乙醇汽油E85在中低負(fù)荷排放特性及燃油消耗率的研究

摘 要 乙醇汽油E85由85%的乙醇和15%的汽油混合而成，它的價(jià)格與性能與常規(guī)汽油相似。本實(shí)驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度、點(diǎn)火提前角、空燃比等參數(shù)沒有進(jìn)行調(diào)整。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管（未經(jīng)過三元催化反應(yīng)裝置）中氣體進(jìn)行分析來研究發(fā)動(dòng)機(jī)在使用E85和普通汽油時(shí)的排放特性，并比較了使用兩種燃料時(shí)燃油消耗率及熱效率的差異。由于一般汽車主要在中低負(fù)荷工作，因此本實(shí)驗(yàn)主要考察發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷時(shí)的排放特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用E85后，發(fā)動(dòng)機(jī)的CO、NOx、HC排放都顯著減少，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率也有所提高。唯一的不足在于，由于乙醇的低熱值較低，對(duì)于同樣的續(xù)航里程需要更大容積的油箱。

關(guān)鍵詞 乙醇汽油E85；發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性；燃油消耗率

中圖分類號(hào) U473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)071-0129-01

汽車尾氣中有害氣體對(duì)于人類社會(huì)的影響甚至已經(jīng)超過了化石能源短缺的影響。實(shí)驗(yàn)表明，燃料的成分以及燃燒過程中的溫度對(duì)于有害氣體的形成具有重要影響。乙醇由于其本身具有氧元素，因此能減小不完全燃燒的程度。此外，由于乙醇具有較大的氣化潛熱，能有效減少氮氧化物的產(chǎn)生。不僅如此，乙醇作為燃料還具有高辛烷值、可再生等特性。在世界各地，乙醇汽油被逐步推廣使用。其中在美國(guó)乙醇汽油E85被廣泛使用。本文研究了使用E85的發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性，與使用正常汽油的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，然后分析了E85具有更好的排放特性的內(nèi)在機(jī)理。

1 試驗(yàn)儀器與方案

本試驗(yàn)采用一臺(tái)美國(guó)通用公司的Quad-4直列、四缸、16氣門發(fā)動(dòng)機(jī)。排量為2260 cc，壓縮比9.5:1，最大功率112 kW

（5200 rpm）。使用傳感器和Labview軟件來記錄轉(zhuǎn)速、壓強(qiáng)以及相位角。其他主要設(shè)備有Thermo Scientific牌氣體分析儀、液壓自動(dòng)測(cè)矩器。通過測(cè)矩器控制扭矩，再通過Labview軟件和控制節(jié)氣門的開度來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并使用氣體分析儀記錄各種廢氣的體積分?jǐn)?shù)。分別對(duì)普通汽油和乙醇汽油E85進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速選為

3000r/min，測(cè)量在不同扭矩下的排放。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 CO排放

CO是由于可燃混合氣體不完全燃燒而引起的，使用汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷的范圍內(nèi)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的有效功率的增加，CO的排放減小，這是因?yàn)闇囟雀?，所以更多的CO在產(chǎn)生以后會(huì)在燃燒室內(nèi)被氧化。而使用E85的發(fā)動(dòng)機(jī)排放的CO則基本在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，這是因?yàn)樨?fù)荷增加，可燃混合器的濃度增加，由于乙醇的氣化潛熱使氣缸溫度產(chǎn)生下降的趨勢(shì)，所以抑制了CO的氧化，因此CO基本不變。同時(shí)可以看到，使用E85產(chǎn)生的CO遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用普通汽油而產(chǎn)生的CO。CO排放減少高達(dá)79.3%至84.2%。原因在于乙醇的分子中含有羥基，也就是說含有氧原子，這樣使得實(shí)際的過量空氣系數(shù)增大，從而使CO有更多的機(jī)會(huì)被氧化，通常這種作用大于由于乙醇?xì)饣瘽摕嵋饻囟冉档投a(chǎn)生的影響。由于E85中乙醇的含量占85%，因此實(shí)驗(yàn)中CO的減少量非?？捎^。

2.2 HC排放

HC同樣是由于可燃混合氣體不完全燃燒而引起的，從圖1中可以看出，HC排放和CO排放具有相似的趨勢(shì)，這是因?yàn)樗鼈兌际且驗(yàn)槿紵煌耆鸬模⑶叶家驗(yàn)檠醯脑黾右约皽囟鹊脑黾佣沟帽谎趸牧吭黾?。同樣的，使用E85產(chǎn)生的HC遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用普通汽油而產(chǎn)生的CO。HC排放減少高達(dá)78.7%至88.9%。

圖1 兩種燃料HC排放對(duì)比（n=3000 r/min）

2.3 NOx排放

根據(jù)NOx形成的機(jī)理，有兩個(gè)因素影響其形成，一是燃燒過程中最高溫度以及保持在高溫的時(shí)間，二是過量空氣系數(shù)，一般比理想空燃比的可燃混合氣稍微稀薄的混合氣有利于NOx的形成。因此隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)最高溫度增加，NOx的產(chǎn)生增加。這種趨勢(shì)在使用普通汽油和E85乙醇汽油時(shí)都得到了體現(xiàn)。與前面結(jié)果相同的是，使用E85乙醇汽油后NOx排放顯著減少。CO排放減少高達(dá)84.3%至86.5%。引起這個(gè)的原因與引起CO和HC減少的原因不同，此處是因?yàn)橐掖嫉膿]發(fā)吸收大量熱量，從而降低了氣缸的溫度，從而使NOx明顯減少。當(dāng)然，乙醇分子中的氧會(huì)使NOx增加，但這個(gè)因素與乙醇揮發(fā)引起溫度降低相比是次要的。

2.4 有效燃油消耗率和熱效率

由于乙醇的低熱值約為27 MJ，小于汽油的42 MJ，因此使用E85燃料以后發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率顯著增加，這樣對(duì)于相同的續(xù)航里程所需要的油箱的體積增加，這是使用乙醇汽油的一大

缺點(diǎn)。

但是，使用E85卻能夠獲得更高的熱效率。燃料能夠更加充分地燃燒，因此效率提高。如圖2所示，使用E85后發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提高了3%至8%。

3 結(jié)論

1）使用E85乙醇汽油能夠顯著降低CO和HC的排放，這是因?yàn)橐掖挤肿又泻醒踉樱虼耸沟酶嘤捎诳扇蓟旌蠚饣旌喜?/p>

（下轉(zhuǎn)第123頁(yè)）

（上接第129頁(yè)）

均勻而不完全燃燒產(chǎn)生的CO和HC被氧化。由于乙醇的氣化潛熱較大，這樣使得即使發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增加，氣缸內(nèi)溫度增加也不顯著。這樣導(dǎo)致了CO和HC的排放在使用E85時(shí)沒有隨著負(fù)荷的增加而顯著減少。

圖2 兩種燃料熱效率對(duì)比（n=3000r/min）

2）雖然NOx的產(chǎn)生需要過量的氧氣，但是使用E85并不會(huì)導(dǎo)致NOx排放增加。這是因?yàn)橐掖紦]發(fā)使溫度降低，而高溫則是NOx產(chǎn)生的另一重要條件。其中在本次試驗(yàn)中，溫度的影響大于氧成分增加的影響，因此E85所造成的NOx排放同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通汽油的NOx排放。

3）很明顯使用E85能夠顯著地減少HC、CO、NOx的排放，但是同時(shí)有限燃油消耗率也有所增加，這主要是因?yàn)橐掖嫉牡蜔嶂递^低。因此，使用E85將需要更大的油箱，這是使用E85的一大缺點(diǎn)。即便如此，使用E85后熱效率可以提高3%至8%?？傊掖计陀捎谄淞己玫呐欧盘匦砸约翱稍偕?，必將在未來發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]Heywood， J.B.， Internal Combustion Engine Fundamentals， McGraw-Hill， New York， 1988.

[2]譚滿志，郭英男，劉金山等.化油器發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同比例乙醇汽油的性能和排放測(cè)試[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2005，35(1):24-28.