1、 第 卷 第 期年 月内燃机工程 收稿日期 ：基金项目 ：国家自然科学基金资助项目 （）；云南省科技攻关及高新技术发展计划研究项目 （）作者简介 ：刘少华 （），女 ，博士生 ，主要研究方向为内燃机代用燃料 ，：；申立中 （联系人 ），男 ，教授 ，：。文章编号 ：（） 含水乙醇汽油对汽油机性能及排放的影响研究刘少华，申立中，叶年业，毕玉华，骆鑫（昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室 ，昆明；昆明智胜经济发展研究院 ，昆明） ， ， ， ， （ ， ，； ，）： ， ， ， ， ， ， ， ， 摘要 ：采用自主研发的 “复方两性乳化剂 ”进行了含水乙醇汽油 （体积比为的汽油的含水乙醇 ）稳定性
2、研究 。研究结果表明 ：乳化剂能有效改善含水乙醇汽油的稳定性 ，加入强化剂和防冻剂 、提高乙醇浓度能够有效改善乳化含水乙醇汽油的低温稳定性 。针对汽油机进行了燃用含水乙醇汽油混合燃料与原机的性能对比试验研究 。试验结果表明 ：在未对汽油机作任何调整的情况下 ，燃用含水乙醇汽油混合燃料的动力性略低于原机 。在经济性方面 ，燃油消耗率比原机有所上升 ，以热值计的当量燃油消耗率比原机有所改善 。在尾气排放方面 ，燃用含水乙醇汽油时 ，排放在整个负荷范围内基本比原机低 ，排放得到改善 ；排放在整个负荷范围内都得到了改善 ，改善效果可达左右 ；排放在低负荷时有所改善 ，随着负荷增加排放变化不大 。在怠速
3、工况 ，、和排放均获得改善 。尾气排放产物在催化器中的转化效率与发动机工况有关 。关键词 ：内燃机 ；含水乙醇汽油 ；乳化剂 ；稳定性 ；汽油机 ；性能： ； ；DOI:10.13949/ki.nrjgc.2012.05.014年第 期 内燃机工程 ；中图分类号 ： 文献标识码 ： 概述乙醇燃料的来源广泛 、再生能力强 ，具有燃烧污染小 、辛烷值高 、无毒性 、与汽油的相溶性好等特点 ，易与汽油实现各种比例的掺烧，既可以缓解能源压力又能改善燃烧 ，从而提高经济性 ，降低排放 。但是由于乙醇具有很强的亲水性 ，容易吸收空气中的水分导致含水量增加 ，水和汽油又是互相排斥的种不相溶液体 ，所以含水乙
4、醇汽油容易分层 。含水量过大或温度降低都会导致分层 ，发生相分离 。一旦发生相分离会使乙醇汽油的调合及储存出现问题 ，在使用中出现发动机起动困难 ，输出功率降低 ，甚至导致发动机损坏等现象 。因此 ，目前国内外进行掺烧的燃料乙醇均为无水乙醇 （含水体积分数不大于，下文中浓度均为体积比 ）。无水乙醇装运过程的密封防水要求很高 ，制备无水乙醇的脱水设备又价格昂贵 ，制备工艺复杂 ，是推广乙醇燃料的巨大障碍 。因此 ，实现含水乙醇 （含水左右 ）与汽油混合 ，利用添加剂技术解决好燃料的稳定性问题 ，有利于降低推广生物乙醇燃料的成本 ，实现大规模应用。本文在自主创新添加剂技术的基础上 ，采用自主研发的
5、 “复方两性乳化剂 ”系统地研究了含水乙醇汽油的稳定性问题 ，并进行了含水乙醇汽油混合燃料对汽油机动力性 、经济性及排放的影响研究 ，为在汽车上大规模应用生物含水乙醇燃料提供依据和技术准备 。 含水乙醇汽油稳定性研究选用汽油 （占体积比 ）和纯度的乙醇 （占体积比 ）调合为含水乙醇汽油 ，采用自主研发的 “复方两性乳化剂 ”（以下简称乳化剂 ），对含水乙醇汽油进行相分离温度稳定性影响试验 。图为不同乳化剂添加量使乙醇纯度的含水乙醇汽油相分离温度试验结果 。由图可知 ，乳化剂添加量在（在乙醇中的体积百 分 比 ）时 ，乳 化 效 果 最 好 。对乳化剂组分在时 ，乙醇浓度为的不同乙醇含量的含水乙
6、醇汽油稳定性进行研究 ，试验结果如图所示 。结果表明 ：乳化剂能有效改善含水乙醇汽油的稳定性 ，可大幅度降低含水乙醇汽油的相分离温度 。为了进一步提高乳化剂的乳化效果 ，通过加入强化剂和防冻剂进行了乳化剂的优化和改善 ，并进行了乙醇浓度对含水乙醇汽油稳定性的影响考核 ，表为加入强化剂和防冻剂的乳化剂优化效果 ，表为不同乙醇浓度对乙醇汽油的稳定性影响情况 。试验结果表明 ：加入强化剂和防冻剂后 ，乳化含水乙醇汽油的低温稳定性得到较大提高 。提高乙醇浓度能够降低乳化燃料的相分离温度 ，可以有效改善冬季含水乙醇汽油的稳定性 。表 乳化剂的优化效果乙醇浓度 乳化剂 强化剂 防冻剂 分离温度 表 不同乙
7、醇浓度的乙醇汽油稳定性乙醇浓度 乳化剂 强化剂 防冻剂 天不出现分层稳定性考核结果 澄清透明 澄清透明 澄清透明 澄清透明 澄清透明 台架试验方法与试验设备在发动机台架上分别燃用纯汽油和含内燃机工程 年第 期水乙醇汽油混合燃料 （乳化剂添加剂量为，指在含水乙醇汽油中的体积百分比 ），进行对比试验分 析 。试 验 地 点 海 拔 高 度 、大 气 压 力、相对湿度、气温，试验数据为实测数据 ，考虑到试验为对比试验 ，对所测得的功率 、燃油消耗率等参数不进行大气修正 。试验过程中未对汽油机作任何调整 。台架试验采用杭州弈科机电公司的水涡流测功机 ，采用烟台海晨科技公司的燃油消耗测试仪和电喷式汽油机
8、流量传感器测量油耗 ，采用四 五组分排放分析仪进行 排 放 测 试 。试验用发动机技术指标如表所示 。表 发动机技术指标项目 参数发动机型号 电喷发动机发动机型式 直列 缸 、气门 、顶置双凸轮排量 缸径 行程 压缩比 标定功率 （ ）最大转矩 （） （）排放指标 欧 试验结果与分析试验通过外特性反映燃用含水乙醇汽油混合燃料的动力性能 ；通过负荷特性体现燃油经济性 ，主要性能指标是燃油消耗率 ；采用多工况法进行排放特性考核 。由于乙醇和汽油的热值不同 ，因此按热值计算 ，引入了当量燃油消耗率当表述能量利用率 。计算公式如式 （）所示 。当 当 （）式中 ，当为 当 量 燃 油 消 耗 率 ，（
9、）；当 汽 乙，汽为掺烧乙醇后汽油的每小时消耗量 ，表示乙醇低热值约为汽油低热值的，乙为乙醇的每小时消耗量 ，；为发动机功率 ，。 动力性图为发动机燃用汽油和含水乙醇汽油混合燃料时外特性功率和转矩曲线 。从图可看出 ，在未对汽油机作任何调整的情况下 ，燃用含水乙醇汽油后发动机的功率和转矩均下降 ，下降范围在以内 ，对发动机的动力性影响较小 。主要原因在于 ：醇类燃料的热值比汽油低 ，导致在同样体积喷油量下循环放热量减少 ，使发动机动力性下降 。但是由于乙醇的掺比较小 ，每循环输入燃料的总能量相差不大 ，而且乙醇燃料自身含氧 ，有利于促进燃烧 ，同时由于乙醇汽化潜热较大 ，有利于提高进气密度 ，
10、因此对发动机动力性影响较小 。图 燃用汽油与 含水乙醇汽油动力性对比 经济性图为分别燃用汽油和含水乙醇汽油混合燃料在 、 、 负荷特性下的燃油消耗率试验结果 。由图可知 ，燃用含水乙醇汽油混合燃料的燃油消耗率略有上升 ，当量燃油消耗率低于纯汽油 。原因是 ：（）在低速 、低负荷区域的燃油消耗率相对较高 ，这是由于乙醇的汽化潜热高致使缸内温度下降及壁面激冷效应等因素 ，对燃烧造成一定的不利影响 。但在大部分工况下 ，随着转速和负荷的提高 ，燃烧室壁面温度提高 ，加上乙醇燃料的自含氧特性 ，含水乙醇燃料的蒸发和燃烧条件获得改善 ，其燃油消耗率上升幅度减缓 。（）在整个试验工况 ，燃用含水乙醇燃料的
11、燃油消耗率普遍比原机高 ，这是因为乙醇的热值为，汽油的热值为，混合后燃油的热值下降 ，导致燃油消耗率上升 ；乙醇和汽油混合后 ，燃油的理论空燃比变小 ，对发动机电控喷射系统而言 ，芯片上目标空燃比参数值的设定是固定的 ，在没有作任何改动的情况下 ，依然按燃用标准汽油正常工况下的参数进行控制 ，氧传感器检测到排气中氧含量偏高时 ，就会发出指令增加供油量 。（）在整个发动机试验工况下 ，含水乙醇汽油当量燃油消耗率明显低于纯汽油 ，这表明燃用含水乙醇汽油混合燃料后 ，能量的利用率高 ，经济性优于纯汽油 。加入乙醇后的当量油耗得到改善的主要原因是乙醇氧含量高 、黏度低 ，在缸内的高温加热过程中 ，燃料
12、喷射时乙醇的快速汽化能促进燃料的雾化及可燃混合气的形成速度 ，有利于扩大具有适当浓度的混合气区域 ，改善了预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段的着火条件 ，促进了燃烧效率的提高 。乙醇是年第 期 内燃机工程含有羟基的含氧燃料 ，其反应特点与汽油中的各种烃类不同 ，燃烧速度和火焰传播速度高于汽油 ，使燃烧的定容性较好 ，燃烧持续期较短 ，过后燃烧的程度小 ，发 动 机 的 循 环 变 动 小 ，使 得 其 热 效 率 得 到提高，。图 不同转速下纯汽油与 混合燃料燃油消耗率对比 排放性能 排放图为 和 下的排放特性曲线 。由图可知 ，汽油机燃用含水乙醇汽油时 ，催化器前的排放在整个负荷范围内基本低于燃用汽
13、油 ，排放有所改 善 。原 因 是 ：（）发动机在中 、低负荷工况下运行时 ，汽油机根据安装在排气管上的氧传感器的反馈信号控制过量空气系数基本保持在，因为醇类的过量空气系数低于汽油 ，电控系统会自动减少空气进气量 ，以维持过量空气系数 ，以利于三效催化转换器正常工作 ，基本上可以保证燃料充分燃烧 。同时由于乙醇自含氧 ，燃烧时生成大量的羟基 ，原子氧要比分子氧更容易参加氧化反应 ，更有助于充分燃烧 ，所以排放有所改善 。（）在高负荷时 ，过量空气系数小于，乙醇汽油混合燃料中的乙醇充分发挥含氧优势 ，使排放降低 。（）乙醇化学结构中的羟基燃烧反应特点与汽油中的各种烃类不同 ，使着火温度较低且不易
14、熄火 ，这也是排放获得改善的另一个原因，。图 不同转速下汽油机 排放及转化效率从催化转化效率看 ，在 整个负荷范围内 ，汽油机燃用含水乙醇汽油时的催化转化效率与燃用汽油时基本相同 ；在转速 的高 、低负荷时 ，燃用含水乙醇汽油时的催化转化效率高于燃用汽油 。在这个转速范围内的转化效率都在以上 。由此可见 ，的催化转化效率与发动机工况有关 。 排放图为种转速下排放特性曲线 。由图内燃机工程 年第 期可知 ，在发动机的整个负荷工况 ，燃用含水乙醇汽油时催化器前的排放比燃用汽油时明显改善 ，效果可达左右 。主要原因是 ：在中 、低负荷下 ，汽油机的控制策略使过量空气系数保持在，基本可以实现完全燃烧
15、。在高负荷区域 ，混合气变浓 ，混合燃料的含氧量较高 ，可改善燃烧 。图 不同转速下汽油机 排放及转化效率从催化转化效率看 ，在 整个负荷范围内 ，燃用燃料时的催化转化效率和燃用汽油时基本相同 ；在 高 、低负荷时 ，燃用汽油时的催化转化效率明显比燃用含水乙醇汽油低 。表明的催化转化效率与发动机工况有关 。 排放的生成机理与和不同 ，它不是来自于燃料 ，而是空气在燃烧室的高温条件下 ，由氧和氮的反应所形成的 ，高温富氧和高温持续时间是生成的重要条件 。无论所进行的是完全燃烧还是不完全燃烧反应 ，其最初燃烧反应所产生的热必将使空气中的氧分子裂解为氧原子 ，并且与空气中的氮分子发生反应而生成和，而
16、氮原子又与空气中的氧分子发生反应形成一氧化氮和氧原子 ，这部分氧原子又与空气中的氮分子重复作用 ，产生一氧化氮 。这些反应中 ，温度越高 、燃烧后残余的氧气浓度越大 、高温持续时间越长 ，生成的量就越大 。图为种转速下排放特性曲线 。从图可看出 ，燃用含水乙醇汽油在低负荷时排放有所改善 ，随着负荷增加 ，由于空燃比变小 ，排放改善效果不明显 。原因是在低负荷时 ，由于空燃比基本一定 ，醇类燃料的热值低 ，汽化潜热大 ，有使进气温度和燃烧温度下降的趋势 ，可使排放降低 。乙醇中含氧量高 ，有利于燃烧完全 ，瞬时燃烧温度高 ，有助于的生成 ；负荷增大时 ，混合气变浓 ，缸内燃烧温度变高 ；在这两方
17、面的共同影响下 ，排放的改善效果不明显 。图 不同转速下汽油机 排放及转化效率从催化转化效率看 ，在 、低负荷时 ，燃用时的转化效率比燃用汽油时的高 ，但在中 、高负荷时差别较小 。在 低负荷时 ，燃用燃料时的转化效率和燃用汽油时基本相同 ，在中 、高负荷时燃用燃料时的转化效率比燃用汽油时高 。这表明催化器对转化效率的影响与发动机工况有关 。 怠速排放图为怠速时排放特性曲线 。采用比值对比 ，图纯汽油时的排放为，使用含水乙醇汽油混合燃料的排放值为其实际值与使用纯汽油时的比值 。由图可知 ，燃用含水乙醇汽油后 ，、和排放情况均有所改善 ，并且在催化器前 、年第 期 内燃机工程后的排放改善程度不同
18、 ，催化器后的怠速排放改善幅度更明显 。原因是汽油机在怠速运转时转速低 ，残余废气量大 ，燃烧品质相对变差 ；相比于普通的纯汽油 ，由于乙醇自含氧的特性 ，含水乙醇汽油的含氧量高 ，燃烧较为充分 ，因此、和排放有所降低 。同时 ，含水乙醇汽油的含氧特性还有利于催化器中、的氧化反应过程 ，因此经催化器后怠速排放改善更明显 。图 汽油机怠速排放特性 结论（）乳化剂能有效改善含水乙醇汽油的稳定性 ，加入强化剂和防冻剂 、提高乙醇浓度能够有效提高其低温稳定性 。（）在未对汽油机作任何调整的情况下 ，燃用含水乙醇汽油混合燃料对发动机的动力性影响较小 ，下降幅度在以内 。（）燃用含水乙醇汽油混合燃料燃油消
19、耗率略有上升 ，当量燃油消耗率低于纯汽油 。（）汽油机燃用含水乙醇汽油时 ，催化器前排放在整个负荷范围内基本低于燃用汽油时 ；在发动机整个负荷工况 ，燃用含水乙醇汽油时催化器前排放相对燃用汽油时有明显改善 ；燃用含水乙醇汽油后在低负荷时排放有所改善 ，随着负荷增加 ，排放改善效果不明显 。、及的催化转化效率与发动机工况有关 。燃用含水乙醇汽油怠速排放的、和均获得改善 。参考文献 ：乔映宾 推广车用乙醇汽油有关问题的思考 石油商技 ，（）： ，（）： ， ， ， ，：许沧粟 ，杜德兴 含水乙醇在内燃机的应用研究 内燃机工程 ，（）： ， ，（）：祁东辉 ，刘圣华 ，李晖 ，等 电喷汽油机燃用醇汽油混合燃料的试验研究 内燃机工程 ，（）： ， ， ， ，（）：许沧粟 汽油机燃用乙醇和汽油的混合燃料的试验研究 环境科学学报 ，（）： ，（）：何邦全 ，阎小光 ，王建昕 ，等 电喷汽油机燃用乙醇汽油燃料的排放性能研究 内燃机学报 ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，：（编辑 ：李贞 ）
