生物乙醇汽油的可替代性研究

馬世博 王福志 蘇方旭

（北京汽車動力總成有限公司北京101106）

生物乙醇汽油的可替代性研究

馬世博 王福志 蘇方旭

（北京汽車動力總成有限公司北京101106）

為緩解國內石油緊張狀況，開始推廣乙醇汽油。由于使用生物釀造乙醇成本太高，故用天然氣、煤炭、石油焦以及廢棄物等制成的工業(yè)乙醇替代生物乙醇。通過臺架試驗驗證兩種乙醇汽油的差異以及乙醇汽油與93#汽油的區(qū)別。采用E10工業(yè)乙醇汽油、E10生物乙醇汽油以及93#汽油進行發(fā)動機萬有特性對比試驗，試驗結果表明：在發(fā)動機標定沒有調整的情況下，使用E10工業(yè)乙醇汽油和E10生物乙醇汽油時發(fā)動機的動力性與93#汽油相當，而燃油消耗率比93#汽油有所升高，但乙醇汽油的能耗率與93#汽油相當，在某些工況甚至低于93#汽油。在排放方面，使用E10工業(yè)乙醇汽油，CO排放整體低于93#汽油，HC排放有一定改善，NOx排放略有升高。工業(yè)乙醇汽油和生物乙醇汽油表現(xiàn)相當，因此可用工業(yè)乙醇替代生物乙醇來制造乙醇汽油。

工業(yè)乙醇汽油生物乙醇汽油性能排放

引言

隨著我國居民生活水平的提高，人民對汽車的需求越來越大。國內汽車保有量已成為全球第一，帶來的問題是成品油消耗不斷升高以及汽車尾氣排放對大氣環(huán)境污染日益嚴重。我國原油進口依賴程度逐年上升，已成為全球主要的原油消耗國和進口國。開發(fā)替代能源已成為極其重要的發(fā)展方向。乙醇燃料具有來源廣泛、污染小、辛烷值高、無毒性等特點，能與汽油以各種比例混合，既可以減輕原油進口依賴程度，又可以改善燃燒，降低排放。

從上世紀70年代開始，國外對乙醇汽油展開了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)，在市售汽油中添加10%～15%的乙醇，可以使CO排放降低14%～43%，HC排放降低7%-14%，但NOx排放會增加5%左右。巴西石油資源缺乏，但盛產甘蔗，利用甘蔗生產蔗糖，通過生物發(fā)酵生產乙醇，用乙醇代替部分汽油作為汽車燃料，2002年汽車燃料中乙醇比例達到25%。美國于1979年制定了“乙醇發(fā)展計劃”，大力推廣10%（體積比）的乙醇汽油混合燃料。

在國內，為減輕石油短缺壓力，從2001年開始推廣乙醇汽油，但由于我國人口眾多，人均耕地面積不足世界平均水平的1/2，人均糧食產量較低。近幾年，因城鎮(zhèn)化全面推廣，工業(yè)占地逐漸增加，導致耕地逐漸減少，使用糧食生產乙醇的道路更加艱難，需要尋找其他的乙醇生產途徑。相比生物乙醇，工業(yè)乙醇主要由煤、天然氣和石油焦等基礎烴類原料通過化工工藝合成，生產成本較低，可以大規(guī)模工業(yè)生產。

本試驗對比了工業(yè)乙醇汽油、生物乙醇汽油和93#汽油對發(fā)動機性能及排放的影響，為我國進一步推廣工業(yè)乙醇汽油提供科學依據(jù)。

1 臺架試驗方法與試驗設備

在發(fā)動機臺架上分別使用E10工業(yè)乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油進行萬有特性試驗。試驗采用標準進氣狀態(tài)，相同的邊界控制，對所測功率、扭矩進行大氣修正，試驗過程中不對汽油機進行任何調整。

試驗設備包括AVL INDY S22-2電力測功機、PUMA OPEN臺架控制系統(tǒng)、AVL735S燃油消耗測量儀、HORIBA MEXA 7100D排放分析儀等。試驗用發(fā)動機主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

2 試驗結果分析

2.1 乙醇對汽油物化性質的影響

試驗所用三種燃料分別為E10工業(yè)乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油。兩種乙醇汽油均是由90%的93#汽油和10%的無水乙醇調和而成。表2為三種燃料的主要物化指標。

表2 E10工業(yè)乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油的物化性質對比

從表2可以看出，乙醇汽油的熱值低于93#汽油，約為93#汽油的98%左右。在相同噴油量的情況下，使用乙醇汽油，動力性會降低2%左右。93#汽油理論空燃比為14.6，添加10%的乙醇后空燃比降為14.04。電控汽油機燃用乙醇汽油后，ECU會根據(jù)空燃比閉環(huán)控制加大噴油脈寬。因此，燃用乙醇汽油后，閉環(huán)控制策略下燃油消耗量會增加。

另外，乙醇汽油辛烷值高于93#汽油，電控系統(tǒng)可通過加大點火提前角適當降低混合氣濃度來提高發(fā)動機外特性性能與經(jīng)濟性。乙醇較大的汽化潛熱會降低壓縮功，提高發(fā)動機的充氣效率。然而較大的汽化潛熱會使發(fā)動機冷啟動困難，滯燃期加長。由于試驗采用10%的乙醇，比例較小，對滯燃期和燃燒持續(xù)期影響較小，燃料自身含氧量提高反而會縮短滯燃期和燃燒持續(xù)期[1-2]。

2.2 三種燃料對發(fā)動機動力性的影響

使用三種燃料，在不調整ECU控制策略及相同的試驗邊界條件下，進行了外特性試驗，試驗結果如圖1所示。

圖1 三種燃料外特性曲線

從圖1可以看出，轉速低于3200r/min時，乙醇汽油的扭矩略低于93#汽油，最大差異為1.8（N·m），隨著轉速升高，這種差異逐漸縮小。轉速高于3200r/min后，三種燃料的最大功率基本一致，最大功率轉速為6 000 r/min，E10工業(yè)乙醇汽油的最大功率為80.32 kW，E10生物乙醇汽油的最大功率為80.29 kW，93#汽油的最大功率為80.22 kW。原因是：1）三種燃料熱值差異較小，E10工業(yè)乙醇汽油的熱值為93#汽油的97.7%，E10生物乙醇汽油的熱值為93#汽油的98%；2）E10乙醇汽油含氧量為3.5%，而原子氧比分子氧更容易參加氧化反應，促進了混合氣燃燒；3）由于乙醇蒸發(fā)潛熱大于汽油，有利于提高發(fā)動機的充氣效率[3]。

乙醇汽油的辛烷值為109，添加10%的乙醇使混合汽油的辛烷值提高，發(fā)動機的動力性還有提升的空間。

2.3 三種燃料對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響

圖2為發(fā)動機在2 000 r/min和4 000 r/min時燃用E10工業(yè)乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油時的負荷特性燃油消耗率對比曲線。從圖2可以看出，2 000 r/min時，發(fā)動機處于空燃比閉環(huán)控制，三種燃料的混合氣都在理論空燃比下燃燒，由于乙醇汽油熱值略低于93#汽油，造成燃油消耗率增加，其中E10工業(yè)乙醇汽油的燃油消耗率增加2.1%，E10生物乙醇汽油的燃油消耗率增加2.6%。4 000 r/min時，在84（N·m）以下，發(fā)動機處于空燃比閉環(huán)控制，燃油消耗率增加幅度隨負荷增加而逐漸減??；在84（N·m）以上，發(fā)動機處于開環(huán)控制，三種燃料燃油消耗率增加幅度在0.6%到1%之間。這主要是由于負荷較高時，空燃比開環(huán)控制，提供濃混合氣，乙醇的自含氧使乙醇汽油的燃燒更加充分，而中小負荷下，空燃比閉環(huán)控制，自含氧的燃燒促進作用不明顯。

由于添加乙醇后，乙醇汽油熱值低于93#汽油，用燃油消耗率來評價經(jīng)濟性有局限，為了更加客觀地評價燃油經(jīng)濟性，對發(fā)動機使用E10工業(yè)乙醇汽油、E10生物乙醇汽油和93#汽油的能量消耗量（簡稱能耗率）進行對比。圖3為不同轉速負荷下能量消耗率對比曲線。從圖3可以看出，E10工業(yè)乙醇汽油的能耗率與93#汽油持平，2 000 r/min小負荷時，E10生物乙醇汽油的能耗率略有上升，但上升幅度低于燃油消耗率的上升幅度。原因主要是乙醇汽油的自含氧提高了能量利用率。至于轉速與負荷升高，乙醇汽油的能耗率低于93#汽油，這是由于高負荷空燃比開環(huán)控制工況下，乙醇汽油的高含氧量使?jié)饣旌蠚獾娜紵?3#汽油更加充分。

圖2 三種燃料的負荷特性曲線

圖3 三種燃料的負荷特性能耗率曲線

圖4 三種燃料的萬有特性曲線

通過采集發(fā)動機所有工況燃油消耗情況，繪制了萬有特性圖，如圖4所示。從圖4可以看出，使用乙醇汽油后，發(fā)動機最佳經(jīng)濟區(qū)位于中速（2 000～ 3 000r/min）中高負荷區(qū)域，所占區(qū)域面積小于93#汽油，然而,整體趨勢并沒有發(fā)生改變。而兩種乙醇汽油相比較，E10工業(yè)乙醇汽油最佳經(jīng)濟區(qū)域的面積略大于E10生物乙醇汽油。

2.4 三種燃料對發(fā)動機排放的影響

在相同的發(fā)動機轉速與扭矩下，對催化器前排氣進行測量，對比三種燃料對發(fā)動機排放的影響。

圖5為三種燃料在2 000 r/min和4 000 r/min時，CO排放隨負荷的變化關系，從圖5可以看出，在2 000 r/min時，發(fā)動機處于空燃比閉環(huán)控制，過量空氣系數(shù)控制在1.0，可保證混合氣充分燃燒，隨著負荷升高，CO排放變化不明顯。但兩種乙醇汽油的CO排放低于93#汽油，尤其是E10工業(yè)乙醇汽油更低。在4 000 r/min、60（N·m）以下，發(fā)動機處于空燃比閉環(huán)控制，三種燃料的CO排放基本一致。隨著負荷增大，發(fā)動機進行空燃比開環(huán)控制，乙醇汽油的自含氧使CO排放低于93#汽油。E10工業(yè)乙醇汽油的CO排放低于E10生物乙醇汽油。

圖5 不同轉速負荷下三種燃料的CO排放

圖6為三種燃料在2 000 r/min和4 000 r/min時，THC排放隨負荷的變化關系，從圖6可以看出，在2 000 r/min時，發(fā)動機處于空燃比閉環(huán)控制，在不缺少氧氣的情況下，乙醇的加入仍然可使THC排放得到改善。在4 000 r/min高負荷區(qū)域，E10工業(yè)乙醇汽油的THC排放略高于E10生物乙醇汽油。

由于兩種乙醇汽油乙醇添加量較少，在空燃比閉環(huán)控制下THC排放改善效果不是太明顯，但仍可以證明燃料的自含氧對降低HC排放的效果要勝過空氣中的氧氣。

圖6 不同轉速負荷下三種燃料的HC排放

圖7 為三種燃料的NOx排放隨負荷的變化關系，從圖7可以看出，無論是小負荷發(fā)動機處于空燃比閉環(huán)控制，還是大負荷發(fā)動機處于空燃比開環(huán)控制，乙醇汽油的NOx排放都略高于93#汽油，同時，E10工業(yè)乙醇汽油的NOx排放略高于E10生物乙醇汽油。

NOx的生成機理與CO和HC不同，NOx是由于在燃燒室的高溫環(huán)境下，氧氣與氮氣發(fā)生反應所形成的，高溫富氧和高溫持續(xù)時間是生成NOx的重要條件。因此，缸內燃燒溫度越高，燃燒后氧氣濃度越大，高溫持續(xù)時間越長，NOx排放越高[4]。

雖然乙醇的汽化潛熱高于汽油，乙醇的加入可使進氣溫度有所降低，但由于乙醇添加量較少，乙醇汽油的自含氧使混合氣燃燒更加充分，勢必使燃燒溫度升高，從而使NOx生成量增加；隨著負荷增加，混合氣變濃，燃燒溫度變高，導致NOx排放不降反而有所升高。

圖7 不同轉速負荷下三種燃料的NOx排放

3 結論

1）無論是工業(yè)乙醇還是生物乙醇，添加10%后，混合汽油熱值降低，辛烷值提高，物化性能變化較小，添加乙醇后需要考慮乙醇吸水性，防止出現(xiàn)液相分離。

2）使用乙醇汽油后，發(fā)動機的動力性沒有出現(xiàn)下降，在功率點，工業(yè)乙醇汽油和生物乙醇汽油的功率要高于93#汽油。同時，辛烷值的提高使乙醇汽油還有提升空間。

3）添加10%的乙醇后，乙醇汽油熱值降低，使整體燃油消耗率高于93#汽油，但能耗率與93#汽油相當，大負荷甚至優(yōu)于93#汽油。工業(yè)乙醇汽油最佳油耗區(qū)域大于生物乙醇汽油。

4）使用乙醇汽油后，CO和THC排放有所改善，但由于乙醇含量較低，改善不是很明顯。由于乙醇汽油的自含氧，使燃燒更加充分，燃燒溫度升高，NOx排放不降反而略有升高。

5）采用化工工藝合成的工業(yè)乙醇與生物發(fā)酵工藝生產的生物乙醇與汽油混合后，對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能影響差異較小，部分工況工業(yè)乙醇汽油優(yōu)于生物乙醇汽油。因此推廣工業(yè)乙醇汽油可緩解耕地面積減少以及石油資源緊缺所帶來的壓力。

1黃佐華，苗海燕，周龍保，等.汽油機燃用汽油-含氧化合物混合燃料的燃燒特性研究[J].西安交通大學學報，1999，33（9）：42-46

2何學良，詹永厚，李疏松，等.內燃機燃料[M].北京：中國石化出版社，1999

3何邦全，閆小光，王建昕，等.電噴汽油機燃用乙醇-汽油燃料的排放性能研究[J].內燃機學報，2002，20(5）：399-402

4B.M.Masum,H.H.Masjuki.Effect of ethanol–petrol blend on NOxemission in SI engine[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013,24:209-222

Bioethanol Petrol's Replaceability Research

Ma Shibo,Wang Fuzhi,Su Fangxu
BAIC Motor Powertrain Co.,Ltd.(Beijing,101106,China)

To help the shortage of petroleum in China,the government starts to spread the ethanol petrol, but bioethanol petrol costs too much.Industrial ethanol made of natural gas,coal,Petroleum coke and litter can replace the bioethanol petrol.This paper aims to show the difference of them through test,as well as the difference with petrol.We have a map test using E10 industrial ethanol petrol,E10 bioethanol petrol and NO.93 petrol.The result shows that:without modification of calibration,the performance is the same between ethanol petrol and NO.93 petrol.At economy,fuel consumption is higher than NO.93 petrol,but the special energy consumption is almost the same,some point is better than NO.93 petrol.At emissions,for the CO emission E10 petrol is lower than NO.93 petrol at the whole map,and HC emission is better also,NOxemission is higher.The performance of industrial ethanol petrol is the same as bioethanol petrol,so industrial ethanol can be used for ethanol petrol instead of bioethanol.

Industrial ethanol petrol,Bioethanol petrol,Performance,Emission

TK418.9

A

2095-8234（2016）05-0012-06

馬士博（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機性能開發(fā)。