第24卷第4期環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)Vol 24, No 4004年7月ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAEJuly, 2004文章綿號:0253-2468(2004)04-073405中圖分類號:TK411·,1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A汽油機(jī)燃用乙醇和汽油的混合燃料的試驗(yàn)研究許滄粟(江大學(xué)機(jī)械與能源學(xué)院,杭州3102摘要:對摩托車汽油機(jī)進(jìn)行了燃用乙醇汽油混合燃料的試驗(yàn),并與燃用汽油時(shí)的結(jié)果進(jìn)行了對比分析,結(jié)果顯示,汽油機(jī)燃用乙醇和汽油的混合燃料,當(dāng)混合燃料中乙醇比例為10%和15%時(shí),即使發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)不變、燃油系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)不作任何調(diào)整的時(shí)候發(fā)動機(jī)的全負(fù)荷輸出不受影響,發(fā)動機(jī)的能耗率得到改善,HC和CO排放有所降低,但是NO,排放會有顯著關(guān)鍵詞:乙醇;汽油機(jī);燃燒;汽油乙醇混合燃料Experimental investigation on the gasoline engine fueled with blend ofgasoline and ethanolXU Cangsu (Zhejiang University, Institute of Power Machine and Vehicle Engineering, Hangahou 310027)Abstract: This paper describes the experimental study results on gasoline engine for motorcycle fueled with gasoline- ethanol blend while theengine structure has not been modified. The results are compared with that of engine is fueled with gasoline which show that there is no obviousimprove energy consumption and HC, Co emission whileNO, emission is remarkably increasedKeywords: ethanol gasoline engine; combustion; gasoline-ethanol blends社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展汽車、摩托車保有量的增加,不僅使交通運(yùn)輸部門消耗的能量增加,同時(shí),由汽車、摩托車對大氣造成的污染也更加嚴(yán)重近幾年,我國汽車摩托車工業(yè)發(fā)展迅速,年產(chǎn)量不斷上升,摩托車的保有量居世界第一位汽車的產(chǎn)量和保有量也在迅速增加解決汽車和摩托車的燃油消耗和污染問題日益為人們所重視.其中發(fā)動機(jī)使用雙燃料是收效最快、費(fèi)用最低的方法之一,雙燃料汽車在保持其動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性的同時(shí),排放指標(biāo)可以達(dá)到火花點(diǎn)火、電控汽油噴射、三元催化、廢氣再循環(huán)、閉環(huán)反饋單燃料汽車所能達(dá)到的排放水平LPG、CNG、甲醇、乙醇等都有可能做汽油機(jī)的代用燃料,其中乙醇與汽油有較好的互溶性具有易于部分代用和與純汽油間相互切換的優(yōu)點(diǎn)同時(shí),乙醇能由生物質(zhì)制取、其辛烷值、燃燒速率高于汽油,從而被認(rèn)為是最有前途的一種代用燃料國外已對汽油-乙醇混合燃料開展了廣泛的研究乙醇最早是代替含鉛化合物作為提高燃油的辛烷值的添加劑,以提高汽油機(jī)抗爆震性能研究顯示,車用發(fā)動機(jī)燃用汽油-乙醇混合燃料可擴(kuò)大混合氣的著火界限,燃用稀混合氣,提高燃油經(jīng)濟(jì)性;可以提高汽油機(jī)的壓縮比,從而提高發(fā)動機(jī)的動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性;減少燃燒室表面的燃燒沉積物;降低CO和HC排放在美國含乙醇10%的E10、含乙醇85%的E85(85%變性乙醇,15%汽油),巴西E0等乙醇汽油混合燃料在汽車發(fā)動機(jī)上已獲得了實(shí)際應(yīng)用.但是,至今還沒有在摩托車發(fā)動機(jī)上使用的報(bào)道根據(jù)這樣的指導(dǎo)思想,本文試圖對摩托車中使用乙醇和汽油的混合燃料作探討研究進(jìn)行收稿日期:200308-12;修訂日期:200311-25作者簡介:許滄粟(1963-),男,副研究員(博士),xc50929@163.com中國煤化工CNMHG4期許滄粟等:汽油機(jī)燃用乙醇和汽油的混合燃料的試驗(yàn)研究摩托車汽油機(jī)燃用汽油-乙醇混合燃料的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性的研究.試驗(yàn)中用9號汽油與純乙醇(純度為99.5%)按10%和15%比例(按容積計(jì))均勻混合時(shí),分別稱此汽油乙醇混合燃料為E10和E51試驗(yàn)條件及設(shè)備試驗(yàn)中的主要設(shè)備有:CW-15型水力測功儀及發(fā)動機(jī)控制試驗(yàn)臺(包括自動油耗儀);便攜式FGA4000系列的4/5組分汽車排氣分析儀試驗(yàn)用CC25汽油機(jī)的主要參數(shù):單缸四沖程風(fēng)冷;壓縮比:90;缸徑:56.5mm,沖程49.5mm;額定功率:7.4kW;額定轉(zhuǎn)速:8500rmin';最大扭矩:85Nm(6500r·min1).當(dāng)汽油機(jī)改燃乙醇和汽油的混合燃料時(shí),由于乙醇的熱值低于汽油,為了使發(fā)動機(jī)的動力性不受影響需加大化油器的主量孔;由于辛烷值提高,燃燒速度加快,還應(yīng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行增加壓縮比和改變點(diǎn)火提前角的改造但這些改變一般只在摻醇率大于15%~20%時(shí),才是必須的而本試驗(yàn)的摻醇率為10%和15%,為了使發(fā)動機(jī)具有混合燃料與純汽油的隨意切換性能,因此對發(fā)動機(jī)未進(jìn)行改造和調(diào)整發(fā)動機(jī)的負(fù)荷轉(zhuǎn)速調(diào)控以及油耗功率、扭矩和排氣溫度的測量和記錄都由發(fā)動機(jī)控制試驗(yàn)臺及所配備的電腦完成試驗(yàn)在浙江大學(xué)的發(fā)動機(jī)測試臺架上完成2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.1修正功率功率與燃用純汽油時(shí)的比較雖然也進(jìn)行了不同進(jìn)氣門開度圖1為節(jié)氣門全開時(shí)燃用E10和E5時(shí)發(fā)動機(jī)的修正口-E10△E1800010000的試驗(yàn),但由于試驗(yàn)條件的限制,不能保證不同試驗(yàn)時(shí),具有相同的名義節(jié)氣門開度的開度真正相同同時(shí),部分開度的動力性能可以通過改變節(jié)氣門開度來調(diào)整,因此,動力性主圖1節(jié)氣門全開時(shí)的修正功率比較要看節(jié)氣門全開時(shí)的情況,所以只對全開時(shí)的修正功率進(jìn)行at wide throttle open比較從圖中可以看到,在節(jié)氣門全開時(shí),燃用混合燃料后的發(fā)動機(jī)功率與燃用純汽油時(shí)幾乎沒有變化這說明,E0和E15的單位容積的化學(xué)能(或者說熱值)雖然比汽油下降了,試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)的化油器量孔沒有改變,從而使每循環(huán)向發(fā)動機(jī)供給的燃料的化學(xué)能有不同程度的減少但從試驗(yàn)結(jié)果看測得的功率和扭矩都與燃用汽油的情況相當(dāng),對發(fā)動機(jī)的正常工作沒有影響而對于實(shí)際應(yīng)用的汽油機(jī),由于乙醇的低熱值小于汽油,為了保證發(fā)動機(jī)的動力性,可以通過適當(dāng)增大化油器的主量孔增加燃料供給量,同時(shí),結(jié)合乙醇的辛烷值高于汽油的特點(diǎn),可適當(dāng)提高發(fā)動機(jī)的壓縮比,加上乙醇的燃燒速度高于汽油的優(yōu)點(diǎn),從而提高發(fā)動機(jī)的動力性,本試驗(yàn)時(shí),基于可以在混合燃料和純汽油間隨意切換的考慮測試燃用混合燃料與汽油的對比性質(zhì),沒有改變化油器的量孔和點(diǎn)火準(zhǔn)時(shí)2.2能耗率圖2是燃用汽油和汽油乙醇混合燃料的能耗率曲線,從圖中可以看到,燃用E10和E15時(shí)發(fā)動機(jī)的能耗率低于原汽油機(jī),節(jié)氣門開度越大能耗率降低越明顯.對于節(jié)氣門全開時(shí),燃用E10和El5與燃用汽油相比,能耗率平均下降約6%左右,而對于節(jié)氣門開度較小的時(shí)候(50%或75%時(shí)),則未發(fā)現(xiàn)有明顯的下降這可能有以下幾方面的原因中國煤化工CNMHG736環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)24卷乙醇是含有羥基的含氧燃料,其燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂谄?從而使燃燒的定容性較好,燃燒持續(xù)期較短,熱效率得到提高汽油口--E10-△-E1522全開2075%開度00060008000100004000600080001000040006000800010000圖23種節(jié)氣門開度下發(fā)動機(jī)的能耗率比較Fig. 2 Comparisons of energy consumption rate when fueled with different fuel at three throttle position在將發(fā)動機(jī)改燃乙醇和汽油的混合燃料時(shí),化油器的量孔尺寸未變,從而使混合氣變得相對較稀,在保證可靠燃燒的條件下,稀燃有利于提高熱效率發(fā)動機(jī)改燃乙醇和汽油的混合燃料以后,輸人的燃料的能量減少,節(jié)氣門全開時(shí),輸入燃料能量的下降由燃燒效率的提高得到補(bǔ)償,使發(fā)動機(jī)的實(shí)際輸出功率不受影響而在節(jié)氣門開度較小時(shí),由于空燃比變得過稀,促使燃燒效率和熱效率下降,發(fā)動機(jī)的輸出功率有所下降,而發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失并未減少,因而,發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率下降,從而影響到能耗率的改善2.3排放從圖3可以看到,發(fā)動機(jī)在燃用E10和El5時(shí)的HC排放情況有所不同:E10的HC排放在各種工況下都低于燃油純汽油,而燃用E5時(shí),則比燃用純汽油稍高,尤其是高轉(zhuǎn)速時(shí)比較明顯這可能是是由于:乙醇化學(xué)結(jié)構(gòu)中的羥基OH使其燃燒反應(yīng)特點(diǎn)與汽油中的各種烴類有所不同,它的著火溫度較低和不易熄火,壁面激冷淬熄較少燃用E10時(shí),混合氣變稀和乙醇的燃燒速度略高于汽油共同作用的結(jié)果,使淬熄層變薄和淬熄層中的未燃碳?xì)錅p少,從而使排放中的HC有所下降.而燃用E15時(shí),部分負(fù)荷時(shí)的混合氣變得過稀燃燒速度低于純汽油的混合氣(這也與修正功率的變化趨勢相吻合).從而導(dǎo)致淬熄層反而有所變厚,HC排放有所增加汽油口-E10一△-E1575%開度50%開度△△△△△口的△1060008000100004000600080001000040006000800010000轉(zhuǎn)速l(rmin)圖33種節(jié)氣門開度下發(fā)動機(jī)的HC排放比較Fig. 3 Comparisons of HC emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions對于Co排放對比,燃用E10和El5時(shí)均比燃用純汽油時(shí)有明顯下降.CO排放下降的原因是由于乙醇燃燒時(shí)豐富的羥基,乙醇中的羥基OH使燃燒速度更快、著火溫度更低,從而使燃燒更完善比較CO與羥基和氧氣及氧原子的氧化反應(yīng)4中國煤化工CNMHG許滄粟等:汽油機(jī)燃用乙醇和汽油的混合燃料的試驗(yàn)研究CO+OH→CO2+HC0+O2→·CO2+0Co+0+M→CO2+M(3)一汽油口--E0-△-E1575%開度50%開度8心BE「A0060008000100004000600080001000040006000800010000圖43種節(jié)氣門開度下發(fā)動機(jī)的CO排放比較Fig. 4 Comparisons of CO emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)的活化能分別為每摩爾25415和56573kJ,說明通過羥基氧化的活化能不及通過氧氣氧化的一半通過氧原子的氧化反應(yīng)(3),不僅是3體碰撞發(fā)應(yīng),而且活化能更高,達(dá)到每摩爾123757kJ可見羥基更有能力將CO氧化成CO2圖5是發(fā)動機(jī)燃用E10和E5時(shí)的NO.排放與燃用汽油時(shí)的比較從圖中可以看到,NO排放有所增高,尤其是節(jié)氣門全開時(shí),情況更加嚴(yán)重究其原因,是因?yàn)榛旌蠚庾兿『腿紵郎囟忍岣叩墓餐饔枚够推鞯闹髁靠滓话愣颊{(diào)整在節(jié)氣門全開時(shí),為了保證發(fā)動機(jī)的動力性,混合氣稍濃于化學(xué)計(jì)量比,過量空氣系數(shù)約在09左右,在量孔不變的條件下,燃用E10和El5時(shí),過量空氣系數(shù)變大混合氣了由于乙醇燃燒溫度和燃燒速度高于汽油,在點(diǎn)火定時(shí)不變時(shí),著火更接近上止點(diǎn)時(shí)完成使氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度高于汽油這兩個(gè)條件都有利于NO,的生成從而使NO,的排放上升口--E0一△-E1575%開度50%開度000600080001000040006000800010000000800010000轉(zhuǎn)速/(rmin1l)圍53種節(jié)氣門開度下發(fā)動機(jī)的NO2排放比較Fig.5 Comparisons of NO, emission when engine is fueled with different fuels at three throttle positions3結(jié)論1)在汽油中摻燒小比例(10%~15%)的乙醇,無須對汽油機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行改造和調(diào)整它不影響發(fā)動機(jī)的功率、扭矩等使用性能2)汽油中摻混小比例的乙醇,有利于改善汽油機(jī)中的燃燒,降低能耗率,改善汽油機(jī)的CO排放但是NO,的排放可能惡化,為此,必須做進(jìn)一步的調(diào)整試驗(yàn),以便全面優(yōu)化發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能中國煤化工CNMHG738環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)24卷3)由于所有的試驗(yàn)結(jié)果都是在發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)尚未進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)下獲得的,為了全面了解乙醇在摩托車發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用前景,還需要通過發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)調(diào)整試驗(yàn),優(yōu)化燃用乙醇時(shí)發(fā)動機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù).同時(shí),還必須按照新的摩托車排放法規(guī)的要求,通過試驗(yàn),對摩托車發(fā)動機(jī)燃用汽油和乙醇的混合燃料時(shí)各種有害排放物的整體排放水平和動力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合平衡、優(yōu)化參考文獻(xiàn)I I) Lee G Dodge, Ken Shouse, Joe Grogan, et al. 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Combat Sci and Tech, 1992, (83): 33-75蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所簡介蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所是我國西部環(huán)境科學(xué)教學(xué)、科研、人才培養(yǎng)和服務(wù)社會的重要基地,為西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的主要組成之一。該所成立于1997年,擁有教師26人,其中博士生導(dǎo)師7人,教授1人,副教授7人。擁有環(huán)境科學(xué)博士點(diǎn)和碩士點(diǎn),可在環(huán)境科學(xué)二級學(xué)科上招收博士和碩士研究生,并接受國內(nèi)外訪問學(xué)者,為國家培養(yǎng)環(huán)境科學(xué)研究和教學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境評價(jià)與管理以及環(huán)保產(chǎn)業(yè)開發(fā)等方面工作的高級專業(yè)人才該所擁有一流的科學(xué)研究和教學(xué)軟硬件設(shè)施,具備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的物質(zhì)條件和設(shè)備,完善的境分析儀器設(shè)備,3S信息系統(tǒng)和中心計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);擁有國家環(huán)境保護(hù)總局批準(zhǔn)頒發(fā)的甲級環(huán)境影響評價(jià)證書和水利部批準(zhǔn)頒發(fā)的甲級水資源評價(jià)證書,可直接服務(wù)于國家和地方的經(jīng)濟(jì)建設(shè)在研究方面,該所立足西北,放眼全國,面向國家重大需要,瞄準(zhǔn)環(huán)境科學(xué)發(fā)展國際前沿,積極參與國際國內(nèi)合作與交流,發(fā)展環(huán)境科學(xué)教育和研究事業(yè)。目前該所研究領(lǐng)域主要有土壤環(huán)境質(zhì)量演變與綠色農(nóng)業(yè)、水環(huán)境變化與控制、大氣環(huán)境污染與控制、環(huán)境評價(jià)與規(guī)劃、環(huán)境管理與可持續(xù)發(fā)展、污染控制化學(xué)、污染生態(tài)學(xué)等。特色研究包括干早區(qū)綠洲污染土壤環(huán)境的化學(xué)和生物(植物)修復(fù)污染物在多介質(zhì)中特別是在干早生境和黃土環(huán)境中化學(xué)行為及其生態(tài)效應(yīng),重金屬和有機(jī)污染物復(fù)合污染機(jī)理、水土氣生人的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及環(huán)境政策等該所目前參與了中科院重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目研究,承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金委和省部級科研課題等多項(xiàng),同時(shí)還開展了環(huán)境影響評價(jià)、水資源評價(jià)、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境污染工程治理、ISO14000環(huán)境咨詢等服務(wù)項(xiàng)目。生機(jī)勃勃的蘭州大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所為進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)科建設(shè),發(fā)展環(huán)境科學(xué)事業(yè),誠邀海內(nèi)外杰出人才加盟蘭州大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所,我校將為來所工作人員提供優(yōu)惠的工作和生活待遇(詳情請登陸蘭州大學(xué)網(wǎng)站http:/iww,au,edu,cn后進(jìn)入人事處網(wǎng)頁)。中國煤化工CNMHG