醇類汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能試驗(yàn)研究

彭小紅，邱兆文

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，陜西西安　710018；2.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安　710064)

醇類汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能試驗(yàn)研究

彭小紅1*，邱兆文2

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，陜西西安710018；2.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710064)

不做任何改動(dòng)或優(yōu)化調(diào)整的情況下，在一臺(tái)六缸汽油機(jī)上對(duì)不同比例的醇類汽油混合燃料和純汽油的排放性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，與純汽油相比，怠速時(shí)，M25的HC排放平均增加50%，M10、E10的HC排放分別平均降低1%、55%；M10、M25、E10的CO排放分別平均降低60%、50%、66%；M10、M25、E10的 NOx排放分別平均降低60%、80%、21%。1800 r/min負(fù)荷特性下，M25、E10的HC排放分別平均增加81%、60%，M10的HC排放平均降低63%；M10、M25、E10的CO排放分別平均降低48%、29%、46%；M10、M25、E10的NOx排放分別平均降低4%、17%、3%。轉(zhuǎn)速為1400～3000 r/min的外特性下，M25、E10的HC排放分別平均增加65%、45%，M10的HC排放平均下降80%；M10、M25、E10的CO排放分別平均下降56%、80%、44%；M10、M25、E10的NOx排放分別平均增加1%、12%、9%。

醇類混合燃料；汽油機(jī)；排放性能

隨著全球石化能源不斷枯竭、供求矛盾以及排放物污染嚴(yán)重等問題的突出，對(duì)代用燃料的探索仍然是各國(guó)汽車能源發(fā)展的新方向。醇類燃料是指甲醇和乙醇，使用醇類燃料替代或部分替代傳統(tǒng)汽油、柴油，不但燃燒清潔，而且能夠大幅度降低有害污染物的排放，是對(duì)環(huán)境友好的清潔代用燃料。美國(guó)、巴西、日本和國(guó)內(nèi)部分城市已經(jīng)廣泛使用醇類燃料作為車用燃料[1，2]。在汽油中摻燒醇類燃料是目前醇類燃料的主要使用方式，由于醇類燃料的特性的不同，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能與醇類汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的將會(huì)有所差別。為了更科學(xué)地推廣車用醇類燃料，開展醇類混合燃料摻燒排放性能研究是有必要的。

醇類燃料在車用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的研究主要集中在燃料的噴霧特性、排放特性、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性上。何邦全等[3]試驗(yàn)研究了醇類體積分?jǐn)?shù)分別為10%的乙醇-汽油、30%的乙醇-汽油、10%的正丁醇-汽油發(fā)動(dòng)機(jī)多孔噴油器的噴油率和噴霧特性；劉方杰等[4]和魏衍舉等[5]-利用氣相色譜-氦離子化快速檢測(cè)方法，研究了一臺(tái)多點(diǎn)電噴汽油機(jī)分別燃用乙醇汽油混合燃料(乙醇的體積分?jǐn)?shù)分別為0%、10%、20%和85%)時(shí)的非常規(guī)醇醛排放特性及其催化轉(zhuǎn)化特性；胡江等[6]在高原地區(qū)進(jìn)行了純汽油與摻比為10%含水乙醇(95%濃度)/汽油混合燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的對(duì)比試驗(yàn)研究。本研究在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了不同比例的醇類汽油混合燃料與純汽油的排放特性對(duì)比試驗(yàn)[7]，研究成果為醇類燃料在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)一步科學(xué)地推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)條件

1.1試驗(yàn)裝置與測(cè)試儀器

試驗(yàn)用六缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下:氣缸直徑為102 mm，活塞行程為114.3 mm，壓縮比為7.4，標(biāo)定功率為99.3 kW(3000 r/min)，標(biāo)定扭矩為373 N·m(1200 r/min)，排量為5.56 L。試驗(yàn)所用到的測(cè)試儀器設(shè)備如下:浙江遂昌動(dòng)力測(cè)試設(shè)備廠生產(chǎn)的CW150型電渦流測(cè)功機(jī)、日本小野公司生產(chǎn)的DF-313型數(shù)字油耗儀和FP-224型油耗流量傳感器、AVL公司生產(chǎn)的AVL Digas4000排氣分析儀，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置示意圖如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置示意圖

1.2試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)所用的汽油、甲醇和乙醇的主要理化特性如表1所示。本試驗(yàn)所用的醇類汽油混合燃料的組成如表2所示，混合燃料中的汽油為市售商品汽油，助溶劑為無水分析醇(水含量小于0.3%)，甲醇為無水分析甲醇(水含量小于0.1%)。為了敘述方便，將甲醇和乙醇總的體積百分含量為10%、25%的汽油混合燃料稱之為M10、M25；將乙醇體積百分含量為10%的汽油混合燃料稱之為E10。

表1　醇類燃料與汽油的理化特性

表2　試驗(yàn)所用的醇類汽油混合燃料的組成成分　體積含量%

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1怠速排放對(duì)比分析

如圖2所示，怠速時(shí)，與純汽油相比，M25的HC排放平均增加50%，M10、E10的HC排放分別平均降低1%、55%，這時(shí)因?yàn)榈∷贂r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低致使M25混合氣形成變差，從而導(dǎo)致燃燒變慢或不穩(wěn)定，使火焰在到達(dá)壁面前因膨脹使缸內(nèi)氣體溫度和壓力下降造成可燃混合氣大容積淬熄，使HC排放激增；M10、M25、E10的CO排放分別平均降低60%、50%、66%，這是因?yàn)镸10、E10和M25都是含氧燃料，燃燒比較充分，不完全燃燒產(chǎn)物降低；M10、M25、E10的 NOx排放分別平均降低60%、80%、21%，這是因?yàn)榧兤突旌蠚鉄嶂蹈咧率谷紵覝囟雀?，致使NOx的生成增加。

2.2負(fù)荷特性排放對(duì)比分析

圖3(a)為1800 r/min下負(fù)荷特性HC排放對(duì)比曲線圖。在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，M25的HC排放呈現(xiàn)先增加再下降的趨勢(shì)，而M10、E10和純汽油的HC排放變化都不大，這是因?yàn)镸25混合燃料中醇含量較高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M25混合燃料時(shí)容易失火造成HC排放劇增。與純汽油相比，M25、E10的HC排放分別增加了81%、60%，M10的HC排放降低為63%。HC是一種不完全燃燒產(chǎn)物，與混合氣濃度有密切關(guān)系，混合氣稀會(huì)產(chǎn)生很高的排放量，E10由于發(fā)動(dòng)機(jī)未作改動(dòng)或優(yōu)化調(diào)整導(dǎo)致混合氣偏稀，產(chǎn)生不完全燃燒或失火，致使HC排放增加；M10由于含氧量高，燃燒完全，致使HC排放很少。

圖2　怠速工況排放對(duì)比

圖3　1800 r/min下負(fù)荷特性排放對(duì)比曲線

圖3(b)為1800 r/min下負(fù)荷特性CO排放對(duì)比曲線圖。在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，純汽油、M10、M25 和E10的CO排放都呈現(xiàn)先下降后基本不變?cè)僭黾拥内厔?shì)。CO也是一種不完全燃燒產(chǎn)物，主要受混合氣濃度影響。由于混合氣濃度在小、中負(fù)荷時(shí)隨負(fù)荷增加而變稀，所以CO排放開始下降；當(dāng)負(fù)荷增加到大、滿負(fù)荷時(shí)，混合氣濃度開始加濃使CO排放又增加。與純汽油相比，M10、M25、E10的CO排放分別降低48%、29%、46%，這是由于它們都是含氧燃料，燃燒比較充分的緣故。

圖3(c)為1800 r/min下負(fù)荷特性NOx排放對(duì)比曲線圖。在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，純汽油、M10、M25和E10的NOx排放都呈現(xiàn)先增加再下降的趨勢(shì)。NOx中主要是NO，另外還有少量的NO2。產(chǎn)生NO的三要素是溫度、氧濃度和反應(yīng)時(shí)間。由于小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度低，使NOx排放低；中等負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度升高致使NOx排放增加；大負(fù)荷時(shí)，由于混合氣濃度變濃，進(jìn)而致使NOx排放又下降。與純汽油相比，M10、M25、E10的NOx排放分別降低了4%、17%、3%，由于醇類混合燃料熱值低，缸內(nèi)最高燃燒溫度低，抑制NOx的生成。

2.3外特性排放對(duì)比分析

圖4為純汽油和不同比例醇類汽油混合燃料在轉(zhuǎn)速為1400～3000 r/min的外特性排放對(duì)比曲線。

圖4　轉(zhuǎn)速為1400～3000 r/min的外特性排放對(duì)比曲線

在圖4(a)中，與純汽油相比:(1)M25、E10的HC排放分別增加了65%、45%，其原因是M25的混合氣熱值低、汽化潛熱大及混合氣濃度偏稀等因素導(dǎo)致燃燒速度慢、不穩(wěn)定，使火焰在到達(dá)壁面前因膨脹使缸內(nèi)氣體溫度和壓力下降造成可燃混合氣大容積淬熄，致使HC排放激增；E10由于混合氣混合不均勻致使HC的排放增加。(2)M10的HC排放下降了80%，這是由于M10燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓脑颉?/p>

在圖4(b)中，與純汽油相比，M10、M25、E10的CO排放分別下降了56%、80%、44%，主要原因是這四種燃料混合氣濃度不同，在外特性試驗(yàn)中，燃用純汽油時(shí)Φα范圍為0.999～1.015，E10時(shí)Φα為1.018～1.050，M10時(shí)Φα為1.040～1.045，M25時(shí)Φα為1.158～1.173。

在圖4(c)中，與純汽油相比，M10、M25、E10 的NOx排放分別增加了1%、12%、9%，這些都是由于混合燃料的含氧量、燃燒溫度以及混合氣濃度不同造成的。

3　結(jié)論

醇類燃料在車用發(fā)動(dòng)機(jī)使用的環(huán)境友好性已經(jīng)在理論上得到了的驗(yàn)證[8-12]，本研究進(jìn)一步通過臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)純汽油和不同比例的醇類汽油混合燃料的排放性能進(jìn)行探討，研究結(jié)果表明:在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)未作任何改動(dòng)或優(yōu)化調(diào)整直接使用不同比例的醇類汽油混合燃料時(shí)，M10和E10的HC、CO和NOx的排放降低，環(huán)境效益好；M25的HC、CO和NOx排放增加，排放性能差，不宜在發(fā)動(dòng)機(jī)上直接使用，若要使用，應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做一些必要的調(diào)整或改動(dòng)。本研究為推廣車用醇類燃料提供了一定的技術(shù)支持。

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(責(zé)任編輯:周曉南)

Experimental Research on Emissions Performance of Gasoline Engine Using Alcohol Fuel

PENG Xiaohong1*，QIU Zhaowen2
(1.Department of Automobile，Shaanxi College of Communication Technology，Xi'an 710018，China；2.School of Automobile，Chang'an University，Xi'an 710064，China)

With the premise of no any alteration or optimization adjustment on the engine，emission experiments of pure gasoline and mixture fuels with different volume ratio alcohol fuel and gasoline were done on a six-cylinder gasoline engine.Results indicate that compared with pure gasoline，at idle operating modes HC emissions of M25 averagely increases 50%，HC emissions of M10 and E10 averagely decrease 1%and 55%respectively；CO emissions of M10，M25 and E10 averagely decrease 60%，50%and 66%respectively；NOxemissions of M10，M25 and E10 averagely decrease 60%、80%and 21%respectively.At 1800 r/min HC emissions of M25 and E10 averagely increase 81%and 60%respectively，HC emissions of M10 averagely decreases 63%；CO emissions of M10，M25 and E10 averagely decrease 48%，29%and 46%respectively；NOxemissions of M10，M25 and E10 averagely decrease 4%、17%and 3%respectively.At 1400～3000 r/min of external characteristic HC emissions of M25 and E10 averagely increase 65%and 45%respectively，HC emissions of M10 averagely decreases 80%，CO emissions of M10，M25 and E10 averagely decrease 56%，80%and 44%respectively；NOxemissions of M10，M25 and E10 averagely increase 1%、12%and 9%respectively.

compound alcohol fuel；gasoline engine；exhaust emissions characteristics

TK411.5

A

1000-5269(2016)01-0042-04DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.01.11

2015-06-16

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(14JK1066)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(0009-2014G1221022)

彭小紅(1977-)，女，副教授，碩士，研究方向:交通新能源，Email:xiaohongpengcau＠163.com.

彭小紅，Email:xiaohongpengcau＠163.com.