汽油-乙醇混合燃料發動機的性能試驗研究

張　帥　魯志遠　姜志永　張　瑩　趙和亮（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北 保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

汽油-乙醇混合燃料發動機的性能試驗研究

張帥1，2魯志遠1，2姜志永1，2張瑩1，2趙和亮1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北 保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

根據汽油與乙醇燃料不同的理化特性，對某1.5 L氣道噴射增壓汽油機進行了改進，將原汽油機9.3的壓縮比調整為10，進行E22乙醇汽油發動機性能試驗，并與原汽油機的排放和油耗進行對比。研究結果表明：壓縮比對發動機性能、燃燒和排放有較大影響，負荷特性下分析，THC較原機有很大程度的下降，NOχ排放整體呈現出先升高后下降的趨勢；外特性工況下，E22燃料發動機經濟性改善，燃油消耗率下降大于40g/（kW·h）。綜合E22發動機燃料油耗和排放性能的分析，E22混合燃料發動機對節能減排有重大意義。

乙醇汽油壓縮比排放發動機

引言

隨著汽車工業的不斷發展，石油資源日益減少，發動機燃料的供應也越來越緊張，同時車用汽油、柴油造成的環境污染也日益嚴重。乙醇燃料由于具有來源廣泛、豐富及抗爆性好的特點已成為最受汽車廠家重視的一種清潔替代燃料。使用乙醇不但可以改善能源結構，減少對石油的依賴，同時可以降低汽車有害物的排放，緩解能源緊張和環境污染所帶來的壓力［1］。

本文結合國內外乙醇燃料的研究及應用情況，通過對乙醇與汽油燃料的理論分析并結合乙醇燃料抗爆性好的特點，將汽油機壓縮比由9.3調整為10后，進行E22乙醇汽油發動機性能試驗，結合試驗數據，與原汽油機的排放和油耗進行對比，并對其中一些試驗結果進行研究分析。

1　試驗條件及設備

試驗用機為一臺國產4G15T型增壓汽油機，該發動機為直列四缸、雙頂置凸輪軸結構，采用了廢氣渦輪增壓中冷，多點順序燃油噴射，電控機械式節氣門等多種先進技術，排放水平達到歐V標準，表1為試驗發動機原機主要技術參數。試驗中采用AVL公司生產的電渦流測功機，采用HORIBA 7500DEGR排放設備對NOχ及THC等常規排放物進行檢測。

表1　試驗發動機主要技術參數

試驗用汽油是從中國石油加油站購買的93號汽油，E22燃料為乙醇和汽油的混合燃料（乙醇體積分數為22%）。表2為汽油和乙醇的主要理化特性對比，由于乙醇的汽化潛熱和辛烷值要比普通汽油高，因此乙醇汽油的抗爆性好，可以通過提高汽油機的壓縮比來改善發動機的熱效率和輸出功率。本文通過改造活塞來增加發動機的壓縮比，由9.3調整到10，燃用E22燃料進行發動機試驗，并與原汽油機經濟性及排放性能進行對比。

表2　汽油和乙醇的主要理化特性對比

2　試驗結果及分析

2.1總功率特性

圖1所示為汽油機（ε=9.3）與E22燃料汽油機（ε=10）總功率特性對比。從圖中可以看出，在發動機整個轉速區間內，原汽油機與E22燃料汽油機的各功率及扭矩點基本相當，動力性未出現衰減；E22燃料發動機燃油經濟性改善明顯，燃油消耗率下降超過40g/（kW·h）。

圖1　原汽油機與E22汽油機總功率對比

從表2可以看出，乙醇的熱值低于普通汽油的熱值，其熱值只相當于普通汽油的61%，但汽油中不含氧，而乙醇中含氧，乙醇燃燒所需要的理論空氣量不到汽油的一半，兩者的混合氣熱值基本一致［2］，可以保證發動機動力性不降低；另一方面，乙醇含氧，有利于燃燒完全，熱效率較高，并且乙醇的汽化潛熱比汽油高約3倍，更有利于高負荷下燃料的充分燃燒，所以可以保證發動機動力性，彌補了低熱值的不足［3］。此外，乙醇的辛烷值高于汽油，發動機的抗爆性能得以提高，借鑒TolgaTopgül等人在恒轉速、不同壓縮比下汽油-乙醇混合燃料的試驗研究結果［4］，將E22燃料發動機壓縮比增大到10，將燃燒點火時刻提前，這樣有利于優化混合燃料的燃燒條件，改善燃燒狀況，通過提高壓縮比和增加點火提前角等手段提高發動機的熱效率和動力性［5］。綜上所述，總功率特性下，原汽油機與E22燃料汽油機動力輸出基本相當，E22燃料發動機燃油經濟性改善明顯。

2.2燃燒特性分析

氣缸中的瞬時壓力是反映燃燒情況的重要參數之一，對車用發動機的動力性和經濟性有很大的影響。圖2為發動機在n=2 000 r/min、0.2 MPa不同壓縮比工況，缸內壓力隨曲軸轉角的變化情況。從圖2可知：原汽油機（ε=9.3）與E22燃料汽油機（ε=10）相比缸壓曲線具有相同的單峰特性，且混合燃料的滯燃期隨乙醇比例的增加而延長。在該工況下整體來看，E22燃料汽油機缸內平均爆發壓力大于純汽油燃料時缸內平均爆發壓力，這是由于壓縮比的增大，燃油有了更好的著火環境，有助于獲得更高的火焰傳播速度，因此，著火延遲期變得更短，使噴入的燃料能夠更穩定、充分燃燒，提高了循環平均吸熱溫度，擴大循環溫差，增大膨脹比，循環效率和平均有效壓力均增大，提高了理論循環經濟性和動力性［6］。

圖2　缸壓對比數據

2.3負荷特性分析

2.3.1THC排放分析

圖3給出了原汽油機（ε=9.3）與E22燃料汽油機（ε=10）的THC的排放狀況，圖中橫軸為轉矩，縱軸為THC排放數據。在1 500 r/min和3 000 r/min負荷特性工況下，整體來看，發動機的THC排放均呈現出先下降后上升的趨勢，且原汽油機的THC排放水平高于E22燃料汽油機（ε=10）的THC的排放水平。

圖3　壓縮比對THC排放的影響

THC都是不完全燃燒的產物，產生THC排放下降的主要原因與壁面淬熄和縫隙效應有關［7］。E22燃油與93#汽油相比，含碳量少（其含碳量僅為汽油的61%左右），含氧量多，而含氫量卻大致與汽油相仿，由于乙醇化學結構中的羥基OH使E22燃料燃燒反應特點與汽油中的各種烴類有所不同，乙醇含氧，燃燒時生成大量的羥基，乙醇中的羥基OH使燃燒速度更快、著火溫度更低，從而能夠促進燃燒和CO的氧化，使著火溫度較低和不易熄火，且壁面激冷淬熄較少，從而使燃燒更完善，且壓縮比的增加，使燃燒更充分。從試驗數據來看，呈現出E22燃料發動機THC相比原汽油機大幅降低的趨勢。

2.3.2NOχ排放分析

圖4給出了原汽油機（ε=9.3）與E22燃料汽油機（ε=10）的NOχ的排放狀況，圖中橫軸為轉矩，縱軸為NOχ排放數據。在1 500 r/min和3 000 r/min負荷特性工況下，發動機的NOχ排放在中低負荷工況E22燃料發動機（ε=10）較低，隨著負荷的增加而增加。

圖4　壓縮比對Noχ排放的影響

NOχ生成的條件為高溫、富氧和高溫滯留時間。在中低轉速工況，由于E22燃油汽化潛熱比純汽油汽化潛熱大，缸內溫度較低，此時溫度的影響為主要因素，所以燃燒溫度的降低可以減少NOχ排放；高速時，缸內溫度相對升高，由于乙醇分子中含有氧原子，可以提供額外的氧，乙醇的含氧使得氧含量增加，有利于NOχ的生成，此時氧含量為NOχ生成的主要因素［8］。所以高速時，E22燃油NOχ排放逐漸增加了，所以最終結果取決于溫度和含氧量兩個因素誰占上風。從試驗數據來看，在中低轉速工況E22燃料發動機NOχ排放低于原汽油機，在高速時，E22燃料發動機NOχ排放高于原汽油機。

3　結論

本文以一臺1.5T四缸汽油發動機為基礎，進行燃用E22混合燃料發動機（ε=10）實驗研究，得出以下主要結論。

1）負荷特性下分析，E22混合燃料發動機（ε= 10）與原汽油發動機相比，THC有很大程度的下降，在中低負荷下THC排放減少11%～25%，高負荷下THC排放減少約65%；NOχ排放整體呈現出先升高后下降的趨勢，NOχ排放在中低負荷時相比原汽油機降低，在高速時卻有所增加。

2）外特性工況下，E22燃料發動機經濟性改善，燃油消耗率下降大于40 g/（kW·h）。

從排放及燃油經濟性這兩方面比較，燃用E22混合燃料發動機有較大優勢。

1王晉，朱建軍，王勇，等.高壓縮比甲醇發動機的性能和排放研究［J］.農機化研究，2014（9）：229-232

2顧潔，杜德興.汽油機燃用汽油-乙醇混合燃料的試驗研究［J］.小型內燃機與摩托車，2003（2）：42-45

3彭美春，謝興文，徐朝閩，等.乙醇汽油摩托車排放控制技術研究［J］.小型內燃機與摩托車，2009（5）：30-33

4錢葉劍，談建，左承基，等.車用乙醇汽油對電噴汽油機性能影響的實驗研究［J］.內燃機學報，2006（4）：320-325

5Tolga Topgül，Hüseyin Serdar Yücesu，Can Cinar，et al.The effects of ethanol-unleaded gasoline blends and ignition timing on engine performance and exhaust emissions［J］. Renewable Energy，2006，31（15）:2534-2542

6劉圣華，魏衍舉，呂勝春，等.乙醇汽油發動機排放特性研究［J］.西安交通大學學報，2006（7）：745-747

7劉全根.汽油乙醇的應用［J］.煉油設計，2002（2）：40-43

8李岳林，杜寶杰，李薛，等.汽油機燃用乙醇/汽油混合燃料的研究進展［J］.小型內燃機與摩托車，2009（4）：85-87

Experiment and Research on Performance of Ethanol-Gasoline Engine

Zhang Shuai1，2*，Lu Zhiyuan1，2，Jiang Zhiyong1，2，Zhang Ying1，2，Zhao Heliang1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

According to physical and chemical characteristics of ethanol fuel，an 1.5L intake port injection and turbo charged gasoline engine was improved.Changing the compression ratio 9.3 to 10，E22 ethanol gasoline engine performance tests are carried out，and compared with the original gasoline engine emissions and fuel consumption.The research indicated:the compression ratio has a significant influence on the engine performance，combustion and emissions.Under the partial load mode，THC emission is lower than original gasoline engine，NOχemissions rose first and fell afterwards；In external characteristic condition，the E22 ethanol fuel engine can improve economy，the fuel consumption was decreased by over 40g/（kW·h）. The fuel consumption and emission characteristics study in E22 ethanol fuel engine confirms that it has great significance for energy saving and emission reduction.

Ethanol-gasoline，Compression ratio，Exhaust emission，Engine

TK411+.71

A

2095-8234（2016）01-0052-04

張帥（1987-），男，本科，主要研究方向為汽油發動機設計與性能開發。

2015-07-29）