发动机燃用醇类混合燃料的燃烧特性研究

臧 杰，朱荣福，孙曙光，安永东，王瑛璞，姜 莉，田 芳

(1. 黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.黑龙江东方学院 机电工程学部，黑龙江 哈尔滨 150066)

发动机燃用醇类混合燃料的燃烧特性研究

臧 杰1，朱荣福1，孙曙光2，安永东1，王瑛璞1，姜 莉1，田 芳1

(1. 黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.黑龙江东方学院 机电工程学部，黑龙江 哈尔滨 150066)

按照体积分数分别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，研究电喷汽油机在不作改动的情况下，燃用丁醇汽油和乙醇汽油混合燃料时的燃烧特性变化情况。研究结果表明：在不改变发动机任何参数的情况下，发动机燃用醇类汽油混合燃料指示热效率略有升高，充量系数略有下降，小负荷时，醇类燃料的循环波动较大，而大负荷时，其循环波动小于纯汽油，E30的燃烧持续期最短，而B30相对于汽油变化不大。

丁醇；乙醇；发动机；燃烧

环境问题的日益紧迫，各国都在制定越来越严格的排放法规，生物燃料能够有效缓解汽车排放对环境的污染[1-3]。对于点燃式发动机而言，应用较多的生物燃料主要是乙醇，但近年来，生物丁醇燃料引起了极大的关注[4-6]。表1给出了汽油、乙醇和丁醇三种燃料的理化特性对比。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烧，且燃用的自供氧能力也有利于在高原地区应用；乙醇的沸点和蒸汽压比汽油低，有利于可燃混合气的形成，而三种燃料中，丁醇的沸点最高，蒸汽压最低，不利于可燃混合气的形成；热值方面，丁醇的热值与汽油较为接近；乙醇和丁醇汽化潜热大，不利于发动机冷起动，但另一方面，发动机正常运转时，有利于提高充量系数。从能源多样化的角度出发，研究乙醇和丁醇燃料在点燃式发动机上的燃烧特性，对于优化发动机匹配策略，缓解能源和环境问题均有重要的意义。

表1 燃料理化特性

1 实验装置及方法

本实验研究的是在发动机结构参数和运行参数不变的条件下，发动机燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油的燃烧特性变化，因此，要采用适合的掺烧比例，乙醇汽油中乙醇的体积比例分别为15%、30%(分别记作E15、E30)，丁醇汽油中丁醇体积的比例分别为15%、30%(分别记作B15、B30),汽油为市售93#汽油(记作G)，乙醇汽油和丁醇汽油均为现场配置，未添加助溶剂。

发动机主要技术参数如表2所示，实验测试设备如表3所示。实验工况为发动机转速2 000 rpm，平均有效缸内压力分别为0.2 MPa和0.7 MPa，分别代表发动机2 000 rpm运转时，小负荷和大负荷工况。

表2 发动机主要技术参数

表3 主要实验测试仪器

为保证实验数据的准确性及可比性，控制发动机水温和油温在80 ℃±3 ℃内进行实验，实验数据测量3次后取均值，为避免供油系统中剩余燃料对下一种燃料实验的影响，更换燃油后发动机怠速运转15 min以上[7-9]。

2 燃烧分析方法

2.1 上止点位置

上止点相位误差是影响上止点附近的放热率计算精度的重要因素，示功图上止点 1°CA(曲轴转角)的相位误差将导致放热率峰值产生约14%的误差，累积放热率产生约10%的误差。确定上止点位置的方法中，倒拖法一般不需要附加测量装置(对单缸机需电机拖动)，且精度较高，是确定上止点位置较为适用和可靠的方法[10]。如图1所示，实验选取的发动机上止点位置为倒拖压缩线峰值点之前1°CA。

图1 电荷放大器标定拟合曲线

2.2 缸内数据处理

发动机燃烧过程中存在循环变动，且点燃式发动机的循环变动大于压燃式发动机。因此，只考虑一个循环的示功图进行放热并不准确，为了获得某一工况具有代表性的示功图，就必须对更多循环的气缸压力数据进行平均处理。对于高速压燃式发动机而言，一般取50个循环平均示功图。但对汽油机而言，一般要取更多的循环进行平均化处理。本次实验每个工况选取200个循环示功图进行平均。

3 结果与分析

3.1 充量系数

充量系数定义为单缸每循环吸入缸内的新鲜空气质量与按进气状态计算得到的理论充气质量的比值，计算公式为

(1)

式中：ma为单缸每循环新鲜空气质量，kg；ρs为环境空气密度，kg/L；Vs为气缸排量，L。

图2和图3分别为发动机在2 000 rpm，平均有效缸内压力分别为0.2 MPa(小负荷)和0.7 MPa(大负荷)时，不同醇类混合燃料的充量系数对比曲线。如图所示，大负荷工况充量系数明显高于小负荷工况充量系数，这是因为点燃式发动机是“量”调节，随着负荷增加，节气门开度增大，节气门节流损失减小，进气量增加，导致充量系数增大。发动机燃用不同醇类混合燃料对充量系数影响较小，燃用乙醇汽油与丁醇汽油时，发动机充量系数略有下降，这是因为由于醇类燃料含氧，其化学计量比小于汽油(见表1)，因此，相同负荷下相对于汽油，醇类燃料燃烧需要的空气量减少，且丁醇的化学计量比小于汽油而高于乙醇，导致丁醇汽油的充量系数略低于汽油，略高于乙醇汽油。

图2 小负荷工况充量系数对比

图3 大负荷充量系数对比

3.2 指示热效率

燃料的化学能转换为指示功的能量转换效率，称为指示热效率。

(2)

式中：Wi为单缸每循环指示功，kJ；gb为单缸每循环燃料消耗量，kg；Hu为燃料低热值，kJ/kg。

图4和图5分别为发动机在2 000 rpm运转时，不同负荷不同醇类混合燃料的指示热效率对比曲线。总的来说，发动机燃用醇类汽油后指示热效率相对于燃用汽油有所提高，虽然发动机汽油的充量系数最高，但乙醇和丁醇都是含氧燃料，有利于燃料完全燃烧，进而提高发动机指示热效率，此外，由于丁醇的沸点较高，蒸汽压较低(见表1)，不利于可燃混合气的形成，且丁醇的含氧量低于乙醇，因此，E30最高，而B30仅略高于纯汽油G。

图4 小负荷指示热效率对比

图5 大负荷指示热效率对比

3.3 循环波动

由于火花塞附近混合气成分波动和气体运动状态波动，导致实际点燃式发动机的转速和转矩波动程度要比压燃式发动机大得多。图6和图7为发动机2 000 rpm运转时不同负荷不同燃料的循环波动对比曲线。如图所示，两种负荷工况下循环波动均小于5%，且小负荷工况循环波动明显大于大负荷工况，这是因为负荷越小，充量系数越小(见图2、图3)。则缸内参与废气越多，火花塞附近混合气成分的波动较大，进而导致小负荷工况循环波动大。比较不同燃料的循环波动可以发现，小负荷工况醇类燃料的循环波动高于纯汽油，特别是E30混合燃料，这是因为醇类燃料的汽化潜热较大，且乙醇的汽化潜热高于丁醇，影响缸内温度分布，进而导致循环与循环之间的火花塞点火过程波动较大；而大负荷工况，缸内温度较高，且由于醇类燃料含氧，有利于火核的形成，导致循环波动低于纯汽油。

图6 小负荷指示热效率对比

图7 大负荷指示热效率对比

3.4 燃烧持续期

定义可燃混合气从10%质量燃烧率到90%质量燃烧率所转过的曲轴角度为燃烧持续期。图8和图9为发动机2 000 rpm运转时不同负荷不同燃料的燃烧持续期对比曲线。如图所示，一方面，由于醇类燃料含氧，火焰传播速度快(见表1)，醇类燃料燃烧持续期最短；另一方面，由于醇类燃料汽化潜热较大，燃烧温度低于汽油，根据醇类燃料的化学反应机理，低温条件时，从β，δ和γ碳位上进行H提取的反应是醇类燃料被消耗的主要反应；随着温度升高，单分子解离反应成为醇类燃料消耗的最主要反应，链引发反应是影响燃料燃烧持续期的一个重要因素。对于脱氢反应，由于C-H和O-H化学键都比较弱，所以比较容易断裂形成活性自由基。而单分子分解反应主要是C-C键和C-O键的断裂，它们的化学键虽然比较稳固，但是由于脱氢反应产生了大量H自由基，因此，化学反应速率较慢，燃烧速度下降。但燃料含氧对燃烧速度的影响更大，因此，E30燃烧持续期最短，而丁醇由于理化特性导致不利于混合气形成，B30相对于纯汽油变化不大。对于B10和E10而言，由于掺混醇类燃料较少，对燃烧持续期的影响不明显。

图8 小负荷燃烧持续期对比

图9 大负荷燃烧持续期对比

4 结 论

本文对燃用不同比例的乙醇汽油和丁醇汽油发动机的燃烧特性进行了对比性研究，实验结果表明：

1)发动机燃用醇类汽油时，充量系数略有下降，指示热效率略有提高；

2)小负荷时，醇类燃料的循环波动较大，而大负荷时，其循环波动小于纯汽油；

3)E30的燃烧持续期最短，而B30相对于汽油变化不大。

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[10] ZHOU Xiong, YUAN Dongmei, YANG Ying. Algorithm Design on Computing Dynamic Top Dead Center with Compressing Line Method [M]. Small Scale Internal Combustion Engines and Motorcycles. 2003, 5 (24): 79-80.

[责任编辑：郝丽英]

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

哈尔滨市应用技术研究与开放项目(2014RFXXJ070)

臧 杰(1963-)，女，教授，研究方向：车用清洁燃料.

TK464

A

1671-4679(2017)02-0001-04