DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.029

含醇汽油的燃烧与排放特性对比试验研究

李煜^{1, 2}，龚金科¹，袁文华²，伏军²，李光明²

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙，410082；

2. 邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳，422004)

摘要：为研究汽油分别掺混甲醇、乙醇、正丁醇和异丙醇-正丁醇-乙醇(IBE)的燃烧与排放特性，在1台进气道喷射型点燃式发动机内分别将不同醇体积分数和不同工况下的含醇汽油进行对比试验研究。研究结果表明：含醇汽油的燃烧相位比纯汽油的燃烧相位提前且随醇体积分数增大更提前，故应推迟点火；含醇汽油的有效热效率除IBE(异丙醇-正丁醇-乙醇)外均下降，而有效燃油消耗率均升高，IBE-汽油的有效燃油消耗率最低；含醇汽油的CO排放在稀燃时随当量比增大而升高，与纯汽油相比，甲醇-汽油的UHC排放升高，而乙醇-汽油、正丁醇-汽油的UTC排放量降低，IBE-汽油的UTC排放量最低；含醇汽油的NO_x排放量均比纯汽油的NO_x排放量低，甲醇-汽油的排放量最低；相比纯汽油，IBE30的燃烧相位有较大提前，且IBE30与纯汽油的燃烧相位的差距随当量比(即可燃混合气中理论上可完全燃烧的实际含有的燃料质量与空气质量之比)和平均有效压力的增大而减小，有效热效率略高，CO，UHC和NO_x排放量均较低；IBE有望成为良好的汽油代用燃料。

关键词：醇；燃烧；排放；代用燃料；点燃式发动机

中图分类号：TK421.2        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)03-0734-09

Comparative experiment study on combustion and emissions characteristics of gasoline blended with alcohols

LI Yu^1,2, GONG Jinke¹, YUAN Wenhua², FU Jun², LI Guangming²

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China;

2. School of Mechanical & Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422004, China)

Abstract: In order to study the residual emission characteristics of gasoline blended with methanol, ethanol, n-butanol and isopropanol-n-butanol-ethanol(IBE), a comparative test with various alcohol volume fractions and under various operating conditions were respectively carried out in a port-fuel-injection SI(spark ignition) engine. The results show that the combustion phase of alcohol-gasoline is earlier than that of pure gasoline and is much earlier when the volume fraction of alcohol increases, and so the ignition should be delayed when alcohol-gasoline is employed. The brake thermal efficiency of alcohol-gasoline decreases except for IBE, whose brake specific fuel consumption increases, but the IBE-gasoline is the lowest, and the CO emission of alcohol-gasoline increases with the increase of equivalence ratio when lean burns. Compared with pure gasoline, the methanol-gasoline emission increases with the increase of gasoline. Compared with pure gasoline, the combustion phase of IBE30 is much earlier, and their combustion phase difference decreases with the increase of equivalent ratio (i.e. ratio of actual fuel content to air content in a combustible mixture that can be theoretically completely burned) and brake mean effective pressure, and the brake thermal efficiency is slightly higher, while the emissions of CO, UHC and NO_x are all lower. IBE is expected to become a good alternative fuel for gasoline.

Key words: alcohol; combustion; emission; alternative fuel; spark ignition engine

化石能源日趋枯竭和环境污染问题推动了世界各地生物燃料的发展。在各种生物燃料中，醇类因其在提高发动机性能和减少污染物排放方面具有巨大潜力，从而被广泛地作为内燃机替代燃料^[1-2]。正丁醇与甲醇、乙醇相比具有能量密度高、黏度高、共混能力强等诸多优点，被认为是较理想的醇^[3]。此外，正丁醇的吸湿性和腐蚀性较弱，因此，被称为“滴入”燃料，可与当前的燃料分配管等兼容。正丁醇是第2代生物燃料，可以由非食用生物质生产。将玉米基正丁醇作为运输燃料，经分析发现：在生命周期的基础上，使用玉米基正丁醇比汽油节省39%~56%的化石能源，同时减少48%的温室气体排放^[4]。正丁醇是一种可行的替代燃料，ZHENG等^[5]在1台两段喷射发动机上进行对比试验，研究了纯柴油、柴油/汽油、柴油/正丁醇和柴油/汽油/正丁醇的燃烧和排放特性，发现柴油中掺加汽油和正丁醇可改善烟气排放，同时使柴油机的最大压力升高率升高。LIU等^[6-8]用激光诊断法观察各种含氧生物燃料在定容燃烧弹中的喷雾和火焰自然亮度。与生物柴油相比，正丁醇的碳烟浓度较低，在喷雾射流下游受到限制。正庚烷、异辛烷、正丁醇、2-丁醇和辛酸甲酯这5种不同燃料的氧化结构对氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物(UHC)排放和总指示热效率的影响很小^[9]。GREEN^[10]研究了柴油机中的正丁醇/生物柴油双燃料喷射，将正丁醇喷入进气道并将大豆生物柴油直接喷入气缸内。目前，正丁醇、乙醇和汽油生产丙酮的效率较低，回收成本较高。采用丙酮-丁醇-乙醇(ABE)或异丙醇-正丁醇-乙醇(IBE)发酵工艺制备生物正丁醇，若将ABE或IBE混合燃料直接用于清洁燃烧，则将大大减少回收和脱水过程的成本^[11]。然而，IBE比ABE更具优势^[12-13]，其中一个重要原因是ABE对由橡胶或塑料组成的发动机零部件有潜在的腐蚀性^[14-16]，同时，异丙醇的能量密度(23.9 mJ/L)比丙酮的能量密度(22.6 mJ/L)更高，据文献[17]，可使用异丙醇作为制备高辛烷值汽油的燃料添加剂，为此，本文作者对进气道喷射型汽油机内燃用甲醇-汽油、乙醇-汽油、正丁醇-汽油和异丙醇-正丁醇-乙醇-汽油混合燃料的燃烧与排放特性进行探讨。

1  试验系统结构与原理

1.1  试验系统结构

采用与2000 Ford Mustang Cobra车上的V8发动机有相同气缸几何结构的单缸点燃式发动机进行试验，该发动机试验台架如图1所示，其主要技术参数如表1所示。将该发动机连到1个GE型TLC-15级的4-35-1700测功机上，该测功机由1个DyneSystems DYN-LOC IV控制器与1个DyneSystems DTC-1节流阀控制器来控制。气缸压力由1个Kistler型6125B压力传感器测定并由LabVIEW程序记录。该进气道喷射型点燃式发动机由1台Megasquirt II V3.0 ECU控制，可根据容积效率来调节喷油量并根据发动机转速和进气歧管压力(MAP)的变化来调节点火正时。NO_x质量分数和空燃比由1台Horiba MEXA-720仪器测定。测量NO_x排放物质量分数时，仪器量程为0~3×10^-3，其中，当NO_x排放物质量分数为0~1×10^-3的仪器精度为±3×10^-5，当NO_x排放物质量分数为1×10^-3~2×10^-3时，仪器量程为±3%；当NO_x排放物质量分数为2×10^-3~3×10^-3时，仪器量程为-5%~5%，空燃比的量程为0.65~15.7。UHC和CO排放物的体积分数由1台Horiba MEXA-554JU取样型量仪测定，其中UHC的量程为0~1×10^-2，而CO的量程为0~10.00%。排气温度由1个安装在排气歧管上的K型热电偶测定。点燃式发动机技术参数见表1。

图1  点燃式发动机试验台架

Fig. 1  Experimental set-up of SI engine

表1  点燃式发动机技术参数

Table 1  Specifications of SI engine

1.2  试验燃料

用研究法辛烷值(RON)为92的夏季汽油作基准燃料。用温控电磁搅拌器将分析纯级的甲醇(99.5%，质量分数，下同)、乙醇(99.8%)、异丙醇(99.5%)、正丁醇(99.5%)与汽油混合配备含醇汽油。先按异丙醇、正丁醇和乙醇各组分在异丙醇-正丁醇-乙醇(IBE)中的体积比配备IBE，其中异丙醇、正丁醇和乙醇在IBE中的体积分数分别为30%，60%和10%；再按IBE在IBE-汽油中的体积分数为10%，30%和60%分别配备IBE10，IBE30和IBE60；最后，甲醇在甲醇-汽油中分别以体积分数10%，30%和60%配备M10，M30和M60；乙醇在乙醇-汽油中分别以体积分数10%，30%和60%配备E10，E30和E60；正丁醇在正丁醇-汽油中分别以体积分数10%，30%和60%配备B10，B30和B60。燃料的性质如表2所示^[18-19]，其稳定性采用重力沉淀的方法检验。将配好的混合燃料在温度为298 K、气压为1.013 25×10⁵ Pa条件下静置沉淀14 d，待溶液清晰且无相分离现象时，说明这些燃料已配制稳定。

1.3  试验工况

设定发动机平均有效压力(BMEP)为300 kPa和500 kPa，转速为1 200 r/min，节气门开度保持全开状态。首先，在燃料与汽油的最大转矩相同的点火正时处的完全燃烧工况下进行试验，以分析没有任何改变的情况下发动机内的甲醇-汽油、乙醇-汽油、正丁醇-汽油、异丙醇-正丁醇-乙醇-汽油这些混合燃料的使用情况。转矩、当量比(即可燃混合气中理论上可完全燃烧的实际含有燃料质量与空气质量之比)和NO_x的测定在LabVIEW程序中以60 s为1个周期进行计算并取平均值，而UHC，CO和排气温度的测定则从排气分析仪上直接读取。每组实验进行3次，然后对这些读数进行平均。这些试验在控温实验室中进行，故湿度的影响可忽略不计。进气压力由1台有精确控制功能(精度为±0.1 kPa)的电子稳压器控制，且要求发动机在每个工况下均能实现重复性试验以确保稳态测定。试验工况如表3所示。

1.4  待测参数与原理

在汽油机内对表2中的甲醇-汽油、乙醇-汽油、丁醇-汽油、异丙醇-正丁醇-乙醇-汽油进行燃烧试验，试验工况见表3。

燃烧放热率R_HR(即dQ_n/dθ，J/(°))为

       (1)

式中：Q_n为放热量(J)；γ为多变指数；p为气缸压力(简称缸压，Pa)；V为气缸工作容积(m³)；θ为汽油机曲轴转角((°))。在分析过程中，忽略对壁面的传热以及渗入裂缝中的燃油。燃烧质量率M_FB为

                 (2)

式中：M_F为达到每个曲轴转角时的放热量；M_T 为每个循环的总放热量。将M_F与M_T 的比值视为M_FB，其取值范围为0~1。文中，滞燃期和急燃期分别标定在(0~10%)M_FB和(10%~90%)M_FB的位置。

平均有效压力p_me为

           (3)

式中：T为转矩，N·m；V_H为汽油机的总工作容积，L。

表2  燃料性质^[18-19]

Table 2  Fuel properties^[18-19]

表3  试验工况

Table 3  Test conditions

有效功率P_e为

           (4)

式中：N为该汽油机的转速(r/min)。

有效燃油消耗率b_e为

               (5)

式中：M_A为进气质量流量(g/h)；为燃料的实际空燃比。

有效热效率η_e为

             (6)

式中：H_u为燃料的低位热值(kJ/g)。

2  结果与讨论

2.1  相同工况下不同醇体积分数的含醇汽油与纯汽油性能对比

将相同工况下醇体积分数不同的含醇汽油的燃烧特性进行对比，结果如图2所示。从图2可见：除B60外，其他混合物的燃烧相位均随醇体积分数的增大而提前。为进一步标定不同混合物的燃烧相位，对燃烧质量率、滞燃期和急燃期进行计算。在滞燃期内，燃烧速率主要取决于层流火焰传播速度^[19]。从表2可见：因甲醇、乙醇、异丙醇和正丁醇比纯汽油G100有更大的层流火焰传播速度，故大多数含醇汽油有较短滞燃期，但滞燃期也受缸内充量冷却效应和燃料挥发性的影响，而这两者分别受汽化潜热和饱和蒸汽压力的影响。醇比汽油有更强的缸内充量冷却效应^[20-21]，这会降低燃烧速率。基于Antoine方程可得饱和蒸汽压力，如图3所示。从图3可知：正丁醇比其他3种醇的饱和蒸汽压力低得多，故需更长时间来完全蒸发^[20]。因汽油是一种混合物，所以很难计算其蒸汽压力。文献[22]给定了蒸汽压力1个近似值，即37.8 ℃时蒸汽压力为62~90 kPa，远高于相同条件下甲醇、乙醇、丁醇的蒸汽压力(均为2.2 kPa)和异丙醇-正丁 醇-乙醇的蒸汽压力(10.5 kPa)，因此，丁醇需更长时间完全蒸发，这便是B60比B30具有更长滞燃期的原因。而就急燃期而言，其变化趋势与滞燃期的类似，因为伴随较高缸压，燃烧相位提前，这会促进湍流发展并增大后续火焰传播的燃烧速率。

图4所示为相同工况下不同醇体积分数的含醇汽油含有效热效率和有效燃油消耗率在内的汽油机性能。有效热效率表征发动机将燃料的热能转化成机械能的进行程度。从图4(a)可知：除IBE60外，IBE-汽油混合燃料的有效热效率最高，而IBE30的有效热效率与纯汽油G100的基本相同，且分别比IBE10和IBE60的有效热效率高1.0%和1.4%。这可以解释为：注入IBE后，燃烧相位被提前，这会使发动机压缩行程结束之前较快地形成较高的气缸压力，功损失增加，净有用功减少^[23]。然而，IBE自身携带的氧可以改善燃烧质量并提高有效热效率，而且急燃期缩短、IBE的添入也会有利于有效热效率提高^[24]。而IBE30之所以具有较高的有效热效率，是因为该种燃料本身含氧，且被缩短的急燃期完全抑制了不恰当的燃烧相位对有效热效率的负向作用。其他含醇汽油的有效热效率较低，主要是因为被提前的燃烧相位导致压缩行程的功损失增加和净有用功减少。其中E60因其燃烧相位被提前得最多，故E60有效热效率最低。当醇体积分数增加到30%和60%时，甲醇-汽油、正丁醇-汽油的有效热效率均提高，这很可能是由于燃料本身含氧抑制了由不恰当的燃烧相位引发的净功损失。由于有效燃油消耗率主要取决于燃料的低位热值，故随醇体积分数增加，有效燃油消耗率也随之上升；此外，在这些含醇汽油中，IBE-汽油也因其具有较高的低位热值，其有效燃油消耗率较低。

将相同工况下不同醇体积分数的含醇汽油的CO，UHC和NO_x排放量进行对比，结果如图5所示。从图5可见：相对于纯汽油来说，含醇汽油的CO排放量总体上增加，且在这些含醇汽油中，正丁醇-汽油的CO排放量总体最低。一般来说，CO排放量较高是局部的富燃条件、氧化剂不足或燃烧温度较低所致。添加醇后，缺氧不会导致CO排放量增加，其原因为：含醇燃料产生更多热容量较高的燃烧产物，这样使得燃烧温度比纯汽油时的低并进一步减慢了CO的氧化过程^[18]；此外，含醇汽油急燃期较短可能导致CO不充分氧化并使CO排放量增加。UHC排放主要受燃烧质量的影响。醇类物质中的含氧成分有助于改善燃烧质量，因此，E10~E60，B10~B60和IBE10~IBE60比纯汽油G100的UHC排放量更低。然而，甲醇较低的空燃比还会导致更多燃油喷射，因而，有较多的燃料渗入燃烧缝隙中或吸入润滑油膜中或形成积碳，使M10~M60排放较多的UHC^[18]。乙醇-汽油E10~E60因其具有较高的含氧量，故UHC排放量最低。NO_x排放物的形成基本上来源于3个方面：1) 燃料-氮的转化；2) Zeldovich热激活；3) 富燃条件的快速形度成^[25]。其中，Zeldovich热激活是内燃机中NO_x排放物形成的主要控制机理。峰值温度区域的较高燃烧温度和局部富氧条件有利于形成NO_x排放物。添加醇后，NO_x的排放量降低。从UHC排放结果可知，甲醇-汽油中有较多燃料未燃致使燃烧温度较低，而且甲醇-汽油中甲醇体积分数越低，其含氧量比乙醇-汽油、正丁醇-汽油、IBE-汽油的含氧量更低。故在这些含醇汽油中，甲醇-汽油的NO_x排放量最低。

图2  不同醇体积分数的含醇汽油燃烧特性

Fig. 2  Combustion characteristics for alcohol-gasoline blends with various alcohol volume fractions

图3  不同种类的醇饱和蒸汽压力随温度的关系

Fig. 3  Relationship between saturated vapor pressure and temperature for different alcohols

图4  =1.0，平均有效压力(BMEP)为300 kPa时，醇体积分数不同的含醇汽油的经济性能

Fig. 4  Economy characteristics for alcohol-gasoline blends with various alcohol volume fraction when is 1.0 and BMEP is 300 kPa

图5  为1.0, 平均有效压力(BMEP)为300 kPa时，醇体积分数不同的含醇汽油排放特性

Fig. 5  Emissions characteristics of alcohol-gasoline blends with various alcohol volume fractions when is 1.0 and BMEP is 300 kPa

2.2  不同工况下相同醇体积分数的含醇汽油与纯汽油性能对比

在不同工况(当量比为0.83~1.0，平均有效压力(BMEP)为300 kPa和500 kPa)下，醇体积分数相同(30%))的含醇汽油与纯汽油G100的燃烧特性对比见图6。从图6可见：随着当量比和平均有效压力增加，滞燃期和急燃期明显缩短；在平均有效压力较大区域出现较高的气缸温度，引起燃烧速率较高；与纯汽油G100相比，醇体积分数为30%的含醇汽油因其具有较高的层流火焰传播速度，燃烧相位提前，且M30，E30，B30和IBE30比G100的滞燃期分别缩短5.1%~7.5%，2.7%~8.8%，3.2%~11.5%和0.4%~5.6%，急燃期分别缩短0~7.7%，-1.8%~9.9%(负号表示延长)，3.5%~7.7%和0.6%~ 8.5%。

图6  M30，E30，B30，IBE30和G100的燃烧特性对比

Fig. 6  Comparison of combustion characteristics for M30, E30, B30 and IBE30 with pure gasoline G100

图7所示为不同工况下、相同醇体积分数的含醇汽油与纯汽油G100的含有效热效率和有效燃油消耗率在内的经济性对比。从图7可见：有效热效率随着当量比减小、平均有效压力增大而增大；在平均有效压力为500 kPa时，较高气缸温度使燃烧质量改善且有效热效率较高；减小当量比时，通过降低温度和增大绝热指数(γ)来提高绝热效率^[26]；IBE30的有效热效率最高，比M30，E30，B30和纯汽油G100的有效热效率分别高1.1%~3.8%，0.4%~1.9%，1.9%~3.6%和0.2%~2.8%，这是因为发动机运转在汽油最大转矩的点火正时处且醇体积分数为30%的含醇汽油燃烧相位提前导致压缩行程的净功损失较多。然而，在稀燃条件下，这些混合燃料的有效热效率较高。其原因为：在稀燃条件下，燃料的燃烧相位被滞后，而此时发动机仍然在完全燃烧条件下汽油的最大转矩点位置工作，因而，这些混合燃料被提前的燃烧相位显得较合理(如图7(a)所示)，而完全燃烧条件下不恰当的燃烧相位边界效应被忽视。随着当量比增加和平均有效压力减小，有效燃油消耗率因有效热效率下降而升高。由于低位热值较低，M30，E30，B30和IBE30的有效燃油消耗率比纯汽油G100分别高11.6%~21.4%，12.5%~21.4%，7.4%~10.6%和3.8%~8.8%。

图7  M30，E30，B30，IBE30和G100的燃油经济性对比

Fig. 7  Comparison of fuel economy for M30, E30, B30 and IBE30 with pure gasoline G100

图8所示为不同工况下相同醇体积分数的含醇汽油与纯汽油G100的CO，UHC和NO_x排放特性对比。从图8结果可见：未达稀燃条件前，CO排放量受当量比的影响；之后，在稀燃条件下，CO排放量无明显变化，因为有足量的氧来支撑氧化过程，故稀燃条件下的CO排放量低^[26]。对不同燃料的CO排放物进行对比发现它们的变化趋势不同，这是因为增加的氧质量分数、缩短的急燃期和降低的燃烧温度互相影响。E30，B30和IBE30因本身含氧而提高了燃烧质量，故其比纯汽油G100的UHC排放量分别低10.8%~20.1%，11.0%~17.4%和13.4%~18.4%，而M30因有更多的燃油喷入，故其UHC排放量比纯汽油G100高2.3%~6.1%。从图8(c)可看出：当=0.9~1.0时，NO_x的排放量最高，且随当量比的增大而降低，这是因为在=0.9~1.0时接近完全燃烧，致使峰值燃烧温度较高^[27]。类似地，在平均有效压力为500 kPa时，因气缸温度较高，NO_x排放量较高。与G100，M30，E30，B30和IBE30相比，虽然含氧量较高，但燃烧温度较低，故最终其NO_x排放量分别低0.03%~ 25.5%，0.4%~9.4%，2.7%~10.0%和0.8%~16.2%。而M30的最低NO_x排放量主要是燃烧质量恶化所致，而UHC的排放量也与燃烧质量恶化有关。

图8  M30，E30，B30，IBE30和G100的排放特性对比

Fig. 8  Comparison of emissions characteristics for M30,E30,B30 and IBE30 with pure gasoline G100

3  结论

1) 含醇汽油的燃烧相位比纯汽油的燃烧相位提前且燃烧相位随醇体积分数的增大而提前得更多，故燃用含醇汽油时，应推迟点火。

2) 醇的添加使得有效燃油消耗率增大，而除IBE外，有效热效率均下降。在含醇汽油中，IBE-汽油的有效燃油消耗率最低；M30，E30，B30和IBE30的燃烧相位相似，有效热效率也相似，其中IBE30的有效热效率最高；E30的CO和M30的UHC排放量明显增大，且不同燃料的NO_x排放量比较接近；含醇汽油的CO排放量在稀燃时随当量比增大而升高；与纯汽油相比，甲醇-汽油的UHC排放量升高，而其他含醇汽油降低，其中，IBE-汽油的UHC排放量最低；含醇汽油的NO_x排放量均比纯汽油的低，其中甲醇-汽油的NO_x排放量最低。

3) IBE30与纯汽油相比，燃烧相位提前较大，且IBE30与纯汽油燃烧相位之间的差距随当量比和平均有效压力的增大而减小；IBE30比纯汽油的有效热效率略高，CO，UHC和NO_x排放量均较低；IBE有望成为良好的汽油代用燃料。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2018-09-20；修回日期：2018-11-12

基金项目(Foundation item)：美国国家自然科学基金资助项目(CBET-1236786)；国家自然科学基金资助项目(51276056，51176045，91541121) (Project(CBET-1236786) supported by the National Natural Science Foundation of United States; Projects(51276056, 51176045, 91541121) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：龚金科，博士，教授，从事汽车排放与控制技术研究；E-mail：gongjinke@126.com