發(fā)動機(jī)燃用醇類混合燃料的燃燒特性研究

臧 杰，朱榮福，孫曙光，安永東，王瑛璞，姜 莉，田 芳

(1. 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；2.黑龍江東方學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)部，黑龍江 哈爾濱 150066)

發(fā)動機(jī)燃用醇類混合燃料的燃燒特性研究

臧 杰1，朱榮福1，孫曙光2，安永東1，王瑛璞1，姜 莉1，田 芳1

(1. 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；2.黑龍江東方學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)部，黑龍江 哈爾濱 150066)

按照體積分?jǐn)?shù)分別配制出不同比例的丁醇汽油混合燃料和乙醇汽油混合燃料，研究電噴汽油機(jī)在不作改動的情況下，燃用丁醇汽油和乙醇汽油混合燃料時的燃燒特性變化情況。研究結(jié)果表明：在不改變發(fā)動機(jī)任何參數(shù)的情況下，發(fā)動機(jī)燃用醇類汽油混合燃料指示熱效率略有升高，充量系數(shù)略有下降，小負(fù)荷時，醇類燃料的循環(huán)波動較大，而大負(fù)荷時，其循環(huán)波動小于純汽油，E30的燃燒持續(xù)期最短，而B30相對于汽油變化不大。

丁醇；乙醇；發(fā)動機(jī)；燃燒

環(huán)境問題的日益緊迫，各國都在制定越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，生物燃料能夠有效緩解汽車排放對環(huán)境的污染[1-3]。對于點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)而言，應(yīng)用較多的生物燃料主要是乙醇，但近年來，生物丁醇燃料引起了極大的關(guān)注[4-6]。表1給出了汽油、乙醇和丁醇三種燃料的理化特性對比。如表1所示，乙醇和丁醇都是含氧燃料，燃料含氧有利于完全燃燒，且燃用的自供氧能力也有利于在高原地區(qū)應(yīng)用；乙醇的沸點(diǎn)和蒸汽壓比汽油低，有利于可燃混合氣的形成，而三種燃料中，丁醇的沸點(diǎn)最高，蒸汽壓最低，不利于可燃混合氣的形成；熱值方面，丁醇的熱值與汽油較為接近；乙醇和丁醇汽化潛熱大，不利于發(fā)動機(jī)冷起動，但另一方面，發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，有利于提高充量系數(shù)。從能源多樣化的角度出發(fā)，研究乙醇和丁醇燃料在點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)上的燃燒特性，對于優(yōu)化發(fā)動機(jī)匹配策略，緩解能源和環(huán)境問題均有重要的意義。

表1 燃料理化特性

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

本實(shí)驗(yàn)研究的是在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)不變的條件下，發(fā)動機(jī)燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油的燃燒特性變化，因此，要采用適合的摻燒比例，乙醇汽油中乙醇的體積比例分別為15%、30%(分別記作E15、E30)，丁醇汽油中丁醇體積的比例分別為15%、30%(分別記作B15、B30),汽油為市售93#汽油(記作G)，乙醇汽油和丁醇汽油均為現(xiàn)場配置，未添加助溶劑。

發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備如表3所示。實(shí)驗(yàn)工況為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 rpm，平均有效缸內(nèi)壓力分別為0.2 MPa和0.7 MPa，分別代表發(fā)動機(jī)2 000 rpm運(yùn)轉(zhuǎn)時，小負(fù)荷和大負(fù)荷工況。

表2 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表3 主要實(shí)驗(yàn)測試儀器

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可比性，控制發(fā)動機(jī)水溫和油溫在80 ℃±3 ℃內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量3次后取均值，為避免供油系統(tǒng)中剩余燃料對下一種燃料實(shí)驗(yàn)的影響，更換燃油后發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)15 min以上[7-9]。

2 燃燒分析方法

2.1 上止點(diǎn)位置

上止點(diǎn)相位誤差是影響上止點(diǎn)附近的放熱率計算精度的重要因素，示功圖上止點(diǎn) 1°CA(曲軸轉(zhuǎn)角)的相位誤差將導(dǎo)致放熱率峰值產(chǎn)生約14%的誤差，累積放熱率產(chǎn)生約10%的誤差。確定上止點(diǎn)位置的方法中，倒拖法一般不需要附加測量裝置(對單缸機(jī)需電機(jī)拖動)，且精度較高，是確定上止點(diǎn)位置較為適用和可靠的方法[10]。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)選取的發(fā)動機(jī)上止點(diǎn)位置為倒拖壓縮線峰值點(diǎn)之前1°CA。

圖1 電荷放大器標(biāo)定擬合曲線

2.2 缸內(nèi)數(shù)據(jù)處理

發(fā)動機(jī)燃燒過程中存在循環(huán)變動，且點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的循環(huán)變動大于壓燃式發(fā)動機(jī)。因此，只考慮一個循環(huán)的示功圖進(jìn)行放熱并不準(zhǔn)確，為了獲得某一工況具有代表性的示功圖，就必須對更多循環(huán)的氣缸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。對于高速壓燃式發(fā)動機(jī)而言，一般取50個循環(huán)平均示功圖。但對汽油機(jī)而言，一般要取更多的循環(huán)進(jìn)行平均化處理。本次實(shí)驗(yàn)每個工況選取200個循環(huán)示功圖進(jìn)行平均。

3 結(jié)果與分析

3.1 充量系數(shù)

充量系數(shù)定義為單缸每循環(huán)吸入缸內(nèi)的新鮮空氣質(zhì)量與按進(jìn)氣狀態(tài)計算得到的理論充氣質(zhì)量的比值，計算公式為

(1)

式中：ma為單缸每循環(huán)新鮮空氣質(zhì)量，kg；ρs為環(huán)境空氣密度，kg/L；Vs為氣缸排量，L。

圖2和圖3分別為發(fā)動機(jī)在2 000 rpm，平均有效缸內(nèi)壓力分別為0.2 MPa(小負(fù)荷)和0.7 MPa(大負(fù)荷)時，不同醇類混合燃料的充量系數(shù)對比曲線。如圖所示，大負(fù)荷工況充量系數(shù)明顯高于小負(fù)荷工況充量系數(shù)，這是因?yàn)辄c(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)是“量”調(diào)節(jié)，隨著負(fù)荷增加，節(jié)氣門開度增大，節(jié)氣門節(jié)流損失減小，進(jìn)氣量增加，導(dǎo)致充量系數(shù)增大。發(fā)動機(jī)燃用不同醇類混合燃料對充量系數(shù)影響較小，燃用乙醇汽油與丁醇汽油時，發(fā)動機(jī)充量系數(shù)略有下降，這是因?yàn)橛捎诖碱惾剂虾?，其化學(xué)計量比小于汽油(見表1)，因此，相同負(fù)荷下相對于汽油，醇類燃料燃燒需要的空氣量減少，且丁醇的化學(xué)計量比小于汽油而高于乙醇，導(dǎo)致丁醇汽油的充量系數(shù)略低于汽油，略高于乙醇汽油。

圖2 小負(fù)荷工況充量系數(shù)對比

圖3 大負(fù)荷充量系數(shù)對比

3.2 指示熱效率

燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為指示功的能量轉(zhuǎn)換效率，稱為指示熱效率。

(2)

式中：Wi為單缸每循環(huán)指示功，kJ；gb為單缸每循環(huán)燃料消耗量，kg；Hu為燃料低熱值，kJ/kg。

圖4和圖5分別為發(fā)動機(jī)在2 000 rpm運(yùn)轉(zhuǎn)時，不同負(fù)荷不同醇類混合燃料的指示熱效率對比曲線?？偟膩碚f，發(fā)動機(jī)燃用醇類汽油后指示熱效率相對于燃用汽油有所提高，雖然發(fā)動機(jī)汽油的充量系數(shù)最高，但乙醇和丁醇都是含氧燃料，有利于燃料完全燃燒，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)指示熱效率，此外，由于丁醇的沸點(diǎn)較高，蒸汽壓較低(見表1)，不利于可燃混合氣的形成，且丁醇的含氧量低于乙醇，因此，E30最高，而B30僅略高于純汽油G。

圖4 小負(fù)荷指示熱效率對比

圖5 大負(fù)荷指示熱效率對比

3.3 循環(huán)波動

由于火花塞附近混合氣成分波動和氣體運(yùn)動狀態(tài)波動，導(dǎo)致實(shí)際點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動程度要比壓燃式發(fā)動機(jī)大得多。圖6和圖7為發(fā)動機(jī)2 000 rpm運(yùn)轉(zhuǎn)時不同負(fù)荷不同燃料的循環(huán)波動對比曲線。如圖所示，兩種負(fù)荷工況下循環(huán)波動均小于5%，且小負(fù)荷工況循環(huán)波動明顯大于大負(fù)荷工況，這是因?yàn)樨?fù)荷越小，充量系數(shù)越小(見圖2、圖3)。則缸內(nèi)參與廢氣越多，火花塞附近混合氣成分的波動較大，進(jìn)而導(dǎo)致小負(fù)荷工況循環(huán)波動大。比較不同燃料的循環(huán)波動可以發(fā)現(xiàn)，小負(fù)荷工況醇類燃料的循環(huán)波動高于純汽油，特別是E30混合燃料，這是因?yàn)榇碱惾剂系钠瘽摕彷^大，且乙醇的汽化潛熱高于丁醇，影響缸內(nèi)溫度分布，進(jìn)而導(dǎo)致循環(huán)與循環(huán)之間的火花塞點(diǎn)火過程波動較大；而大負(fù)荷工況，缸內(nèi)溫度較高，且由于醇類燃料含氧，有利于火核的形成，導(dǎo)致循環(huán)波動低于純汽油。

圖6 小負(fù)荷指示熱效率對比

圖7 大負(fù)荷指示熱效率對比

3.4 燃燒持續(xù)期

定義可燃混合氣從10%質(zhì)量燃燒率到90%質(zhì)量燃燒率所轉(zhuǎn)過的曲軸角度為燃燒持續(xù)期。圖8和圖9為發(fā)動機(jī)2 000 rpm運(yùn)轉(zhuǎn)時不同負(fù)荷不同燃料的燃燒持續(xù)期對比曲線。如圖所示，一方面，由于醇類燃料含氧，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?見表1)，醇類燃料燃燒持續(xù)期最短；另一方面，由于醇類燃料汽化潛熱較大，燃燒溫度低于汽油，根據(jù)醇類燃料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，低溫條件時，從β，δ和γ碳位上進(jìn)行H提取的反應(yīng)是醇類燃料被消耗的主要反應(yīng)；隨著溫度升高，單分子解離反應(yīng)成為醇類燃料消耗的最主要反應(yīng)，鏈引發(fā)反應(yīng)是影響燃料燃燒持續(xù)期的一個重要因素。對于脫氫反應(yīng)，由于C-H和O-H化學(xué)鍵都比較弱，所以比較容易斷裂形成活性自由基。而單分子分解反應(yīng)主要是C-C鍵和C-O鍵的斷裂，它們的化學(xué)鍵雖然比較穩(wěn)固，但是由于脫氫反應(yīng)產(chǎn)生了大量H自由基，因此，化學(xué)反應(yīng)速率較慢，燃燒速度下降。但燃料含氧對燃燒速度的影響更大，因此，E30燃燒持續(xù)期最短，而丁醇由于理化特性導(dǎo)致不利于混合氣形成，B30相對于純汽油變化不大。對于B10和E10而言，由于摻混醇類燃料較少，對燃燒持續(xù)期的影響不明顯。

圖8 小負(fù)荷燃燒持續(xù)期對比

圖9 大負(fù)荷燃燒持續(xù)期對比

4 結(jié) 論

本文對燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油發(fā)動機(jī)的燃燒特性進(jìn)行了對比性研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)發(fā)動機(jī)燃用醇類汽油時，充量系數(shù)略有下降，指示熱效率略有提高；

2)小負(fù)荷時，醇類燃料的循環(huán)波動較大，而大負(fù)荷時，其循環(huán)波動小于純汽油；

3)E30的燃燒持續(xù)期最短，而B30相對于汽油變化不大。

[1] 《2013年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告》課題組.2013年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展概述及2014年展望[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2014，22(1)：30-39．

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Experimental research on combustion characteristics of engine fueled with alcohol/gasoline blend

ZANG Jie1, ZHU Rongfu1,SUN Shugong2,AN Yongdong1,WANG Yingpu1, JIANG Li1, TIAN Fang1

(1.Dept.of Mechanical and Electrical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050, China; 2.Dept.of Automobile and Traffic Engineering, East University of Heilongjiang,Harbin 150066, China)

Butanol/gasoline and ethanol/gasoline blended fuels are mixed based on volume ratio with gasoline. The effects of blended fuels compared with gasoline on the engine combustion characteristics are investigated through experiments. The experiment results show that, without any modification of the engine, indicated thermal efficiency increases and volumetric efficiency of engine fueled with alcohol/gasoline blended fuel decreases slightly, and compared with engine fueled with gasoline, cyclic variation fueled with alcohol/gasoline blended fuel increases at low load and decreased at high load, and the combustion duration of E30 is shorter than other fuels, but B30 is almost unchanged compared with gasoline.

butanol；ethanol；engine；combustion

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.02.001

2016-10-12

哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開放項(xiàng)目(2014RFXXJ070)

臧 杰(1963-)，女，教授，研究方向：車用清潔燃料.

TK464

A

1671-4679(2017)02-0001-04