丁醇汽油对发动机性能影响的实验研究

摘 要:以93#无铅汽油为基础油,按照体积分数配制出20%的丁醇汽油混合燃料

,研究了电喷汽油机在不作改动的情况下燃用高掺混比丁醇汽油混合燃料时的动力性和经

济性变化情况.研究结果表明,在不改变汽油机任何参数的情况下,与原汽油机相比,20%体

积掺混率的丁醇汽油混合燃料动力性相差不大,低

转速性能还稍有提高,而CO和HC的排放则有明显的改善.

关键词:丁醇; 混合燃料; 发动机性能; 排放

中图分类号:TK464 文献标识码:A

Experimental Study of the Effects of Butanol-gasoline Blend on Engine Performance

YANG Xiao-long, YANG Jing, LIN Tie-ping

(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

Abstract:

20% Butanol-Gasoline blend was mixed based on volume ratio with 93# unleaded gasoline. The effects of the butanol-gasoline blended fuel on the engine performance were investigated through experiments. The experiment results have shown that, without any modification of the engine, the 20% Butanol-gasoline blended fuel has little effect on the engine performance compared with the original 93# gasoline fuel. The performance at low speed is even better. And the HC and CO emissions are reduced significantly.

Key words:

Butanol; Butanol-gasoline blended fuel; engine performance; emissions

能源与环境是目前全世界关注的两大主题.由于石油资源的枯竭和汽车排放法规日益严

格^[1],加强节能和发展替代能源已成为中国的基本国策.进入21世纪以来,以混合

动力、燃

料电池、生物燃料、天然气汽车等为代表的新能源汽车技术呈现出百花齐放、百舸争流的多

元化发展态势.在众多车用替代能源中,生物燃料以其清洁、可再生以及低污染的优势具有

很好的发展前景^[1-2].

目前常用的生物燃料有:甲醇、乙醇、丁醇、生物柴油等^[3-6].其中甲醇本身

有毒且运

输和储存困难,燃烧后还会产生有毒气体甲醛;乙醇和生物柴油的制造原料主要是玉米和大

豆,它们的生产需要占用人类赖以生存的大量土地和水资源.生物丁醇是一种新型的生物

燃料.国外少数化工和生物企业进行了丁醇燃烧试验,结果表明丁醇作为车用燃料更优于乙

醇^[7-8].

在发动机不作任何改动的情况下,目前所见文献中甲醇体积掺混比为10%,乙醇为15%,

而国内有关丁醇混合燃料的研究还很少,相关成果也少见报导.本文通过发动机台架实验对

体积掺混比为20%的丁醇汽油混合燃料进行初步

研究,分析了其对发动机动力性、经济性和排放的影响.

1 混合燃料理化特性分析

丁醇是一种化学组成单一的含氧燃料,是醇类燃料的一种,由碳、氢、氧元素组成.生

物丁醇除了可以从谷物、小麦、甘蔗等提取外,木质茎、稻草、农业残余物、玉米纤维和外

皮等均含有大量的纤维素和部分木质素,也可以作为制取生物丁醇的原材料,因此可以避免

占用粮食资源,不会对环境造成工业污染和耗费矿物能源.表1给出了丁醇、乙醇和汽油的一

些性质对比.

表1 丁醇、乙醇和汽油部分特性对比

Tab.1 The comparison of butanol, ethanol and gasoline

丁醇与乙醇相比碳链更长,使其具有更高的热值和沸点,丁醇其热值跟汽油非常接近,比甲醇、乙醇

都要

高,含热量高,意味着丁醇具有更好的燃油经济性.丁醇自带氧原子,有利于燃烧;同时其辛

烷值较高,抗爆震性能较好.

丁醇的蒸气压比较低,其蒸发性为乙醇的1/6,为汽油的1/13.5,因可以安全地

储存和运输,在任何季节都无需加入其他添加剂.此外,丁醇由于其较低的蒸发压力,使其

更容

易添加到传统汽油中.生物丁醇比生物乙醇更易于与汽油混合,且混合比例更高,有利于

其在发动机内的燃烧.

丁醇因其类似烃类的结构,不易于与水相混合,腐蚀性及水溶性低,可在炼油厂调和并

用管道运送,现有

的一些基础设施都可直接使用,无需改动.

而工业乙醇中含有水,会腐蚀管道,乙醇必须通过铁路、船舶或货车运输.2 实验装置

实验用发动机为五菱EQ491i型电喷汽油机,它是一台四缸、直列、立式四冲程、电喷、

非增压汽油机.发动机的主要技术参数见表2.

表2 发动机的主要技术参数

Tab.2 The parameters of the engine

试验系统总体布置如图1所示.试验时发动机未做任何调整,所用丁醇

-汽油混合燃料均为现场调配.

图1 发动机实验台架

Fig.1 The sketch of the experiment system

3 实验结果与分析

31 混合燃料对汽油机动力性的影响

实验中发动机分别燃用体积掺混率为20%的丁醇汽

油混合燃料和93#汽油,在保持油门

湖南大学学报(自然科学版)2010年

第2期杨小龙等:丁醇汽油对发动机性能影响的实验研究

最大开度的情况下,测得发动机台架性能参数,包括排放、油耗和扭矩等

.图2给出了外特性下扭矩的对比,功率特性如图3所示.由图2,图3可知,相比于纯汽油

,当掺烧20

%的丁醇时,发动机性能基本保持不变,在低速下性能还有所提高,最大扭矩点也有向低转

速移动的趋势.这是多方面因素综合造成的结果:当发动机在全负荷工作时,电喷汽油机的

控

制策略为开环控制,供给发动机较浓的混合气,由于丁醇的理论空燃比低于汽油,掺混20%

时

其理论空燃比约为14.1,故混合燃料在发动机全负荷运行时的过量空气系数高,同时由于

丁醇分子中含有高比例的氧,使得燃料燃烧充分,燃烧效率提高,在改善经济性的同时,也

获

得较高的功率.但另一方面,丁醇的低热值低于汽油,在燃油喷射持续时间不变的情况下

,

随着混合燃料中丁醇质量分数的增加,混合燃料热值降低,会造成发动机输出功率下降.另

外丁

醇的汽化潜热比汽油高很多,其蒸发吸收热量,使得空气温度下降,密度增加,容积效率提

高;但同时也使与空气形成混合气的速度降低,混合质量变差,在燃烧过程中会造成较长的

着火延迟,在高转速下会导致做功能力下降.可以预见当掺混丁醇比例进一步加大时,混合

气热值会下降比较多,而且点火延滞期会进一步变长,如果不对发动机的燃料供给系统进行

相应的变动,其扭矩会有较大下降.丁醇这一特性相比于甲醇、乙醇来说有很大优势,因为

在发动机不做任何改动的情况下,甲醇掺混比10%以上,乙醇掺混比15%以上就会出现较大的

动力性下降.

转速/(103r•min-1)

图2 混合燃料对发动机扭矩的影响

Fig.2 The effect of butanol-gasoline blend on the engine torque

图3 发动机功率的对比

Fig.3 The comparison of engine power

32 混合燃料对汽油机经济性的影响

由于丁醇热值较汽油低而密度又大于汽油,由图3可知,混合燃料功率相差不大,因此

掺

混丁醇的混合燃料燃油消耗率应稍有增加,实验结果也证明了这一点.图4给出了燃用不同

燃料发动机外特性上的经济性能变化曲线.由图4可知,与燃用纯汽油相比,混合燃料

除了低转速外燃油消耗率均稍有增加.

图4 燃油消耗率的对比

Fig.4 The comparison of BSFC

由于丁醇燃料的密度比汽油大,以燃料消耗率评价发动机燃油经济性有一定的局限性.

而一般市场上液体燃料的销售都是以体积为计量单位,因此图5给出了以体积消耗率来评价

发动机经济性的结果.与图4相比,两者的差别非常小,也就是说1 L混合燃料所产生的功率

大约等同于1 L汽油.

图5 燃油体积消耗率的对比

Fig.5 The comparison of fuel consumption based on volume

33 混合燃料对汽油机排放性的影响

汽油机燃烧排放物主要有HC,CO,NOx.由于HC和CO均为燃料不完全燃烧的产物,

当汽油

机燃用丁醇汽油调和燃料后,在大负荷空燃比开

环控制时,由于提供的是功率混合气,浓

度较高,与其他醇类燃料类似,此时丁醇汽油燃

料中自身的高含氧量有助于燃料的充分燃

烧,HC和CO的排放明显下降,如图6和图7所示.从图7中还可看到在低转速时,由于纯汽油燃烧

效率不高,故混合燃料CO下降得更多;而在高转速大负荷时,汽油燃烧效率提高,因而两者

之间的差别比较小.

此外通过40多小时发动机的台架实验,输油管路和其他元器件没有出现异常现象,说明

丁醇不像甲醇那样具有强腐蚀性.

图6 HC排放的对比

Fig.6 The comparison of HC emission

图7 CO排放的对比

Fig.7 The comparison of CO emission

4 结 论

本文对20%的丁醇汽油混合燃料进行了初步实验研究,结果表明.

1)丁醇是一种非常有潜力的车用替代燃料;

2)体积掺混率达20%的丁醇汽油混合燃料对发动机的动力性几乎不造成影响;

3)由于丁醇热值低而密度大,因此导致燃料消耗率略有提高;

4)丁醇混合燃料的HC和CO排放得到明显改善.

参考文献

[1] 庄幸, 姜克隽. 生物燃料在我国公路交通中替代油品

潜力分析[R]. 北京:国家发改委能源研究所报告, 2008.

ZHUANG Xing, JIANG Ke-jun. Assessment on potential of biofuel in

road transportat

ion in China[R]. Beijing: Report of State Development and Reform Commission, 2

008.(In Chinese)

[2] 冯飞. 替代燃料、生物燃料、燃气汽车的技术特征及其发展前景[R]. 北京:国

务院发展研究中心调查研究报告,2007.

FENG Fei. The technical characteristics of alternative fuel, bio-

fuel and nature

gas vehicle and their prospects[R]. Beijing: Report of Development Research C

enter of the State Council, 2007.(In Chinese)

[3] GORSE J,BENSON J. The effects of methanol/gasoline blends on automob

ile emissions[C]//SAE Paper 920327.Detroit:SAE,1992.

[4] AL-HASAN M. Effect of ethanol-unleaded gasoline blends on engine perfor

man

ce and exhaust emissions[J]. Energy Conversion and Management, 2003, 44:1547-

1561.

[5] 司利增,刘生全,马志义,等. 电控汽油机燃用中低比例甲醇汽油的试验研究[J].

小型内燃机与摩托车,2007,36(4):40-43.

SI Li-zeng,LIU Sheng-quan, MA Zhi-yi,et al. Experimental st

udy of gasoline engine

fueled with methanol-gasoline[J]. Small Internal Combustion Engine and Motorc

ycle, 2007, 36(4):40-43.(In Chinese)

[6] 祁东辉,刘圣华,李晖,等. 电喷汽油机燃用乙醇/汽油混合燃料排放及催化转化特

性研究[J]. 安全与环境学报,2006, 6(5):21-24.

QI Dong-hui, LIU Sheng-hua, LI Hui,et al. Emission and catalyt

ic conversion features

of the EFI engine fueled with ethanol/gasoline blends[J]. Journal of Safety

and Environment, 2006,6(5):21-24.(In Chinese)

[7] RICE W,SANYAL A. Exhaust gas emissions of butanol, ethanol and metha

nol-g

asoline blends[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,1991, 11

3:377-381.

[8] ALASFOUR F. Butanol-a single cylinder engine study: engine perform

ance[J].International Journal of Energy Research,1997,21(1):21-30.

推荐访问:丁醇 汽油 发动机 实验研究 性能