第32卷第2期Vol 32 No. 22015年4月內(nèi)燃機與動力裝置L.C.E& PowerplantApr.2015【試驗研究】乙醇混合燃料在乘用車汽油發(fā)動機中的試驗研究金暉陳偉國,王偉,馮心水(奇瑞汽車股份有限公司,安徽蕪湖241009摘要:隨著石油危機的來臨,乙醇燃料,因其為可再生生物能源的優(yōu)勢,成為一種很好的代用燃料。本文針對一款汽油發(fā)動機,分別對93#無鉛汽油、E22乙醇汽油及E00純乙醇在動力性及燃燒特性進行試驗研究和對比分析。試驗結(jié)果表明:對發(fā)動機及ECU數(shù)據(jù)不進行改動,隨著燃料中乙醇比例的提高,發(fā)動機動力性增加,最大爆發(fā)壓力不會超出現(xiàn)有汽油機水平:而修改電控參數(shù)點火提前角,隨著燃料中乙醇比例的提高,50%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)會提前,燃燒持續(xù)期縮短,并逐步接近或達到93#汽油的水平。關(guān)鍵詞:乙醇;汽油;動力性;燃燒特性中圖分類號:TK418.9文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1673-6397(2015)02-0001-05Experimental Study on Ethanol Blended Fuel on DieselEngine-Powered Passenger VehiclesJIN Hui, CHEN Wei-guo, WANG Wei, FENG Xin-shuiChery Automobile Co, Ltd., Wuhu 241009, China)Abstract: For oncoming oil crisis, ethanol fuel has been considered as a good alternative fuelbecause of its advantages as a renewable bioenergy. Basing on a diesel engine, this paper does theexperimental study and comparative analysis on the dynamic and combustible performance of this en-gine respectively on 93 unleaded gasoline, E22 ethanol gasoline and E100 pure ethanol. The testresults showed that the power increased and the maximum combustion pressure did not exceed thevalue of the engine when the proportion of ethanol in total fuel rise in the case of the engine andecu data has not been changed. When the setting of the ignition advance angle was changed, 50%mass fraction of the combusted gas arrives earlier and the combustion duration period got shorten andwas close to the level of 93# gasoline in the case of the proportion of ethanol in fuel riseKey Words: Ethanol; Gasoline; Dynamic Performance; Combustion Characteristic引言1973年發(fā)生首次世界性的“石油危機”,以及科學(xué)發(fā)展觀的的持續(xù)開展,使用乙醇混合燃料替代純1993年我國由石油輸出國轉(zhuǎn)變?yōu)槭瓦M口國,汽油已經(jīng)成為未來發(fā)展的趨勢。因此進行乙醇燃料16年以后的200年,我國石油對外依存度突破對乘用車汽油發(fā)動機影響的研究是十分必要的。50%國際公認(rèn)的安全警戒線。到2013年末,我國使用乙醇混合燃料的發(fā)動機,在其經(jīng)濟性、熱效石油對外依存度已達到58.1%,逼近60%21。持續(xù)率、排放及催化轉(zhuǎn)化等方面具有優(yōu)勢的研究,多篇論升高的石油對外依存度為我國的能源安全帶來了巨文均有提及3。而本文針對一款乘用車汽油發(fā)動大壓力。機,在不修改結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下,進行不同比例乙醇YH中國煤化工作者簡介:金暉(1979-),男,工程師,主要從事發(fā)動機熱力學(xué)開發(fā)、CAE性CNMHG收稿日期:2014-12-06內(nèi)燃機與動力裝置2015年4月混合燃料的臺架試驗,研究不同比例乙醇混合燃料表2列出了93#無鉛汽油與乙醇的主要理化特對該款汽油發(fā)動機在全負荷工況下的動力性及燃燒性特性的影響。為研究不同比例乙醇混合燃料對發(fā)動機全負荷時動力性及燃燒特性的影響,試驗過程采用開發(fā)1試驗發(fā)動機、設(shè)備及方法ECU,可以對發(fā)動機的點火提前角、空燃比等電控參1.1試驗發(fā)動機數(shù)進行調(diào)整。試驗采用采用某款三缸四沖程多點電噴汽油發(fā)動機,未修改發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。發(fā)動機的缸徑x2試驗結(jié)果分析行程:71mm×84mm,排量0.998L,壓縮比11.0:1。2.1對發(fā)動機動力性影響1.2試驗設(shè)備試驗首先使用93#無鉛汽油ECU數(shù)據(jù),不做任根據(jù)研究的內(nèi)容,搭建發(fā)動機試驗臺架。臺架何改動進行三種燃油的凈功率試驗。使用AVL電力測功機及 PUMA Open電力測功機控乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱為862kJ/kg、辛烷值106制系統(tǒng),油耗儀使用AVL735S連續(xù)質(zhì)量流量儀,過均高于93#無鉛汽油的蒸發(fā)潛熱334kJ/kg、辛烷值量空氣系數(shù)采用 ETAS LA4-4.9-E型空燃比分析93,因此乙醇燃料的抗爆性比93#無鉛汽油好,可以儀測量,燃燒數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)使用 AVL Indi-使用93#無鉛汽油的電控數(shù)據(jù)直接進行三種燃油的Com燃燒分析系統(tǒng),曲軸轉(zhuǎn)角信號采集使用全負荷特性試驗,不會因爆震而導(dǎo)致發(fā)動機損壞。AVL364C角標(biāo)儀,缸壓力傳感器使用 Kistler6053cc60預(yù)埋式缸壓傳感器。試驗使用的主要設(shè)備及傳感器如表1所示。5Nm表1試驗主要設(shè)備一覽表設(shè)備名稱設(shè)備廠家型號生產(chǎn)廠家測功機Dyno Road202/12SLAVL-93#無鉛汽油油耗儀AVLE22乙醇汽油空燃比儀LA-4.9-EETASE100純乙醇燃燒分析儀IndicomAVL100015002000250030003500400045005000550060006500角標(biāo)儀AVL轉(zhuǎn)速(r/min)缸壓傳感器6053CC60Kistler1.3試驗方法為了驗證不同含量的乙醇混合燃料對汽油發(fā)動10kW機動力性及燃燒特性的影響,試驗分別使用乙醇含量為0的93#無鉛汽油、乙醇含量為22%的乙醇汽油(E22)及乙醇含量為100%的純乙醇(E100)分別日93#無鉛汽油E22乙醇汽油進行全負荷特性試驗。E100純乙醇表2汽油與乙醇的主要理化特性表100015002000250030003500400045005000550060006500項目93#汽油乙醇轉(zhuǎn)速(r/min)來源石油煉制產(chǎn)品植物淀粉物質(zhì)發(fā)酵蒸餾圖1不修改電控參數(shù)的性能對比分子式含C-C的HCC2HOH圖1顯示的是在不修改電控參數(shù)的情況下,發(fā)0.855動機使用不同比例乙醇混合燃料的性能對比。從圖質(zhì)量成分gH0.145中可以看出,在不改變發(fā)動機電控參數(shù)的情況下,發(fā)動機使用乙醇燃料后功率和扭矩有所上升,且隨著相對分子質(zhì)量蒸發(fā)潛熱kJ/kg乙醇比例的增加上升趨勢越明顯:在4500r/min的334燃料低熱值kJ/kg4400027000最大扭矩點,田Fm醇燃油的扭矩要比使混合氣熱值kJ/m3用93#無鉛汽中國煤化工E22乙醇汽辛烷值RON油的扭矩要CNMH矩高3.6%理論空燃比14.82015年第2期金暉,等:乙醇混合燃料在乘用車汽油發(fā)動機中的試驗研究在6000y/min額定功率點,使用E100純乙醇燃油的圖2顯示了對發(fā)動機電控參數(shù)進行修改,使各功率要比使用93#無鉛汽油的功率高5.38%,使用工況均達到發(fā)動機爆震邊緣的三種燃料的性能對E22乙醇汽油的功率要比使用93#無鉛汽油的功率比。從圖中可以看出,在僅改動發(fā)動機點火提前角高3.53%。的情況下,發(fā)動機使用乙醇燃料后功率和扭矩有所根據(jù)以往的試驗研究及論文描述,汽油發(fā)動機上升,且隨著乙醇比例的增加上升趨勢越明顯:在在不修改電控參數(shù),直接使用乙醇燃料的情況下,發(fā)4500r/min的最大扭矩點,使用E100純乙醇燃油的動機的動力性會略有下降0。但在本次試驗中,扭矩要比使用93#無鉛汽油的扭矩高8.94%,使用相同的電控參數(shù),發(fā)動機的性能隨著乙醇的摻入比E22乙醇汽油的扭矩要比使用93#無鉛汽油的扭矩例的增大而略有增加,這是因為,以前試驗使用的發(fā)高4.62%;在6000/min額定功率點,使用El00純動機,采用開關(guān)式氧傳感器,全負荷下為了獲得較大乙醇燃油的功率要比使用93#無鉛汽油的功率高的功率,空燃比采用開環(huán)控制,混合燃料和普通燃料6.85%,使用E22乙醇汽油的功率要比使用93#無的噴油持續(xù)時間相同,噴入的醇類燃料與普通汽油鉛汽油的功率高4.18%。的體積相同。由于同體積醇類燃料混合物的熱值較因為乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱及辛烷值均比9#無普通汽油混合氣的熱值低,導(dǎo)致循環(huán)放熱量減少,進鉛汽油高,因此乙醇燃料的抗爆性好,在發(fā)動機不而造成發(fā)動機扭矩和功率的降低,且降低的幅度隨進行改動的前提下,可以通過增加電控參數(shù)中的點著乙醇所占比例的增大而增加0。而在越來越嚴(yán)火提前角來提高發(fā)動機的動力輸出。當(dāng)93#無鉛汽格的排放和油耗法規(guī)的要求下,傳統(tǒng)開關(guān)式的氧傳油混合了不同比例的乙醇,辛烷值得到不同程度的感器已經(jīng)逐漸不能滿足法規(guī)的要求,越來越多的發(fā)提高,電控參數(shù)中的點火提前角也得到相應(yīng)的增大,動機為了能夠精確的控制空燃比,采用了線性氧傳當(dāng)點火提前角達到各工況的爆震邊緣發(fā)動機的性感器,替代了原先的開關(guān)型氧傳感器,從而實現(xiàn)了在能提升明顯。全負荷的工況下,發(fā)動機空燃比的閉環(huán)控制。為了2.2對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響達到相同的空燃比,乙醇混合燃料自動延長噴油持乙醇燃料的熱值為27000kJ/kg,低于93#無鉛續(xù)時間,增加噴油量,相應(yīng)的發(fā)動機充氣效率得到提汽油的4000k,所以在全負荷工況下,為了使發(fā)升,從而使發(fā)動機性能上升。隨著乙醇混合燃料的動機達到各轉(zhuǎn)速最大動力性要求,就需要燃燒更多比例的提高,增加的噴油量也越多,發(fā)動機的性能提的乙醇混合燃料。升程度越大。圖3顯示了三種燃油在外特性工況下的燃油消耗率對比。從圖中可以看出,發(fā)動機采用乙醇燃料后燃油消耗率增加,并且燃油消耗率增加的幅度隨著乙醇燃料所占的比例增大而增大。93#無鉛汽油曰E22乙醇汽油E。。。。。。。。E100純乙醇50g/kW.h93#無鉛汽油AE22乙醇汽油100015002000250030003500400045005000550060006500轉(zhuǎn)速(rmin)E100純乙醇I OkW10001500200250030003500400045005000550060006500轉(zhuǎn)速(r/min93#無鉛汽油圖3發(fā)動機燃油消耗率對比E22乙醇汽油2.3對發(fā)動機燃燒特性影響e-E100純乙醇圖4顯中國煤化改電控參數(shù)100015002000250030003500400045005000550060006500的情況下,三CNMHG角、最大爆發(fā)壓力及其對應(yīng)時出和我用時刈。從圖a)中可以圖2修改電控參數(shù)的性能對比4內(nèi)燃機與動力裝置2015年4月看出,在不改變發(fā)動機電控參數(shù)的前提下,各轉(zhuǎn)速下不修改電控參數(shù)三種不同燃料對應(yīng)的發(fā)動機輸出點火提前角一致;而修改各轉(zhuǎn)速的電控參數(shù),使發(fā)動機達到爆震邊緣lObar的情況下,E100純乙醇及E22乙醇汽油的點火提前角相對93#無鉛汽油均能提前約2~3°曲軸轉(zhuǎn)角。93#無鉛汽油從圖b)可以看出,不修改電控參數(shù)的前提下,最大E22乙醇汽油爆發(fā)壓力中,93#無鉛汽油的最大爆發(fā)壓力最大,pE100純乙醇E22乙醇汽油次之,E100純乙醇最低;而修改各轉(zhuǎn)速的電控參數(shù),使發(fā)動機達到爆震邊緣的情況下,各100015002000250030003500400045005000550060006500轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)速的最大爆發(fā)壓力都很接近,相差不超過2bar修改電控參數(shù)從圖c)可以看出,不修改電控參數(shù)的前提下,最大爆發(fā)壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角3#無鉛汽油最大爆發(fā)壓10b力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角最提前,E22乙醇汽油次之,E100純乙醇最滯后;而修改各轉(zhuǎn)速的電控參數(shù),使發(fā)動機達到爆震邊緣的情況下,各轉(zhuǎn)速最大爆發(fā)壓力對應(yīng)93#無鉛汽油的曲軸轉(zhuǎn)角也很接近,最大相差不超過2°曲軸轉(zhuǎn)E22乙醇汽油角一E100純乙醇100015002000250030003500400045005000550060006500不修改電控參數(shù)轉(zhuǎn)速(rmin)215°CAb)最大爆發(fā)壓力不修改電控參數(shù)93#無鉛汽油一93#無鉛汽油E22乙醇汽油E22乙醇汽油e-E100純乙醇一E100純乙醇100015002000250030003500400045005000550060006500轉(zhuǎn)速(rmin)8℃A修改電控參數(shù)1000150020002500300035004000450050005500600065005°CA轉(zhuǎn)速(rmin)U°溫修改電控參數(shù)93#無鉛汽油93#無鉛汽油E22乙醇汽油E22乙醇汽油E100純乙醇e-E100純乙醇1000150020002500300035004000450050005500600065005°CA轉(zhuǎn)速(rmin)ga)點火提前角100015002000250030003500400045005000550060006500轉(zhuǎn)速(r/min)c)最大爆發(fā)壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角對比圖4缸內(nèi)燃燒壓力對比圖5顯示了在不修改由控參數(shù)和修改電控參數(shù)的情況下,三中國煤化工數(shù)。從圖中可以看出,在CNMHG,點火提前角2015年第2期金暉,等:乙醇混合燃料在乘用車汽油發(fā)動機中的試驗研究5相同,93#無鉛汽油的50%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)最提前,93#無鉛汽油高因此乙醇燃料的抗爆性好,可以通過E22乙醇汽油次之,E100純乙醇最滯后;而修改各修改電控參數(shù)提前發(fā)動機的點火提前角,隨之而來轉(zhuǎn)速的電控參數(shù),使發(fā)動機達到爆震邊緣的情況下,的是最大爆發(fā)壓力的提升,再加上乙醇燃料中含有由于各轉(zhuǎn)速均達到爆震的邊緣,在4000/min以下氧,有利于混合氣形成,改善了燃油與空氣的混合質(zhì)工況三者的5⑩%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致,4000r/min量,提高燃燒反應(yīng)速度,燃燒持續(xù)期明顯縮短。以上工況,93#無鉛汽油的50%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)最滯不修改電控參數(shù)后,E22乙醇汽油次之,E100純乙醇最提前,但三者5°CA日93#無鉛汽油之間相差并不大,最大相差不超過2曲軸轉(zhuǎn)角。E22乙醇汽油E100純乙醇不修改電控參數(shù)日-93#無鉛汽油E22乙醇汽油E100純乙醇l00015002000250030003500400045005000550060006500修改電控參數(shù)5°CA93#無鉛汽油100015002000250030003500400045005000550060006500轉(zhuǎn)速(r/min)E22乙醇汽油E100純乙醇修改電控參數(shù)日-93#無鉛汽油E22乙醇汽油E100純乙醇5°CAN=100015002000250030003500400045005000550060006500轉(zhuǎn)速(rmin)100015002000250030003500400045005000550060006500圖6燃燒持續(xù)期轉(zhuǎn)速(rmin)3結(jié)論圖550%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比本文在發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)未進行任何修改的前提圖6顯示了在不修改電控參數(shù)和修改電控參數(shù)下,對發(fā)動機燃用93#無鉛汽油、乙醇含量為22%的的情況下,三種燃料的燃燒持續(xù)期。從圖中可以看出,在不修改電控參數(shù)的前提下,點火提前角相同,乙醇汽油及乙醇含量為100%的純乙醇分別進行在’全負荷工況下的動力性及燃燒特性的對比試驗研93#無鉛汽油的燃燒最快,各轉(zhuǎn)速燃燒持續(xù)期最短,究,得出以下結(jié)論:E22乙醇汽油次之,E100純乙醇燃燒最慢,各轉(zhuǎn)速燃燒持續(xù)期最長,但在功率點附近,三者的燃燒持續(xù)控制系統(tǒng),乙醇混合燃料可以成為現(xiàn)在乘用車汽油期基本一致;而修改各轉(zhuǎn)速的電控參數(shù),使發(fā)動機達發(fā)動機的替代燃料,不影響發(fā)動機在全負荷工況下到爆震邊緣的情況下,由于乙醇混合燃料增加了點的動力性?；鹛崆敖?其對應(yīng)的燃燒持續(xù)期有所縮短,并接近于在經(jīng)濟性中,發(fā)動機釆用乙醇燃料后燃油消耗93#無鉛汽油的燃燒持續(xù)期。E22乙醇汽油和E100率增加,并且燃油消耗率增加的幅度隨著乙醇燃料純乙醇的燃燒持續(xù)期基本一致,并且三者之間相差所占的比例增大而增大。也不大,最大相差不超過2°曲軸轉(zhuǎn)角。在燃燒特性中,乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱及辛烷值由于乙醇燃料的熱值低于%3#汽油,在不修改均比93#無鉛汽油高,因此乙醇燃料的抗爆性比93電控參數(shù)的前提下,乙醇燃料的最大爆發(fā)壓力低于#無鉛汽油好V凵中國煤化工中的點火提前93#汽油的最大爆發(fā)壓力;其燃燒速度及燃燒持續(xù)期角來提高發(fā)CNMH可角的增加幅也較慢;又由于乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱及辛烷值均比(下轉(zhuǎn)第24頁)24內(nèi)燃機與動力裝置2015年4月根據(jù)計算推薦使用的方案,做凸輪軸進行試驗3結(jié)論驗證,試驗數(shù)據(jù)對比如圖9、圖10、圖11所示。000(1)基于AVL-Boot一維性能仿真模型能夠比較準(zhǔn)確計算發(fā)動機綜合性能;(2)基于氣門升程和包角的優(yōu)化方案經(jīng)試驗臺多50架驗證,發(fā)動機額定功率不變,中低轉(zhuǎn)速最大功率最多提高8%,油耗至少降低3%;0-原狀態(tài)(3)對于此款發(fā)動機,小包角、小升程的氣門升2#方案3#方案程曲線更有利于提高發(fā)動機的低速扭矩,但高速的100020003000400050006000功率會有部分犧牲發(fā)動機轉(zhuǎn)速/(rmin)(4)對比不同方案的計算結(jié)果,并不是升程越圖10原機和優(yōu)化方案外特性功率對比大、包角越大對發(fā)動機的性能有利。發(fā)動機的包角310·原狀態(tài)與升程需要與發(fā)動機配合,確定最優(yōu)的發(fā)動機氣門2#方案升程曲線。290一合3#方案參考文獻260[1]許元默,帥石金,王建昕進氣歧管對電噴汽油機充氣效率的影響[J].內(nèi)燃機工程,2004,25(1):27-34.[2]李景淵.發(fā)動機進氣系統(tǒng)性能分析研究[D].重慶:重慶1000200040006000大學(xué),2005發(fā)動機轉(zhuǎn)速/(r/min)3]余國核閻祥安,馮淑杰,等.進氣諧振對單缸發(fā)動機動圖11原機和優(yōu)化方案外特性油耗率對比力性能影響的試驗研究[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)通過試驗驗證,試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本版,2007,39(5):166-169一致。發(fā)動機額定功率不變,并且中低轉(zhuǎn)速最大功[4]周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005率最多提高達8%,油耗至少降低3%··%·%····…·········……………·%…·上接第5頁)度隨著燃料中乙醇比例的提高而提高。acteristics of alcohol blended gasoline in a Fuel Injected直接采用93#無鉛汽油的ECU數(shù)據(jù),乙醇混合Spark Ignition Engine[ J]. Combustion, 2008, 2012: 06燃料發(fā)動機的最大爆發(fā)壓力不會超出現(xiàn)有汽油機水18.平;而修改電控參數(shù)點火提前角使在全負荷工況時5]包君.汽油一乙醇混合燃料發(fā)動機性能的研究[D].哈發(fā)動機達到爆震邊緣,隨著燃料中乙醇比例的提高,爾濱理工大學(xué),2008最大爆發(fā)壓力隨之提升,50%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)提前,燃[6]黃佐華,苗海燕.汽油機燃用汽油一含氧化合物混合燃料時的燃燒特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,1999,3燒持續(xù)期縮短,并逐步接近或達到93#汽油的水平。(9):42-46參考文獻[7]郭美華,杜寶杰,李岳林乙醇汽油混合燃料的排放特性研究[J].內(nèi)燃機,2010(006):45-48[冂]劉仕華,張輝耀,胡國松.中國石油進口安全淺析[J].[8]陳家瑞,馬天飛.汽車構(gòu)造(第5版)[M].北京:人民石油化工技術(shù)經(jīng)濟,2005,21(3):144-17交通出版社,2006:327-328[2]2013年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告[R].北京:中國石油9]劉永長內(nèi)燃機原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,集團經(jīng)濟技術(shù)研究院,2014.2001:74-76.[3] Nakata K, Utsumi s,OaA,etl. The effect of ethanol fu-[10]胡亞楠.電噴發(fā)動機燃燒乙醇汽油試驗研究[冂·沈陽el on a spark ignition engine [ J]. Natural Gas,2006理工大學(xué)學(xué)報,2010(1):35-372015:06-22.[11]錢葉劍中國煤化工汽油對電噴汽油[4]Kumar A, Khatri D S, Babu M K G. Experimental Investi-機性能影CNMHG學(xué)報,206,2gations on the Performance, Combustion and Emission Char-(4):320-5