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摘 要：能源短缺和环境保护双重压力使得醇类燃料的应用研究日益突出。从应用分析的角度，通过发动机台架试验，研究了M30、M50、E10对发动机动力性、经济性及排放性能的影响，并与93#汽油进行了对比分析，而在试验过程中发动机的结构参数未作任何调整。

关 键 词：发动机；甲醇汽油；乙醇汽油

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1477-03

Study on Application of Gasohol Blend

MENG -Bing 1， HU Ya-nan 2

（1. School of Mechanical Engineering， Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China；

2. School of Mining Engineering， Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract： In order to alleviate the dual pressure of energy shortage and environmental protection， application research of alcohol fuel has become a hot spot. In this paper， starting from the application analysis， effects of M30， M50 and E10 on engine power performance， fuel economic performance and emission performance were studied through the engine bench test. The comparison analysis with 93# gasoline under the same parameters of the engine was carried out.

Key words： Engine； Methanol-gasoline； Ethanol-gasoline

随着人们对能源和环境问题的日益关注，寻找石油替代燃料的研究越来越显得迫切，醇类燃料作为一种替代能源，在缓解能源危机及环境污染方面发挥着一定的作用，开展醇类燃料的应用研究具有重要意义[1-3]。

本文对M30、M50 、E10醇汽油混合燃料的质量百分比、低热值等物理性能指标进行计算，并通过台架试验研究了电喷发动机燃用上述几种燃料时的动力性、经济性及排放性能，并与93#汽油进行了对比分析，以确定醇混合燃料对发动机相关性能的影响。

1 试验燃料物理性能研究

本文主要对甲醇汽油、乙醇汽油混合燃料及93#汽油在电喷发动机上的应用进行对比试验研究，表1为试验中所用燃料甲醇、乙醇及93#汽油的主要理化特性。

1.1 混合燃料中各组分的质量百分数计算

醇混合燃料是甲醇、乙醇以不同的体积分数与汽油组成的混合物，甲醇、乙醇含量不同，试验燃料的低热值不同，混合燃料中汽油、醇类燃料的质量分数按式（1）及式（2）换算[4]。

表1 汽油和醇类燃料的主要理化特性

Table 1 Main physical and chemical properties of gasoline and alcohol fuel

项 目甲醇乙醇汽油

化学分子式CH3OHC2H5OHC4～C12

密度/（kg·m-3）794792747

理论空燃比6.4914.8

低热值/（MJ·kg-1）19.727.243.5

混合燃料中汽油的质量分数：

（1）

混合燃料中醇类燃料的质量百分质量分数：

（2）

式中 ρg—汽油的密度，kg/m3；

α—混合燃料中汽油所占的体积比；

ρe—醇类燃料的密度，kg/m3；

β—混合燃料中醇类燃料的体积比。

试验所用各种醇汽油混合燃料中各组分的质量分数如表2所示。

表2 各组分的质量分数

Table 2 Quality percentage of each component %

燃 料E10M30M50

汽油质量分数89.4668.7048.48

醇燃料质量分数10.5431.3051.52

1.2 混合燃料低热值的计算

发动机是以热工转换为基础的热机，在做功冲程中，汽缸内的燃料燃烧，放出大量的热能，缸内压力和温度迅速增加，高温、高压燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过曲柄连杆机构将热能转化为机械能对外输出，实现化学能与机械能之间的转化。燃料所含热量是发动机热功转换的一个重要指标。燃料的热值越高，单位质量的燃料燃烧产生的热量越多，发动机的工作能力越强。醇汽油混合燃料的低热值可以按式（3）估算[5]：

（3）

式中： HGE—混合燃料的低热值，MJ/kg；

Hg —汽油的低热值，MJ/kg；

MG—混合燃料中汽油的质量分数；

He—醇燃料的低热值，MJ/kg；

ME—混合燃料中醇燃料的质量分数。

根据式（3）计算试验所用醇汽油混合燃料的低热值，结果如表3所示。由于汽油的低热值高于甲醇、乙醇的低热值（如表1所示），所以混合燃料的低热值随着混合燃料中醇类燃料的增加而呈下降的趋势。

表3 试验燃料的低热值

Table 3 Low calorific value of the test fuel

燃 料E10M30M50

低热值/（MJ·kg-1）41.7836.0531.24

2 试验方案与试验设备

2.1 试验方案

发动机的使用特性是指发动机在不同工况下的使用性能，包括负荷特性和速度特性。发动机负荷是指发动机驱动从动机械所消费的功率或有效转矩的大小，也可以表述为发动机所能发出的功率与同一转速下所能发出的最大功率之比，以百分数表示[6]。速度特性是指发动机在供油量调节机构保持不变的情况下，发动机的转矩、功率、燃料消耗率等性能指标随转速的变化关系。在发动机的转速范围内，油量调节机构位置不同，发动机的输出功率、输出扭矩及燃油消耗率存在很大差异。汽油机在节气门全开时的速度特性反映发动机所能达到的最高动力性能，在其曲线上可确定发动机的最大功率、最大扭矩及对应的发动机转速。

本文的对比试验是在发动机全负荷工况下，测得不同转速条件下发动机的有效扭矩、有效功率、燃油消耗率及有害物质的排放，试验时发动机的转速范围为1 500～5 000 r/min（步长为500 r/min）。通过试验测得的发动机最大扭矩、最大功率、燃油消耗率及有害物质的排放量，研究醇汽油混合燃料对发动机相关性能的影响。

2.2 试验设备

本次对比试验是在发动机台架试验上进行，所用发动机为直列、四缸捷达ATK多点喷射发动机，该发动机的排量为1.595 L，压缩比为9.0，标定功率为64（kW）/5 800（r/min），标定扭矩135（N·m）/2 800（r/min）。

所用到的设备主要有电涡流测功机、发动机水温、机油温度调节装置、发动机自动测控系统、智能油耗仪及废气分析仪。

3 试验结果分析

3.1 发动机动力性能分析

发动机的功率及扭矩曲线是在发动机节气门全开的情况下获得的，其数值大小反应了发动机在相应转速下所能达到的最佳状态。发动机燃用M30、M50、E10、93#汽油四种燃料时发动机的扭矩及功率特性曲线如图1、图2所示。

从发动机功率、扭矩特性曲线可以看出，四种燃料的扭矩及功率曲线在试验转速范围内的变化趋势大体相同。发动机燃用M30、M50、E10三种醇汽油混合燃料时发动机最大扭矩比燃用93#汽油分别下降1.4%、17.2%和4.1%，发动机输出最大功率分别下降17.1%、30.9%和2.9%。

由于电喷发动机在大负荷时采用的是开环控制，电控单元不会由于燃料性质的改变而相应变化喷油量，这将导致高比例醇燃料燃烧时放出的热量减少，进而影响发动机的功率及扭矩输出。从试验结果可以看出，即使发动机没有进行任何调整，燃烧低比例的醇汽油混合燃料时对发动机的动力性影响不大，只是略有降低。但随着醇类燃料掺烧比例的增加，发动机动力性降低幅度也随之加大。所以，要想在现有发动机上燃用高比例醇类燃料，必须对发动机结构参数进行适当调整。

图1 全负荷下扭矩曲线

Fig.1 Torque curve under the load

图2 全负荷下发动机功率曲线

Fig.2 Power curve under full load

3.2 发动机经济性能分析

发动机的燃油消耗率是指发动机每发出1 kW的有效功率，在1 h内所消耗的燃油质量（以g为单位），其数值的大小直接反应了不同发动机在燃料消耗方面经济性的好坏。在发动机全负荷工况下，发动机燃用几种测试燃料的燃油消耗率变化曲线如图3所示。

从总体上来说，发动机燃用M30、M50 、E10时的燃油消耗率高于燃用93#汽油，燃油消耗率最低点的油耗率分别增大了9.4%、29.4%和23.4%。在发动机转速范围内，燃用四种燃料时发动机的燃油消耗率最低点都出现在发动机中等转速位置。

图3 全负荷下发动机燃油消耗率曲线

Fig.3 Specific fuel consumption curve under full load

3.3 发动机排放性能分析

为了研究发动机燃烧醇汽油混合燃料的排放性能，测量了发动机全负荷状态下CO、HC的排放量，其结果如图4、图5所示。从图4、图5可以看出，燃用四种燃料时，CO、HC的排放量都随着发动机转速的上升而增加，但相比于93#汽油，燃用M30、M50、E10时的排放量明显下降。这主要是由于醇类燃料属于含氧燃料，在空燃比不变的情况下燃烧醇汽油混合燃料，相当于空气燃油混合物中氧的含量增加。CO主要是由于燃料的不完全燃烧产生的，一切影响燃烧的因素都会增加HC的排放。燃烧醇汽油混合燃料使燃料的不完全燃烧程度降低，从而改善了排放性能[7]。

图4 发动机全负荷下CO排放特性曲线

Fig.4 Characteristic curve of CO under full load

图5 发动机全负荷下HC排放特性曲线

Fig.5 Characteristic curve of HC under full load

4 结 论

本文对醇汽油混合燃料的理化特性进行分析，利用经验公式对试验燃料中醇、汽油的质量分数以及不同试验燃料的低热值进行计算。结果表明，随着混合燃料中醇含量的增加，燃料低热值降低。

在没有调整发动机任何参数的情况下，对发动机燃用M30、M50、E10、93#汽油四种燃料进行对比试验研究。试验结果表明，在电喷发动机结构参数和控制策略保持不变的情况下，与燃用93#汽油相比，发动机燃用醇类燃料的动力性和经济性都略有降低，且随着混合燃料中醇类燃料比例的增大，差距增大，但是燃用醇汽油混合燃料时，发动机的排放性能明显改善。

参考文献：

[1] 郭兰，刘小平.乙醇汽油灵活燃料汽油机仿真计算[J]. 汽车工程师，2011（01）： 32-37.

[2] 安增虎，陈小飞.甲醇汽油发展及应用[J].河北化工，2011（05）：58-59. （下转第1483页）