汽油機進氣道噴射高碳醇與低碳醇的燃燒與排放特性對比研究

王志強，李立君，馬寅杰

(1. 中南林業科技大學機電工程學院，湖南 長沙，410004；2. 湖南科技大學信息與電氣工程學院，湖南 湘潭，411201；3. 湖南大學機械與運載工程學院，湖南 長沙，410082)

據統計，2019 年全國機動車保有量達到3.48億輛，CO，HC(碳氫化合物)，NOx和PM(顆粒物)排放總量為1 603.8萬t，中國城市空氣污染已由煤煙型污染轉為煤煙和機動車排放復合型污染[1]。為減少汽車尾氣排放量，人們開始尋找可靠的替代燃料。醇類是最具吸引力的替代燃料之一，在提高燃燒效率和降低廢氣排放量方面具有巨大潛力[2-5]。我國已經將與醇類燃料及其快速產業化相關的一些重要技術列為優先事項[6]。

學者們對醇-汽油混合物的燃燒和排放特性進行了大量研究。WEI 等[7]測試了燃用甲醇-汽油混合物(包括M10，M20和M85(汽油與體積分數分別為10%，20%和85%的甲醇混合))的三缸進氣道噴射(port fuel injection,PFI)汽油機的尾氣排放，結果表明摻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，同時對非甲醇碳氫(hydrocarbons, HC)排放量有輕微影響。LIU等[8]研究了全負荷條件下汽油機燃用甲醇-汽油的性能，發現汽油摻混甲醇會降低發動機功率，但會提高熱效率。PUMPHREY 等[9]研究了甲醇-汽油混合物對瑞德蒸氣壓(Reid vapor pressure, RVP)的影響，發現當汽油中加入少量甲醇時，RVP急劇增加。為了控制RVP和蒸發排放，QI 等[10]使用乙醇作為甲醇-汽油混合物的共溶劑，以獲得穩定的均相，在甲醇-汽油混合物中添加6%的乙醇會導致HC 排放量增加和NOx排放量減少。

在醇類中，乙醇是最常見的汽油添加劑。VARDE 等[11]評估了使用E10，E25 和E85(汽油與體積分數為10%，25%和85%乙醇混合)汽油機的排放特性，發現摻混乙醇可降低CO排放量。與汽油相比，E10 和E25 的NOx排放量相似，而E85 顯著降低了NOx和HC 的排放量。SCHIFTER 等[12]在1 臺AVL5401 汽油發動機中測試了乙醇-汽油混合物(乙醇體積分數為0～20%)，發現E10的燃燒持續時間最長，此外，隨著摻混比增加，CO 和HC 排放量減少，而NOx排放量增加。NIVEN[13]總結了汽油摻混乙醇對燃燒和排放特性影響的相關研究。

與低碳醇相比，高碳醇作為汽油機的替代燃料具有許多優點，如對水污染性減少、燃油經濟性更好、點火問題更少等。ALASFOUR[14]從熱力學第一定律和第二定律的角度評估了汽油機燃用30%丁醇-汽油混合燃料的可行性，其結果表明，50.6%的燃料能量可以轉化為有用功。SZWAJA等[15]研究了汽油機燃用正丁醇的燃燒特性，發現正丁醇表現出更短的燃燒持續時間和更好的燃燒穩定性。DERNOTTE 等[16]測試了PFI 汽油機燃用B0，B20，B40，B60 和B80 燃料(汽油與體積分數分別為0，20%，40,%，60%和80%的丁醇混合)的排放特性，發現B60 和B80 會產生更高HC 排放量；對于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]總結了正丁醇作為發動機替代燃料的研究進展。

戊醇的物化性質更接近汽油，使其成為更有吸引力的汽油替代燃料。GRAVALOS 等[18]分析了戊醇-汽油混合燃料的燃燒特性，發現汽油摻混戊醇可以提高抗爆震性。YACOUB 等[19]研究了當氧氣含量為2.5%和5.0%時，發動機燃用C1～C5醇與汽油混合燃料的排放特性，發現在最佳操作條件下，所有混合燃料的CO 和HC 排放量降低，而高碳醇-汽油混合燃料中較高的氧含量會導致NOx排放量大幅增加。TOGBé 等[20-21]研究了層流火焰速度并建立了正戊醇的動力學模型。

綜上所述，人們對低碳醇-汽油混合燃料(甲醇-汽油、乙醇-汽油)進行了較為深入的研究。然而，對于高碳醇(尤其是戊醇)在汽油機中的應用研究較少。因此，本文作者對汽油機燃用甲醇-汽油、乙醇-汽油、丁醇-汽油和戊醇-汽油混合燃料的燃燒與排放特性進行對比研究。

1 燃料理化性質

醇類燃料和汽油的重要理化性質的對比見表1。由表1 可知：與汽油相比，甲醇和乙醇具有更高的抗爆震指數，可使汽油機能夠在更高的壓縮比下運行，效率更高且經濟性更優。醇類燃料中的氧會提高燃燒性能并提高能源效率。甲醇、乙醇和丁醇的汽化潛熱高于汽油的汽化潛熱，會提高容積效率，但同時會降低冷啟動能力。醇類燃料的理論空燃比低于汽油的理論空燃比，這意味著醇類燃料只需要較少空氣就可以完全燃燒。與汽油相比，醇類燃料的能量密度較低。此外，醇類燃料具有比汽油更高的層流火焰速度(vLFS)。

2 實驗系統

2.1 發動機臺架

圖1所示為實驗系統示意圖。實驗發動機的主要參數見表2。發動機與GETCL-15 4-35-1700測功機相連。DyneSystems DTC-1數字油門控制器用于調節發動機油門位置。發動機由Megasquirt V3.0 ECU 控制。壓力調節器用于調節供給發動機的進氣。Kistler 6125B壓力傳感器和BEIXH25D曲軸編碼器用于測量缸內壓力及其相應的曲軸位置。Horiba MEXA-554JU 分析儀用于測量單位能耗(1 kW·h)對應的CO 和HC 排放量。Horiba MEXA-720分析儀用于測量NOx排放和空燃比。本文采用LabVIEW 軟件開發了實時數據采集程序，測量結果和操作參數記錄在程序中。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表2 汽油機參數Table 2 Gasoline engine parameters

2.2 測試工況

在發動機節氣門全開的狀態下進行實驗，此時發動機會保持最佳燃燒效率和最大功率。進氣歧管壓力設定為60 kPa。發動機轉速固定在1 200 r/min，設定汽油當量比為1.0 且發動機獲得最大輸出轉矩(maximum brake torque，MBT)的時刻為點火時刻。當量比范圍設置為0.83～1.25，包含了燃油濃度從稀到濃的工況。實驗測試是在穩態條件下進行的，發動機充分預熱后開始采集數據。每種燃料在溫濕度可控的實驗室中進行3次重復試驗，試驗結果均為3 次重復試驗結果的平均值。

3 結果與討論

3.1 不同摻混比下燃料燃燒與排放特性對比

低碳醇-汽油和高碳醇-汽油混合物的燃燒特性對比見圖2。圖2 中，G100 表示純汽油，P10 和P30表示汽油與體積分數分別為10%和30%的戊醇的摻混物。由圖2 可見：醇-汽油混合燃料的燃燒相位更提前，導致其缸壓峰值相較于純汽油更高。本文基于缸壓變化曲線得到初始燃燒持續時間和主要燃燒持續時間(即燃燒質量分數分別為0～10%和10～90%的燃料所用時間)，其對應的曲軸轉角分別為tICD和tMCD。隨著醇類燃料摻混比增大，tICD整體上呈減小趨勢，這是因為層流火焰速度vLFS對tICD和tMCD有較大影響，且醇類燃料的vLFS比汽油的高。摻混醇類燃料導致tMCD降低，與低碳醇-汽油混合燃料相比，高碳醇-汽油混合燃料擁有更低的tMCD，因為高碳醇的vLFS比低碳醇的vLFS大。

圖2 不同摻混比下醇-汽油混合燃料的燃燒特性對比Fig.2 Combustion characteristics comparison of alcoholgasoline blends under various blend ratios

燃用醇-汽油混合燃料時的發動機性能對比見圖3。由圖3可見：與純汽油相比，醇-汽油混合燃料的熱效率降低了0.25%～0.46%。這是因為摻混醇使燃燒相位提前，但設定的點火時刻仍未改變，導致有用功減少，且這部分損失無法被醇類燃料中的氧原子對燃燒效率的促進作用所補償。燃油消耗率隨著醇類燃料摻混量增大和醇類燃料碳鏈數減少而增加，這是能量密度降低所致。在醇-汽油混合燃料中，P10(汽油與體積分數為10%的戊醇摻混)的熱效率和燃油消耗率與純汽油的最接近。

圖3 不同摻混比下醇-汽油混合燃料的發動機性能對比Fig.3 Engine performance comparison for alcoholgasoline blends under various blend ratios

燃用醇-汽油混合燃料時的發動機排放物對比見圖4。由圖4 可見：在汽油中摻混醇類燃料會使CO排放量增加3.4%～72.6%。盡管摻混醇會增加氧含量并降低CO排放，但發動機是在理論空燃比下運行，因此，無法獲得過量的氧氣。醇類燃料的燃燒速率比汽油的高，這是因為醇-汽油混合燃料的燃燒產物在膨脹過程和排氣沖程中在燃燒室停留的時間更長，從而降低了缸內氣體溫度。醇-汽油混合燃料的燃燒產物中包含更高的熱容量，導致缸內氣體溫度降低，從而減慢了CO 轉化為CO2的速率，甚至抑制了反應的發生。隨著摻混比增大，低碳醇-汽油混合燃料的CO 排放量減少，而高碳醇-汽油混合燃料則呈現出相反的趨勢。在醇-汽油混合燃料中，HC 排放量隨著醇摻混量增加而減少，這是因為醇對燃燒效率有促進作用。但M10，M30和B10的HC排放量分別比純汽油的高24.4%，3.7%和0.5%，這是因為較低的理論空燃比導致更多的燃料逃離燃燒初始過程并進入缸內部件縫隙中。根據Zeldovich 機理，NOx的排放依賴于氧氣和溫度。與純汽油相比，M10，M30，E10，E30，B30 和P30 的NOx排放量分別降低了17.8%，6.0%，1.9%，4.4%，5.5% 和9.1%，而B10 和P10 的NOx排放量相近。較低的NOx排放量可歸因于缸內氣體溫度降低。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。

圖4 不同摻混比下醇-汽油混合燃料的發動機排放特性對比Fig.4 Engine emissions comparison for alcohol-gasoline blends under various blend ratios

3.2 不同當量比下燃料燃燒與排放特性對比

10%醇-汽油混合燃料在不同當量比下的燃燒特性對比見圖5。由圖5 可見：隨著當量比增大，油氣混合氣的點火和燃燒變得更快，導致tICD和tMCD更小，且醇-汽油混合物的tICD和tMCD的差異減小。一般而言，與純汽油相比，醇-汽油混合燃料燃燒相位提前。在燃料中，甲醇-汽油混合燃料的tICD和tMCD最大。同時，高碳醇-汽油混合燃料的tMCD整體上比低碳醇-汽油混合燃料的tMCD小。

圖5 不同當量比下醇-汽油混合燃料的燃燒特性對比Fig.5 Combustion characteristics comparison of alcoholgasoline blends under various equivalence ratios

10%醇-汽油混合燃料在不同當量比下的熱效率和燃油消耗率對比見圖6。由圖6 可見：隨著當量比降低，熱效率升高，這是因為隨著混合氣變稀，等熵效率增加。在稀燃工況下，E10，B10 和P10相對于純汽油的熱效率更高，這是因為設定的發動機點火時刻仍未改變，醇-汽油混合燃料的燃燒相位相較于純汽油提前，會有更多的燃料在壓縮行程燃燒，產生更多的負功。由于能量密度較低，與G100 相比，M10，E10，B10 和P10 的燃油消耗率分別高7.0%～9.1%，1.8%～6.5%，0.8%～5.1%和1.1%～3.4%。除了能量密度外，燃油消耗率還受到熱效率的影響，因此，熱效率相對較高的E10，B10 和P10 在當量比為0.83 時的燃油消耗率接近汽油的燃油消耗率。

圖6 不同當量比下醇-汽油混合燃料的發動機性能對比Fig.6 Engine performance comparison for alcoholgasoline blends under various equivalence ratios

10%醇-汽油混合燃料在不同當量比下的發動機排放特性對比見圖7。由圖7可知：CO排放量主要受當量比控制。高濃度混合氣會產生較高CO排放量，且對當量比非常敏感。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，與G100 相比，P10 的CO排放量降低了1.5%～4.2%。在化學計量條件下，由于完全燃燒，HC 排放量最小。與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%，這是因為燃燒隨著效率提高，噴射了更多的燃料到缸內。當量比為0.91～1.00 時燃燒過程相對完全，燃燒峰值溫度較高，NOx排放量最大。在稀薄混合氣工況下，由于缸內氣體溫度降低，M10，E10，B10 和P1 的NOx排放量相對于G100分別減少了20.5%～22.3%，11.5%～12.9%，2.6%和1.4%～8.2%。然而，在理論空燃比和高濃度混合氣條件下，E10，B10 和P10 的NOx排放量分別增加了2.6%～17.2%，3.6%～25.5% 和4.9%～14.1%。這意味著較低的相對分子質量和較高的燃料噴射量會導致醇-汽油混合燃料產生更多的碳氫化合物自由基，使得氰化氫(HCN)的質量和NOx排放量增加。

圖7 不同當量比下醇-汽油混合燃料的發動機排放特性對比Fig.7 Engine emissions comparison for alcohol-gasoline blends under various equivalence ratios

4 結論

1)相較于純汽油，醇-汽油混合燃料tICD和tMCD更小，導致燃燒相位提前。因此，與純汽油的點火時間相比，醇-汽油混合燃料的最佳點火時間應延后。隨著醇體積分數和當量比增加，tICD和tMCD減小，燃燒相位提前。在醇-汽油混合燃料中，乙醇-汽油、丁醇-汽油和戊醇-汽油混合物分別具有較小的tICD和tMCD。

2)醇的摻混導致熱效率發生微小變化和燃油消耗率增加。在理論空燃比和濃混合氣條件下，醇-汽油混合燃料的熱效率比純汽油的低，但在稀混合氣條件下，混合燃料具有更高的熱效率。在醇-汽油混合燃料中，P10 顯示出與純汽油最接近的熱效率和燃油消耗率。

3)汽油摻混醇類燃料對尾氣排放有顯著影響，但沒有表現出穩定的變化趨勢。在10%醇-汽油混合燃料中，P10，E10 和M10 分別在抑制CO，HC和NOx排放方面能力更強。