丁醇汽油對發(fā)動機性能影響的實驗研究

摘 要:以93#無鉛汽油為基礎(chǔ)油，按照體積分?jǐn)?shù)配制出20%的丁醇汽油混合燃料

，研究了電噴汽油機在不作改動的情況下燃用高摻混比丁醇汽油混合燃料時的動力性和經(jīng)

濟性變化情況.研究結(jié)果表明，在不改變汽油機任何參數(shù)的情況下，與原汽油機相比，20%體

積摻混率的丁醇汽油混合燃料動力性相差不大，低

轉(zhuǎn)速性能還稍有提高，而CO和HC的排放則有明顯的改善.

關(guān)鍵詞:丁醇; 混合燃料; 發(fā)動機性能; 排放

中圖分類號:TK464 文獻標(biāo)識碼:A

Experimental Study of the Effects of Butanol-gasoline Blend on Engine Performance

YANG Xiao-long， YANG Jing， LIN Tie-ping

(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract:

20% Butanol-Gasoline blend was mixed based on volume ratio with 93# unleaded gasoline. The effects of the butanol-gasoline blended fuel on the engine performance were investigated through experiments. The experiment results have shown that， without any modification of the engine， the 20% Butanol-gasoline blended fuel has little effect on the engine performance compared with the original 93# gasoline fuel. The performance at low speed is even better. And the HC and CO emissions are reduced significantly.

Key words:

Butanol; Butanol-gasoline blended fuel; engine performance; emissions

能源與環(huán)境是目前全世界關(guān)注的兩大主題.由于石油資源的枯竭和汽車排放法規(guī)日益嚴(yán)

格^[1]，加強節(jié)能和發(fā)展替代能源已成為中國的基本國策.進入21世紀(jì)以來，以混合

動力、燃

料電池、生物燃料、天然氣汽車等為代表的新能源汽車技術(shù)呈現(xiàn)出百花齊放、百舸爭流的多

元化發(fā)展態(tài)勢.在眾多車用替代能源中，生物燃料以其清潔、可再生以及低污染的優(yōu)勢具有

很好的發(fā)展前景^[1-2].

目前常用的生物燃料有:甲醇、乙醇、丁醇、生物柴油等^[3-6].其中甲醇本身

有毒且運

輸和儲存困難，燃燒后還會產(chǎn)生有毒氣體甲醛;乙醇和生物柴油的制造原料主要是玉米和大

豆，它們的生產(chǎn)需要占用人類賴以生存的大量土地和水資源.生物丁醇是一種新型的生物

燃料.國外少數(shù)化工和生物企業(yè)進行了丁醇燃燒試驗，結(jié)果表明丁醇作為車用燃料更優(yōu)于乙

醇^[7-8].

在發(fā)動機不作任何改動的情況下，目前所見文獻中甲醇體積摻混比為10%，乙醇為15%，

而國內(nèi)有關(guān)丁醇混合燃料的研究還很少，相關(guān)成果也少見報導(dǎo).本文通過發(fā)動機臺架實驗對

體積摻混比為20%的丁醇汽油混合燃料進行初步

研究，分析了其對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放的影響.

1 混合燃料理化特性分析

丁醇是一種化學(xué)組成單一的含氧燃料，是醇類燃料的一種，由碳、氫、氧元素組成.生

物丁醇除了可以從谷物、小麥、甘蔗等提取外，木質(zhì)莖、稻草、農(nóng)業(yè)殘余物、玉米纖維和外

皮等均含有大量的纖維素和部分木質(zhì)素，也可以作為制取生物丁醇的原材料，因此可以避免

占用糧食資源，不會對環(huán)境造成工業(yè)污染和耗費礦物能源.表1給出了丁醇、乙醇和汽油的一

些性質(zhì)對比.

表1 丁醇、乙醇和汽油部分特性對比

Tab.1 The comparison of butanol， ethanol and gasoline

丁醇與乙醇相比碳鏈更長，使其具有更高的熱值和沸點，丁醇其熱值跟汽油非常接近，比甲醇、乙醇

都要

高，含熱量高，意味著丁醇具有更好的燃油經(jīng)濟性.丁醇自帶氧原子，有利于燃燒;同時其辛

烷值較高，抗爆震性能較好.

丁醇的蒸氣壓比較低，其蒸發(fā)性為乙醇的1/6，為汽油的1/13.5，因可以安全地

儲存和運輸，在任何季節(jié)都無需加入其他添加劑.此外，丁醇由于其較低的蒸發(fā)壓力，使其

更容

易添加到傳統(tǒng)汽油中.生物丁醇比生物乙醇更易于與汽油混合，且混合比例更高，有利于

其在發(fā)動機內(nèi)的燃燒.

丁醇因其類似烴類的結(jié)構(gòu)，不易于與水相混合，腐蝕性及水溶性低，可在煉油廠調(diào)和并

用管道運送，現(xiàn)有

的一些基礎(chǔ)設(shè)施都可直接使用，無需改動.

而工業(yè)乙醇中含有水，會腐蝕管道，乙醇必須通過鐵路、船舶或貨車運輸.2 實驗裝置

實驗用發(fā)動機為五菱EQ491i型電噴汽油機，它是一臺四缸、直列、立式四沖程、電噴、

非增壓汽油機.發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)見表2.

表2 發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)

Tab.2 The parameters of the engine

試驗系統(tǒng)總體布置如圖1所示.試驗時發(fā)動機未做任何調(diào)整，所用丁醇

-汽油混合燃料均為現(xiàn)場調(diào)配.

圖1 發(fā)動機實驗臺架

Fig.1 The sketch of the experiment system

3 實驗結(jié)果與分析

31 混合燃料對汽油機動力性的影響

實驗中發(fā)動機分別燃用體積摻混率為20%的丁醇汽

油混合燃料和93#汽油，在保持油門

湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2010年

第2期楊小龍等:丁醇汽油對發(fā)動機性能影響的實驗研究

最大開度的情況下，測得發(fā)動機臺架性能參數(shù)，包括排放、油耗和扭矩等

.圖2給出了外特性下扭矩的對比，功率特性如圖3所示.由圖2，圖3可知，相比于純汽油

，當(dāng)摻燒20

%的丁醇時，發(fā)動機性能基本保持不變，在低速下性能還有所提高，最大扭矩點也有向低轉(zhuǎn)

速移動的趨勢.這是多方面因素綜合造成的結(jié)果:當(dāng)發(fā)動機在全負荷工作時，電噴汽油機的

控

制策略為開環(huán)控制，供給發(fā)動機較濃的混合氣，由于丁醇的理論空燃比低于汽油，摻混20%

時

其理論空燃比約為14.1，故混合燃料在發(fā)動機全負荷運行時的過量空氣系數(shù)高，同時由于

丁醇分子中含有高比例的氧，使得燃料燃燒充分，燃燒效率提高，在改善經(jīng)濟性的同時，也

獲

得較高的功率.但另一方面，丁醇的低熱值低于汽油，在燃油噴射持續(xù)時間不變的情況下

，

隨著混合燃料中丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合燃料熱值降低，會造成發(fā)動機輸出功率下降.另

外丁

醇的汽化潛熱比汽油高很多，其蒸發(fā)吸收熱量，使得空氣溫度下降，密度增加，容積效率提

高;但同時也使與空氣形成混合氣的速度降低，混合質(zhì)量變差，在燃燒過程中會造成較長的

著火延遲，在高轉(zhuǎn)速下會導(dǎo)致做功能力下降.可以預(yù)見當(dāng)摻混丁醇比例進一步加大時，混合

氣熱值會下降比較多，而且點火延滯期會進一步變長，如果不對發(fā)動機的燃料供給系統(tǒng)進行

相應(yīng)的變動，其扭矩會有較大下降.丁醇這一特性相比于甲醇、乙醇來說有很大優(yōu)勢，因為

在發(fā)動機不做任何改動的情況下，甲醇摻混比10%以上，乙醇摻混比15%以上就會出現(xiàn)較大的

動力性下降.

轉(zhuǎn)速/(103r#8226;min-1)

圖2 混合燃料對發(fā)動機扭矩的影響

Fig.2 The effect of butanol-gasoline blend on the engine torque

圖3 發(fā)動機功率的對比

Fig.3 The comparison of engine power

32 混合燃料對汽油機經(jīng)濟性的影響

由于丁醇熱值較汽油低而密度又大于汽油，由圖3可知，混合燃料功率相差不大，因此

摻

混丁醇的混合燃料燃油消耗率應(yīng)稍有增加，實驗結(jié)果也證明了這一點.圖4給出了燃用不同

燃料發(fā)動機外特性上的經(jīng)濟性能變化曲線.由圖4可知，與燃用純汽油相比，混合燃料

除了低轉(zhuǎn)速外燃油消耗率均稍有增加.

圖4 燃油消耗率的對比

Fig.4 The comparison of BSFC

由于丁醇燃料的密度比汽油大，以燃料消耗率評價發(fā)動機燃油經(jīng)濟性有一定的局限性.

而一般市場上液體燃料的銷售都是以體積為計量單位，因此圖5給出了以體積消耗率來評價

發(fā)動機經(jīng)濟性的結(jié)果.與圖4相比，兩者的差別非常小，也就是說1 L混合燃料所產(chǎn)生的功率

大約等同于1 L汽油.

圖5 燃油體積消耗率的對比

Fig.5 The comparison of fuel consumption based on volume

33 混合燃料對汽油機排放性的影響

汽油機燃燒排放物主要有HC，CO，NOx.由于HC和CO均為燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，

當(dāng)汽油

機燃用丁醇汽油調(diào)和燃料后，在大負荷空燃比開

環(huán)控制時，由于提供的是功率混合氣，濃

度較高，與其他醇類燃料類似，此時丁醇汽油燃

料中自身的高含氧量有助于燃料的充分燃

燒，HC和CO的排放明顯下降，如圖6和圖7所示.從圖7中還可看到在低轉(zhuǎn)速時，由于純汽油燃燒

效率不高，故混合燃料CO下降得更多;而在高轉(zhuǎn)速大負荷時，汽油燃燒效率提高，因而兩者

之間的差別比較小.

此外通過40多小時發(fā)動機的臺架實驗，輸油管路和其他元器件沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，說明

丁醇不像甲醇那樣具有強腐蝕性.

圖6 HC排放的對比

Fig.6 The comparison of HC emission

圖7 CO排放的對比

Fig.7 The comparison of CO emission

4 結(jié) 論

本文對20%的丁醇汽油混合燃料進行了初步實驗研究，結(jié)果表明.

1)丁醇是一種非常有潛力的車用替代燃料;

2)體積摻混率達20%的丁醇汽油混合燃料對發(fā)動機的動力性幾乎不造成影響;

3)由于丁醇熱值低而密度大，因此導(dǎo)致燃料消耗率略有提高;

4)丁醇混合燃料的HC和CO排放得到明顯改善.

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