醇类汽油混合燃料发动机排放性能试验研究

彭小红，邱兆文

(1.陕西交通职业技术学院汽车工程系，陕西西安　710018；2.长安大学汽车学院，陕西西安　710064)

醇类汽油混合燃料发动机排放性能试验研究

彭小红1*，邱兆文2

(1.陕西交通职业技术学院汽车工程系，陕西西安710018；2.长安大学汽车学院，陕西西安710064)

不做任何改动或优化调整的情况下，在一台六缸汽油机上对不同比例的醇类汽油混合燃料和纯汽油的排放性能进行对比试验研究。研究结果表明，与纯汽油相比，怠速时，M25的HC排放平均增加50%，M10、E10的HC排放分别平均降低1%、55%；M10、M25、E10的CO排放分别平均降低60%、50%、66%；M10、M25、E10的 NOx排放分别平均降低60%、80%、21%。1800 r/min负荷特性下，M25、E10的HC排放分别平均增加81%、60%，M10的HC排放平均降低63%；M10、M25、E10的CO排放分别平均降低48%、29%、46%；M10、M25、E10的NOx排放分别平均降低4%、17%、3%。转速为1400～3000 r/min的外特性下，M25、E10的HC排放分别平均增加65%、45%，M10的HC排放平均下降80%；M10、M25、E10的CO排放分别平均下降56%、80%、44%；M10、M25、E10的NOx排放分别平均增加1%、12%、9%。

醇类混合燃料；汽油机；排放性能

随着全球石化能源不断枯竭、供求矛盾以及排放物污染严重等问题的突出，对代用燃料的探索仍然是各国汽车能源发展的新方向。醇类燃料是指甲醇和乙醇，使用醇类燃料替代或部分替代传统汽油、柴油，不但燃烧清洁，而且能够大幅度降低有害污染物的排放，是对环境友好的清洁代用燃料。美国、巴西、日本和国内部分城市已经广泛使用醇类燃料作为车用燃料[1，2]。在汽油中掺烧醇类燃料是目前醇类燃料的主要使用方式，由于醇类燃料的特性的不同，汽油发动机的排放性能与醇类汽油混合燃料发动机的将会有所差别。为了更科学地推广车用醇类燃料，开展醇类混合燃料掺烧排放性能研究是有必要的。

醇类燃料在车用发动机应用的研究主要集中在燃料的喷雾特性、排放特性、经济性和动力性上。何邦全等[3]试验研究了醇类体积分数分别为10%的乙醇-汽油、30%的乙醇-汽油、10%的正丁醇-汽油发动机多孔喷油器的喷油率和喷雾特性；刘方杰等[4]和魏衍举等[5]-利用气相色谱-氦离子化快速检测方法，研究了一台多点电喷汽油机分别燃用乙醇汽油混合燃料(乙醇的体积分数分别为0%、10%、20%和85%)时的非常规醇醛排放特性及其催化转化特性；胡江等[6]在高原地区进行了纯汽油与掺比为10%含水乙醇(95%浓度)/汽油混合燃料的动力性、经济性和排放性能的对比试验研究。本研究在发动机台架上进行了不同比例的醇类汽油混合燃料与纯汽油的排放特性对比试验[7]，研究成果为醇类燃料在车用发动机上的进一步科学地推广应用提供理论依据。

1　试验条件

1.1试验装置与测试仪器

试验用六缸汽油发动机的主要参数如下:气缸直径为102 mm，活塞行程为114.3 mm，压缩比为7.4，标定功率为99.3 kW(3000 r/min)，标定扭矩为373 N·m(1200 r/min)，排量为5.56 L。试验所用到的测试仪器设备如下:浙江遂昌动力测试设备厂生产的CW150型电涡流测功机、日本小野公司生产的DF-313型数字油耗仪和FP-224型油耗流量传感器、AVL公司生产的AVL Digas4000排气分析仪，试验发动机台架布置示意图如图1所示。

图1　试验发动机台架布置示意图

1.2试验燃料

试验所用的汽油、甲醇和乙醇的主要理化特性如表1所示。本试验所用的醇类汽油混合燃料的组成如表2所示，混合燃料中的汽油为市售商品汽油，助溶剂为无水分析醇(水含量小于0.3%)，甲醇为无水分析甲醇(水含量小于0.1%)。为了叙述方便，将甲醇和乙醇总的体积百分含量为10%、25%的汽油混合燃料称之为M10、M25；将乙醇体积百分含量为10%的汽油混合燃料称之为E10。

表1　醇类燃料与汽油的理化特性

表2　试验所用的醇类汽油混合燃料的组成成分　体积含量%

2　试验结果与分析

2.1怠速排放对比分析

如图2所示，怠速时，与纯汽油相比，M25的HC排放平均增加50%，M10、E10的HC排放分别平均降低1%、55%，这时因为怠速时发动机温度低致使M25混合气形成变差，从而导致燃烧变慢或不稳定，使火焰在到达壁面前因膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄，使HC排放激增；M10、M25、E10的CO排放分别平均降低60%、50%、66%，这是因为M10、E10和M25都是含氧燃料，燃烧比较充分，不完全燃烧产物降低；M10、M25、E10的 NOx排放分别平均降低60%、80%、21%，这是因为纯汽油混合气热值高致使燃烧室温度高，致使NOx的生成增加。

2.2负荷特性排放对比分析

图3(a)为1800 r/min下负荷特性HC排放对比曲线图。在整个负荷范围内，M25的HC排放呈现先增加再下降的趋势，而M10、E10和纯汽油的HC排放变化都不大，这是因为M25混合燃料中醇含量较高，发动机燃用M25混合燃料时容易失火造成HC排放剧增。与纯汽油相比，M25、E10的HC排放分别增加了81%、60%，M10的HC排放降低为63%。HC是一种不完全燃烧产物，与混合气浓度有密切关系，混合气稀会产生很高的排放量，E10由于发动机未作改动或优化调整导致混合气偏稀，产生不完全燃烧或失火，致使HC排放增加；M10由于含氧量高，燃烧完全，致使HC排放很少。

图2　怠速工况排放对比

图3　1800 r/min下负荷特性排放对比曲线

图3(b)为1800 r/min下负荷特性CO排放对比曲线图。在整个负荷范围内，纯汽油、M10、M25 和E10的CO排放都呈现先下降后基本不变再增加的趋势。CO也是一种不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响。由于混合气浓度在小、中负荷时随负荷增加而变稀，所以CO排放开始下降；当负荷增加到大、满负荷时，混合气浓度开始加浓使CO排放又增加。与纯汽油相比，M10、M25、E10的CO排放分别降低48%、29%、46%，这是由于它们都是含氧燃料，燃烧比较充分的缘故。

图3(c)为1800 r/min下负荷特性NOx排放对比曲线图。在整个负荷范围内，纯汽油、M10、M25和E10的NOx排放都呈现先增加再下降的趋势。NOx中主要是NO，另外还有少量的NO2。产生NO的三要素是温度、氧浓度和反应时间。由于小负荷时，缸内温度低，使NOx排放低；中等负荷时，缸内温度升高致使NOx排放增加；大负荷时，由于混合气浓度变浓，进而致使NOx排放又下降。与纯汽油相比，M10、M25、E10的NOx排放分别降低了4%、17%、3%，由于醇类混合燃料热值低，缸内最高燃烧温度低，抑制NOx的生成。

2.3外特性排放对比分析

图4为纯汽油和不同比例醇类汽油混合燃料在转速为1400～3000 r/min的外特性排放对比曲线。

图4　转速为1400～3000 r/min的外特性排放对比曲线

在图4(a)中，与纯汽油相比:(1)M25、E10的HC排放分别增加了65%、45%，其原因是M25的混合气热值低、汽化潜热大及混合气浓度偏稀等因素导致燃烧速度慢、不稳定，使火焰在到达壁面前因膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄，致使HC排放激增；E10由于混合气混合不均匀致使HC的排放增加。(2)M10的HC排放下降了80%，这是由于M10燃烧时火焰传播速度快的原因。

在图4(b)中，与纯汽油相比，M10、M25、E10的CO排放分别下降了56%、80%、44%，主要原因是这四种燃料混合气浓度不同，在外特性试验中，燃用纯汽油时Φα范围为0.999～1.015，E10时Φα为1.018～1.050，M10时Φα为1.040～1.045，M25时Φα为1.158～1.173。

在图4(c)中，与纯汽油相比，M10、M25、E10 的NOx排放分别增加了1%、12%、9%，这些都是由于混合燃料的含氧量、燃烧温度以及混合气浓度不同造成的。

3　结论

醇类燃料在车用发动机使用的环境友好性已经在理论上得到了的验证[8-12]，本研究进一步通过台架试验，对纯汽油和不同比例的醇类汽油混合燃料的排放性能进行探讨，研究结果表明:在汽油发动机未作任何改动或优化调整直接使用不同比例的醇类汽油混合燃料时，M10和E10的HC、CO和NOx的排放降低，环境效益好；M25的HC、CO和NOx排放增加，排放性能差，不宜在发动机上直接使用，若要使用，应对发动机做一些必要的调整或改动。本研究为推广车用醇类燃料提供了一定的技术支持。

[1]王宪文.车用燃料乙醇汽油[J].汽车维修技师，2012(8):112 -116.

[2]李文乐.甲醇汽油在国内外应用情况及分析[J].化工进展，2010，29(3):457-464.

[3]何邦全，都成君.醇类-汽油混合燃料的喷雾特性[J].燃烧科学与技术，2012，18(4):301-308.

[4]刘方杰，魏衍举，刘圣华，等.乙醇汽油发动机非常规排放及其催化转化的研究[J].西安交通大学学报，2010，44(1):13-16.

[5]魏衍举，刘杰，朱赞.甲醇汽油发动机甲醛排放快速检测方法研究[J].内燃机学报，2008(6):533-537.

[6]胡江，颜文胜，刘立东，等.汽油机燃用E10含水乙醇/汽油的试验研究[J].内燃机动力装置，2007，97(1):5-9.

[7]刘少华，申立中，叶年业，等.E10含水乙醇汽油对汽油机性能及排放的影响研究[J].内燃机工程，2012，33(5):46-51.

[8]冯亦立.乙醇汽油与普通汽油的环保性比较[J].环境科技，2009(z1):124-127.

[9]MBahattin Celik.Experimental determination of suitable ethanolgasoline blend rate at high compression ratio for gasoline engine [J].Applied Thermal Engineering，2007，28(5):396-404.

[10]Tom Beer，John Carras，David Worth，et al.The Health Impacts of Ethanol Blend Petrol[J].Energies，2011，4(2):352.

[11]靖苏铜，阳东波，林海龙，等.乙醇汽油对汽车污染物排放影响的研究[J].交通节能与环保，2014(5):8-13.

[12]霍瑾杰.车用乙醇汽油与无铅汽油排放污染物检测结果的比较分析[J].环境保护与循环经济，2009(1):40-41.

(责任编辑:周晓南)

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

陕西省教育厅专项科研计划项目资助(14JK1066)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(0009-2014G1221022)

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

彭小红，Email:xiaohongpengcau＠163.com.