丁醇-汽油混合燃料應用于汽油機的性能實驗研究

安銘 ，馮洪慶* ，劉道建 ，張靜 ，李頓，張曉東

(1. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院能源與動力工程系， 山東 青島266580；2. 山東省科學院能源研究所，山東省生物質氣化技術重點實驗室，山東 濟南250014 )

【生物質能源】

丁醇-汽油混合燃料應用于汽油機的性能實驗研究

安銘1，馮洪慶1*，劉道建1，張靜1，李頓1，張曉東2

(1. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院能源與動力工程系， 山東 青島266580；2. 山東省科學院能源研究所，山東省生物質氣化技術重點實驗室，山東 濟南250014 )

本文對不同比例的丁醇-汽油混合燃料在氣道電控噴射汽油機臺架上進行了性能實驗研究。在轉速為2 000 r/min和2 500 r/min時，將分別添加體積分數10%、20%丁醇的混合汽油與純汽油進行了對比。研究結果表明，摻混丁醇后，發動機動力性略有下降，有效燃油消耗率略有增加，在90 N·m時比油耗取得最低值，在實驗工況下HC和NOx排放略有下降，對CO影響較小。

汽油機；丁醇；混合燃料；排放

隨著汽油機的進一步發展，必須努力改善其燃油經濟性。與傳統化石燃料相比，丁醇可來源于木質纖維、生物秸稈等生物質，具有可再生性。同時，丁醇還具有更高的能量密度和較高的辛烷值，腐蝕性小，與汽油互溶性好，具有良好的應用前景。目前，國內外就丁醇在內燃機上的應用開展了一系列的研究[1-3]，主要涉及汽油機的動力性、經濟性和排放特性等方面。

楊靖等[4]通過實驗和計算研究了在汽油機上燃燒丁醇-汽油混合燃料的放熱規律以及與燃燒汽油的不同，從燃料的性質和內燃機燃燒學的角度分析了放熱速率形成差異的原因。介紹了燃用丁醇-汽油混合燃料對發動機性能的影響，并通過點火提前角優化和空燃比優化得到了更好的綜合性能，從而驗證了丁醇取代部分汽油后在發動機中燃燒的可行性和實現節能減排的雙重優越性。李克等[5]對比分析了丁醇與汽油的理化性質和燃燒特性之后，對摻入不同比例丁醇的汽油在發動機中進行了臺架實驗，初步確定了燃用丁醇-汽油調合燃料對發動機動力性和經濟性的影響。同時，對發動機瞬變參數進行了合理調整，實驗結果表明，在結構不做改動而僅對可變參數進行調整時，該汽油機可以燃用丁醇體積分數達30%的丁醇-汽油混合燃料，其排放得到了很大的改善而動力性和經濟性基本保持不變。胡志遠等[6]在一臺電控進氣道多點噴射汽油機上，對燃用按不同比例混合的丁醇-汽油燃料的非常規排放特性進行了實驗研究。結果發現，在未對發動機進行任何改動的情況下，與燃用純汽油相比，發動機燃用丁醇-汽油混合燃料的動力性、SO2排放和溫室氣體(包括CO2、CH4和NOx等)排放降低，燃油消耗率和醛類排放增加，其變化幅度隨混合燃料中丁醇體積分數的增加而增大。當摻混丁醇體積分數低于20%時發動機的醇類排放降低，當混合比例超過20%時發動機的醇類排放增大。

Venugopal等[7]采用雙燃料噴射策略實現了進氣道同時噴射汽油和丁醇，對火花點火發動機燃用丁醇-汽油混合燃料進行了實驗研究。結果表明，采用雙燃料噴射策略能夠實現更高的混合比，不同工況下通過改變混合燃料的摻混比例可顯著降低HC的排放。Wallner等[8]研究了使用丁醇和汽油的混合物作為DISI發動機燃料時的各種排放，研究發現，在任何工況下，添加丁醇的汽油在發動機中燃燒， NOx排放都會較純汽油時低。隨著丁醇摻混比例的增加，甲醛和乙醛排放逐漸增多；然而，在較高的丁醇摻混比例下，HC排放中的含氧化合物成分將占總HC排放的一半以上。Tornatore等[9]在一臺裝配有渦輪增壓器的單缸進氣道噴射的火花點火發動機上研究了兩種噴油時刻下，汽油中摻混體積分數為40%的丁醇(簡稱BU40)時對發動機性能和排放的影響，噴油時刻分別在進氣閥關閉和進氣閥開啟時刻。采用BU40燃料可以有效減少燃燒室積碳和顆粒物排放。

由此可見，丁醇摻混在汽油中對于汽油機燃燒和排放具有積極效果，但研究者對于丁醇在丁醇汽油混合燃料中所起的作用認識并不完全一致。本文主要研究丁醇-汽油混合燃料對火花點火發動機性能的影響，在多缸汽油發動機臺架上進行丁醇-汽油混合燃料對汽油機的動力性、經濟性和排放等特性影響的實驗研究。

1 實驗設備及燃料制備

1.1 實驗設備及參數

實驗裝置示意圖如圖1所示。本文實驗在一臺直列四缸、四沖程、自然吸氣式火花點火發動機上進行，發動機的基本參數見表1。發動機噴油系統采用德國BOSCH公司Motronic3.8.2電子控制多點汽油順序噴射系統。發動機與電渦流測功機相連，并通過測控系統調整發動機的轉速和扭矩大小。尾氣分析儀型號為AVL DiGas4000 Light 五組分尾氣分析儀，該儀器可以測量CO、CO2、HC和NOx的排放，以及O2含量、過量空氣系數和發動機轉速等參數。該分析儀能夠進行多燃料測試，包括汽油、CNG、LPG和乙醇，具有可靠性好、精度高等優點。

1.2 燃料制備及理化特性分析

本文實驗中發動機所用混合燃料分別是BU0、BU10和BU20 3種丁醇-汽油混合燃料，即丁醇在混合燃料中體積分數分別為 0%、10%、20%。其中，汽油為從加油站購買的普通93#汽油，丁醇純度大于99.5%。在對發動機不做任何改動的情況下，混合燃料的理化特性對發動機性能的影響比較大。然而丁醇-汽油混合燃料的理化特性受丁醇含量的影響比較大，因此下面分析丁醇含量對丁醇混合燃料理化特性的影響。

1 發動機；2 測功機；3 火花塞；4 噴油器；5 進氣節流閥；6 冷卻裝置；7 缸壓傳感器；8 軸角編碼器；9 空氣濾清器；10 尾氣分析儀；11 數據采集及指令傳輸系統；12 ECU及測控系統。圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

項目參數發動機類型直列4沖程4缸8氣門自然吸氣式排量/mL1781缸徑/mm81沖程/mm86．4壓縮比9．5：1最大功率74kW/5200(r/min)最大扭矩155N·m/3800(r/min)供油方式BoschM3．8．2電子控制順序多點燃油噴射系統最低燃油消耗率≤278．5g/kW·h冷卻系統水冷

本文采用密度計分別測量了BU0、BU10和BU20等3種丁醇-汽油混合燃料的密度，同時采用式(1)計算丁醇-汽油混合燃料的密度。混合燃料密度的計算值與測量值非常相近，且隨丁醇體積分數的增加而增加。

(1)

式中，ρm為混合燃料密度，g·mL-1；ρb為丁醇密度，g·mL-1；ρg為汽油密度，g·mL-1；α為混合燃料中丁醇所占的體積分數。

本文采用IKA C200量熱儀分別測量了BU0、BU10、BU20等3種丁醇/汽油混合燃料的低熱值，同時采用式(2)和(3)計算丁醇-汽油混合燃料的低熱值，二者間的對比如表2所示?？梢钥闯?，混合燃料低熱值的計算值與測量值相近，雖然丁醇的低熱值只有汽油的76.6%，但是混合燃料低熱值隨丁醇體積分數的增加下降并不明顯。

(2)

(3)

式中，HL,m為混合燃料低熱值，MJ·kg-1；HL,b為丁醇低熱值，MJ·kg-1；HL,g為汽油低熱值，MJ·kg-1；w為混合燃料中丁醇所占的質量分數。

表2 混合燃料低熱值

燃料燃燒的本質是燃料中的碳和氫與空氣中的氧氣進行氧化放熱反應，因此燃料在氣缸中的循環放熱量主要由缸內可燃混合氣的能量密度決定。若空氣中氧氣體積分數為21%，氮氣體積分數為79%，汽油分子式記為C8H16，則汽油的化學計量空燃比為14.7，丁醇的化學計量空燃比為11.12，混合燃料BU10和BU20的化學計量空燃比分別為14.31和13.93。化學計量可燃混合氣的能量密度可通過式(4)計算得到。可以看出，汽油摻混丁醇后，混合燃料的理論空燃比降低，但化學計量可燃混合氣的能量密度基本保持不變。因此，汽油摻混丁醇后，可以通過調整發動機的噴油系統，來保證可燃混合氣的能量密度基本保持不變從而保證發動機的動力性不下降。若對發動機不做任何改動，同一工況點時增加丁醇在汽油中的摻混比例，會導致過量空氣系數變大。

(4)

式中，Em,0為化學計量可燃混合氣能量密度，MJ·kg-1；L0為燃料理論空燃比，kg·kg-1。

2 結果與分析

為了分析在對發動機未做任何改動的情況下，丁醇-汽油混合燃料對汽油發動機的動力性、經濟性和排放特性的影響，本文在車用不同轉速、不同負荷狀態下進行了部分負荷特性實驗。所用燃料為BU0、BU10、BU20，選定轉速分別為2 000 r/min和2 500 r/min，在同一轉速下，從無負荷開始逐漸加大節氣門開度，直至節氣門全開。

由于丁醇理論空燃比明顯低于汽油，在對發動機噴油系統不做任何調整的情況下，摻混丁醇會增大過量空氣系數，因此，在高負荷情況下，負荷相同時，摻混丁醇后節氣門開度要大于純汽油。綜上所述，在本文研究工況范圍內，在未對發動機參數做任何改動的情況下，汽油機燃用丁醇-汽油混合燃料時的動力性有所下降。

2.1 丁醇-汽油混合燃料對經濟性的影響

有效熱效率和有效燃油消耗率(BSFC)是發動機經濟性的重要指標。在獲得發動機有效燃油消耗率的情況下，有效熱效率ηet與有效燃油消耗率之間存在如下關系，如式(5)所示。

(5)

式中，be為有效燃油消耗率，g·(kW·h)-1；HL為燃料低熱值，MJ·kg-1。

圖2給出了不同丁醇摻混比例混合燃料在不同轉速下有效燃油消耗率隨負荷變化的情況?？梢钥闯?，不同轉速下3種燃料的有效燃油消耗率隨負荷變化的趨勢相同。有效燃油消耗率隨負荷的增加先減小后增大，轉速為2 500 r/min時最低燃油消耗率扭矩點要較2 000 r/min時右移?？傮w來看，在去除誤差因素及整個負荷范圍內，有效燃油消耗率隨丁醇摻混比例的增加而增大，但增長幅度不大。這是因為發動機的電控噴射系統是根據發動機所處的工況(如起動、怠速、加速、減速和常用工況等)采用相應噴油策略的，并不能識別不同燃料，汽油摻混丁醇后，噴油系統依然按照汽油噴射策略噴油。混合燃料理論空燃比隨丁醇摻混比例的增加而變小，因此當發動機轉速和負荷相同時，實際過量空氣系數隨丁醇摻混比例的增加而變大，混合氣變稀，能量密度降低，導致節氣門開度隨丁醇摻混比例的增加而增大，同時由于丁醇汽化潛熱大，熱值低，導致噴油量增大，因而燃油消耗率隨丁醇摻混比例的增加而增大。

圖2 有效燃油消耗率隨扭矩變化的規律Fig.2 Variation of brake specific fuel consumption (BSFC) with torque moment

汽油摻混丁醇后，混合燃料的熱值降低，因此單純用燃油消耗率來比較汽油機燃用丁醇-汽油混合燃料的經濟性并不全面。有效熱效率是衡量發動機經濟性的另一個重要指標。圖3是不同丁醇摻混比例混合燃料在不同轉速下有效熱效率隨負荷變化的情況。可以看出，不同轉速下3種燃料的有效熱效率隨負荷變化的趨勢相同。有效熱效率隨負荷的增加先增大后減小，轉速為2 500 r/min時最高有效效率扭矩點要較2 000 r/min時右移?？傮w來看，在去除誤差因素及整個負荷范圍內，雖然有效燃油消耗率隨丁醇摻混比例的增加而增大，但有效效率并不隨丁醇摻混比例的增加而降低，摻混丁醇對有效熱效率的影響并不大。這主要有三方面的原因：一是因為丁醇為含氧燃料，在燃燒過程中自身含有的氧原子改善了燃燒，使得燃燒更加充分，從而提高了發動機的熱效率，改善了發動機的經濟性；二是因為丁醇的汽化潛熱高，當丁醇摻混比例增加時，會降低缸內混合氣體的溫度，使得經缸壁向外傳熱的損失減小，從而提高了發動機的熱效率；三是相比于汽油，丁醇燃燒火焰傳播速度和燃燒速度快，燃燒定容程度高，峰值壓力大，從而提高了發動機的熱效率[10]。

圖3 有效熱效率隨扭矩變化的規律Fig.3 Variation of effective heat efficiency with torque moment

2.2 丁醇/汽油混合燃料對排放特性的影響

汽油機的排氣污染物主要是CO、HC和NOx3種，NOx通常是指NO和NO2，其中主要是NO，占90%～95%。本文通過AVL DiGas 4000 Light五組份尾氣分析儀對過量空氣系數及尾氣中的CO、HC和NOx3種污染物進行檢測。

圖4給出了不同丁醇摻混比例混合燃料在不同轉速下過量空氣系數隨負荷變化的情況?？梢钥闯?，不同轉速下3種燃料的過量空氣系數隨負荷變化的趨勢相同。轉速為2 000 r/min時，在中低負荷下，過量空氣系數穩定保持在化學計量比附近，在高負荷時，過量空氣系數減小。在相同負荷下，隨丁醇摻混比例的增加過量空氣系數增加，這主要是因為丁醇理論空燃比明顯低于汽油，在對發動機不做任何改動的情況下，摻混丁醇使實際的過量空氣系數降低。而在轉速為2 500 r/min時，過量空氣系數始終穩定保持在化學計量比附近，且在高負荷時略有升高。這是因為在相同負荷下，增大轉速需要進一步增大節氣門開度。

圖4 過量空氣系數隨扭矩的變化情況Fig.4 Variation of excess air coefficient with torque moment

圖5給出了不同丁醇摻混比例混合燃料在不同轉速下CO排放隨負荷變化的情況?？梢钥闯觯煌D速下3種燃料的CO排放隨負荷變化的趨勢相同。在轉速為2 000 r/min時，3種燃料在中低負荷下CO排放差別不大，且隨著負荷的增加變化也不明顯。這是因為在中低負荷時，過量空氣系數保持相對穩定，CO的生成主要由燃料的不完全燃燒導致，因而CO排放量較少且變化不大。而在轉速為2 500 r/min時，CO的排放隨負荷增加的變化并不明顯。此外，隨丁醇摻混比例的增加雖然燃油消耗率增加，但丁醇為含氧燃料，在燃燒過程中自身含有的氧原子改善了燃燒情況，使得燃燒更加充分，因而CO排放量并不隨丁醇摻混比例的增加而增加。在高負荷時，過量空氣系數減小，混合氣變濃，燃料在缺氧情況下不完全燃燒加重，因而CO排放量增加較多。

圖5 CO排放隨扭矩變化的情況Fig.5 Variation of CO emission with torque moment

圖6給出了不同丁醇摻混比例混合燃料在不同轉速下HC排放隨負荷變化的情況。汽油機中HC的生成原因比較復雜，主要途徑有不完全燃燒、壁面淬熄效應、壁面油膜和積碳的吸附效應。由圖可以看出，對于同一種燃料，在轉速為2 000 r/min、中低負荷時，HC排放量隨負荷的變化無明顯變化。這主要是因為在中低負荷下，過量空氣系數穩定保持在化學計量比附近，混合氣燃燒充分，因而HC的排放較少。但在高負荷時，過量空氣系數降低，混合氣變濃，燃料燃燒不充分，因而HC排放量總體上升。而轉速為2 500 r/min 時，由于過量空氣系數始終穩定保持在化學計量比附近，且在高負荷時略有升高，所以HC排放量在中低負荷時差別不大，而在高負荷時有所下降。此外，在工況相同的條件下，隨著丁醇摻混比例的增加，HC的排放減少。這是由于丁醇為含氧燃料，在燃燒過程中自身含有的氧原子改善了燃燒情況，同時丁醇摻混比例的增加，過量空氣系數增大，使得燃燒更加充分。

圖6 HC排放隨扭矩變化的情況Fig.6 Variation of HC emission with torque moment

圖7為不同丁醇摻混比例混合燃料在不同轉速下NOx排放隨負荷變化的情況?？梢钥闯觯煌D速下3種燃料的NOx排放隨負荷變化的趨勢相同。對于同一種燃料，在中低負荷時，NOx排放隨負荷的增加而增加。原因在于發動機在中低負荷工況時，發動機處于化學計量比工作條件，此時NOx的生成受溫度的影響更為明顯，負荷的增加導致發動機燃燒溫度升高，因而NOx排放隨之增加。在高負荷時，由于過量空氣系數減小，燃料在缺氧狀態下燃燒，因而NOx排放降低。而汽油摻混丁醇后，在轉速為2000 r/min時，NOx排放隨負荷的增加明顯降低，而轉速為2500 r/min時，在中低負荷下，NOx排放隨負荷的增加變化不明顯，在高負荷時明顯降低。這是因為丁醇理論空燃比明顯低于汽油，在對發動機不做任何改動的情況下，摻混丁醇使實際的過量空氣系數降低，同時由于丁醇汽化潛熱高于汽油，而熱值低于汽油，導致燃燒溫度降低，因而NOx排放隨丁醇摻混比例的增加而降低。

圖7 NO排放隨扭矩變化的情況Fig.7 Variation of NO emission with torque moment

3 結論

(1)在未對發動機參數做任何改動的情況下，汽油機燃用丁醇-汽油混合燃料后的動力性有所下降。

(2)轉速為2 000 r/min，在扭矩90 N·m時，油耗率最低；在轉速為2 500 r/min，扭矩為90 N·m和105 N·m時均最低，有效燃油消耗率隨丁醇摻混比例的增加而增大，有效熱效率并不隨丁醇摻混比例的增加而降低，摻混丁醇對有效熱效率的影響并不大。

(3)在2 000 r/min和2 500 r/min的實驗條件下，對于不同扭矩，汽油摻混丁醇能降低HC和NOx排放，但對CO排放影響不大。

[1]柳茂斌，何邦全，袁杰，等. 正丁醇-汽油HCCI發動機燃燒特性[J]. 內燃機學報，2013，31(4)：324-330.

[2]JIN C, YAO M F, LIU H F, et al. Progress in the production and application of n-butanol as a biofuel[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(8): 4080-4106.

[3]ZHANG Z J, WANG T Y, JIA M, et al. Combustion and particle number emissions of a direct injection spark ignition engine operating on ethanol/gasoline and n-butanol/gasoline blends with exhaust gas recirculation[J]. Fuel, 2014, 130: 177-188.

[4]楊靖,李克,楊小龍, 等. 丁醇-汽油混合燃料燃燒放熱規律的研究[J]. 汽車工程,2009,31(10):911-914.

[5]李克,王寶林,韓志玉, 等. 汽油機燃用丁醇-汽油調和燃料的可行性試驗研究[J]. 汽車工程,2009,31(9):820-823.

[6]胡志遠, 楊奇, 譚丕強, 等. 電噴汽油機燃用丁醇-汽油混合燃料的非常規排放特性[J]. 內燃機工程, 2014, 35(3): 26-31.

[7]VENUGOPAL T, RAMESH A. Effective utilisation of butanol along with gasoline in a spark ignition engine through a dual injection system[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 59(1/2): 550-558.

[8]WALLNER T, FRAZEE R. Study of regulated and non-regulated emissions from combustion of gasoline, alcohol fuels and their blends in a DI-SI engine[EB/OL]. [2016-02-18]. http://dx.doi.org/10.4271/2010-01-1571.

[9]TORNATORE C, MARCHITTO L, VALENTINO G, et al. Optical diagnostics of the combustion process in a PFI SI boosted engine fueled with butanol-gasoline blend[J]. Energy, 2012, 45(1): 277-287.

[10]ALASFOUR F N. NOxemission from a spark ignition engine using 30% iso-butanol-gasoline blend: Part 1—Preheating inlet air[J]. Applied Thermal Engineering, 1998, 18(5): 245-256.

Performance experiment of N-butanol-gasoline blending fuel applied gasoline engine

AN Ming1, FENG Hong-qing1*, LIU Dao-jian1, ZHANG Jing1, LI Dun1, ZHANG Xiao-dong2

(1.Department of Energy and Power Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Biomass Gasification Technology, Institute of Energy Research, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶ We conducted performance experiment for blending fuel of different blending ratios of n-butanol and gasoline applied port fuel injection engine. We compared pure gasoline and the blending fuel of blending ratios of 10% and 20% for 2 000 r/min and 2 500 r/min. Results show that the power of the engine slightly falls and BSFC increases a little. Specific fuel consumption is the lowest for torque moment of 90 N·m. For experimental condition, HC and NOxemission slightly decreases. The effect on CO emission is less.

∶gasoline engine; butanol; blending fuel; emission

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.013

2016-06-20

中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(14CX05041A)

安銘(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為節能技術。

*通信作者：馮洪慶(1977—)，男，博士，教授，研究方向為汽油機燃料與燃燒。E-mail: fenghongqing@upc.edu.cn

TK427

A

1002-4026(2016)06-080-07