E20W含水乙醇汽油的燃烧及其发动机的循环变动特性

2021-01-26陈振斌王琛宇邓交均

海南大学学报（自然科学版） 2020年4期

王荔，陈振斌，王琛宇，邓交均

(海南大学机电工程学院，海南海口 570228)

乙醇汽油由于具有优越的物化特性而成为点燃式发动机的常用替代燃油之一.乙醇具有汽化潜热高、火焰速度快以及含氧等特性，因而它能够促进发动机燃料的完全燃烧[1-2].乙醇所具有的高辛烷值使其能降低发动机的压缩比限制，从而提高热效率[3].为了提高可再生能源在交通运输中的占比，作为乙醇汽油燃料的先驱者，巴西在1970年将乙醇掺混燃料用作车用，目前其乙醇掺混的比例为27%[4]，2012年美国将掺混比例达15%的乙醇燃料投入市场；印度则制定了到2030年乙醇掺混比例达到20%的目标[5].目前，我国推广应用的乙醇汽油中乙醇的掺混比例仅为10%，在无水乙醇生产制造的过程中，超过37%的能源消耗在乙醇的蒸馏脱水阶段[6]，并且在无水乙醇的运输和使用过程中还要保证系统干燥，以避免其与空气中的水结合，使得混合燃油发生油水分层，从而导致相分离，因此，对含水乙醇汽油的研究亦逐渐受到重视.

为研究作为替代燃油的含水乙醇汽油对发动机性能的影响，国内外学者对此进行了大量的研究.例如，Costa等人[3]对比研究了含水乙醇(含水率为6.8%)与E22W(乙醇掺混比为22%)的性能及排放特性，研究结果表明：当发动机转速高于4 000 r·min-1时，含水乙醇的扭矩及平均指示压力较高，并且在同一工况下，含水乙醇的HC及CO排放较低；叶燕帅等人[7]对掺混不同体积分数的含水乙醇汽油进行了实验，结果表明：在中高负荷下，含水乙醇汽油的NOx排放较高；李菲等人[8]则研究了电喷汽油机燃用E20W(含水乙醇汽油掺混比为20%)的性能以及排放特性，结果表明：在外特性工况下E20W与E0的动力性和经济性相差不大，但E20W在低转速下的噪声排放明显降低，最大可降低7.4%.另外，循环变动作为表征发动机燃烧稳定性的重要参数也应当引起重视[2]，因为存在循环变动，对于每一循环而言，点火提前角和空燃比等参数都不可能调整到最佳值，循环变动过大则不利于发动机的动力性、经济性和排放性能[9].鉴此，张盼龙等人[10]对E10W(含水乙醇汽油掺混比为10%)循环变动特性进行了研究，结果显示：在低速中等负荷下，E10W的平均指示压力的循环变动值(COVimep)高于E0的平均指示压力的循环变动值.Wang等人[11]亦对比研究了不同工况下含水乙醇汽油、无水乙醇汽油及汽油的循环变动特性，他们的实验结果表明：在发动机转速为1 600 r·min-1以及负荷变动范围为10～50 N·m时，含水乙醇汽油的COVimep高于其他测试燃油的COVimep.

乙醇作为可再生能源，其在同等替代燃油中具有很强的优越性，因此，在国外所推广的乙醇掺混燃油中乙醇的添加比例已超过了10%.目前，国内外对含水乙醇E20W的燃烧及循环变动特性的研究仍相对匮乏，为此，本文在不改变发动机结构和控制参数的情况下，于电喷汽油机转速为2 000 r·min-1时燃用E20W含水乙醇汽油，对比分析了E20W和纯汽油在燃烧及循环变动特性等方面的差异，旨在完善乙醇汽油燃烧及循环变动特性的研究，并为其推广应用提供试验数据和理论参考.

1 装置及燃料

1.1 装置试验采用的是直列四缸自然吸气/进气喷射电控汽油机，台架配有GW160电涡流测功机、FC2210Z智能油耗仪、Kistler-6056A缸内压力传感器以及DEWE-5000燃烧分析仪.发动机主要参数见表1.

表1 发动机主要参数

1.2 燃料试验采用93号汽油作为基础燃油，记做E0，E20W的制备是选用Tween80和Span40作为复配乳化剂，并以蓖麻油作为助溶剂，其中体积分数占比为：汽油79.05%，含水乙醇汽油20%(所掺混的含水乙醇中乙醇体积占比为95%)，复配乳化剂0.74%(其中，Tween80占比为0.636%，Span40占比为0.104%)，蓖麻油0.21%.汽油以及含水乙醇的理化性质如表2所示.

表2 燃油主要理化性质

试验中发动机转速选用的是城市工况下的常用转速(2 000 r·min-1)，发动机燃烧特性的研究是在试验燃油处于低/中负荷以及全负荷的工况下进行，其中，20 N·m代表发动机低负荷，60 N·m代表发动机中负荷；E0的全负荷扭矩为100 N·m，而E20W的全负荷扭矩则为110 N·m.对汽油机而言，循环变动在负荷低的情况下更易恶化，故对低/中负荷下的循环变动进行研究.燃烧特性及循环变动特性则是采用70个连续循环的缸内压力数据来进行计算.

2 燃烧特性与循环变动特性分析

2.1 燃烧特性

2.1.1 缸内压力图1—3为E20W和E0在发动机转速为2 000 r·min-1，负荷分别为20 N·m、60 N·m以及在外特性下70个连续循环时的缸内压力曲线.从图中可以看出，缸内峰值压力随负荷增加而增加.同时，在发动机负荷为20 N·m时，E20W的Pmax平均值较E0的Pmax低，随着负荷增加至全负荷，E20W的Pmax平均值平均增加0.51%、18.18%.

图1 两种燃油在20 N·m下缸内压力的比较(2 000 r·min-1)

图2 两种燃油在60 N·m下缸内压力的比较(2 000 r·min-1)

图3 两种燃油在全负荷下缸内压力的比较(2 000 r·min-1)

Pmax随负荷增加的原因在于：随着负荷的增加，节气门开度增加，缸内可燃混合物质量增加，缸内链式反应增加，缸内压力上升.E20W与E0在不同负荷下产生差异的原因是：在发动机负荷为20 N·m时，缸内初始温度低，乙醇汽化潜热高，混合燃油在燃烧室内压缩燃烧的过程中吸收了大量的热，缸内温度显著降低，从而使得混合物蒸发(雾化)困难，这样就抑制了燃料的进一步燃烧放热[14].同时，与汽油相比，添加含水乙醇之后由于燃油混合物比较稀薄，故其点火延迟期延长[15]，最终使得E20W的Pmax低于E0的Pmax.在同一转速下，随着负荷增加，缸内温度会升高，汽化潜热对燃烧的影响减弱，乙醇的高含氧量会促进缸内混合物充分燃烧，其快的火焰燃烧速度会加速缸内充质燃烧，从而提高缸内压力.另外，E20W中的少量水在燃烧过程中能够改善链反应，燃烧过程中OH-自由基增加，混合物燃烧速率加快，这也略微提高了E20W的缸内峰值压力[16].因此在60 N·m以及全负荷下，E20W的Pmax高于E0Pmax.

2.1.2 压力升高率最大压力升高率((dp/dφ)max)可反映最大放热率，并且与发动机爆震、噪声排放等紧密相关[17].爆震是火花点火发动机中的异常燃烧现象，通常表现为异常的压力震荡，爆震产生后，缸内燃烧温度急剧增高，温度及压力梯度增大.一般而言，缸内压力及温度高，压力升高率大，内燃机爆震倾向增加[18-19].E20W和E0在转速为2 000 r·min-1时，不同负荷下的压力升高率如图4—6所示，从图中可以看出，随着负荷增加，E0的(dp/dφ)max随负荷的增加先升高后降低，E20W的最大压力升高率持续上升；同时，在20 N·m和60 N·m的工况条件下，相比于E0，E20W的压力升高率分别降低了0.01 MPa/°CA、0.07 MPa/°CA,而当发动机负荷增加至全负荷时，与E0相比，E20W的压力升高率同比增加了53.33%.

图4 两种燃油在20 N·m下压力升高率的比较(2 000 r·min-1)

图5 两种燃油在60 N·m下压力升高率的比较(2 000 r·min-1)

图6 两种燃油在全负荷下压力升高率的比较(2 000 r·min-1)

最大压力升高率随负荷变动的原因在于：随着负荷的增加，缸内可燃混合物增加，因此(dp/dφ)max增大.E0到达中等负荷60N·m后，由于汽油机爆震的限制，(dp/dφ)max开始下降.E0的全负荷扭矩为100 N·m，E20W的全负荷扭矩比E0的全负荷扭矩高10 N·m，其(dp/dφ)max随负荷变动的转折点相比E0后移，因此E20W 的(dp/dφ)max在测试工况下持续上升.E20W和E0在负荷工况下产生差异的原因在于：在发动机负荷为20 N·m、60 N·m时，燃烧室温度较低，含水乙醇高汽化潜热特性使燃油在蒸发(雾化)过程中吸收更多的热量，致使缸内温度降低，混合物燃烧恶化，因此其最大压力上升率降低，Polat[20]等人采用HCCI发动机，在比较掺混不同比例的含水乙醇汽油的燃烧特性时也有类似发现.随着发动机负荷升高至全负荷，含水乙醇的快火焰燃烧速度以及高含氧量占据了燃烧的主导地位[21]，含水乙醇汽油燃烧时产生的压力速率上升，因此E20W的压力升高率高于E0的压力升高率.

2.2 循环变动循环变动是表征汽油机上一循环和下一循环差异的重要参数，燃烧参数的循环变动会对燃料转化效率、功率输出以及排放等造成影响[22].消除循环变动将使发动机增加10%的功率输出[23].一般来讲，影响点燃式发动机循环变动的因素有以下几点：缸内气体运动、缸内燃油以及废气质量、火花塞附近的混合物成分等[24].由于循环变动在发动机低负荷工况下更易恶化，因此选择发动机在20 N·m以及60 N·m的工况条件下进行研究.循环变动系数是计算发动机燃烧过程中循环变动的主要参数，其计算公式如下[25]：

(1)

其中，

(2)

(3)

在以上公式中，xi为x的标准偏差，x代表特定燃烧循环的特征参数平均值，在本次研究中，N代表测试循环样本，具体数值为70.

2.2.1 平均指示压力循环变动平均指示压力循环变动系数是研究发动机循环变动最常用的表征参数，在其值超过10%时将会影响汽车的驾驶稳定性[26].E20W和E0在测试工况下70个连续循环的平均指示压力(IMEP)循环变动如图7所示，从图7中可以看出，循环变动随着发动机负荷的增加而降低，并且在同一工况条件下，含水乙醇汽油的COVimep高于纯汽油的COVimep.COVimep随负荷增加而降低的原因在于：随着负荷的增加，发动机节气门开度增加，更多的燃油混合物进入气缸，缸内进气压力增加，燃烧趋向稳定，循环变动系数降低.而E20W的循环变动系数高于E0循环变动系数的主要原因有以下两个：一方面，含水乙醇汽油汽化潜热高，这就抑制了低负荷工况下缸内温度的升高，影响了火焰内核的形成，从而增大了循环过程中的失燃以及部分燃烧的发生概率，致使发动机循环变动增加[27]；另一方面，含水乙醇汽油的高辛烷值会导致其点火延迟期延长.在给定负荷转速下，更多的燃油空气混合物积聚在气缸内，火花塞点燃缸内气体时，缸内压力迅速增加，因此循环变动系数增大.

2.2.2 缸内峰值压力循环变动缸内峰值压力是现代发动机设计的关键机械限制因素，并且它能够反映燃烧完全程度，因此对缸内峰值压力循环变动进行研究尤为重要[25, 28].E20W和E0在2 000 r·min-1转速和不同负荷下70个连续循环时Pmax的循环变动如图8所示，从图8中可以看出，同汽油相比，随着负荷增加，E20W的最高缸内压力循环变动系数(COVPmax)分别上升了5.12%、5.79%.含水乙醇汽油COVPmax高的原因是：一方面，含水乙醇汽油的汽化潜热高，空气燃油混合物在蒸发过程中会吸热，从而致使进气温度和缸内反应速率降低，燃烧室可燃自由基减少，循环变动系数增加[25].同时，汽油的低热值为含水乙醇汽油的1.75倍，在同一转速下，为了保证发动机的功率输出，每循环喷射入气缸内的燃油量增加，火花塞附近的气体浓度也增加，燃烧火焰不能稳定传播至整个气缸，缸内失火可能性增加，从而循环变动系数增加.因此，在中低负荷下，含水乙醇汽油的COVPmax较汽油的COVPmax高.