汽油机燃用乙醇/汽油混合燃料的研究进展

第38卷第2期小型内燃机与摩托车Vol 38 No. 22009年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2009综述汽油机燃用乙醇/汽油混合燃料的研究进展李岳林杜宝杰李薛刘省波!郭美华(1-长沙理工大学湖南长沙4100762-中南林业科技大学)摘要:总结了目前在汽油机上已经开展的有关乙醇/汽油混合燃料的试验硏究,主要包括:燃用乙醇汽油混合燃料对发动机的动力性、燃油经济性和排放性能的影响;催化转化器、过量空气系数(φ-)以及压缩比和点火时刻对燃用乙醇/汽油混合燃料时发动机的燃烧和排放特性的影响。最后对其发展和研究方向做出展望。关键词:乙醇/汽油混合燃料汽油机燃烧排放中图分类号:U473.1+4文献标识码:A文章编号:1671-0630(200)02-0085-03Development on Research of GasolineEngine Fueled with Ethanol-gasoline BlendsLi Yuelin, Du Baojie, Li Xue, Liu Shengbo, Guo MeihuaChangsha University of Science and Technology( Changsha, Hunan, 410076, China)2-Central SOUTH University of Forestry and TechnologyAbstract: The relevant research of ethanol-gasoline blends which has been developed currently on the gasolineengine is summarized in the following aspects the effects of buming ethanol-gasoline blends to engine powerfuel economy and emissions; the combustion and emission characteristics which are effected by catalytic converter,excess air coefficient(oa), compression ratio and ignition timing when ethanol-gasoline blends isIsed. Finally new developments and future trends on the research are presentedKeywords: Ethanol-gasoline blends, gasoline engine, Combustion, Emission引言为有利。同时乙醇的辛烷值高于汽油,可以提高发动伴随着工业和社会的快速发展,人类对石油燃料机的抗爆震性能因此如果使用乙醇作为燃料,可以的需求越来越高,但因为石油资源有限,所以能源短缺提高压缩比以改善发动机的热效率和输出功率。但是成为一个令人忧的问题。除∫设计更高效的发动机另一方面如果使用纯乙醇作为燃料的话,就必须对发以节省燃料资源外,必须寻找其他的能源以部分或者动机进行改装,所以最好是把研究重点放在乙醇汽油完全替代我们当前正在使用的燃料。甲醇和乙醇是最的混合燃料上从而避免改装发动机。常用的燃料和燃料添加剂,但制造甲醇需要天然气和1混合燃料对发动机性能的影响煤等不可再生资源,而我国的天然气等资源并不富足,1.1混合燃料对发动机动力性和燃油经济性的影响所以如果依靠甲醇作为燃料的话,很难实现能源自给;乙醇的热值比汽油低得多,但乙醇中含氧量大,所而乙醇可以通过农作物发酵和蒸馏得到,所以可以看需的理论空气量不到汽油的一半,所以两者的混合气成是一种可再生能源,另外对于无铅汽油来说,甲基叔热值都差不多,从而保证发动机动力性不致降低,同时丁基醚(MIBE)会污染地下水资源和危害人体健康,由于热值低,混合燃料的燃料消耗率比汽油高,但热效所以在将来有可能用乙醇来代替MTBE,于是从经济率并中国煤化工气油混合气还稀;另和环保的角度出发,研究乙醇代替甲醇作为燃料也更方HCNMHG,热效率较高;并且基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(06J20045);湖南省教育厅重点资助科研项目(07A004)作者简介:李岳林(1963-)男教授主要研究方向为汽车污染与排放控制。小型内燃机与摩托车第38卷乙醇的汽化潜热比汽油高约3倍,混合燃料蒸发汽化,量的多少关系不大,但这一结论仍需进行试验验证可以促使进气温度进一步降低,有利于增加进气量和004年董素荣等人在一台多点电喷汽油机上研究提高功率,因此混合燃料的动力性和燃油经济性与纯发现,汽油机掺烧乙醇后,苯排放降低,且随着添加比汽油应当不相上下。1986年 Hamdan和 Jubran2两人例的增大苯排放改善越明显掺烧体积分数为9.826%发现,通过向汽油中添加5%的乙醇,可以使发动机获的乙醇对苯排放的改善程度达50%。2006年祁东辉得最佳的功率输出和部分负荷下提高4%~21%的热等人发现,混合燃料发动机的CO排放低于汽油效率。2003年Al- Hasan3发现使用混合燃料可以增机,并且随着乙醇体积分数的增大而降低,HC的排放加有效功率扭矩、容积热效率和有效热效率,同时可在较大负荷时略高于汽油机,NO,排放与汽油机相比以降低有效燃油消耗率。许沧粟和杜德兴在一台变化不明显;同时混合燃料的乙醛排放明显高于汽油摩托车用汽油机上分别使用10%的纯乙醇(纯度为而未燃乙醇排放与汽油基本相当并且乙醇含量的增99.5%)和10%的含水乙醇(纯度为%5%)与90号汽加对未燃乙醉的排放影响较小。此外,他们还发现混油混合进行试验,结果表明:在汽油中掺混小比例合燃料发动机甲醇排出,排放量与汽油机相差不太(10%)纯的或含水不高的乙醇后,不影响发动机的功明显说明甲醇的排放主要来自汽油中的添加成分甲率、扭矩等使用性能,无须对发动机进行改装;而且汽基叔丁基醚(MTBE)油中掺混小比例的乙醇后,有利于改善发动机的燃烧以上研究表明:使用混合燃料可以大幅度改善法状况,降低能耗率。206年祁东辉等人发现,电喷规排放,虽然会使非法规排放(如乙醛)增加,但与燃汽油机燃用混合燃料的最大功率和扭矩与汽油机相比用汽油而排放的芳香烃对环境的危害相比起来前者略有减小,但减小幅度较低;质量燃料消耗率略高,但是远远不及后者的。能量燃料消耗率比汽油低,有效热效率比汽油高可以2混合燃料的燃烧和排放控制获得较好的燃料经济性。2.1催化转化器可见,使用混合燃料后,发动机的燃烧状况得到改催化转化器是现代汽车不可或缺的组成部分,它善有利于提高发动机的燃油经济性,对发动机的动力的核心主要是催化剂通过催化剂来达到净化汽车尾性影响不大。气的排放。2002年何帮全等人研究发现,P/h催1.2混合燃料对发动机排放性能的影响化剂对排气中的乙醇转化效率较低,而对乙醛表现出在许多由汽车尾气排放而造成大部分空气污染的较高的转化效率。董荼荣等人例还发现,普通三效催工业国家中环保问题也日益凸显出来使用乙醇/汽化器对排气中苯的平均净化效率约为87%,同时只在油混合燃料的另一个目标就是降低尾气排放。由于乙低速时催化器前检测到甲醛,催化器后没有检测到甲醇分子中含有氧原子,可以提供额外的氧;并且含碳比醛,说明催化剂对甲醛的催化净化效果较好。2004年例减小燃烧较为完全,燃用混合燃料可以使CO和高祥等人在一台多点电喷汽油机上试验结果表HC的排放降低;并且由于乙醇的热值较低,燃烧温度明:在低转速时,三效催化器对排放中CO的净化效率低,使NO.排放少;但另一方面,乙醇含氧,有利于普遍较高,而中高转速时随负荷的增加净化效率降低;NO,的生成,又使NO,排放可能增加,所以最终结果同时对THC的净化效率也较高;并且三效催化器的净取决于两个因素谁占上风。1995年 Guerrieri和Caf-化效率与乙醇的含量、发动机的负荷和转速有关。fey于6辆在用车上进行试验发现,当乙醇含量高于200年刘圣华等人发现经三效催化器转化后法25%时,CO2的排放减少;当乙醇含量提高到40%时,规排放可达到与汽油机同等的水平,而甲醇和乙醇以总碳氡化合物(THC)排放在最初的时候先增加了一及甲醛和乙醛在大部分工况下可以实现零排放。祁东点,而后随着CO的减少而逐渐降低。1996年Kly辉等人的研究也发现催化器对混合燃料发动机等人在21辆轿车上使用纯汽油和两种混合燃料E50C0、HC和NO.转化效率的影响与混合燃料中的含醇(乙醇所占体积分数为50%,下同)、F85三种燃料进量以及发动机的负荷和转速有关。行试验发现,使用F85可以减少CO和非甲烷碳氢化从整个催化转化特性看,燃用混合燃料时的催化合物的排放。1990年 Moreira和 Goldemberg研究发转化特性效果与燃用汽油相差不大,但醇、醛类排放经现燃用混合燃料可以减少含硫化合物的排放,甚至消过三效催化转化器后基本可以实现零排放,表明P除有毒芳香烃(如苯)的排放。1994年 Rideout等人和Rh系三效催化转化器能够满足汽油机燃用乙醇/汽油2000年Chao等人的研究表明:使用混合燃料会增混中国煤化工要求。加甲醛乙醛和丙酮的排放。2002年Hsih等人在2.2CNMHG一台闭环控制发动机上研究发现,加入乙醇可以使CO基双甲且啊看混合燃料燃烧时的和HC分别减少10%-90%和20%~80%,同时NO,气体温度,同时由于不同比例的混合燃料含氧量的不的排放与发动机的运行工况有很大关系,而与乙醇含同也会影响混合燃料的燃烧和排放状况。国立成功大第2期李岳林等:汽油机燃用乙醇/汽油混合燃料的研究进展学和南台科技大学的研究者们使用E5、E10E20和3)目前大量的研究工作都是在未加改装的发动E30在两种转速(30:mn和400·min-4)不同机上进行的,因此下一步工作可针对改装后的发动机节气门开度下研究φ(0.6-1.6之间)发现,在所有以及其他运行参数(如EGR冷却水温度等)对混合燃工况下,当d接近于1和略大于1时,可以分别获得料燃烧和排放特性的影响进行研究。最大输出功率和最小的燃油消耗率;d。直接影响着CO的排放,并随中的增大CO排放逐渐减少直至零参考文献排放;CO2受中和CO的排放浓度两个因素共同影响1 Chan Wei W, Rong Hong C, Jen Yung P,eta. The infl着随ψ增大,CO2排放逐渐增加;当d约为1时ence of air-fuel ratio on engine performance and pollutant e-CO2的排放量最大而后逐渐减小;HC排放与dn也有mission of an SI engine using ethanol -gasoline-blended fu-着密切联系,随φ增大,HC排放逐渐减少;当ψ略大els[ J]. Atmospheric Environment, 2004(26): 7093-7100于1时,HC的排放量最小,然而一旦继续增大φ,HC2 Hamdan M A, Jubran B A. The effect of ethanol addition on的排放量将会上升。H. Serdar yucesu等人叫使用the performance of diesel and gasoline engines[J].Dirasat1986(10):229~244E10、E20、E40和E60在恒转速(200r,min)、节气3A- Hasan M. Effect of ethanol- unleaded gasoline blends门全开、不同压缩比(5:1~13:1)下研究ψ的影响作on engine performance and exhaust emission [J]. Energy用结果也与此一致:当φ=0.9和1.05时,可以分Conversion and Management, 2003(9): 1547-1561别获得最大输出功率和最小的燃油消耗率。4许沧粟,杜德兴.汽油机燃用乙醇和含水乙醇与汽油的混可见,在d。=1附近,分别存在有最大输出功率合燃料的试验研究[J.太阳能学报,005(2):253~257和最小燃油消耗率的极值点并且CO和HC随增5祁东辉,刘圣华,李晖等电喷汽油机燃用醇汽油混合燃大会逐渐减小,CO2会相应增加。料的试验研究[J.内燃机工程,2007(2):27~302.3压缩比和点火时刻6 Guerrieri D A, Caffrey P J. Investigation into the vehicle ex-由于乙醇的辛烷值高于汽油,发动机的抗爆性能haust emissions of high percentage ethanol blends[C]. SAEpaper 950777得以提高,因而压缩比可增大,点火时刻可提前,有利7 Kelly KJ, Bailey B K, Cobun T C, et al. Federal test proce-于优化混合燃料的燃烧条件,改善燃烧状况。 Tolgadure emissions test results from ethanol variable-fuel vehicleTopl等人3在恒转速(200rmin-)、不同压缩比Chevrolet Luminas[ C]. SAE paper 961092(8:1,9:1,10:1)下使用E10、E20、E40和E60进行了8 Moreira JR, Goldemberg J. The alcohol program[刀] Energy试验研究,结果表明:在所有的运行工况下,获得最大oiy,9(4):229~245功率输出的点火时刻与使用纯汽油时没有明显区别9董素荣,宋崇林赵昌普等.乙醇-汽油燃料汽油机非常规而推迟点火时刻可以增加发动机的输出功率;在较大染物的排放特性[J].天津大学学报,200(1):68~72压缩比时,可以获得较大的输出功率,而此时点火时刻10祁东辉,刘圣华,李晖等.电喷汽油机燃用乙醇/汽油混合影响不大;当点火时刻提前到上止点前(BTDC)24°CA燃料排放及催化转化特性研究[冂].安全与环境学报,2006(5):21~24时,使用纯汽油就会发生爆震,与使用较高比例的混合II何邦全,工建昕,郝吉明等.乙醇-汽油燃料电喷汽油机燃料相比起来,即使点火时刻提前到BTDC36°CA,发的排放及催化性能[J].内燃机学报,2002(6):529~533动机也没有出现爆震;这一结果同样与H. Serdar12高祥,宋崇林,成存玉等.乙醇/汽油混合燃料对电喷汽油Yuicesu等人H的研究结果一致。此外, Tolga Topgil机排放特性的影响[J]农业机械学报,2005(8):5~8等人还发现,在不同压缩比下,点火时刻对排气温3刘圣华魏衍举,吕胜春等乙醇汽油发动机排放特性研度的影响基本一致;同时点火时刻对CO的排放没有明究[J].西安交通大学学报,2006(7):745~747显的影响,而HC的排放在点火时刻推迟后略有减小。14 H. Serdar Yucesu, Adnan Sozen, Tolga Topgul, et al. Compar-可见,使用混合燃料后,发动机的抗爆性能得以提ative study of mathematical and experimental analysis of高,可以采用较高的压缩比;同时推迟点火时刻可以增spark ignition engine performance used ethanol-gasolineblend fuel[ J] Applied Thermal Engineering, 2007(27): 353加发动机的输出功率,对排放性能也有所改善。3展望15 Tolga Topgil, Huseyin Serdar Yucesu, Can Cinar, et al. The1)乙醇和汽油的理化性质有所不同,为了使发动effects of ethanol -unleaded gasoline blends and ignition tim-机的动力性、燃油经济性和排放性能达到综合最优,应ing on engine performance and exhaust emissions[ J].Renew-当刈燃料供给系统重新进行优化匹配中国煤化工2)由于乙醇的汽化潜热比汽油高很多,燃用混合污染治理及催化转化CN MHGo燃料时进气温度较低冷起动性能变差,因此在改善17边耀章,刘生全,张春化等汽车新能源技术[M].北京:人混合燃料发动机冷起动性能方面还需做进一步的试验民交通出版社,2003研究(收稿日期:20