汽油机进气道喷射高碳醇与低碳醇的燃烧与排放特性对比研究

王志强，李立君，马寅杰

(1. 中南林业科技大学机电工程学院，湖南 长沙，410004；2. 湖南科技大学信息与电气工程学院，湖南 湘潭，411201；3. 湖南大学机械与运载工程学院，湖南 长沙，410082)

据统计，2019 年全国机动车保有量达到3.48亿辆，CO，HC(碳氢化合物)，NOx和PM(颗粒物)排放总量为1 603.8万t，中国城市空气污染已由煤烟型污染转为煤烟和机动车排放复合型污染[1]。为减少汽车尾气排放量，人们开始寻找可靠的替代燃料。醇类是最具吸引力的替代燃料之一，在提高燃烧效率和降低废气排放量方面具有巨大潜力[2-5]。我国已经将与醇类燃料及其快速产业化相关的一些重要技术列为优先事项[6]。

学者们对醇-汽油混合物的燃烧和排放特性进行了大量研究。WEI 等[7]测试了燃用甲醇-汽油混合物(包括M10，M20和M85(汽油与体积分数分别为10%，20%和85%的甲醇混合))的三缸进气道喷射(port fuel injection,PFI)汽油机的尾气排放，结果表明掺混甲醇降低了一氧化碳(carbon monoxide,CO)和氮氧化合物(nitrogen oxides,NOx)的排放量，同时对非甲醇碳氢(hydrocarbons, HC)排放量有轻微影响。LIU等[8]研究了全负荷条件下汽油机燃用甲醇-汽油的性能，发现汽油掺混甲醇会降低发动机功率，但会提高热效率。PUMPHREY 等[9]研究了甲醇-汽油混合物对瑞德蒸气压(Reid vapor pressure, RVP)的影响，发现当汽油中加入少量甲醇时，RVP急剧增加。为了控制RVP和蒸发排放，QI 等[10]使用乙醇作为甲醇-汽油混合物的共溶剂，以获得稳定的均相，在甲醇-汽油混合物中添加6%的乙醇会导致HC 排放量增加和NOx排放量减少。

在醇类中，乙醇是最常见的汽油添加剂。VARDE 等[11]评估了使用E10，E25 和E85(汽油与体积分数为10%，25%和85%乙醇混合)汽油机的排放特性，发现掺混乙醇可降低CO排放量。与汽油相比，E10 和E25 的NOx排放量相似，而E85 显著降低了NOx和HC 的排放量。SCHIFTER 等[12]在1 台AVL5401 汽油发动机中测试了乙醇-汽油混合物(乙醇体积分数为0～20%)，发现E10的燃烧持续时间最长，此外，随着掺混比增加，CO 和HC 排放量减少，而NOx排放量增加。NIVEN[13]总结了汽油掺混乙醇对燃烧和排放特性影响的相关研究。

与低碳醇相比，高碳醇作为汽油机的替代燃料具有许多优点，如对水污染性减少、燃油经济性更好、点火问题更少等。ALASFOUR[14]从热力学第一定律和第二定律的角度评估了汽油机燃用30%丁醇-汽油混合燃料的可行性，其结果表明，50.6%的燃料能量可以转化为有用功。SZWAJA等[15]研究了汽油机燃用正丁醇的燃烧特性，发现正丁醇表现出更短的燃烧持续时间和更好的燃烧稳定性。DERNOTTE 等[16]测试了PFI 汽油机燃用B0，B20，B40，B60 和B80 燃料(汽油与体积分数分别为0，20%，40,%，60%和80%的丁醇混合)的排放特性，发现B60 和B80 会产生更高HC 排放量；对于NOx排放，除B80外，所有混合燃料都具有相似的排放水平。JIN等[17]总结了正丁醇作为发动机替代燃料的研究进展。

戊醇的物化性质更接近汽油，使其成为更有吸引力的汽油替代燃料。GRAVALOS 等[18]分析了戊醇-汽油混合燃料的燃烧特性，发现汽油掺混戊醇可以提高抗爆震性。YACOUB 等[19]研究了当氧气含量为2.5%和5.0%时，发动机燃用C1～C5醇与汽油混合燃料的排放特性，发现在最佳操作条件下，所有混合燃料的CO 和HC 排放量降低，而高碳醇-汽油混合燃料中较高的氧含量会导致NOx排放量大幅增加。TOGBÉ 等[20-21]研究了层流火焰速度并建立了正戊醇的动力学模型。

综上所述，人们对低碳醇-汽油混合燃料(甲醇-汽油、乙醇-汽油)进行了较为深入的研究。然而，对于高碳醇(尤其是戊醇)在汽油机中的应用研究较少。因此，本文作者对汽油机燃用甲醇-汽油、乙醇-汽油、丁醇-汽油和戊醇-汽油混合燃料的燃烧与排放特性进行对比研究。

1 燃料理化性质

醇类燃料和汽油的重要理化性质的对比见表1。由表1 可知：与汽油相比，甲醇和乙醇具有更高的抗爆震指数，可使汽油机能够在更高的压缩比下运行，效率更高且经济性更优。醇类燃料中的氧会提高燃烧性能并提高能源效率。甲醇、乙醇和丁醇的汽化潜热高于汽油的汽化潜热，会提高容积效率，但同时会降低冷启动能力。醇类燃料的理论空燃比低于汽油的理论空燃比，这意味着醇类燃料只需要较少空气就可以完全燃烧。与汽油相比，醇类燃料的能量密度较低。此外，醇类燃料具有比汽油更高的层流火焰速度(vLFS)。

2 实验系统

2.1 发动机台架

图1所示为实验系统示意图。实验发动机的主要参数见表2。发动机与GETCL-15 4-35-1700测功机相连。DyneSystems DTC-1数字油门控制器用于调节发动机油门位置。发动机由Megasquirt V3.0 ECU 控制。压力调节器用于调节供给发动机的进气。Kistler 6125B压力传感器和BEIXH25D曲轴编码器用于测量缸内压力及其相应的曲轴位置。Horiba MEXA-554JU 分析仪用于测量单位能耗(1 kW·h)对应的CO 和HC 排放量。Horiba MEXA-720分析仪用于测量NOx排放和空燃比。本文采用LabVIEW 软件开发了实时数据采集程序，测量结果和操作参数记录在程序中。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表2 汽油机参数Table 2 Gasoline engine parameters

2.2 测试工况

在发动机节气门全开的状态下进行实验，此时发动机会保持最佳燃烧效率和最大功率。进气歧管压力设定为60 kPa。发动机转速固定在1 200 r/min，设定汽油当量比为1.0 且发动机获得最大输出转矩(maximum brake torque，MBT)的时刻为点火时刻。当量比范围设置为0.83～1.25，包含了燃油浓度从稀到浓的工况。实验测试是在稳态条件下进行的，发动机充分预热后开始采集数据。每种燃料在温湿度可控的实验室中进行3次重复试验，试验结果均为3 次重复试验结果的平均值。

3 结果与讨论

3.1 不同掺混比下燃料燃烧与排放特性对比

低碳醇-汽油和高碳醇-汽油混合物的燃烧特性对比见图2。图2 中，G100 表示纯汽油，P10 和P30表示汽油与体积分数分别为10%和30%的戊醇的掺混物。由图2 可见：醇-汽油混合燃料的燃烧相位更提前，导致其缸压峰值相较于纯汽油更高。本文基于缸压变化曲线得到初始燃烧持续时间和主要燃烧持续时间(即燃烧质量分数分别为0～10%和10～90%的燃料所用时间)，其对应的曲轴转角分别为tICD和tMCD。随着醇类燃料掺混比增大，tICD整体上呈减小趋势，这是因为层流火焰速度vLFS对tICD和tMCD有较大影响，且醇类燃料的vLFS比汽油的高。掺混醇类燃料导致tMCD降低，与低碳醇-汽油混合燃料相比，高碳醇-汽油混合燃料拥有更低的tMCD，因为高碳醇的vLFS比低碳醇的vLFS大。

图2 不同掺混比下醇-汽油混合燃料的燃烧特性对比Fig.2 Combustion characteristics comparison of alcoholgasoline blends under various blend ratios

燃用醇-汽油混合燃料时的发动机性能对比见图3。由图3可见：与纯汽油相比，醇-汽油混合燃料的热效率降低了0.25%～0.46%。这是因为掺混醇使燃烧相位提前，但设定的点火时刻仍未改变，导致有用功减少，且这部分损失无法被醇类燃料中的氧原子对燃烧效率的促进作用所补偿。燃油消耗率随着醇类燃料掺混量增大和醇类燃料碳链数减少而增加，这是能量密度降低所致。在醇-汽油混合燃料中，P10(汽油与体积分数为10%的戊醇掺混)的热效率和燃油消耗率与纯汽油的最接近。

图3 不同掺混比下醇-汽油混合燃料的发动机性能对比Fig.3 Engine performance comparison for alcoholgasoline blends under various blend ratios

燃用醇-汽油混合燃料时的发动机排放物对比见图4。由图4 可见：在汽油中掺混醇类燃料会使CO排放量增加3.4%～72.6%。尽管掺混醇会增加氧含量并降低CO排放，但发动机是在理论空燃比下运行，因此，无法获得过量的氧气。醇类燃料的燃烧速率比汽油的高，这是因为醇-汽油混合燃料的燃烧产物在膨胀过程和排气冲程中在燃烧室停留的时间更长，从而降低了缸内气体温度。醇-汽油混合燃料的燃烧产物中包含更高的热容量，导致缸内气体温度降低，从而减慢了CO 转化为CO2的速率，甚至抑制了反应的发生。随着掺混比增大，低碳醇-汽油混合燃料的CO 排放量减少，而高碳醇-汽油混合燃料则呈现出相反的趋势。在醇-汽油混合燃料中，HC 排放量随着醇掺混量增加而减少，这是因为醇对燃烧效率有促进作用。但M10，M30和B10的HC排放量分别比纯汽油的高24.4%，3.7%和0.5%，这是因为较低的理论空燃比导致更多的燃料逃离燃烧初始过程并进入缸内部件缝隙中。根据Zeldovich 机理，NOx的排放依赖于氧气和温度。与纯汽油相比，M10，M30，E10，E30，B30 和P30 的NOx排放量分别降低了17.8%，6.0%，1.9%，4.4%，5.5% 和9.1%，而B10 和P10 的NOx排放量相近。较低的NOx排放量可归因于缸内气体温度降低。此外，低碳醇-汽油混合燃料在抑制NOx排放方面比高碳醇-汽油混合燃料更高效。

图4 不同掺混比下醇-汽油混合燃料的发动机排放特性对比Fig.4 Engine emissions comparison for alcohol-gasoline blends under various blend ratios

3.2 不同当量比下燃料燃烧与排放特性对比

10%醇-汽油混合燃料在不同当量比下的燃烧特性对比见图5。由图5 可见：随着当量比增大，油气混合气的点火和燃烧变得更快，导致tICD和tMCD更小，且醇-汽油混合物的tICD和tMCD的差异减小。一般而言，与纯汽油相比，醇-汽油混合燃料燃烧相位提前。在燃料中，甲醇-汽油混合燃料的tICD和tMCD最大。同时，高碳醇-汽油混合燃料的tMCD整体上比低碳醇-汽油混合燃料的tMCD小。

图5 不同当量比下醇-汽油混合燃料的燃烧特性对比Fig.5 Combustion characteristics comparison of alcoholgasoline blends under various equivalence ratios

10%醇-汽油混合燃料在不同当量比下的热效率和燃油消耗率对比见图6。由图6 可见：随着当量比降低，热效率升高，这是因为随着混合气变稀，等熵效率增加。在稀燃工况下，E10，B10 和P10相对于纯汽油的热效率更高，这是因为设定的发动机点火时刻仍未改变，醇-汽油混合燃料的燃烧相位相较于纯汽油提前，会有更多的燃料在压缩行程燃烧，产生更多的负功。由于能量密度较低，与G100 相比，M10，E10，B10 和P10 的燃油消耗率分别高7.0%～9.1%，1.8%～6.5%，0.8%～5.1%和1.1%～3.4%。除了能量密度外，燃油消耗率还受到热效率的影响，因此，热效率相对较高的E10，B10 和P10 在当量比为0.83 时的燃油消耗率接近汽油的燃油消耗率。

图6 不同当量比下醇-汽油混合燃料的发动机性能对比Fig.6 Engine performance comparison for alcoholgasoline blends under various equivalence ratios

10%醇-汽油混合燃料在不同当量比下的发动机排放特性对比见图7。由图7可知：CO排放量主要受当量比控制。高浓度混合气会产生较高CO排放量，且对当量比非常敏感。高碳醇-汽油混合燃料的CO 排放量比低碳醇-汽油混合燃料的低。在高碳醇-汽油混合燃料中，与G100 相比，P10 的CO排放量降低了1.5%～4.2%。在化学计量条件下，由于完全燃烧，HC 排放量最小。与G100 相比，E10 和P10 的HC 排放量降低了10.9%～21.9%和3.1%～8.1%；而M10 的HC 排放量提高了2.1%～7.5%，这是因为燃烧随着效率提高，喷射了更多的燃料到缸内。当量比为0.91～1.00 时燃烧过程相对完全，燃烧峰值温度较高，NOx排放量最大。在稀薄混合气工况下，由于缸内气体温度降低，M10，E10，B10 和P1 的NOx排放量相对于G100分别减少了20.5%～22.3%，11.5%～12.9%，2.6%和1.4%～8.2%。然而，在理论空燃比和高浓度混合气条件下，E10，B10 和P10 的NOx排放量分别增加了2.6%～17.2%，3.6%～25.5% 和4.9%～14.1%。这意味着较低的相对分子质量和较高的燃料喷射量会导致醇-汽油混合燃料产生更多的碳氢化合物自由基，使得氰化氢(HCN)的质量和NOx排放量增加。

图7 不同当量比下醇-汽油混合燃料的发动机排放特性对比Fig.7 Engine emissions comparison for alcohol-gasoline blends under various equivalence ratios

4 结论

1)相较于纯汽油，醇-汽油混合燃料tICD和tMCD更小，导致燃烧相位提前。因此，与纯汽油的点火时间相比，醇-汽油混合燃料的最佳点火时间应延后。随着醇体积分数和当量比增加，tICD和tMCD减小，燃烧相位提前。在醇-汽油混合燃料中，乙醇-汽油、丁醇-汽油和戊醇-汽油混合物分别具有较小的tICD和tMCD。

2)醇的掺混导致热效率发生微小变化和燃油消耗率增加。在理论空燃比和浓混合气条件下，醇-汽油混合燃料的热效率比纯汽油的低，但在稀混合气条件下，混合燃料具有更高的热效率。在醇-汽油混合燃料中，P10 显示出与纯汽油最接近的热效率和燃油消耗率。

3)汽油掺混醇类燃料对尾气排放有显著影响，但没有表现出稳定的变化趋势。在10%醇-汽油混合燃料中，P10，E10 和M10 分别在抑制CO，HC和NOx排放方面能力更强。