王 荔，陳振斌，王琛宇，鄧交均

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 海南 ?？?570228)

乙醇汽油由于具有優(yōu)越的物化特性而成為點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的常用替代燃油之一.乙醇具有汽化潛熱高、火焰速度快以及含氧等特性，因而它能夠促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的完全燃燒[1-2].乙醇所具有的高辛烷值使其能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比限制，從而提高熱效率[3].為了提高可再生能源在交通運(yùn)輸中的占比，作為乙醇汽油燃料的先驅(qū)者，巴西在1970年將乙醇摻混燃料用作車用，目前其乙醇摻混的比例為27%[4]，2012年美國將摻混比例達(dá)15%的乙醇燃料投入市場(chǎng)；印度則制定了到2030年乙醇摻混比例達(dá)到20%的目標(biāo)[5].目前，我國推廣應(yīng)用的乙醇汽油中乙醇的摻混比例僅為10%，在無水乙醇生產(chǎn)制造的過程中，超過37%的能源消耗在乙醇的蒸餾脫水階段[6]，并且在無水乙醇的運(yùn)輸和使用過程中還要保證系統(tǒng)干燥，以避免其與空氣中的水結(jié)合，使得混合燃油發(fā)生油水分層，從而導(dǎo)致相分離，因此，對(duì)含水乙醇汽油的研究亦逐漸受到重視.

為研究作為替代燃油的含水乙醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究.例如，Costa等人[3]對(duì)比研究了含水乙醇(含水率為6.8%)與E22W(乙醇摻混比為22%)的性能及排放特性，研究結(jié)果表明：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于4 000 r·min-1時(shí)，含水乙醇的扭矩及平均指示壓力較高，并且在同一工況下，含水乙醇的HC及CO排放較低；葉燕帥等人[7]對(duì)摻混不同體積分?jǐn)?shù)的含水乙醇汽油進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在中高負(fù)荷下，含水乙醇汽油的NOx排放較高；李菲等人[8]則研究了電噴汽油機(jī)燃用E20W(含水乙醇汽油摻混比為20%)的性能以及排放特性，結(jié)果表明：在外特性工況下E20W與E0的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性相差不大，但E20W在低轉(zhuǎn)速下的噪聲排放明顯降低，最大可降低7.4%.另外，循環(huán)變動(dòng)作為表征發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù)也應(yīng)當(dāng)引起重視[2]，因?yàn)榇嬖谘h(huán)變動(dòng)，對(duì)于每一循環(huán)而言，點(diǎn)火提前角和空燃比等參數(shù)都不可能調(diào)整到最佳值，循環(huán)變動(dòng)過大則不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能[9].鑒此，張盼龍等人[10]對(duì)E10W(含水乙醇汽油摻混比為10%)循環(huán)變動(dòng)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示：在低速中等負(fù)荷下，E10W的平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)值(COVimep)高于E0的平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)值.Wang等人[11]亦對(duì)比研究了不同工況下含水乙醇汽油、無水乙醇汽油及汽油的循環(huán)變動(dòng)特性，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1以及負(fù)荷變動(dòng)范圍為10～50 N·m時(shí)，含水乙醇汽油的COVimep高于其他測(cè)試燃油的COVimep.

乙醇作為可再生能源，其在同等替代燃油中具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，因此，在國外所推廣的乙醇摻混燃油中乙醇的添加比例已超過了10%.目前，國內(nèi)外對(duì)含水乙醇E20W的燃燒及循環(huán)變動(dòng)特性的研究仍相對(duì)匱乏，為此，本文在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)的情況下，于電噴汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1時(shí)燃用E20W含水乙醇汽油，對(duì)比分析了E20W和純汽油在燃燒及循環(huán)變動(dòng)特性等方面的差異，旨在完善乙醇汽油燃燒及循環(huán)變動(dòng)特性的研究，并為其推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考.

1 裝置及燃料

1.1 裝 置試驗(yàn)采用的是直列四缸自然吸氣/進(jìn)氣噴射電控汽油機(jī)，臺(tái)架配有GW160電渦流測(cè)功機(jī)、FC2210Z智能油耗儀、Kistler-6056A缸內(nèi)壓力傳感器以及DEWE-5000燃燒分析儀.發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 燃 料試驗(yàn)采用93號(hào)汽油作為基礎(chǔ)燃油，記做E0，E20W的制備是選用Tween80和Span40作為復(fù)配乳化劑，并以蓖麻油作為助溶劑，其中體積分?jǐn)?shù)占比為：汽油79.05%，含水乙醇汽油20%(所摻混的含水乙醇中乙醇體積占比為95%)，復(fù)配乳化劑0.74%(其中，Tween80占比為0.636%，Span40占比為0.104%)，蓖麻油0.21%.汽油以及含水乙醇的理化性質(zhì)如表2所示.

表2 燃油主要理化性質(zhì)

試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選用的是城市工況下的常用轉(zhuǎn)速(2 000 r·min-1)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的研究是在試驗(yàn)燃油處于低/中負(fù)荷以及全負(fù)荷的工況下進(jìn)行，其中，20 N·m代表發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷，60 N·m代表發(fā)動(dòng)機(jī)中負(fù)荷；E0的全負(fù)荷扭矩為100 N·m，而E20W的全負(fù)荷扭矩則為110 N·m.對(duì)汽油機(jī)而言，循環(huán)變動(dòng)在負(fù)荷低的情況下更易惡化，故對(duì)低/中負(fù)荷下的循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行研究.燃燒特性及循環(huán)變動(dòng)特性則是采用70個(gè)連續(xù)循環(huán)的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算.

2 燃燒特性與循環(huán)變動(dòng)特性分析

2.1 燃燒特性

2.1.1 缸內(nèi)壓力圖1—3為E20W和E0在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1，負(fù)荷分別為20 N·m、60 N·m以及在外特性下70個(gè)連續(xù)循環(huán)時(shí)的缸內(nèi)壓力曲線.從圖中可以看出，缸內(nèi)峰值壓力隨負(fù)荷增加而增加.同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為20 N·m時(shí)，E20W的Pmax平均值較E0的Pmax低，隨著負(fù)荷增加至全負(fù)荷，E20W的Pmax平均值平均增加0.51%、18.18%.

圖1 兩種燃油在20 N·m下缸內(nèi)壓力的比較(2 000 r·min-1)

圖2 兩種燃油在60 N·m下缸內(nèi)壓力的比較(2 000 r·min-1)

圖3 兩種燃油在全負(fù)荷下缸內(nèi)壓力的比較(2 000 r·min-1)

Pmax隨負(fù)荷增加的原因在于：隨著負(fù)荷的增加，節(jié)氣門開度增加，缸內(nèi)可燃混合物質(zhì)量增加，缸內(nèi)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)增加，缸內(nèi)壓力上升.E20W與E0在不同負(fù)荷下產(chǎn)生差異的原因是：在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為20 N·m時(shí)，缸內(nèi)初始溫度低，乙醇汽化潛熱高，混合燃油在燃燒室內(nèi)壓縮燃燒的過程中吸收了大量的熱，缸內(nèi)溫度顯著降低，從而使得混合物蒸發(fā)(霧化)困難，這樣就抑制了燃料的進(jìn)一步燃燒放熱[14].同時(shí)，與汽油相比，添加含水乙醇之后由于燃油混合物比較稀薄，故其點(diǎn)火延遲期延長[15]，最終使得E20W的Pmax低于E0的Pmax.在同一轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷增加，缸內(nèi)溫度會(huì)升高，汽化潛熱對(duì)燃燒的影響減弱，乙醇的高含氧量會(huì)促進(jìn)缸內(nèi)混合物充分燃燒，其快的火焰燃燒速度會(huì)加速缸內(nèi)充質(zhì)燃燒，從而提高缸內(nèi)壓力.另外，E20W中的少量水在燃燒過程中能夠改善鏈反應(yīng)，燃燒過程中OH-自由基增加，混合物燃燒速率加快，這也略微提高了E20W的缸內(nèi)峰值壓力[16].因此在60 N·m以及全負(fù)荷下，E20W的Pmax高于E0Pmax.

2.1.2 壓力升高率最大壓力升高率((dp/dφ)max)可反映最大放熱率，并且與發(fā)動(dòng)機(jī)爆震、噪聲排放等緊密相關(guān)[17].爆震是火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中的異常燃燒現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為異常的壓力震蕩，爆震產(chǎn)生后，缸內(nèi)燃燒溫度急劇增高，溫度及壓力梯度增大.一般而言，缸內(nèi)壓力及溫度高，壓力升高率大，內(nèi)燃機(jī)爆震傾向增加[18-19].E20W和E0在轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1時(shí)，不同負(fù)荷下的壓力升高率如圖4—6所示，從圖中可以看出，隨著負(fù)荷增加，E0的(dp/dφ)max隨負(fù)荷的增加先升高后降低，E20W的最大壓力升高率持續(xù)上升；同時(shí)，在20 N·m和60 N·m的工況條件下，相比于E0，E20W的壓力升高率分別降低了0.01 MPa/°CA、0.07 MPa/°CA,而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加至全負(fù)荷時(shí)，與E0相比，E20W的壓力升高率同比增加了53.33%.

圖4 兩種燃油在20 N·m下壓力升高率的比較(2 000 r·min-1)

圖5 兩種燃油在60 N·m下壓力升高率的比較(2 000 r·min-1)

圖6 兩種燃油在全負(fù)荷下壓力升高率的比較(2 000 r·min-1)

最大壓力升高率隨負(fù)荷變動(dòng)的原因在于：隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)可燃混合物增加，因此(dp/dφ)max增大.E0到達(dá)中等負(fù)荷60N·m后，由于汽油機(jī)爆震的限制，(dp/dφ)max開始下降.E0的全負(fù)荷扭矩為100 N·m，E20W的全負(fù)荷扭矩比E0的全負(fù)荷扭矩高10 N·m，其(dp/dφ)max隨負(fù)荷變動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)相比E0后移，因此E20W 的(dp/dφ)max在測(cè)試工況下持續(xù)上升.E20W和E0在負(fù)荷工況下產(chǎn)生差異的原因在于：在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為20 N·m、60 N·m時(shí)，燃燒室溫度較低，含水乙醇高汽化潛熱特性使燃油在蒸發(fā)(霧化)過程中吸收更多的熱量，致使缸內(nèi)溫度降低，混合物燃燒惡化，因此其最大壓力上升率降低，Polat[20]等人采用HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，在比較摻混不同比例的含水乙醇汽油的燃燒特性時(shí)也有類似發(fā)現(xiàn).隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷升高至全負(fù)荷，含水乙醇的快火焰燃燒速度以及高含氧量占據(jù)了燃燒的主導(dǎo)地位[21]，含水乙醇汽油燃燒時(shí)產(chǎn)生的壓力速率上升，因此E20W的壓力升高率高于E0的壓力升高率.

2.2 循環(huán)變動(dòng)循環(huán)變動(dòng)是表征汽油機(jī)上一循環(huán)和下一循環(huán)差異的重要參數(shù)，燃燒參數(shù)的循環(huán)變動(dòng)會(huì)對(duì)燃料轉(zhuǎn)化效率、功率輸出以及排放等造成影響[22].消除循環(huán)變動(dòng)將使發(fā)動(dòng)機(jī)增加10%的功率輸出[23].一般來講，影響點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的因素有以下幾點(diǎn)：缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)、缸內(nèi)燃油以及廢氣質(zhì)量、火花塞附近的混合物成分等[24].由于循環(huán)變動(dòng)在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況下更易惡化，因此選擇發(fā)動(dòng)機(jī)在20 N·m以及60 N·m的工況條件下進(jìn)行研究.循環(huán)變動(dòng)系數(shù)是計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中循環(huán)變動(dòng)的主要參數(shù)，其計(jì)算公式如下[25]：

(1)

其中，

(2)

(3)

在以上公式中，xi為x的標(biāo)準(zhǔn)偏差，x代表特定燃燒循環(huán)的特征參數(shù)平均值，在本次研究中，N代表測(cè)試循環(huán)樣本，具體數(shù)值為70.

2.2.1 平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)是研究發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)最常用的表征參數(shù)，在其值超過10%時(shí)將會(huì)影響汽車的駕駛穩(wěn)定性[26].E20W和E0在測(cè)試工況下70個(gè)連續(xù)循環(huán)的平均指示壓力(IMEP)循環(huán)變動(dòng)如圖7所示，從圖7中可以看出，循環(huán)變動(dòng)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而降低，并且在同一工況條件下，含水乙醇汽油的COVimep高于純汽油的COVimep.COVimep隨負(fù)荷增加而降低的原因在于：隨著負(fù)荷的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度增加，更多的燃油混合物進(jìn)入氣缸，缸內(nèi)進(jìn)氣壓力增加，燃燒趨向穩(wěn)定，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)降低.而E20W的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)高于E0循環(huán)變動(dòng)系數(shù)的主要原因有以下兩個(gè)：一方面，含水乙醇汽油汽化潛熱高，這就抑制了低負(fù)荷工況下缸內(nèi)溫度的升高，影響了火焰內(nèi)核的形成，從而增大了循環(huán)過程中的失燃以及部分燃燒的發(fā)生概率，致使發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)增加[27]；另一方面，含水乙醇汽油的高辛烷值會(huì)導(dǎo)致其點(diǎn)火延遲期延長.在給定負(fù)荷轉(zhuǎn)速下，更多的燃油空氣混合物積聚在氣缸內(nèi)，火花塞點(diǎn)燃缸內(nèi)氣體時(shí)，缸內(nèi)壓力迅速增加，因此循環(huán)變動(dòng)系數(shù)增大.

2.2.2 缸內(nèi)峰值壓力循環(huán)變動(dòng)缸內(nèi)峰值壓力是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵機(jī)械限制因素，并且它能夠反映燃燒完全程度，因此對(duì)缸內(nèi)峰值壓力循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行研究尤為重要[25, 28].E20W和E0在2 000 r·min-1轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下70個(gè)連續(xù)循環(huán)時(shí)Pmax的循環(huán)變動(dòng)如圖8所示，從圖8中可以看出，同汽油相比，隨著負(fù)荷增加，E20W的最高缸內(nèi)壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)(COVPmax)分別上升了5.12%、5.79%.含水乙醇汽油COVPmax高的原因是：一方面，含水乙醇汽油的汽化潛熱高，空氣燃油混合物在蒸發(fā)過程中會(huì)吸熱，從而致使進(jìn)氣溫度和缸內(nèi)反應(yīng)速率降低，燃燒室可燃自由基減少，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)增加[25].同時(shí)，汽油的低熱值為含水乙醇汽油的1.75倍，在同一轉(zhuǎn)速下，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，每循環(huán)噴射入氣缸內(nèi)的燃油量增加，火花塞附近的氣體濃度也增加，燃燒火焰不能穩(wěn)定傳播至整個(gè)氣缸，缸內(nèi)失火可能性增加，從而循環(huán)變動(dòng)系數(shù)增加.因此，在中低負(fù)荷下，含水乙醇汽油的COVPmax較汽油的COVPmax高.

圖7 兩種燃油在中低負(fù)荷下的COVimep比較

圖8 兩種燃油在中低負(fù)荷下的COVPmax比較

3 結(jié) 論

本文在進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)上開展了E20W和純汽油燃燒特性以及循環(huán)變動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)與汽油相比，在低負(fù)荷工況下，含水乙醇汽油的缸內(nèi)峰值壓力較低，中等負(fù)荷以及全負(fù)荷下升高0.05%以及18.18%；其最大壓升率在中低負(fù)荷下比汽油低，爆震可能性降低.

(2)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，試驗(yàn)燃油的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均降低.與汽油相比， E20W的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)在中低負(fù)荷下均有所上升.其中COVimep增加0.36%、0.81%，COVPmax增加5.12%、5.79%.