|
李岳林1，杜寶杰1，李 薛1，劉省波1，郭美華2
(1、長沙理工大學湖南長沙410076；2、中南林業科技大學)
摘要：總結了目前在汽油機上已經開展的有關乙醇/汽油混合燃料的試驗研究，主要包括：燃用乙醇/汽油混合燃料對發動機的動力性、燃油經濟性和排放性能的影響；催化轉化器、過量空氣系數(<at)以及壓縮比和點火時刻對燃用乙醇/汽油混合燃料時發動機的燃燒和排放特性的影響。最后對其發展和研究方向做出展望。
引言
伴隨著工業和社會的快速發展，人類對石油燃料的需求越來越高，但因為石油資源有限，所以能源短缺成為一個令人擔憂的問題。除了設計更高效的發動機以節省燃料資源外，必須尋找其他的能源以部分或者完全替代我們當前正在使用的燃料。甲醇和乙醇是最常用的燃料和燃料添加劑，但制造甲醇需要天然氣和煤等不可再生資源，而我國的天然氣等資源并不富足，所以如果依靠甲醇作為燃料的話，很難實現能源自給；而乙醇可以通過農作物發酵和蒸餾得到，所以可以看成是一種可再生能源，另外對于無鉛汽油來說，甲基叔丁基醚(MTBE)會污染地下水資源和危害人體健康，所以在將來有可能用乙醇來代替MTBE，于是從經濟和環保的角度出發，研究乙醇代替甲醇作為燃料也更為有利。
同時乙醇的辛烷值高于汽油，可以提高發動機的抗爆震性能，因此，如果使用乙醇作為燃料，可以提高壓縮比以改善發動機的熱效率和輸出功率。但是另一方面如果使用純乙醇作為燃料的話，就必須對發動機進行改裝，所以最好是把研究重點放在乙醇/汽油的混合燃料上，從而避免改裝發動機。
1混合燃料對發動機性能的影響
1.1混合燃料對發動機動力性和燃油經濟性的影響
乙醇的熱值比汽油低得多，但乙醇中含氧量大，所需的理論空氣量不到汽油的一半，所以兩者的混合氣熱值都差不多，從而保證發動機動力性不致降低，同時由于熱值低，混合燃料的燃料消耗率比汽油高，但熱效率并不比汽油低，而且其混合氣比汽油混合氣還稀；另一方面，乙醇含氧，有利于燃燒完全，熱效率較高；并且乙醇的汽化潛熱比汽油高約3倍，混合燃料蒸發汽化，可以促使進氣溫度進一步降低，有利于增加進氣量和提高功率，因此混合燃料的動力性和燃油經濟性與純汽油應當不相上下。
1986年Hamdan和Jubran兩人發現，通過向汽油中添加5%的乙醇，可以使發動機獲得最佳的功率輸出和部分負荷下提高4%~21%的熱效率。2003年Al-Hasan發現使用混合燃料可以增加有效功率、扭矩、容積熱效率和有效熱效率，同時可以降低有效燃油消耗率。許滄粟和杜德興在一臺摩托車用汽油機上分別使用10%的純乙醇(純度為99.5%)和10%的含水乙醇(純度為95%)與90號汽油混合進行試驗，結果表明：在汽油中摻混小比例(10%)純的或含水不高的乙醇后，不影響發動機的功率、扭矩等使用性能，無須對發動機進行改裝；而且汽油中摻混小比例的乙醇后，有利于改善發動機的燃燒狀況，降低能耗率。
2006年祁東輝等人發現，電噴汽油機燃用混合燃料的最大功率和扭矩與汽油機相比略有減小，但減小幅度較低；質量燃料消耗率略高，但能量燃料消耗率比汽油低，有效熱效率比汽油高，可以獲得較好的燃料經濟性。
可見，使用混合燃料后，發動機的燃燒狀況得到改善，有利于提高發動機的燃油經濟性，對發動機的動力性影響不大。
1.2混合燃料對發動機排放性能的影響
在許多由汽車尾氣排放而造成大部分空氣污染的工業國家中，環保問題也日益凸顯出來，使用乙醇/汽油混合燃料的另一個目標就是降低尾氣排放。由于乙醇分子中含有氧原子，可以提供額外的氧；并且含碳比例減小，燃燒較為完全，燃用混合燃料可以使CO和HC的排放降低；并且由于乙醇的熱值較低，燃燒溫度低，使NOx排放少；但另一方面，乙醇含氧，有利于NOx的生成，又使NOx排放可能增加，所以最終結果取決于兩個因素誰占上風。
1995年Guerrieri和Caf-frey于6輛在用車上進行試驗發現，當乙醇含量高于25%時，CO2的排放減少；當乙醇含量提高到40%時，總碳氫化合物(THC)排放在最初的時候先增加了一點，而后隨著CO的減少而逐漸降低。1996年Kelly等人在21輛轎車上使用純汽油和兩種混合燃料E50(乙醇所占體積分數為50%，下同)、E85三種燃料進行試驗發現，使用E85可以減少CO和非甲烷碳氫化合物的排放。1999年Moreira和Goldemberg研究發現，燃用混合燃料可以減少含硫化合物的排放，甚至消除有毒芳香烴(如苯)的排放。1994年Rideout等人和2000年Chao等人的研究表明：使用混合燃料會增加甲醛、乙醛和丙酮的排放。2002年Hsieh等人在一臺閉環控制發動機上研究發現，加入乙醇可以使CO和HC分別減少10%~90%和20%~80%，同時NOx的排放與發動機的運行工況有很大關系，而與乙醇含量的多少關系不大，但這一結論仍需進行試驗驗證。
2004年董素榮等人在一臺多點電噴汽油機上研究發現，汽油機摻燒乙醇后，苯排放降低，且隨著添加比例的增大苯排放改善越明顯，摻燒體積分數為9.826%的乙醇對苯排放的改善程度達50%。2006年祁東輝等人發現，混合燃料發動機的CO排放低于汽油機，并且隨著乙醇體積分數的增大而降低，HC的排放在較大負荷時略高于汽油機，NOx排放與汽油機相比變化不明顯；同時混合燃料的乙醛排放明顯高于汽油，而未燃乙醇排放與汽油基本相當，并且乙醇含量的增加對未燃乙醇的排放影響較小。此外，他們還發現混合燃料發動機有甲醇排出，排放量與汽油機相差不太明顯，說明甲醇的排放主要來自汽油中的添加成分甲基叔丁基醚(MTBE)。
以上研究表明：使用混合燃料可以大幅度改善法規排放，雖然會使非法規排放(如乙醛)增加，但與燃用汽油而排放的芳香烴對環境的危害相比起來，前者是遠遠不及后者的。
2混合燃料的燃燒和排放控制
2.1催化轉化器
催化轉化器是現代汽車不可或缺的組成部分，它的核心主要是催化劑，通過催化劑來達到凈化汽車尾氣的排放。2002年何幫全等人研究發現，Pt/Rh催化劑對排氣中的乙醇轉化效率較低，而對乙醛表現出較高的轉化效率。董素榮等人還發現，普通三效催化器對排氣中苯的平均凈化效率約為87%，同時只在低速時催化器前檢測到甲醛，催化器后沒有檢測到甲醛，說明催化劑對甲醛的催化凈化效果較好。2004年高祥等人在一臺多點電噴汽油機上試驗，結果表明：在低轉速時，三效催化器對排放中CO的凈化效率普遍較高，而中高轉速時隨負荷的增加凈化效率降低；同時對THC的凈化效率也較高；并且三效催化器的凈化效率與乙醇的含量、發動機的負荷和轉速有關。
2005年劉圣華等人發現，經三效催化器轉化后法規排放可達到與汽油機同等的水平，而甲醇和乙醇以及甲醛和乙醛在大部分工況下可以實現零排放。祁東輝等人的研究也發現催化器對混合燃料發動機CO、HC和NOx轉化效率的影響與混合燃料中的含醇量以及發動機的負荷和轉速有關。
從整個催化轉化特性看，燃用混合燃料時的催化轉化特性效果與燃用汽油相差不大，但醇、醛類排放經過三效催化轉化器后基本可以實現零排放，表明Pt/Rh系三效催化轉化器能夠滿足汽油機燃用乙醇/汽油混合燃料時對非法規排放控制的要求。
2.2過量空氣系數<at
過量空氣系數<at直接影響著混合燃料燃燒時的氣體溫度，同時由于不同比例的混合燃料含氧量的不同也會影響混合燃料的燃燒和排放狀況。國立成功大學和南臺科技大學的研究者們使用E5、E10、E20和E30在兩種轉速(3000r/min-1和4000r/min-1)不同節氣門開度下研究<at（0.6~1.6之間）發現，在所有工況下，當<at接近于1和略大于1時，可以分別獲得最大輸出功率和最小的燃油消耗率；<at直接影響著CO的排放，并隨<at的增大，CO排放逐漸減少直至零排放；CO2受<at和CO的排放濃度兩個因素共同影響著，隨<at增大，CO2排放逐漸增加；當<at約為1時，CO2的排放量最大而后逐漸減小；HC排放與<at也有著密切聯系，隨<at增大，HC排放逐漸減少；當<at略大于1時，HC的排放量最小，然而一旦繼續增大<at，HC的排放量將會上升。H.SerdarY?cesu等人使用E10、E20、E40和E60在恒轉速(2000r/min-1)、節氣門全開、不同壓縮比(5：1~13：1)下研究<at的影響作用，結果也與此一致：當<at=0.9和1.05時，可以分別獲得最大輸出功率和最小的燃油消耗率。
可見，在<at=1附近，分別存在有最大輸出功率和最小燃油消耗率的極值點，并且CO和HC隨<at增大會逐漸減小，CO2會相應增加。
2.3 壓縮比和點火時刻
由于乙醇的辛烷值高于汽油，發動機的抗爆性能得以提高，因而壓縮比可增大，點火時刻可提前，有利于優化混合燃料的燃燒條件，改善燃燒狀況。Tolga Topg?l等人在恒轉速(2000r/min-1)、不同壓縮比(8：1，9：1，10：1)下使用E10、E20、E40和E60進行了試驗研究，結果表明：在所有的運行工況下，獲得最大功率輸出的點火時刻與使用純汽油時沒有明顯區別；而推遲點火時刻可以增加發動機的輸出功率；在較大壓縮比時，可以獲得較大的輸出功率，而此時點火時刻影響不大；當點火時刻提前到上止點前(BTDC)24bCA時，使用純汽油就會發生爆震，與使用較高比例的混合燃料相比起來，即使點火時刻提前到BTDC36bCA，發動機也沒有出現爆震；這一結果同樣與H.Serdar Y?cesu等人的研究結果一致。此外，Tolga Topg?l等人還發現，在不同壓縮比下，點火時刻對排氣溫度的影響基本一致；同時點火時刻對CO的排放沒有明顯的影響，而HC的排放在點火時刻推遲后，略有減小。
可見，使用混合燃料后，發動機的抗爆性能得以提高，可以采用較高的壓縮比；同時推遲點火時刻可以增加發動機的輸出功率，對排放性能也有所改善。
3 展望
1)乙醇和汽油的理化性質有所不同，為了使發動機的動力性、燃油經濟性和排放性能達到綜合最優，應當對燃料供給系統重新進行優化匹配。
2)由于乙醇的汽化潛熱比汽油高很多，燃用混合燃料時，進氣溫度較低，冷起動性能變差，因此在改善混合燃料發動機冷起動性能方面還需做進一步的試驗研究。
3)目前大量的研究工作都是在未加改裝的發動機上進行的，因此下一步工作可針對改裝后的發動機以及其他運行參數(如EGR、冷卻水溫度等)對混合燃料燃燒和排放特性的影響進行研究。 |
