及测控系统ꎮ
图１㊀实验装置图
Ｆｉｇ.１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆａｃｉｌｉｔｙ表１㊀实验用发动机主要技术参数
Ｔａｂｌｅ１㊀Ｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｅｎｇｉｎｅ
项目参数发动机类型
直列４冲程４缸８气门自然吸气式排量/ｍＬ
１７８１缸径/ｍｍ
８１冲程/ｍｍ
８６.４压缩比
９.５:１最大功率
７４ｋＷ/５２００(ｒ/ｍｉｎ)最大扭矩
１５５Ｎ ｍ/３８００(ｒ/ｍｉｎ)供油方式
ＢｏｓｃｈＭ３.８.２电子控制顺序多点燃油喷射系统最低燃油消耗率
ɤ２７８.５ｇ/ｋＷ ｈ冷却系统水冷
㊀㊀本文采用密度计分别测量了ＢＵ０㊁ＢＵ１０和ＢＵ２０等３种丁醇￣汽油混合燃料的密度ꎬ同时采用式(１)计算丁醇￣汽油混合燃料的密度ꎮ混合燃料密度的计算值与测量值非常相近ꎬ且随丁醇体积分数的增加而增加ꎮ
ρｍ＝ρｂα＋ρｇ１－α()ꎬ(１)式中ꎬρｍ为混合燃料密度ꎬｇ ｍＬ￣１ꎻρｂ为丁醇密度ꎬｇ ｍＬ￣１ꎻρｇ为汽油密度ꎬｇ ｍＬ￣１ꎻα为混合燃料中丁醇所占的体积分数ꎮ
本文采用ＩＫＡＣ２００量热仪分别测量了ＢＵ０㊁ＢＵ１０㊁ＢＵ２０等３种丁醇/汽油混合燃料的低热值ꎬ同时采用式(２)和(３)计算丁醇￣汽油混合燃料的低热值ꎬ二者间的对比如表２所示ꎮ可以看出ꎬ混合燃料低热值的计算值与测量值相近ꎬ虽然丁醇的低热值只有汽油的７６.６％ꎬ但是混合燃料低热值随丁醇体积分数的增加下降并不明显ꎮ
ＨＬꎬｍ＝ＨＬꎬｂｗ＋ＨＬꎬｇ１－ｗ()ꎬ(２)ｗ＝αρｂ()/αρｂ＋ρｇ１－α()[]ꎬ(３)式中ꎬＨＬꎬｍ为混合燃料低热值ꎬＭＪ ｋｇ￣１ꎻＨＬꎬｂ为丁醇低热值ꎬＭＪ ｋｇ￣１ꎻＨＬꎬｇ为汽油低热值ꎬＭＪ ｋｇ￣１ꎻｗ为混合
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第６期安铭ꎬ等:丁醇￣汽油混合燃料应用于汽油机的性能实验研究
燃料中丁醇所占的质量分数ꎮ
表２㊀混合燃料低热值
Ｔａｂｌｅ２㊀Ｌｏｗｈｅａｔｉｎｇｖａｌｕｅｏｆｂｌｅｎｄｉｎｇｆｕｅｌ
燃料类型ＢＵ０ＢＵ１０ＢＵ２０丁醇
低热值测量值/(ＭＪ ｋｇ￣１)４３.５４２.５４１.３３３.１
低热值计算值/(ＭＪ ｋｇ￣１)￣４２.４０４１.２７￣
燃料燃烧的本质是燃料中的碳和氢与空气中的氧气进行氧化放热反应ꎬ因此燃料在气缸中的循环放热量主要由缸内可燃混合气的能量密度决定ꎮ若空气中氧气体积分数为２１％ꎬ氮气体积分数为７９％ꎬ汽油分子式记为Ｃ８Ｈ１６ꎬ则汽油的化学计量空燃比为１４.７ꎬ丁醇的化学计量空燃比为１１.１２ꎬ混合燃料ＢＵ１０和ＢＵ２０的化学计量空燃比分别为１４.３１和１３.９３ꎮ化学计量可燃混合气的能量密度可通过式(４)计算得到ꎮ可以看出ꎬ汽油掺混丁醇后ꎬ混合燃料的理论空燃比降低ꎬ但化学计量可燃混合气的能量密度基本保持不变ꎮ因此ꎬ汽油掺混丁醇后ꎬ可以通过调整发动机的喷油系统ꎬ来保证可燃混合气的能量密度基本保持不变从而保证发动机的动力性不下降ꎮ若对发动机不做任何改动ꎬ同一工况点时增加丁醇在汽油中的掺混比例ꎬ会导致过量空气系数变大ꎮ
Ｅｍꎬ０＝
ＨＬꎬｍ
１＋Ｌ０ꎬ(４)
式中ꎬＥｍꎬ０为化学计量可燃混合气能量密度ꎬＭＪ ｋｇ￣１ꎻＬ０为燃料理论空燃比ꎬｋｇ ｋｇ￣１ꎮ
２㊀结果与分析
为了分析在对发动机未做任何改动的情况下ꎬ丁醇￣汽油混合燃料对汽油发动机的动力性㊁经济性和排放特性的影响ꎬ本文在车用不同转速㊁不同负荷状态下进行了部分负荷特性实验ꎮ所用燃料为ＢＵ０㊁ＢＵ１０㊁ＢＵ２０ꎬ选定转速分别为２０００ｒ/ｍｉｎ和２５００ｒ/ｍｉｎꎬ在同一转速下ꎬ从无负荷开始逐渐加大节气门开度ꎬ直至节气门全开ꎮ
由于丁醇理论空燃比明显低于汽油ꎬ在对发动机喷油系统不做任何调整的情况下ꎬ掺混丁醇会增大过量空气系数ꎬ因此ꎬ在高负荷情况下ꎬ负荷相同时ꎬ掺混丁醇后节气门开度要大于纯汽油ꎮ综上所述ꎬ在本文研究工况范围内ꎬ在未对发动机参数做任何改动的情况下ꎬ汽油机燃用丁醇￣汽油混合燃料时的动力性有所下降ꎮ
２.１㊀丁醇￣汽油混合燃料对经济性的影响
有效热效率和有效燃油消耗率(ＢＳＦＣ)是发动机经济性的重要指标ꎮ在获得发动机有效燃油消耗率的情况下ꎬ有效热效率ηｅｔ与有效燃油消耗率之间存在如下关系ꎬ如式(５)所示ꎮ
ηｅｔ＝３.６ˑ１０３
ｂｅ ＨＬˑ１００％ꎬ(５)式中ꎬｂｅ为有效燃油消耗率ꎬｇ (ｋＷ ｈ)￣１ꎻＨＬ为燃料低热值ꎬＭＪ ｋｇ￣１ꎮ
图２给出了不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下有效燃油消耗率随负荷变化的情况ꎮ可以看出ꎬ不同转速下３种燃料的有效燃油消耗率随负荷变化的趋势相同ꎮ有效燃油消耗率随负荷的增加先减小后增大ꎬ转速为２５００ｒ/ｍｉｎ时最低燃油消耗率扭矩点要较２０００ｒ/ｍｉｎ时右移ꎮ总体来看ꎬ在去除误差因素及整个负荷范围内ꎬ有效燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大ꎬ但增长幅度不大ꎮ这是因为发动机的电控喷射系统是根据发动机所处的工况(如起动㊁怠速㊁加速㊁减速和常用工况等)采用相应喷油策略的ꎬ并不能识别不同燃料ꎬ汽油掺混丁醇后ꎬ喷油系统依然按照汽油喷射策略喷油ꎮ混合燃料理论空燃比随丁醇掺混比例的增加而变小ꎬ因此当发动机转速和负荷相同时ꎬ实际过量空气系数随丁醇掺混比例的增加而变大ꎬ混合气
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山㊀东㊀科㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１６年变稀ꎬ能量密度降低ꎬ导致节气门开度随丁醇掺混比例的增加而增大ꎬ同时由于丁醇汽化潜热大ꎬ热值低ꎬ导致喷油量增大ꎬ因而燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大
ꎮ
图２㊀有效燃油消耗率随扭矩变化的规律
Ｆｉｇ.２㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｂｒａｋｅｓｐｅｃｉｆｉｃｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ(ＢＳＦＣ)ｗｉｔｈｔｏｒｑｕｅｍｏｍｅｎｔ汽油掺混丁醇后ꎬ混合燃料的热值降低ꎬ因此单纯用燃油消耗率来比较汽油机燃用丁醇￣汽油混合燃料
的经济性并不全面ꎮ有效热效率是衡量发动机经济性的另一个重要指标ꎮ图３是不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下有效热效率随负荷变化的情况ꎮ可以看出ꎬ不同转速下３种燃料的有效热效率随负荷变化的趋势相同ꎮ有效热效率随负荷的增加先增大后减小ꎬ转速为２５００ｒ/ｍｉｎ时最高有效效率扭矩点要较２０００ｒ/ｍｉｎ时右移ꎮ总体来看ꎬ在去除误差因素及整个负荷范围内ꎬ虽然有效燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大ꎬ但有效效率并不随丁醇掺混比例的增加而降低ꎬ掺混丁醇对有效热效率的影响并不大ꎮ这主要有三方面的原因:一是因为丁醇为含氧燃料ꎬ在燃烧过程中自身含有的氧原子改善了燃烧ꎬ使得燃烧更加充分ꎬ从而提高了发动机的热效率ꎬ改善了发动机的经济性ꎻ二是因为丁醇的汽化潜热高ꎬ当丁醇掺混比例增加时ꎬ会降低缸内混合气体的温度ꎬ使得经缸壁向外传热的损失减小ꎬ从而提高了发动机的热效率ꎻ三是相比于汽油ꎬ丁醇燃烧火焰传播速度和燃烧速度快ꎬ燃烧定容程度高ꎬ峰值压力大ꎬ从而提高了发动机的热效率[１０]
ꎮ
图３㊀有效热效率随扭矩变化的规律
Ｆｉｇ.３㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅｈｅａｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｔｈｔｏｒｑｕｅｍｏｍｅｎｔ
２.２㊀丁醇/汽油混合燃料对排放特性的影响汽油机的排气污染物主要是ＣＯ㊁ＨＣ和ＮＯｘ３种ꎬＮＯｘ通常是指ＮＯ和ＮＯ２ꎬ其中主要是ＮＯꎬ占９０％~
９５％ꎮ本文通过ＡＶＬＤｉＧａｓ４０００Ｌｉｇｈｔ五组份尾气分析仪对过量空气系数及尾气中的ＣＯ㊁ＨＣ和ＮＯｘ３种污染物进行检测ꎮ
图４给出了不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下过量空气系数随负荷变化的情况ꎮ可以看出ꎬ不同转速下３种燃料的过量空气系数随负荷变化的趋势相同ꎮ转速为２０００ｒ/ｍｉｎ时ꎬ在中低负荷下ꎬ过量空４８
第６期安铭ꎬ等:丁醇￣汽油混合燃料应用于汽油机的性能实验研究气系数稳定保持在化学计量比附近ꎬ在高负荷时ꎬ过量空气系数减小ꎮ在相同负荷下ꎬ随丁醇掺混比例的增加过量空气系数增加ꎬ这主要是因为丁醇理论空燃比明显低于汽油ꎬ在对发动机不做任何改动的情况下ꎬ掺混丁醇使实际的过量空气系数降低ꎮ而在转速为２５００ｒ/ｍｉｎ时ꎬ过量空气系数始终稳定保持在化学计量比附近ꎬ且在高负荷时略有升高ꎮ这是因为在相同负荷下ꎬ增大转速需要进一步增大节气门开度
ꎮ
图４㊀过量空气系数随扭矩的变化情况
Ｆｉｇ.４㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｅｘｃｅｓｓａｉｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗｉｔｈｔｏｒｑｕｅｍｏｍｅｎｔ图５给出了不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下ＣＯ排放随负荷变化的情况ꎮ可以看出ꎬ不同转
速下３种燃料的ＣＯ排放随负荷变化的趋势相同ꎮ在转速为２０００ｒ/ｍｉｎ时ꎬ３种燃料在中低负荷下ＣＯ排放差别不大ꎬ且随着负荷的增加变化也不明显ꎮ这是因为在中低负荷时ꎬ过量空气系数保持相对稳定ꎬＣＯ的生成主要由燃料的不完全燃烧导致ꎬ因而ＣＯ排放量较少且变化不大ꎮ而在转速为２５００ｒ/ｍｉｎ时ꎬＣＯ的排放随负荷增加的变化并不明显ꎮ此外ꎬ随丁醇掺混比例的增加虽然燃油消耗率增加ꎬ但丁醇为含氧燃料ꎬ在燃烧过程中自身含有的氧原子改善了燃烧情况ꎬ使得燃烧更加充分ꎬ因而ＣＯ排放量并不随丁醇掺混比例的增加而增加ꎮ在高负荷时ꎬ过量空气系数减小ꎬ混合气变浓ꎬ燃料在缺氧情况下不完全燃烧加重ꎬ因而ＣＯ排放量增加较多
ꎮ
图５㊀ＣＯ排放随扭矩变化的情况
Ｆｉｇ.５㊀ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＣＯｅｍｉｓｓｉｏｎｗｉｔｈｔｏｒｑｕｅｍｏｍｅｎｔ
图６给出了不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下ＨＣ排放随负荷变化的情况ꎮ汽油机中ＨＣ的生成原因比较复杂ꎬ主要途径有不完全燃烧㊁壁面淬熄效应㊁壁面油膜和积碳的吸附效应ꎮ由图可以看出ꎬ对于同一种燃料ꎬ在转速为２０００ｒ/ｍｉｎ㊁中低负荷时ꎬＨＣ排放量随负荷的变化无明显变化ꎮ这主要是因为在中低负荷下ꎬ过量空气系数稳定保持在化学计量比附近ꎬ混合气燃烧充分ꎬ因而ＨＣ的排放较少ꎮ但在高负荷时ꎬ过量空气系数降低ꎬ混合气变浓ꎬ燃料燃烧不充分ꎬ因而ＨＣ排放量总体上升ꎮ而转速为２５００ｒ/ｍｉｎ时ꎬ由于过量空气系数始终稳定保持在化学计量比附近ꎬ且在高负荷时略有升高ꎬ所以ＨＣ排放量在中低负荷时差别不大ꎬ而在高负荷时有所下降ꎮ此外ꎬ在工况相同的条件下ꎬ随着丁醇掺混比例的增加ꎬＨＣ的排放减５８
山㊀东㊀科㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１６年少ꎮ这是由于丁醇为含氧燃料ꎬ在燃烧过程中自身含有的氧原子改善了燃烧情况ꎬ同时丁醇掺混比例的增
加ꎬ过量空气系数增大ꎬ使得燃烧更加充分
ꎮ图６㊀ＨＣ排放随扭矩变化的情况
Ｆｉｇ.６㊀ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＨＣｅｍｉｓｓｉｏｎｗｉｔｈｔｏｒｑｕｅｍｏｍｅｎｔ㊀㊀图７为不同丁醇掺混比例混合燃料在不同转速下ＮＯｘ排放随负荷变化的情况ꎮ可以看出ꎬ不同转速下３种燃料的ＮＯｘ排放随负荷变化的趋势相同ꎮ对于同一种燃料ꎬ在中低负荷时ꎬＮＯｘ排放随负荷的增加而增加ꎮ原因在于发动机在中低负荷工况时ꎬ发动机处于化学计量比工作条件ꎬ此时ＮＯｘ的生成受温度的影响更为明显ꎬ负荷的增加导致发动机燃烧温度升高ꎬ因而ＮＯｘ排放随之增加ꎮ在高负荷时ꎬ由于过量空气系数减小ꎬ燃料在缺氧状态下燃烧ꎬ因而ＮＯｘ排放降低ꎮ而汽油掺混丁醇后ꎬ在转速为２０００ｒ/ｍｉｎ时ꎬＮＯｘ排放随负荷的增加明显降低ꎬ而转速为２５００ｒ/ｍｉｎ时ꎬ在中低负荷下ꎬＮＯｘ排放随负荷的增加变化不明显ꎬ在高负荷时明显降低ꎮ这是因为丁醇理论空燃比明显低于汽油ꎬ在对发动机不做任何改动的情况下ꎬ掺混丁醇使实际的过量空气系数降低ꎬ同时由于丁醇汽化潜热高于汽油ꎬ而热值低于汽油ꎬ导致燃烧温度降低ꎬ因而ＮＯｘ排放随丁醇掺混比例的增加而降低
ꎮ
图７㊀ＮＯ排放随扭矩变化的情况
Ｆｉｇ.７㊀ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＮＯｅｍｉｓｓｉｏｎｗｉｔｈｔｏｒｑｕｅｍｏｍｅｎｔ
３㊀结论(１)在未对发动机参数做任何改动的情况下ꎬ汽油机燃用丁醇￣汽油混合燃料后的动力性有所下降ꎮ
(２)转速为２０００ｒ/ｍｉｎꎬ在扭矩９０Ｎ ｍ时ꎬ油耗率最低ꎻ在转速为２５００ｒ/ｍｉｎꎬ扭矩为９０Ｎ ｍ和１０５Ｎ ｍ时均最低ꎬ有效燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大ꎬ有效热效率并不随丁醇掺混比例的增加而降低ꎬ掺混丁醇对有效热效率的影响并不大ꎮ
(３)在２０００ｒ/ｍｉｎ和２５００ｒ/ｍｉｎ的实验条件下ꎬ对于不同扭矩ꎬ汽油掺混丁醇能降低ＨＣ和ＮＯｘ排放ꎬ但对ＣＯ排放影响不大ꎮ(下转第９３页)６８。