王志強(qiáng)，李立君，馬寅杰

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410004；2. 湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201；3. 湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)到3.48億輛，CO，HC(碳?xì)浠衔?，NOx和PM(顆粒物)排放總量為1 603.8萬(wàn)t，中國(guó)城市空氣污染已由煤煙型污染轉(zhuǎn)為煤煙和機(jī)動(dòng)車(chē)排放復(fù)合型污染[1]。為減少汽車(chē)尾氣排放量，人們開(kāi)始尋找可靠的替代燃料。醇類(lèi)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(guó)已經(jīng)將與醇類(lèi)燃料及其快速產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的一些重要技術(shù)列為優(yōu)先事項(xiàng)[6]。

學(xué)者們對(duì)醇-汽油混合物的燃燒和排放特性進(jìn)行了大量研究。WEI 等[7]測(cè)試了燃用甲醇-汽油混合物(包括M10，M20和M85(汽油與體積分?jǐn)?shù)分別為10%，20%和85%的甲醇混合))的三缸進(jìn)氣道噴射(port fuel injection,PFI)汽油機(jī)的尾氣排放，結(jié)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(shí)對(duì)非甲醇碳?xì)?hydrocarbons, HC)排放量有輕微影響。LIU等[8]研究了全負(fù)荷條件下汽油機(jī)燃用甲醇-汽油的性能，發(fā)現(xiàn)汽油摻混甲醇會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率，但會(huì)提高熱效率。PUMPHREY 等[9]研究了甲醇-汽油混合物對(duì)瑞德蒸氣壓(Reid vapor pressure, RVP)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)汽油中加入少量甲醇時(shí)，RVP急劇增加。為了控制RVP和蒸發(fā)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(wěn)定的均相，在甲醇-汽油混合物中添加6%的乙醇會(huì)導(dǎo)致HC 排放量增加和NOx排放量減少。

在醇類(lèi)中，乙醇是最常見(jiàn)的汽油添加劑。VARDE 等[11]評(píng)估了使用E10，E25 和E85(汽油與體積分?jǐn)?shù)為10%，25%和85%乙醇混合)汽油機(jī)的排放特性，發(fā)現(xiàn)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(tái)AVL5401 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中測(cè)試了乙醇-汽油混合物(乙醇體積分?jǐn)?shù)為0～20%)，發(fā)現(xiàn)E10的燃燒持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，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(jié)了汽油摻混乙醇對(duì)燃燒和排放特性影響的相關(guān)研究。

與低碳醇相比，高碳醇作為汽油機(jī)的替代燃料具有許多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)水污染性減少、燃油經(jīng)濟(jì)性更好、點(diǎn)火問(wèn)題更少等。ALASFOUR[14]從熱力學(xué)第一定律和第二定律的角度評(píng)估了汽油機(jī)燃用30%丁醇-汽油混合燃料的可行性，其結(jié)果表明，50.6%的燃料能量可以轉(zhuǎn)化為有用功。SZWAJA等[15]研究了汽油機(jī)燃用正丁醇的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)正丁醇表現(xiàn)出更短的燃燒持續(xù)時(shí)間和更好的燃燒穩(wěn)定性。DERNOTTE 等[16]測(cè)試了PFI 汽油機(jī)燃用B0，B20，B40，B60 和B80 燃料(汽油與體積分?jǐn)?shù)分別為0，20%，40,%，60%和80%的丁醇混合)的排放特性，發(fā)現(xiàn)B60 和B80 會(huì)產(chǎn)生更高HC 排放量；對(duì)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(jié)了正丁醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料的研究進(jìn)展。

戊醇的物化性質(zhì)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(fā)現(xiàn)汽油摻混戊醇可以提高抗爆震性。YACOUB 等[19]研究了當(dāng)氧氣含量為2.5%和5.0%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用C1～C5醇與汽油混合燃料的排放特性，發(fā)現(xiàn)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(huì)導(dǎo)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(dòng)力學(xué)模型。

綜上所述，人們對(duì)低碳醇-汽油混合燃料(甲醇-汽油、乙醇-汽油)進(jìn)行了較為深入的研究。然而，對(duì)于高碳醇(尤其是戊醇)在汽油機(jī)中的應(yīng)用研究較少。因此，本文作者對(duì)汽油機(jī)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(jìn)行對(duì)比研究。

1 燃料理化性質(zhì)

醇類(lèi)燃料和汽油的重要理化性質(zhì)的對(duì)比見(jiàn)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(shù)，可使汽油機(jī)能夠在更高的壓縮比下運(yùn)行，效率更高且經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。醇類(lèi)燃料中的氧會(huì)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(huì)提高容積效率，但同時(shí)會(huì)降低冷啟動(dòng)能力。醇類(lèi)燃料的理論空燃比低于汽油的理論空燃比，這意味著醇類(lèi)燃料只需要較少空氣就可以完全燃燒。與汽油相比，醇類(lèi)燃料的能量密度較低。此外，醇類(lèi)燃料具有比汽油更高的層流火焰速度(vLFS)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架

圖1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表2。發(fā)動(dòng)機(jī)與GETCL-15 4-35-1700測(cè)功機(jī)相連。DyneSystems DTC-1數(shù)字油門(mén)控制器用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)位置。發(fā)動(dòng)機(jī)由Megasquirt V3.0 ECU 控制。壓力調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)供給發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣。Kistler 6125B壓力傳感器和BEIXH25D曲軸編碼器用于測(cè)量缸內(nèi)壓力及其相應(yīng)的曲軸位置。Horiba MEXA-554JU 分析儀用于測(cè)量單位能耗(1 kW·h)對(duì)應(yīng)的CO 和HC 排放量。Horiba MEXA-720分析儀用于測(cè)量NOx排放和空燃比。本文采用LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集程序，測(cè)量結(jié)果和操作參數(shù)記錄在程序中。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表2 汽油機(jī)參數(shù)Table 2 Gasoline engine parameters

2.2 測(cè)試工況

在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)保持最佳燃燒效率和最大功率。進(jìn)氣歧管壓力設(shè)定為60 kPa。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1 200 r/min，設(shè)定汽油當(dāng)量比為1.0 且發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩(maximum brake torque，MBT)的時(shí)刻為點(diǎn)火時(shí)刻。當(dāng)量比范圍設(shè)置為0.83～1.25，包含了燃油濃度從稀到濃的工況。實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的，發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)熱后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。每種燃料在溫濕度可控的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均為3 次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同摻混比下燃料燃燒與排放特性對(duì)比

低碳醇-汽油和高碳醇-汽油混合物的燃燒特性對(duì)比見(jiàn)圖2。圖2 中，G100 表示純汽油，P10 和P30表示汽油與體積分?jǐn)?shù)分別為10%和30%的戊醇的摻混物。由圖2 可見(jiàn)：醇-汽油混合燃料的燃燒相位更提前，導(dǎo)致其缸壓峰值相較于純汽油更高。本文基于缸壓變化曲線(xiàn)得到初始燃燒持續(xù)時(shí)間和主要燃燒持續(xù)時(shí)間(即燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0～10%和10～90%的燃料所用時(shí)間)，其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別為tICD和tMCD。隨著醇類(lèi)燃料摻混比增大，tICD整體上呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)閷恿骰鹧嫠俣葀LFS對(duì)tICD和tMCD有較大影響，且醇類(lèi)燃料的vLFS比汽油的高。摻混醇類(lèi)燃料導(dǎo)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?yàn)楦咛即嫉膙LFS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(duì)比Fig.2 Combustion characteristics comparison of alcoholgasoline blends under various blend ratios

燃用醇-汽油混合燃料時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：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?yàn)閾交齑际谷紵辔惶崆?，但設(shè)定的點(diǎn)火時(shí)刻仍未改變，導(dǎo)致有用功減少，且這部分損失無(wú)法被醇類(lèi)燃料中的氧原子對(duì)燃燒效率的促進(jìn)作用所補(bǔ)償。燃油消耗率隨著醇類(lèi)燃料摻混量增大和醇類(lèi)燃料碳鏈數(shù)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?jǐn)?shù)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(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比Fig.3 Engine performance comparison for alcoholgasoline blends under various blend ratios

燃用醇-汽油混合燃料時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)排放物對(duì)比見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn)：在汽油中摻混醇類(lèi)燃料會(huì)使CO排放量增加3.4%～72.6%。盡管摻混醇會(huì)增加氧含量并降低CO排放，但發(fā)動(dòng)機(jī)是在理論空燃比下運(yùn)行，因此，無(wú)法獲得過(guò)量的氧氣。醇類(lèi)燃料的燃燒速率比汽油的高，這是因?yàn)榇?汽油混合燃料的燃燒產(chǎn)物在膨脹過(guò)程和排氣沖程中在燃燒室停留的時(shí)間更長(zhǎng)，從而降低了缸內(nèi)氣體溫度。醇-汽油混合燃料的燃燒產(chǎn)物中包含更高的熱容量，導(dǎo)致缸內(nèi)氣體溫度降低，從而減慢了CO 轉(zhuǎn)化為CO2的速率，甚至抑制了反應(yīng)的發(fā)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(xiàn)出相反的趨勢(shì)。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?yàn)榇紝?duì)燃燒效率有促進(jìn)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?yàn)檩^低的理論空燃比導(dǎo)致更多的燃料逃離燃燒初始過(guò)程并進(jìn)入缸內(nèi)部件縫隙中。根據(jù)Zeldovich 機(jī)理，NOx的排放依賴(lài)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B(niǎo)10 和P10 的NOx排放量相近。較低的NOx排放量可歸因于缸內(nèi)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(fā)動(dòng)機(jī)排放特性對(duì)比Fig.4 Engine emissions comparison for alcohol-gasoline blends under various blend ratios

3.2 不同當(dāng)量比下燃料燃燒與排放特性對(duì)比

10%醇-汽油混合燃料在不同當(dāng)量比下的燃燒特性對(duì)比見(jiàn)圖5。由圖5 可見(jiàn)：隨著當(dāng)量比增大，油氣混合氣的點(diǎn)火和燃燒變得更快，導(dǎo)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(shí)，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(dāng)量比下醇-汽油混合燃料的燃燒特性對(duì)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(dāng)量比下的熱效率和燃油消耗率對(duì)比見(jiàn)圖6。由圖6 可見(jiàn)：隨著當(dāng)量比降低，熱效率升高，這是因?yàn)殡S著混合氣變稀，等熵效率增加。在稀燃工況下，E10，B10 和P10相對(duì)于純汽油的熱效率更高，這是因?yàn)樵O(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)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(huì)有更多的燃料在壓縮行程燃燒，產(chǎn)生更多的負(fù)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(duì)較高的E10，B10 和P10 在當(dāng)量比為0.83 時(shí)的燃油消耗率接近汽油的燃油消耗率。

圖6 不同當(dāng)量比下醇-汽油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)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(dāng)量比下的發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性對(duì)比見(jiàn)圖7。由圖7可知：CO排放量主要受當(dāng)量比控制。高濃度混合氣會(huì)產(chǎn)生較高CO排放量，且對(duì)當(dāng)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(xué)計(jì)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?yàn)槿紵S著效率提高，噴射了更多的燃料到缸內(nèi)。當(dāng)量比為0.91～1.00 時(shí)燃燒過(guò)程相對(duì)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(nèi)氣體溫度降低，M10，E10，B10 和P1 的NOx排放量相對(duì)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(duì)分子質(zhì)量和較高的燃料噴射量會(huì)導(dǎo)致醇-汽油混合燃料產(chǎn)生更多的碳?xì)浠衔镒杂苫沟们杌瘹?HCN)的質(zhì)量和NOx排放量增加。

圖7 不同當(dāng)量比下醇-汽油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性對(duì)比Fig.7 Engine emissions comparison for alcohol-gasoline blends under various equivalence ratios

4 結(jié)論

1)相較于純汽油，醇-汽油混合燃料tICD和tMCD更小，導(dǎo)致燃燒相位提前。因此，與純汽油的點(diǎn)火時(shí)間相比，醇-汽油混合燃料的最佳點(diǎn)火時(shí)間應(yīng)延后。隨著醇體積分?jǐn)?shù)和當(dāng)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(dǎo)致熱效率發(fā)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(lèi)燃料對(duì)尾氣排放有顯著影響，但沒(méi)有表現(xiàn)出穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。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(qiáng)。