燃用丁醇汽油對發(fā)動機(jī)性能影響的實驗研究

石美玉，朱榮福，齊曉杰，崔宏耀，安永東，譚建偉

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

生物燃料以其低污染、可再生等優(yōu)勢引起了廣泛的關(guān)注。對于點燃式發(fā)動機(jī)，目前我國常用的生物燃料是乙醇汽油，其中乙醇所占的體積為10%。生物丁醇作為第二代生物燃料，與乙醇相比，更適合與汽油混合作為車用燃料使用，因而，許多學(xué)者對生物丁醇燃料的性能展開了研究。

1 燃料理化特性分析

表1給出了汽油、乙醇和丁醇的燃料理化特性對比。如表1所示，乙醇和丁醇都是含氧燃料，燃料中的氧有利于燃料完全燃燒，提高熱效率，進(jìn)而降低油耗和排放。與乙醇相比，丁醇作為車用燃料的優(yōu)勢有:丁醇的熱值、密度更高，與汽油混合后，對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的動力性較?。欢〈嫉恼羝麎簝H為乙醇的1／6，遠(yuǎn)低于汽油，有利于燃料的儲存與運(yùn)輸；丁醇的汽化潛熱低于乙醇，有利于提高發(fā)動機(jī)的冷起動性能；丁醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)與汽油更為接近，親水性弱，與汽油混合不需添加助溶劑；丁醇的腐蝕性低，可直接使用現(xiàn)有的煉油管道運(yùn)輸，無需改動。

表1 燃料理化特性

2 實驗裝置及方法

實驗發(fā)動機(jī)為三菱4G18發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。實驗通過AVLi60直采排放分析系統(tǒng)測量和記錄排放數(shù)據(jù)；利用湘儀CW160發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)測量和記錄功率、油耗等數(shù)據(jù)。

實驗工況為全負(fù)荷速度特性或2 000rpm、2 500rpm發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性。實驗方法參照《GB／T 18297－2001汽車發(fā)動機(jī)性能試驗方法》，實驗前發(fā)動機(jī)預(yù)熱15min以上，燃料溫度應(yīng)控制在298K±5K，機(jī)油溫度為368K±5K，當(dāng)排氣背的背壓低于6.7kPa時開始試驗，每個工況測量時間不少于3min，實驗工況的間隔不低于5min。

實驗燃料為丁醇體積比為10%、20%和30%的三種丁醇汽油混合燃料，分別記作B10、B20和B30。實驗時，發(fā)動機(jī)未做任何改動或調(diào)整，三種比例的丁醇汽油混合燃料均為現(xiàn)場調(diào)配，未添加任何物質(zhì)。

表2 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 動力性分析

圖1給出發(fā)動機(jī)燃用B10（10%丁醇，體積比）、B20（20%丁醇，體積比）和B30（30%丁醇，體積比）丁醇汽油混合燃料的外特性功率對比，如圖1所示。在節(jié)氣門全開的全負(fù)荷工況下，隨著混合燃料中丁醇比例的增加，外特性功率逐漸降低，與B10相比，B20外特性功率平均降幅為2%，B30平均降幅為5%。這主要是由于燃料熱值下降導(dǎo)致的，與汽油相比，丁醇的熱值下降約為25%（見表1），因此，隨著丁醇比例的增加，丁醇汽油混合燃料的熱值逐漸降低，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的動力性下降，但B20的降幅小于B30。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

在相同的負(fù)荷下，由于丁醇的熱值低于汽油，因而，發(fā)動機(jī)的油耗隨著混合燃料中丁醇比例的增加而增大。圖2和圖3表示發(fā)動機(jī)燃用三種燃料的2 000rpm和2 500rpm負(fù)荷特性油耗對比曲線，發(fā)動燃用B10的燃油消耗率最低，B30最高，B20的燃油消耗率位于二者之間，且油耗增加在小負(fù)荷時尤為明顯。

圖1 發(fā)動機(jī)外特性功率對比

圖2 2 000rpm負(fù)荷特性發(fā)動機(jī)油耗對比

圖3 2 500rpm負(fù)荷特性發(fā)動機(jī)油耗對比

2.3 排放性能分析

圖4 ～圖7給出發(fā)動機(jī)燃用三種燃料的2 000rpm和2 500rpm負(fù)荷特性HC排放和CO排放對比曲線。由于丁醇是含氧燃料，因而隨著混合燃料中丁醇比例的增加，HC排放明顯下降。對于CO排放，相對于B10，B30和B20在中小負(fù)荷工況CO排放下降明顯，但B30和B20相差不大；而在大負(fù)荷工況，三種燃料CO排放相差不大，這是由于在中小負(fù)荷工況，節(jié)氣門開度較小，混合氣形成質(zhì)量較差，而燃料含氧有利于混合氣的形成和燃燒，因而CO排放改善明顯，而在大負(fù)荷工況，CO排放較低的情況下，改善不明顯。

圖4 2 000rpm負(fù)荷特性HC排放對比

圖5 2 500rpm負(fù)荷特性HC排放對比

圖6 2 000rpm負(fù)荷特性CO排放對比

圖7 2 500rpm負(fù)荷特性CO排放對比

NOx的生成主要受溫度和氧濃度的影響。由于丁醇燃料含氧，從而促進(jìn)NOx的生成，因此，隨著混合燃料中丁醇比例的增加，NOx排放逐漸升高，但相對于B30、B20的上升幅度并不明顯，圖8和圖9表示在2 000rpm和2 500rpm負(fù)荷特性下的NOx排放對比曲線。

圖8 2 000rpm負(fù)荷特性NOx排放對比

圖9 2 500rpm負(fù)荷特性NOx排放對比

3 結(jié) 論

對使用B10、B20和B30三種燃料的發(fā)動機(jī)性能做初步對比研究，實驗結(jié)果表明:

1）隨著混合燃料中丁醇比例的增加，動力性和經(jīng)濟(jì)性下降，CO和HC得到改善，NOx排放有所上升；

2）大負(fù)荷工況下，混合燃料中丁醇比例的增加對于發(fā)動機(jī)CO排放的改善并不明顯；

3）相對于B30，發(fā)動機(jī)燃用B20與B10的動力、經(jīng)濟(jì)和排放性能并無明顯變化；

4）應(yīng)通過研究燃燒過程，進(jìn)一步分析發(fā)動機(jī)燃用不同燃料的性能差異原因。

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