唐琦軍，蔣 蘋，劉敬平，彭才望，任 凱

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410128；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

0 概述

隨著汽柴油消耗量的逐年增長和汽車尾氣排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)面臨能源短缺、成本上漲和排放污染超標(biāo)等問題，促使人們越來越關(guān)注替代能源的研究[1-3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對一種新型的內(nèi)燃機(jī)代用燃料——丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol， ABE)展開了大量研究[4-7]。ABE是丙酮、丁醇和乙醇的混合物(體積比約為3∶6∶1)，是微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇的中間產(chǎn)物。丁醇的理化特性與汽油最為接近，被認(rèn)為是很有潛力的替代燃料，2019年全球正丁醇生產(chǎn)能力為634.3萬噸，產(chǎn)量為416.8萬噸[8-9]。但是發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇的成本過高，嚴(yán)重影響了丁醇在發(fā)動機(jī)上的產(chǎn)業(yè)化。ABE作為丁醇發(fā)酵的中間產(chǎn)物，具備替代能源的眾多優(yōu)點，如可再生、汽化潛熱大、層流火焰速度高、生產(chǎn)成本低等。因此，研究人員將ABE作為內(nèi)燃機(jī)代用燃料進(jìn)行了大量研究，主要包括ABE、ABE/柴油、ABE/汽油混合燃料在定容燃燒彈和發(fā)動機(jī)中的噴霧、混合氣形成及燃燒的試驗研究[10-11]。文獻(xiàn)[12]中利用定容燃燒彈研究了不同環(huán)境溫度下ABE、丁醇和柴油的噴霧和燃燒特性。發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度較高時，所有的被測燃料的噴霧形態(tài)均類似；但當(dāng)環(huán)境溫度較低時，ABE的噴霧體積略小于丁醇。文獻(xiàn)[11]中研究發(fā)現(xiàn)相比于柴油，在低環(huán)境溫度(800 K)和低環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)(11%)的條件下，ABE20(ABE體積分?jǐn)?shù)為20%，汽油體積分?jǐn)?shù)為80%)的碳煙生成基本得到了抑制；ABE與丁醇在各種條件下的自然火焰光度均低于柴油，且ABE比丁醇更低。文獻(xiàn)[13]中研究了含水ABE/柴油混合燃料對發(fā)動機(jī)NOx及顆粒物生成的影響，結(jié)果表明，ABE/柴油中摻混一定量的水可以降低發(fā)動機(jī)中顆粒物、NOx、多環(huán)芳香烴等的排放量，同時可以提高發(fā)動機(jī)的熱效率。ABE/汽油混合燃料作為點燃式發(fā)動機(jī)的代用燃料也有一定研究[7]。文獻(xiàn)[6，14]中研究了燃用純ABE對點燃式發(fā)動機(jī)燃燒及排放特性的影響。結(jié)果表明，ABE相比于純汽油表現(xiàn)出了更短的火焰發(fā)展期、更高的熱效率及更低的CO排放。文獻(xiàn)[15-18]中使用進(jìn)氣道噴射的點燃式發(fā)動機(jī)研究了ABE/汽油混合燃料中的含水比例對發(fā)動機(jī)燃燒及排放特性的影響。結(jié)果表明，相比于純汽油，燃用體積分?jǐn)?shù)分別為1%、29%、70%的水、ABE、汽油的混合燃料(ABE29W1)可獲得更高的轉(zhuǎn)矩及更低的CO、碳?xì)浠衔?HC)和NOx排放。ABE燃料在發(fā)動機(jī)燃燒及排放的數(shù)值仿真研究方面尚處于起步階段。文獻(xiàn)[19]中構(gòu)建了由262種組分和1 509步反應(yīng)組成的ABE/柴油的半詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，并用試驗結(jié)果進(jìn)行了驗證。文獻(xiàn)[20-22]中通過KIVA-3V程序耦合碳煙模型，對定容燃燒彈中燃用ABE的碳煙形成過程進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。文獻(xiàn)[23]中提出了 ABE-柴油碳煙模型，并進(jìn)行了仿真計算，研究表明柴油機(jī)燃用ABE的碳煙排放比燃用柴油時要少。

綜上所述，ABE及ABE摻混傳統(tǒng)燃料在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)是比較新的研究熱點?，F(xiàn)有研究表明，ABE燃料在發(fā)動機(jī)上的可行性應(yīng)用確實具有較好的前景，但對ABE的研究大多集中在定容燃燒彈中的噴霧和燃燒的基礎(chǔ)性研究，不同摻混比的ABE/傳統(tǒng)燃料在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用研究還不夠全面。為了深入研究ABE/汽油摻混燃料在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，在一臺高速汽油機(jī)上摻混中低比例ABE，對點火提前角和過量空氣系數(shù)進(jìn)行了大范圍的掃描試驗，旨在揭示ABE摻混比、點火提前角、過量空氣系數(shù)對點燃式發(fā)動機(jī)性能的影響。

1 ABE/汽油混合燃料發(fā)動機(jī)試驗

1.1 ABE/汽油燃料屬性

試驗中采用中國石油化工股份有限公司生產(chǎn)的95號汽油和國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的丙酮、正丁醇和乙醇(純度為99.5%)，將丙酮、正丁醇和乙醇按照體積比3∶6∶1混合得到ABE，然后將ABE和95號汽油按照體積比為10∶90、20∶80、30∶70 混合得到ABE10、ABE20和ABE30燃料。根據(jù)燃料的基本屬性和混合燃料的體積比計算得到ABE10、ABE20和ABE30的主要理化特性，如表1[17，24]所示，其中辛烷值取馬達(dá)法辛烷值與研究法辛烷值的平均值。隨著混合燃料中ABE含量的增加，汽化潛熱、自燃溫度和層流火焰速度增大比較明顯，混合燃料的密度和辛烷值略有增加，低熱值和化學(xué)當(dāng)量空燃比減小。

表1 ABE/汽油燃料的屬性

1.2 發(fā)動機(jī)簡介

選用本田CBR600RR摩托車發(fā)動機(jī)為研究對象，該發(fā)動機(jī)采用雙頂置凸輪軸機(jī)構(gòu)、一體式變速箱、多點燃油順序噴射等技術(shù)，發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)如表2所示。其主要特點有缸徑小、行程短、轉(zhuǎn)速高等。首先對該發(fā)動機(jī)進(jìn)行改裝，自主設(shè)計了發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣系統(tǒng)。在進(jìn)氣系統(tǒng)上加裝了一個喉口直徑為20 mm的拉法爾管，用來提高進(jìn)氣的流速，改善瞬態(tài)響應(yīng)。在排氣系統(tǒng)上增加消聲器，用來降低發(fā)動機(jī)的噪聲。因為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，試驗過程變速器擋位采用3擋，速比為3.519。

表2 發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)

1.3 發(fā)動機(jī)試驗臺

圖1為發(fā)動機(jī)試驗臺的示意圖。試驗設(shè)備和儀器類型如表3所示，采用MoTec M84發(fā)動機(jī)控制單元(engine control unit， ECU)代替原機(jī)ECU，并替換電路系統(tǒng)和線束。試驗采用了電渦流測功機(jī)、冷卻液控制系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)等設(shè)備。在發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)上安裝了溫度、壓力、流量等傳感器。利用燃燒分析儀測量發(fā)動機(jī)的氣缸壓力，利用HORIBA MEXA-584L測量發(fā)動機(jī)的污染氣體濃度，采用BOSCH LSU 4.9氧傳感器測量發(fā)動機(jī)過量空氣系數(shù)。試驗前利用MoTec M84 MANAGER標(biāo)定軟件，對發(fā)動機(jī)噴油和點火等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的標(biāo)定，使發(fā)動機(jī)能夠良好運行。

圖1 發(fā)動機(jī)試驗臺架示意圖

表3 發(fā)動機(jī)試驗的設(shè)備及儀器

1.4 發(fā)動機(jī)試驗工況

以轉(zhuǎn)速4 000 r/min、節(jié)氣門開度35%，轉(zhuǎn)速 8 000 r/min、節(jié)氣門開度45%為試驗工況，對汽油、ABE10、ABE20和ABE30開展了兩種類型的試驗。第一類按照當(dāng)量空燃比噴油(過量空氣系數(shù)為1)，調(diào)節(jié)點火提前角進(jìn)行試驗，通過爆震判斷最大點火提前角。第二類固定點火提前角，調(diào)節(jié)噴油量進(jìn)行試驗。結(jié)果表明發(fā)動機(jī)兩種工況點的點火提前角、過量空氣系數(shù)和ABE摻混比對發(fā)動機(jī)性能的影響表現(xiàn)出類似的規(guī)律。為了簡化分析以轉(zhuǎn)速4 000 r/min、節(jié)氣門開度35%(常用的工況)的試驗工況為例開展分析，詳細(xì)的發(fā)動機(jī)試驗工況如表4所示。

表4 發(fā)動機(jī)試驗工況

圖2為發(fā)動機(jī)兩類試驗4種燃料燃油流量的變化規(guī)律。不同點火提前角下，ABE含量固定則燃油流量變化很??；相同點火提前角下，ABE含量越多燃油流量越大。這是因為隨ABE含量增加，燃料對應(yīng)的當(dāng)量空燃比降低(表1)，即同樣進(jìn)氣量可以燃燒更多燃料。而ABE含量固定時，隨過量空氣系數(shù)增大，燃油流量減小；過量空氣系數(shù)不變時，ABE含量越高，燃油流量越大。圖2(a)黑色虛線框內(nèi)的4種工況下發(fā)動機(jī)燃用純汽油、ABE10、ABE20和ABE30時燃油流量分別為3.03 kg/h、3.13 kg/h、3.22 kg/h、3.34 kg/h。結(jié)合表1燃料的熱值可以計算出進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃料的總熱量，如表5所示?；旌蠚鉂舛认嗤瑫r，隨著ABE含量增大，進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃料的總熱量略有增大。

圖2 發(fā)動機(jī)的燃油流量與燃料及工況的關(guān)系

表5 燃油流量的總熱量

2 試驗結(jié)果分析

2.1 功率分析

圖3為兩類試驗4種燃料發(fā)動機(jī)功率的變化規(guī)律。由圖3(a)可知，ABE含量相同時，隨點火提前角增大，發(fā)動機(jī)功率先增大后減小，過大的點火提前角導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)爆震，功率降低。另外，點火提前角太大，燃燒主要發(fā)生在上止點前，大部分的能量被用來克服壓縮阻力，會產(chǎn)生更多的負(fù)功，也會導(dǎo)致功率下降。如果點火提前角太小，速燃期滯后于上止點太多，則容易導(dǎo)致燃燒不完全甚至失火，使發(fā)動機(jī)功率降低。相同點火提前角下，隨ABE含量增加，發(fā)動機(jī)功率增大。雖然混合燃料熱值降低，但是噴入的燃油流量增加(如圖2(a)所示)，燃料總熱值增大，且ABE的層流火焰速度比汽油大，因此功率增大。由圖3(b)可知，ABE含量相同時，隨過量空氣系數(shù)增大，發(fā)動機(jī)功率開始有升高的趨勢，而后迅速減小。這是因為隨著過量空氣系數(shù)增大，發(fā)動機(jī)燃燒過程變得不穩(wěn)定甚至失火，發(fā)動機(jī)的熱效率降低了，使發(fā)動機(jī)功率下降。過量空氣系數(shù)相同時，隨ABE含量增加，發(fā)動機(jī)功率增大。這是因為ABE含量越高，燃料的層流火焰速度越快(如表1所示)，缸內(nèi)燃燒速率越高。

圖3 發(fā)動機(jī)的功率與燃料及工況的關(guān)系

2.2 缸壓分析

圖4為燃用汽油和ABE20兩種燃料時發(fā)動機(jī)氣缸壓力的變化規(guī)律。由圖4(a)可知，隨點火提前角增大，發(fā)動機(jī)燃燒相位提前，最高燃燒壓力迅速增大，因此發(fā)動機(jī)輸出功率增大。相同點火角度時，ABE20的燃燒略晚于純汽油。主要原因是ABE的汽化潛熱高，缸內(nèi)進(jìn)氣溫度低，并且自燃溫度高，導(dǎo)致滯燃期延長，但速燃期燃燒快，熱-功轉(zhuǎn)換過程的等容度越高，綜合作用使得發(fā)動機(jī)燃用ABE/汽油的混合燃料時輸出的功率略高于燃用純汽油時。由圖4(b)可知，隨著過量空氣系數(shù)減小，燃燒相位提前，最高燃燒壓力增大，發(fā)動機(jī)輸出功率增大。過量空氣系數(shù)相同時，發(fā)動機(jī)燃用ABE20的燃燒略晚于燃用純汽油，同時最高燃燒壓力也略低。過量空氣系數(shù)相同時ABE/汽油混合燃料的燃油量增加，因此發(fā)動機(jī)燃用ABE/汽油混合燃料時輸出的功率高于燃用純汽油時輸出的功率。

圖4 發(fā)動機(jī)的氣缸壓力與燃料及工況的關(guān)系

2.3 有效熱效率分析

圖5為兩類試驗4種燃料發(fā)動機(jī)有效熱效率的變化規(guī)律。由圖5(a)可知， ABE含量相同時，隨點火提前角增大，發(fā)動機(jī)有效熱效率先增大后略有減小。過大的點火提前角導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)爆震，速燃期在壓縮沖程，壓縮負(fù)功增大，有效熱效率降低。點火提前角相同時，隨ABE含量增加，燃燒更加迅速，熱-功轉(zhuǎn)換效率更高，發(fā)動機(jī)有效熱效率增大。由圖5(b)可知，ABE含量相同時，隨過量空氣系數(shù)增大，發(fā)動機(jī)有效熱效率先增大后減小。這是因為發(fā)動機(jī)在濃混合氣和過稀混合氣時燃料不能完全燃燒，有效熱效率降低。過量空氣系數(shù)相同時，隨ABE含量增加，燃燒更加迅速，熱-功轉(zhuǎn)換效率更高，發(fā)動機(jī)有效熱效率增大。

圖5 發(fā)動機(jī)的熱效率與燃料及工況的關(guān)系

2.4 排放污染物分析

圖6為兩類試驗4種燃料發(fā)動機(jī)NO排放的變化規(guī)律。由圖6(a)可知，ABE含量相同時，隨點火提前角增大，NO比排放增大。因為點火提前角增大，燃燒提前，缸內(nèi)燃燒溫度升高，促進(jìn)了NO的生成。點火提前角相同時，隨ABE含量增加，NO比排放降低，但降低趨勢減緩。由圖6(b)可知，ABE含量相同時，隨過量空氣系數(shù)增大，發(fā)動機(jī)NO比排放先增大后減小。這是因為過量空氣系數(shù)小則缸內(nèi)缺氧，過量空氣系數(shù)大則缸內(nèi)燃燒溫度低，都可以降低NO比排放。過量空氣系數(shù)相同時，隨ABE含量增加，發(fā)動機(jī)NO比排放降低，同樣降低的趨勢減緩。這是因為隨著ABE含量增加，混合燃料的總熱值降低，缸內(nèi)的燃燒溫度降低。

圖6 發(fā)動機(jī)的NO比排放與燃料及工況的關(guān)系

圖7為兩類試驗4種燃料發(fā)動機(jī)CO比排放的變化規(guī)律。由圖7(a)可知，ABE含量相同時，隨點火提前角增大，CO比排放先減小而后略有增大的趨勢。相同點火提前角下，隨ABE含量增加，CO比排放略有增加。由圖7(b)可知，ABE含量相同時，隨過量空氣系數(shù)增大，發(fā)動機(jī)CO比排放先迅速減小而后變化較小；相同過量空氣系數(shù)下，隨ABE含量增加，CO比排放略有增加。ABE含量增大時CO比排放增加主要是因為隨著ABE含量增加，汽化潛熱增大，使得進(jìn)氣溫度降低，燃燒始點的溫度降低，滯燃期延長。

圖7 發(fā)動機(jī)的CO比排放與燃料及工況的關(guān)系

圖8為兩類試驗4種燃料發(fā)動機(jī)HC比排放的變化規(guī)律。由圖8(a)可知，ABE含量相同時，隨點火提前角增大，HC比排放先減小后增大。點火提前角相同時，隨ABE含量增加，CO比排放先增大后減小，純汽油HC比排放介于ABE10和ABE20之間。由圖8(b)可知，隨過量空氣系數(shù)增大，發(fā)動機(jī)CO比排放先減小而后迅速增加；過量空氣系數(shù)相同時，隨ABE含量增加，HC比排放先增大后減小，純汽油HC比排放介于ABE10和ABE20之間。ABE含量增大，HC比排放先增大后減小，與ABE的屬性密切相關(guān)，如：汽化潛熱增大，滯燃期延長，促進(jìn)HC生成；燃燒速率加快，抑制HC生成。

圖8 發(fā)動機(jī)的HC比排放與燃料及工況的關(guān)系

3 發(fā)動機(jī)性能分析

3.1 ABE摻混比和點火提前角的影響

第一類試驗保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min、節(jié)氣門開度35%，按照當(dāng)量空燃比噴油，掃描點火時刻以得到最佳的點火時刻。從試驗中挑選出最佳點火時刻(最大功率)對應(yīng)的發(fā)動機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行分析。以純汽油發(fā)動機(jī)的參數(shù)為基準(zhǔn)，計算添加ABE后發(fā)動機(jī)性能參數(shù)變化的百分比。圖9為4種燃料按照當(dāng)量空燃比噴油時，改變點火提前角，發(fā)動機(jī)最大功率時的性能參數(shù)。由圖9(a)可知，ABE含量越高，噴油質(zhì)量越大，功率越大。發(fā)動機(jī)燃用ABE30相對于燃用純汽油噴油流量增加了10.16%，功率增大了4.80%。圖9(b)是有效熱效率和有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption, BSFC)隨ABE含量的變化。由圖可知，ABE含量越高，有效熱效率和有效燃油消耗率越大。發(fā)動機(jī)燃用ABE30相對于燃用純汽油有效熱效率提高了3.73%，有效燃油消耗率增加了5.11%。

圖9 發(fā)動機(jī)的性能與燃料的關(guān)系(過量空氣系數(shù)為1)

圖10為發(fā)動機(jī)最佳點火時刻對應(yīng)的NO、HC和CO比排放隨ABE含量的變化規(guī)律。由圖可知，隨著ABE含量增加，NO比排放減小，CO比排放增加，HC比排放的變化規(guī)律不明顯。發(fā)動機(jī)燃用ABE30相對于燃用純汽油NO比排放降低了42.14%，CO比排放增加了16.92%，HC比排放降低了1.62%。

圖10 發(fā)動機(jī)的比排放與燃料的關(guān)系(過量空氣系數(shù)為1)

3.2 ABE摻混比和過量空氣系數(shù)的影響

第二類試驗固定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min、節(jié)氣門開度35%、點火提前角為39°,掃描過量空氣系數(shù)。從試驗中挑選出發(fā)動機(jī)最大功率時對應(yīng)的性能參數(shù)進(jìn)行分析，按照前文類似方法計算了發(fā)動機(jī)性能參數(shù)的變化率。圖11為4種燃料固定點火提前角而改變噴油量時，試驗工況發(fā)動機(jī)最大功率時的性能參數(shù)。由圖11(a)可知，ABE含量越多噴油流量越大，ABE20功率比ABE10略小，總體上功率仍是增大的趨勢。發(fā)動機(jī)燃用ABE30相對于燃用純汽油燃油流量增加了8.08%，功率增大了5.38%。由圖11(b)可知，ABE含量越多，有效熱效率和有效燃油消耗率越大。發(fā)動機(jī)燃用ABE30相對于燃用純汽油有效熱效率提高了6.31%，有效燃油消耗率增加了2.56%。與圖9相比，在濃混合時增加ABE含量比在當(dāng)量空燃比狀態(tài)下增加ABE含量對發(fā)動機(jī)有效熱效率的提高更明顯。

圖11 發(fā)動機(jī)的性能與燃料的關(guān)系(點火提前角為39°)

圖12是發(fā)動機(jī)最大功率點的比排放參數(shù)。由圖可知，隨著ABE含量增加，NO比排放明顯降低，CO比排放先降低后升高，HC比排放先升高后降低。發(fā)動機(jī)燃用ABE30相對于燃用純汽油，NO比排放降低了76.01%，CO比排放降低了3.79%，HC比排放降低了7.50%。與圖10相比，在濃混合氣狀態(tài)下增加ABE含量比在當(dāng)量空燃比狀態(tài)下增加ABE含量對發(fā)動機(jī)的NO比排放和CO比排放降低更明顯。

圖12 發(fā)動機(jī)的比排放與燃料的關(guān)系(點火提前角為39°)

4 結(jié)論

(1) 發(fā)動機(jī)燃用不同ABE含量的ABE/汽油混合燃料時，燃油流量、功率、有效熱效率等參數(shù)隨點火提前角和過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性。

(2) 發(fā)動機(jī)燃用不同ABE含量的ABE/汽油混合燃料時NO比排放隨點火提前角增大而增加，隨過量空氣系數(shù)增大先增大后減小。NO比排放隨著ABE含量增加迅速降低到較低值。濃混合氣時CO比排放較高，稀混合氣時HC比排放較高。汽油中摻混ABE對CO比排放和HC比排放的影響比對NO比排放的影響要小。

(3) 在濃混合氣時增加ABE含量比在當(dāng)量空燃比狀態(tài)下增加ABE含量發(fā)動機(jī)性能改善更明顯。發(fā)動機(jī)燃用ABE30相對于燃用純汽油,功率增大了5.38%，有效熱效率提高了6.31%。

(4) 在濃混合氣時增加ABE含量比在當(dāng)量空燃比狀態(tài)下增加ABE含量發(fā)動機(jī)的NO比排放降低更明顯，而HC和CO比排放增大的百分比略小一些。發(fā)動機(jī)燃用ABE30相對于燃用純汽油NO比排放降低了76.01%，CO比排放降低了3.79%，HC比排放降低了7.50%。