发动机燃用丁醇汽油的性能实验研究

2015-04-12 08:35石美玉朱荣福

黑龙江工程学院学报 2015年1期

石美玉，朱荣福，林明，杨兆

（黑龙江工程学院汽车与交通工程学院，黑龙江哈尔滨150050）

能源与环境是当今世界发展的两大主题，汽车既是能源消耗的大户，也是环境污染的主要来源之一。在众多的车用代用燃料之中，生物燃料以其低污染、可再生等优势引起了广泛的关注［1－2］。对于点燃式发动机，目前在我国常用的生物燃料是乙醇汽油，其中乙醇的体积比为10%［3－4］。生物丁醇作为第二代生物燃料，与乙醇相比，来源丰富，可不用粮食作为生产原料，更为适合与汽油混合作为车用燃料使用［5－7］。目前，对于丁醇汽油的研究，通常与发动机燃用汽油作比较，而发动机燃用乙醇汽油和丁醇汽油的对比性研究较少［5，8］。

1 燃料理化特性分析

表1给出了汽油、乙醇和丁醇的燃料理化特性对比。如表1所示，乙醇和丁醇都是含氧燃料，燃料中的氧有利于燃料完全燃烧，提高热效率，进而降低油耗和排放［9－10］。与乙醇相比，丁醇作为车用燃料的优势有：丁醇的热值、密度更高，与汽油混合后，对发动机动力性影响较小；丁醇的蒸汽压仅为乙醇的1／6，远低于汽油，有利于燃料的储存与运输；丁醇的汽化潜热低于乙醇，有利于提高发动机的冷起动性能；丁醇的化学结构与汽油更为接近，亲水性弱，与汽油混合不需添加助溶剂；丁醇的腐蚀性低，可直接使用现有的炼油管道运输，无需改动。

表1 燃料理化特性

2 实验装置及方法

实验发动机为三菱4G18发动机，发动机主要技术参数如表2所示，实验台架布置如图1所示。实验通过AVL i60直采排放分析系统测量和记录排放数据；利用湘仪CW160发动机测试控制仪测量和记录功率、油耗等数据。

实验工况为全负荷和速度特性2000rpm和2500rpm发动机负荷特性。实验方法参照《GB／T 18297－2001汽车发动机性能试验方法》，实验前发动机预热15min以上，在燃料温度控制在298K±5K、机油温度368K±5K、排气背压低于6.7kPa时开始试验，每个工况测量时间不低于3min，实验工况之间间隔不低于5min。

实验燃料分别为纯汽油（记作B0），乙醇体积比为10%的乙醇汽油（记作E10），丁醇体积比为10%的丁醇汽油（记作B10）。实验时，发动机未做任何改动或调整，乙醇汽油和丁醇汽油均为现场调配，未添加任何物质。

表2 发动机主要技术参数

图1 实验台架布置

3 实验结果与分析

3.1 动力性分析

图2给出发动机燃用B0（纯汽油）、E10（乙醇汽油）、B10（丁醇汽油）的外特性对比。如图1所示，与汽油相比，发动机燃用E10外特性功率最低，平均降幅5%，B10位于二者之间，平均降幅2%。这是由于与乙醇相比，丁醇的热值与汽油更为接近，且丁醇含氧（见表1），有利用燃料完全燃烧，因此，在全负荷工况下，燃用丁醇汽油混合燃料对发动机的动力性影响较小，优于乙醇汽油。

图2 发动机外特性功率对比

3.2 经济性分析

在相同的负荷下，由于乙醇汽油和丁醇汽油的热值低于汽油，容易导致发动机的油耗增大。如图3和图4发动机燃用三种燃料的2000rpm和2500rpm负荷特性油耗对比曲线所示，与汽油相比，发动机燃用E10的燃油消耗率最高，而丁醇汽油的热值高于乙醇汽油，因此，B10的燃油消耗率位于二者之间。

图3 2000rpm负荷特性发动机油耗对比

图4 2500rpm负荷特性发动机油耗对比

3.3 排放性能分析

图5 至图8给出发动机燃用三种燃料的2000rpm和2500rpm负荷特性HC排放和CO排放对比曲线。如图所示，发动机燃用B10时HC排放和CO排放最低，其次为E10，B0最高，在2500rpm负荷特性尤为明显。一方面乙醇和丁醇都是含氧燃料，燃料含氧有利于降低HC排放和CO排放；另一方面是因为在相同负荷下，由于燃料热值导致发动机乙醇汽油的燃料供给量最多（见图3和图4），削弱了燃料含氧降低HC排放和CO排放的效果。