丁醇-汽油缸内燃烧放热规律研究

1、丁醇-汽油缸内燃烧放热规律研究【摘要】 本文通过实验和计算介绍了汽油机燃烧丁醇-汽油混合燃料和汽油相比的不同放热规律，从内燃机燃烧学的角度分析了放热速率形成差异的原因，介绍了燃用丁醇-汽油混合燃料对发动机性能的影响，并通过点火提前角优化后得到了更好的综合性能。从而也验证了丁醇取代汽油燃烧的可行性和能够做到节能减排的双重优越性。【关键词】丁醇，汽油，放热分析，减排Combustion Characteristics and Heat Release Analysis of Butanol-Gasoline Blended Fuels）Abstract: The combustion and he

2、at release characteristics of pure gasoline fuel and butanol-gasoline blends in internal combustion engine are studied experimentally and numerically. The difference of the heat release rate between these two fuels is studied using internal combustion theory. The effects of butanol-gasoline blends o

3、n the engine performance are investigated. Better performance is obtained by optimizing the ignition advance angle. The results show that butonal is a suitable alternative fuel for the gasoline. It can reduce the fuel consumption and exhaust emissions at the same time.Keywords: Butanol，Gasoline，heat

4、 release analysis，emissions引言全球正处于石油日趋用尽和急需保护地球生存环境的的特殊年代，寻找新的能源用以取代内燃机现用的汽油和柴油是一项具有长远历史意义的重要任务。众所周知，矿产资源是有限的资源，而生物资源则可以再生。丁醇原本只被用作化学添加剂的化工原料逐渐进入了内燃机领域。早在2006年美国的杜邦公司与英国石油公司合作便开始了生物丁醇在内燃机中燃烧的实验1，我国是从2008年4月开始对丁醇作为发动机燃料的研究以及丁醇-汽油混合燃料在发动机台架上的实验，国内外的实验研究结果一致表明：丁醇与无铅汽油很相近，可以用作内燃机的燃料。所不同的是我们着重地研究了发动机在不做结

5、构改动的情况下，设法提高丁醇-汽油混合率的措施和对于发动机性能的综合影响2，目前我们能够做到的最大掺混率已经达到了35%，为了使研究能够更加深入和进一步提高丁醇的掺混率，我们除了解丁醇的一般性理化性质外还必须对丁醇-汽油在发动机中的燃烧放热规律进行研究和分析，从而更好地掌握其特性及影响趋势，这就是本文将要介绍的内容。1实验方案与目的1.1试验方案和试验养机由于20%以下的掺混率对发动机性能几乎不造成影响而目前最大的掺混率做到35%，因此混合燃料的对象确定为汽油、30%和35%丁醇-汽油。首先在发动机不做任何变动和调整的情况下，测取燃烧以上三种燃料的发动机台架性能参数，包括进气、排气、缸内、排放

6、、油耗和测功机等参数；由于原机的各调整参数是根据燃用汽油所标定，燃用不同掺混率的燃油必须对其进行相应的合理调整，可调整参数有很多，比如：空燃比的调整、喷油规律的调整、少量的压缩比调整和点火提前角的调整等。根据我们对丁醇-汽油燃料的了解，其中影响最大的应该是空燃比和点火提前角，考虑到空燃比的优化难度较大，本次实验我们仅对燃用30%和35%丁醇-汽油进行了点火提前角的优化。我们实验用的装置见表1：表1实验样机标定功率/转速（kW/rpm）7/8000最大转矩/转速(N·m/rpm)9.2/6500外特性上最低燃油消耗率（g/kW·h）310缸径/mm56行程/mm49.5压缩比

7、9.21.2 本次实验的目的本次实验分别测取汽油机原机特性、30%和35%丁醇-汽油特性以及它们的点火提前优化后的特性，并根据该五组特性的变化趋势分析缸内燃烧放热过程与丁醇理化性质的关系以及对发动机综合性能的影响，从而找出一般性的规律，分析其优势和劣势，提出克服劣势因素的方案和挖掘进一步加大丁醇-汽油掺混比的潜力。2 发动机台架试验结果及分析试验用汽油为90#无铅汽油，按一定体积百分比掺混得到的丁醇-汽油调和燃料分别表达为30%、35%，进行点火提前优化后的特性表达为30%CDI、35%CDI，2.1不同掺混比放热规律结果分析图1图3是90#汽油、30%和35%丁醇汽油在节气门全开各种转速下的

8、缸内燃烧放热速率曲线。 图1 90#汽油放热速率曲线 图2 30%丁醇-汽油放热速率曲线 图3 35%丁醇-汽油放热速率曲线比较以上三组曲线不难看出，丁醇-汽油燃料的放热普遍推后并且随着丁醇的掺混率增加而增加、随转速的增加推后的趋势也增加，这便是混合燃料中的丁醇所起的作用。为了更清楚地分析三者之间的变化关系，我们将放热的始点、终点和最大放热速率点进行了统计。见图4。可见在发动机没有作任何调整和变动的情况下掺有丁醇的燃料燃烧始点后移，丁醇含量越高则着火延迟越大，这是由于丁醇的蒸发潜热比汽油大，在进气过程中使得缸内温度降低，虽然着火延迟有所增大，但对于发动机的充量系数提高是十分有利的。从放热终点的

9、比较看，丁醇分子链比汽油的平均分子链短，因此一旦燃烧则速率较快，图4 放热始点-峰值点-终点的统计规律 图5 各种燃料的放热峰值比较因此低速时混合燃料燃烧速率有所提高，而高速时则没有明显的改变，这是因为高速时燃烧速率虽比汽油快，但还是明显跟不上转速变化的结果。此外，从燃烧放热速率的峰值看，混合燃料峰值都低于汽油的放热峰值。见图5。这是由于混合燃料着火延迟期延长，使得大部分燃料在远离上止点时刻燃烧而影响了最高放热速率。根据我们对排气温度的监测发现，几种燃料燃烧排气温度没有大的变化，说明虽然丁醇-汽油混合燃料的着火延迟期有所延长，燃烧速率快而在上止点后4060度曲轴转角内便全部烧完。2.2不同混合

10、比燃料点火提前角优化后放热规律分析因原机的点火提前角是根据燃用汽油而标定，因此我们对燃用混合燃料进行了点火提前角的优化调整，调整后的最大峰值点出现在上止点后48度曲柄转角。一般地讲，气缸内最高压力点将比其推后45度，由此气缸最高压力点将维持在上止点后812度。结果使得燃烧的峰值点和终点都明显提前于燃用汽油，尤其在低速的情况下，我们得到了更高的放热速率。见图6。这一点由键能力理论不难解释3，根据C-C，C-H，C-O、O-H键能理论不难算出，燃烧1kg汽油所需键能为33.52kcal，而燃烧1kg丁醇则只需27.2kcal。此外，根据反应速率正比于碰撞频率和能量概率因子的观点，双分子反应的速度常

11、数为：图6 点火提前角优化后与90#汽油放热峰值的对比 图7 35%混合燃料放热速率曲线其中A反应速度常数；方位修正因子；E分子活化能；dAB两种分子的平均直径，也称有效碰撞直径；NA、NB分别为两种分子的数目；MAB两种分子的修正质量，混合燃料中丁醇的存在使得燃料平均分子直径有一定的减小，但分子数目增长很多，则燃料与氧分子的碰撞频率有所增加，更何况丁醇分子本身含有21.6%的氧。还有一个因素使得混合燃料燃烧的后期放热速率很快，根据多极反应速率与压力的关系：其中：CA物质A的摩尔浓度；XAA物质的摩尔分数；n反应级数；T温度；R气体常数。 35%从放热速率图上可以看出，整个放热过程都比汽油要快

12、，尤其是燃烧后期。见图7。 2.2不同混合比燃料对发动机综合性能的影响 在此之前，我们在LU4650-1AE6机型上也做过性能测试，总体看来：丁醇-汽油的掺混率最高达到35%时，经点火提前角优化调整完全可以保证发动机的动力性不下降（见图8），而燃油消耗率平均减少4%（图9）、CO排放平均下降48%（图10）、HC排放平均下降22% （图11）。图8 35%混合燃料时动力性没有下降 图9 燃用35%混合燃料时经济性有所改善图10 燃用35%混合燃料时CO明显下降 图11 燃用35%混合燃料时HC明显下降值得注意的是燃烧高掺混比的丁醇-汽油时NOx有所上升（图12），并且增长幅度很大。根据我们对气

13、缸盖温度的监测以及排气中氧含量的检测表明：此时的缸盖温度较燃烧汽油时平均上升了7%，最高达到了217，而燃烧汽油时最高缸盖温度只有200，排气中氧含量平均增高了63%。因此NOx的增加也就不足以为奇了。由于丁醇-汽油燃料的理论空然比要比汽油小，在我们没有对燃油供给系统进行调整的情况下，发动机仍按汽油所需的空然比供油，因此缸内的空然比增大了12%！加之丁醇-汽油燃烧速率快，尤其是燃烧速率后期比汽油更快，燃烧后期放热速率的加快将使得高温期维持更长的时间。则更加促进了NOx的生成4。图12 燃用35%混合燃料时NOx有所增加 图12 燃用35%混合燃料时缸盖温度升高 3 结论（1）在发动机不做任何调整的情况下丁醇-汽油燃料的着火延迟期比汽油的长，并且随掺混比的提高而延长更多；（2）丁醇-汽油一旦开始燃烧，则放热速率比汽油快，尤其是燃烧后期；（3）燃用35%掺混率的丁醇-汽油无需