發(fā)動(dòng)機(jī)燃用丁醇汽油的性能實(shí)驗(yàn)研究

石美玉，朱榮福，林 明，楊 兆

（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）

能源與環(huán)境是當(dāng)今世界發(fā)展的兩大主題，汽車既是能源消耗的大戶，也是環(huán)境污染的主要來源之一。在眾多的車用代用燃料之中，生物燃料以其低污染、可再生等優(yōu)勢(shì)引起了廣泛的關(guān)注［1－2］。對(duì)于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，目前在我國(guó)常用的生物燃料是乙醇汽油，其中乙醇的體積比為10%［3－4］。生物丁醇作為第二代生物燃料，與乙醇相比，來源豐富，可不用糧食作為生產(chǎn)原料，更為適合與汽油混合作為車用燃料使用［5－7］。目前，對(duì)于丁醇汽油的研究，通常與發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油作比較，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油和丁醇汽油的對(duì)比性研究較少［5，8］。

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(duì)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［9－10］。與乙醇相比，丁醇作為車用燃料的優(yōu)勢(shì)有：丁醇的熱值、密度更高，與汽油混合后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性影響較??；丁醇的蒸汽壓僅為乙醇的1／6，遠(yuǎn)低于汽油，有利于燃料的儲(chǔ)存與運(yùn)輸；丁醇的汽化潛熱低于乙醇，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)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(dòng)。

表1 燃料理化特性

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為三菱4G18發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架布置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)通過AVL i60直采排放分析系統(tǒng)測(cè)量和記錄排放數(shù)據(jù)；利用湘儀CW160發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試控制儀測(cè)量和記錄功率、油耗等數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)工況為全負(fù)荷和速度特性2000rpm和2500rpm發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性。實(shí)驗(yàn)方法參照《GB／T 18297－2001汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，實(shí)驗(yàn)前發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱15min以上，在燃料溫度控制在298K±5K、機(jī)油溫度368K±5K、排氣背壓低于6.7kPa時(shí)開始試驗(yàn)，每個(gè)工況測(cè)量時(shí)間不低于3min，實(shí)驗(yàn)工況之間間隔不低于5min。

實(shí)驗(yàn)燃料分別為純汽油（記作B0），乙醇體積比為10%的乙醇汽油（記作E10），丁醇體積比為10%的丁醇汽油（記作B10）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)未做任何改動(dòng)或調(diào)整，乙醇汽油和丁醇汽油均為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配，未添加任何物質(zhì)。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架布置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)力性分析

圖2給出發(fā)動(dòng)機(jī)燃用B0（純汽油）、E10（乙醇汽油）、B10（丁醇汽油）的外特性對(duì)比。如圖1所示，與汽油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10外特性功率最低，平均降幅5%，B10位于二者之間，平均降幅2%。這是由于與乙醇相比，丁醇的熱值與汽油更為接近，且丁醇含氧（見表1），有利用燃料完全燃燒，因此，在全負(fù)荷工況下，燃用丁醇汽油混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性影響較小，優(yōu)于乙醇汽油。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性功率對(duì)比

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

在相同的負(fù)荷下，由于乙醇汽油和丁醇汽油的熱值低于汽油，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗增大。如圖3和圖4發(fā)動(dòng)機(jī)燃用三種燃料的2000rpm和2500rpm負(fù)荷特性油耗對(duì)比曲線所示，與汽油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10的燃油消耗率最高，而丁醇汽油的熱值高于乙醇汽油，因此，B10的燃油消耗率位于二者之間。

圖3 2000rpm負(fù)荷特性發(fā)動(dòng)機(jī)油耗對(duì)比

圖4 2500rpm負(fù)荷特性發(fā)動(dòng)機(jī)油耗對(duì)比

3.3 排放性能分析

圖5 至圖8給出發(fā)動(dòng)機(jī)燃用三種燃料的2000rpm和2500rpm負(fù)荷特性HC排放和CO排放對(duì)比曲線。如圖所示，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用B10時(shí)HC排放和CO排放最低，其次為E10，B0最高，在2500rpm負(fù)荷特性尤為明顯。一方面乙醇和丁醇都是含氧燃料，燃料含氧有利于降低HC排放和CO排放；另一方面是因?yàn)樵谙嗤?fù)荷下，由于燃料熱值導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)乙醇汽油的燃料供給量最多（見圖3和圖4），削弱了燃料含氧降低HC排放和CO排放的效果。

圖5 2000rpm負(fù)荷特性HC排放對(duì)比

圖6 2500rpm負(fù)荷特性HC排放對(duì)比

圖7 2000rpm負(fù)荷特性CO排放對(duì)比

圖8 2500rpm負(fù)荷特性CO排放對(duì)比

NOx的生成主要受溫度和氧濃度的影響。由于乙醇和丁醇含氧，從而促進(jìn)NOx的生成，因此，B10和E10的NOx排放高于汽油。另一方面，B10熱值高于E10，增大了燃燒溫度，因而B10的NOx排放高于E10，如圖9、圖10中2000rpm和2500rpm負(fù)荷特性NOx排放對(duì)比曲線所示。

4 結(jié) 論

本文對(duì)燃用B0（純汽油）、E10（乙醇汽油）、B10（丁醇汽油）三種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能做了初步的對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）燃用B10對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和油耗的影響小于E10；

2）相同負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用B10的HC排放和CO排放下降幅度高于E10；

圖9 2000rpm負(fù)荷特性NOx排放對(duì)比

圖10 2500rpm負(fù)荷特性NOx排放對(duì)比

3）相同負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油和B10會(huì)導(dǎo)致NOx排放增加，而B10的NOx上升幅度高于E10。

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