乙醇混合燃料对发动机综合性能影响分析

程联社， 陆 健， 党 超

(杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100)

我国是汽车大国，汽油消耗量巨大，全国每年消耗汽油约1亿t。汽油是不可再生的资源，而且燃烧时会产生大量的尾气，造成环境的污染。为减少环境污染，减少汽油消耗，对代用燃料的探索仍然是各国汽车的能源发展的新方向。乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维加工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成的新型替代能源。目前在南美一些国家普遍采用，巴西全国使用乙醇汽油，我国也在东北三省、河南、安徽、河北、湖北部分城市、江苏北部、山东西南部等一些省份推广使用添加乙醇的汽油[1-2]。在对发动机不做任何改动或优化调整的情况下，使用不同比例的乙醇对发动机的综合性能影响较大。

1 实验条件

1.1 试验装置与测试仪器

试验采用改装一台4缸、16气门、电控直喷发动机，在原有发动机的基础上，增加一套燃油供给系统，两套装置相互独立，根据需要进行切换,改装原理如图1所示。其它装置不变，利用原来发动机的点火和喷油装置，测试仪器采用油耗仪、发动机综合分析仪和尾气分析仪。

图1 发动机台架改装示意图

1.2 试验燃料

试验采用95#汽油和工业用乙醇进行混合，采用我国的国家标准，按照不同体积比配置不同乙醇含量的液体燃料，E10乙醇汽油，即用90%的普通汽油与10%的乙醇调和而成，乙醇与汽油的理化特性如表1所示[3-4]。

表1 汽油和乙醇的理化特性

1.3 测试方法

发动机测功采用动态测功法，在发动机不带负荷的情况下，突然开大节气门，使发动机克服惯性和摩擦阻力而加速运转，通过测量发动机的加速性能来测量发出的瞬时功率，计算公式如下。

(1)

(2)

(3)

将公式(2)、(3)代入(1)得：

(4)

由于转动惯量和发动机布置有关，对结果的测试为正比影响，测试时，可以根据匹配一个相当量。这种方法测试简单，虽然结果精度不佳，但对于同一台发动机的对比数据影响不大，可以进行测试对比。

测试尾气时，采用双怠速法，测试程序按照GB18285-2018执行,高怠速为2 500±200 r/min，HC排放量采用红外线气体分析仪进行测试。

2 实验结果与分析

2.1 尾气排放分析

HC的生成主要受内壁面淬熄和不完全燃烧的影响[5]，试验结果表明在怠速和高怠速下，使用乙醇汽油比纯汽油HC化合物的排放降低，且随着乙醇含量的增加，HC化合物的排放是减少的，如图2、图3所示,怠速时，E10比纯汽油降低2.7%，E20比纯汽油降低5.6%左右；高怠速时，E10比纯汽油降低8.7%，E20比纯汽油降低10%左右。根据以往的数据和研究结论，使用乙醇汽油还可以减少硫化合物的排放，甚至消除有毒芳香烃的排放，乙醇含量越高苯的排放改善也越明显。这主要是乙醇的含氧量较多，空燃比小于汽油，能够改善燃烧。

图2 怠速工况下的HC化合物排放 图3 高怠速工况下的HC化合物排放

NOx排放主要是NO，另有少量NO2,研究表明高温是NOx生成的主要原因，基于Zeldovichli理论，NO的生成三要素主要包括高温、富氧和高温持续时间，在氧含量越高，高温时间越长的情况下，NO生成量就越大，由于乙醇含氧较多，加之含-OH，有利于火焰传播，增加了缸内压力，温度会增加，促进了NOx的生成量。正是由于上述原因，生成的CO2也有所增加。

2.2 动力性和燃油消耗率

在使用纯汽油和E10时，两者的功率在额定转速内，功率差别不明显，E10的功率略比纯汽油高点，如图4所示，从怠速至2 500 r/min时E10比E0提高2.5%左右。这是因为现代发动机采用线性氧传感器替代了传统的开关型氧传感器，控制精度进一步提高，实现了发动机在全负荷下，空燃比的闭环控制，由于乙醇含氧较多，空燃比小，在没有改变ECU中系统化参数的情况下，使喷油量增加，发动机的功率有所提升，随着乙醇含量的增加，喷油量也越多，特别是在中高速时功率增加较多。由于乙醇在的低热值比汽油低，随着乙醇含量的进一步增加，使混合气体的浓度会变稀，不利于燃烧，当量热值降低较多，从而会导致发动机功率降低。

图4 怠速至2 500 r/min平均功率

燃油消耗率方面，由于乙醇燃料的热值为27 000 kJ/kg,而汽油的为44 000 kJ/kg,还有氧传感器的反馈原因，发动机要想获得最大的动力，就需要更多的乙醇燃料，另外，由于乙醇粘度比汽油大，雾化效果没有纯汽油好，所以乙醇燃料消耗会比纯汽油增加，且会随着乙醇比例的增加而增加。

2.3 乙醇汽油使用的缺点

乙醇汽油使用中，乙醇容易把水分子吸附到汽油中来，含量较高时燃烧时引起发动机爆震，还会加快机件的腐蚀，严重的会造成机械故障；另外乙醇含量高时，夏季还会造成燃料蒸汽压力提升；由于乙醇汽油燃烧温度较高，长期使用也会增加火花塞故障率。

3 结 论

在不改变发动机参数的情况下，使用乙醇汽油可显著降低发动机尾气HC 和CO的排放，乙醇含量较少的E10，发动机的功率略有提高，当乙醇含量较高时，由于混合气体变稀，不利于燃烧，发动机功率略有下降，需要修正发动机点火提前角等参数。实验结果表明，低含量的乙醇汽油，完全可以适应电控发动机要求。乙醇汽油作为一种新型清洁燃料，是目前世界上可再生能源的发展重点，符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向，也可促进农业的发展，在我国完全适用，具有较好的经济效益和社会效益。