生物乙醇汽油的可替代性研究

马世博 王福志 苏方旭

（北京汽车动力总成有限公司北京101106）

生物乙醇汽油的可替代性研究

马世博 王福志 苏方旭

（北京汽车动力总成有限公司北京101106）

为缓解国内石油紧张状况，开始推广乙醇汽油。由于使用生物酿造乙醇成本太高，故用天然气、煤炭、石油焦以及废弃物等制成的工业乙醇替代生物乙醇。通过台架试验验证两种乙醇汽油的差异以及乙醇汽油与93#汽油的区别。采用E10工业乙醇汽油、E10生物乙醇汽油以及93#汽油进行发动机万有特性对比试验，试验结果表明：在发动机标定没有调整的情况下，使用E10工业乙醇汽油和E10生物乙醇汽油时发动机的动力性与93#汽油相当，而燃油消耗率比93#汽油有所升高，但乙醇汽油的能耗率与93#汽油相当，在某些工况甚至低于93#汽油。在排放方面，使用E10工业乙醇汽油，CO排放整体低于93#汽油，HC排放有一定改善，NOx排放略有升高。工业乙醇汽油和生物乙醇汽油表现相当，因此可用工业乙醇替代生物乙醇来制造乙醇汽油。

工业乙醇汽油生物乙醇汽油性能排放

引言

随着我国居民生活水平的提高，人民对汽车的需求越来越大。国内汽车保有量已成为全球第一，带来的问题是成品油消耗不断升高以及汽车尾气排放对大气环境污染日益严重。我国原油进口依赖程度逐年上升，已成为全球主要的原油消耗国和进口国。开发替代能源已成为极其重要的发展方向。乙醇燃料具有来源广泛、污染小、辛烷值高、无毒性等特点，能与汽油以各种比例混合，既可以减轻原油进口依赖程度，又可以改善燃烧，降低排放。

从上世纪70年代开始，国外对乙醇汽油展开了大量研究。研究发现，在市售汽油中添加10%～15%的乙醇，可以使CO排放降低14%～43%，HC排放降低7%-14%，但NOx排放会增加5%左右。巴西石油资源缺乏，但盛产甘蔗，利用甘蔗生产蔗糖，通过生物发酵生产乙醇，用乙醇代替部分汽油作为汽车燃料，2002年汽车燃料中乙醇比例达到25%。美国于1979年制定了“乙醇发展计划”，大力推广10%（体积比）的乙醇汽油混合燃料。

在国内，为减轻石油短缺压力，从2001年开始推广乙醇汽油，但由于我国人口众多，人均耕地面积不足世界平均水平的1/2，人均粮食产量较低。近几年，因城镇化全面推广，工业占地逐渐增加，导致耕地逐渐减少，使用粮食生产乙醇的道路更加艰难，需要寻找其他的乙醇生产途径。相比生物乙醇，工业乙醇主要由煤、天然气和石油焦等基础烃类原料通过化工工艺合成，生产成本较低，可以大规模工业生产。

本试验对比了工业乙醇汽油、生物乙醇汽油和93#汽油对发动机性能及排放的影响，为我国进一步推广工业乙醇汽油提供科学依据。

1 台架试验方法与试验设备

在发动机台架上分别使用E10工业乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油进行万有特性试验。试验采用标准进气状态，相同的边界控制，对所测功率、扭矩进行大气修正，试验过程中不对汽油机进行任何调整。

试验设备包括AVL INDY S22-2电力测功机、PUMA OPEN台架控制系统、AVL735S燃油消耗测量仪、HORIBA MEXA 7100D排放分析仪等。试验用发动机主要技术参数如表1所示。

表1 发动机主要技术参数

2 试验结果分析

2.1 乙醇对汽油物化性质的影响

试验所用三种燃料分别为E10工业乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油。两种乙醇汽油均是由90%的93#汽油和10%的无水乙醇调和而成。表2为三种燃料的主要物化指标。

表2 E10工业乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油的物化性质对比

从表2可以看出，乙醇汽油的热值低于93#汽油，约为93#汽油的98%左右。在相同喷油量的情况下，使用乙醇汽油，动力性会降低2%左右。93#汽油理论空燃比为14.6，添加10%的乙醇后空燃比降为14.04。电控汽油机燃用乙醇汽油后，ECU会根据空燃比闭环控制加大喷油脉宽。因此，燃用乙醇汽油后，闭环控制策略下燃油消耗量会增加。

另外，乙醇汽油辛烷值高于93#汽油，电控系统可通过加大点火提前角适当降低混合气浓度来提高发动机外特性性能与经济性。乙醇较大的汽化潜热会降低压缩功，提高发动机的充气效率。然而较大的汽化潜热会使发动机冷启动困难，滞燃期加长。由于试验采用10%的乙醇，比例较小，对滞燃期和燃烧持续期影响较小，燃料自身含氧量提高反而会缩短滞燃期和燃烧持续期[1-2]。

2.2 三种燃料对发动机动力性的影响

使用三种燃料，在不调整ECU控制策略及相同的试验边界条件下，进行了外特性试验，试验结果如图1所示。

图1 三种燃料外特性曲线

从图1可以看出，转速低于3200r/min时，乙醇汽油的扭矩略低于93#汽油，最大差异为1.8（N·m），随着转速升高，这种差异逐渐缩小。转速高于3200r/min后，三种燃料的最大功率基本一致，最大功率转速为6 000 r/min，E10工业乙醇汽油的最大功率为80.32 kW，E10生物乙醇汽油的最大功率为80.29 kW，93#汽油的最大功率为80.22 kW。原因是：1）三种燃料热值差异较小，E10工业乙醇汽油的热值为93#汽油的97.7%，E10生物乙醇汽油的热值为93#汽油的98%；2）E10乙醇汽油含氧量为3.5%，而原子氧比分子氧更容易参加氧化反应，促进了混合气燃烧；3）由于乙醇蒸发潜热大于汽油，有利于提高发动机的充气效率[3]。

乙醇汽油的辛烷值为109，添加10%的乙醇使混合汽油的辛烷值提高，发动机的动力性还有提升的空间。

2.3 三种燃料对发动机经济性的影响

图2为发动机在2 000 r/min和4 000 r/min时燃用E10工业乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油时的负荷特性燃油消耗率对比曲线。从图2可以看出，2 000 r/min时，发动机处于空燃比闭环控制，三种燃料的混合气都在理论空燃比下燃烧，由于乙醇汽油热值略低于93#汽油，造成燃油消耗率增加，其中E10工业乙醇汽油的燃油消耗率增加2.1%，E10生物乙醇汽油的燃油消耗率增加2.6%。4 000 r/min时，在84（N·m）以下，发动机处于空燃比闭环控制，燃油消耗率增加幅度随负荷增加而逐渐减小；在84（N·m）以上，发动机处于开环控制，三种燃料燃油消耗率增加幅度在0.6%到1%之间。这主要是由于负荷较高时，空燃比开环控制，提供浓混合气，乙醇的自含氧使乙醇汽油的燃烧更加充分，而中小负荷下，空燃比闭环控制，自含氧的燃烧促进作用不明显。

由于添加乙醇后，乙醇汽油热值低于93#汽油，用燃油消耗率来评价经济性有局限，为了更加客观地评价燃油经济性，对发动机使用E10工业乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油的能量消耗量（简称能耗率）进行对比。图3为不同转速负荷下能量消耗率对比曲线。从图3可以看出，E10工业乙醇汽油的能耗率与93#汽油持平，2 000 r/min小负荷时，E10生物乙醇汽油的能耗率略有上升，但上升幅度低于燃油消耗率的上升幅度。原因主要是乙醇汽油的自含氧提高了能量利用率。至于转速与负荷升高，乙醇汽油的能耗率低于93#汽油，这是由于高负荷空燃比开环控制工况下，乙醇汽油的高含氧量使浓混合气的燃烧比93#汽油更加充分。

图2 三种燃料的负荷特性曲线

图3 三种燃料的负荷特性能耗率曲线

图4 三种燃料的万有特性曲线

通过采集发动机所有工况燃油消耗情况，绘制了万有特性图，如图4所示。从图4可以看出，使用乙醇汽油后，发动机最佳经济区位于中速（2 000～ 3 000r/min）中高负荷区域，所占区域面积小于93#汽油，然而,整体趋势并没有发生改变。而两种乙醇汽油相比较，E10工业乙醇汽油最佳经济区域的面积略大于E10生物乙醇汽油。

2.4 三种燃料对发动机排放的影响

在相同的发动机转速与扭矩下，对催化器前排气进行测量，对比三种燃料对发动机排放的影响。

图5为三种燃料在2 000 r/min和4 000 r/min时，CO排放随负荷的变化关系，从图5可以看出，在2 000 r/min时，发动机处于空燃比闭环控制，过量空气系数控制在1.0，可保证混合气充分燃烧，随着负荷升高，CO排放变化不明显。但两种乙醇汽油的CO排放低于93#汽油，尤其是E10工业乙醇汽油更低。在4 000 r/min、60（N·m）以下，发动机处于空燃比闭环控制，三种燃料的CO排放基本一致。随着负荷增大，发动机进行空燃比开环控制，乙醇汽油的自含氧使CO排放低于93#汽油。E10工业乙醇汽油的CO排放低于E10生物乙醇汽油。

图5 不同转速负荷下三种燃料的CO排放

图6为三种燃料在2 000 r/min和4 000 r/min时，THC排放随负荷的变化关系，从图6可以看出，在2 000 r/min时，发动机处于空燃比闭环控制，在不缺少氧气的情况下，乙醇的加入仍然可使THC排放得到改善。在4 000 r/min高负荷区域，E10工业乙醇汽油的THC排放略高于E10生物乙醇汽油。

由于两种乙醇汽油乙醇添加量较少，在空燃比闭环控制下THC排放改善效果不是太明显，但仍可以证明燃料的自含氧对降低HC排放的效果要胜过空气中的氧气。

图6 不同转速负荷下三种燃料的HC排放

图7 为三种燃料的NOx排放随负荷的变化关系，从图7可以看出，无论是小负荷发动机处于空燃比闭环控制，还是大负荷发动机处于空燃比开环控制，乙醇汽油的NOx排放都略高于93#汽油，同时，E10工业乙醇汽油的NOx排放略高于E10生物乙醇汽油。

NOx的生成机理与CO和HC不同，NOx是由于在燃烧室的高温环境下，氧气与氮气发生反应所形成的，高温富氧和高温持续时间是生成NOx的重要条件。因此，缸内燃烧温度越高，燃烧后氧气浓度越大，高温持续时间越长，NOx排放越高[4]。

虽然乙醇的汽化潜热高于汽油，乙醇的加入可使进气温度有所降低，但由于乙醇添加量较少，乙醇汽油的自含氧使混合气燃烧更加充分，势必使燃烧温度升高，从而使NOx生成量增加；随着负荷增加，混合气变浓，燃烧温度变高，导致NOx排放不降反而有所升高。

图7 不同转速负荷下三种燃料的NOx排放

3 结论

1）无论是工业乙醇还是生物乙醇，添加10%后，混合汽油热值降低，辛烷值提高，物化性能变化较小，添加乙醇后需要考虑乙醇吸水性，防止出现液相分离。

2）使用乙醇汽油后，发动机的动力性没有出现下降，在功率点，工业乙醇汽油和生物乙醇汽油的功率要高于93#汽油。同时，辛烷值的提高使乙醇汽油还有提升空间。

3）添加10%的乙醇后，乙醇汽油热值降低，使整体燃油消耗率高于93#汽油，但能耗率与93#汽油相当，大负荷甚至优于93#汽油。工业乙醇汽油最佳油耗区域大于生物乙醇汽油。

4）使用乙醇汽油后，CO和THC排放有所改善，但由于乙醇含量较低，改善不是很明显。由于乙醇汽油的自含氧，使燃烧更加充分，燃烧温度升高，NOx排放不降反而略有升高。

5）采用化工工艺合成的工业乙醇与生物发酵工艺生产的生物乙醇与汽油混合后，对发动机的动力性、经济性和排放性能影响差异较小，部分工况工业乙醇汽油优于生物乙醇汽油。因此推广工业乙醇汽油可缓解耕地面积减少以及石油资源紧缺所带来的压力。

1黄佐华，苗海燕，周龙保，等.汽油机燃用汽油-含氧化合物混合燃料的燃烧特性研究[J].西安交通大学学报，1999，33（9）：42-46

2何学良，詹永厚，李疏松，等.内燃机燃料[M].北京：中国石化出版社，1999

3何邦全，闫小光，王建昕，等.电喷汽油机燃用乙醇-汽油燃料的排放性能研究[J].内燃机学报，2002，20(5）：399-402

4B.M.Masum,H.H.Masjuki.Effect of ethanol–petrol blend on NOxemission in SI engine[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013,24:209-222

Bioethanol Petrol's Replaceability Research

Ma Shibo,Wang Fuzhi,Su Fangxu
BAIC Motor Powertrain Co.,Ltd.(Beijing,101106,China)

To help the shortage of petroleum in China,the government starts to spread the ethanol petrol, but bioethanol petrol costs too much.Industrial ethanol made of natural gas,coal,Petroleum coke and litter can replace the bioethanol petrol.This paper aims to show the difference of them through test,as well as the difference with petrol.We have a map test using E10 industrial ethanol petrol,E10 bioethanol petrol and NO.93 petrol.The result shows that:without modification of calibration,the performance is the same between ethanol petrol and NO.93 petrol.At economy,fuel consumption is higher than NO.93 petrol,but the special energy consumption is almost the same,some point is better than NO.93 petrol.At emissions,for the CO emission E10 petrol is lower than NO.93 petrol at the whole map,and HC emission is better also,NOxemission is higher.The performance of industrial ethanol petrol is the same as bioethanol petrol,so industrial ethanol can be used for ethanol petrol instead of bioethanol.

Industrial ethanol petrol,Bioethanol petrol,Performance,Emission

TK418.9

A

2095-8234（2016）05-0012-06

马士博（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为发动机性能开发。