丁醇-汽油缸內(nèi)燃燒放熱規(guī)律研究

1、丁醇-汽油缸內(nèi)燃燒放熱規(guī)律研究【摘要】 本文通過實(shí)驗和計算介紹了汽油機(jī)燃燒丁醇-汽油混合燃料和汽油相比的不同放熱規(guī)律，從內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)的角度分析了放熱速率形成差異的原因，介紹了燃用丁醇-汽油混合燃料對發(fā)動機(jī)性能的影響，并通過點(diǎn)火提前角優(yōu)化后得到了更好的綜合性能。從而也驗證了丁醇取代汽油燃燒的可行性和能夠做到節(jié)能減排的雙重優(yōu)越性?！娟P(guān)鍵詞】丁醇，汽油，放熱分析，減排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引言全球正處于石油日趨用盡和急需保護(hù)地球生存環(huán)境的的特殊年代，尋找新的能源用以取代內(nèi)燃機(jī)現(xiàn)用的汽油和柴油是一項具有長遠(yuǎn)歷史意義的重要任務(wù)。眾所周知，礦產(chǎn)資源是有限的資源，而生物資源則可以再生。丁醇原本只被用作化學(xué)添加劑的化工原料逐漸進(jìn)入了內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域。早在2006年美國的杜邦公司與英國石油公司合作便開始了生物丁醇在內(nèi)燃機(jī)中燃燒的實(shí)驗1，我國是從2008年4月開始對丁醇作為發(fā)動機(jī)燃料的研究以及丁醇-汽油混合燃料在發(fā)動機(jī)臺架上的實(shí)驗，國內(nèi)外的實(shí)驗研究結(jié)果一致表明：丁醇與無鉛汽油很相近，可以用作內(nèi)燃機(jī)的燃料。所不同的是我們著重地研究了發(fā)動機(jī)在不做結(jié)

5、構(gòu)改動的情況下，設(shè)法提高丁醇-汽油混合率的措施和對于發(fā)動機(jī)性能的綜合影響2，目前我們能夠做到的最大摻混率已經(jīng)達(dá)到了35%，為了使研究能夠更加深入和進(jìn)一步提高丁醇的摻混率，我們除了解丁醇的一般性理化性質(zhì)外還必須對丁醇-汽油在發(fā)動機(jī)中的燃燒放熱規(guī)律進(jìn)行研究和分析，從而更好地掌握其特性及影響趨勢，這就是本文將要介紹的內(nèi)容。1實(shí)驗方案與目的1.1試驗方案和試驗養(yǎng)機(jī)由于20%以下的摻混率對發(fā)動機(jī)性能幾乎不造成影響而目前最大的摻混率做到35%，因此混合燃料的對象確定為汽油、30%和35%丁醇-汽油。首先在發(fā)動機(jī)不做任何變動和調(diào)整的情況下，測取燃燒以上三種燃料的發(fā)動機(jī)臺架性能參數(shù)，包括進(jìn)氣、排氣、缸內(nèi)、排放

6、、油耗和測功機(jī)等參數(shù)；由于原機(jī)的各調(diào)整參數(shù)是根據(jù)燃用汽油所標(biāo)定，燃用不同摻混率的燃油必須對其進(jìn)行相應(yīng)的合理調(diào)整，可調(diào)整參數(shù)有很多，比如：空燃比的調(diào)整、噴油規(guī)律的調(diào)整、少量的壓縮比調(diào)整和點(diǎn)火提前角的調(diào)整等。根據(jù)我們對丁醇-汽油燃料的了解，其中影響最大的應(yīng)該是空燃比和點(diǎn)火提前角，考慮到空燃比的優(yōu)化難度較大，本次實(shí)驗我們僅對燃用30%和35%丁醇-汽油進(jìn)行了點(diǎn)火提前角的優(yōu)化。我們實(shí)驗用的裝置見表1：表1實(shí)驗樣機(jī)標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速（kW/rpm）7/8000最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速(N·m/rpm)9.2/6500外特性上最低燃油消耗率（g/kW·h）310缸徑/mm56行程/mm49.5壓縮比

7、9.21.2 本次實(shí)驗的目的本次實(shí)驗分別測取汽油機(jī)原機(jī)特性、30%和35%丁醇-汽油特性以及它們的點(diǎn)火提前優(yōu)化后的特性，并根據(jù)該五組特性的變化趨勢分析缸內(nèi)燃燒放熱過程與丁醇理化性質(zhì)的關(guān)系以及對發(fā)動機(jī)綜合性能的影響，從而找出一般性的規(guī)律，分析其優(yōu)勢和劣勢，提出克服劣勢因素的方案和挖掘進(jìn)一步加大丁醇-汽油摻混比的潛力。2 發(fā)動機(jī)臺架試驗結(jié)果及分析試驗用汽油為90#無鉛汽油，按一定體積百分比摻混得到的丁醇-汽油調(diào)和燃料分別表達(dá)為30%、35%，進(jìn)行點(diǎn)火提前優(yōu)化后的特性表達(dá)為30%CDI、35%CDI，2.1不同摻混比放熱規(guī)律結(jié)果分析圖1圖3是90#汽油、30%和35%丁醇汽油在節(jié)氣門全開各種轉(zhuǎn)速下的

8、缸內(nèi)燃燒放熱速率曲線。 圖1 90#汽油放熱速率曲線 圖2 30%丁醇-汽油放熱速率曲線 圖3 35%丁醇-汽油放熱速率曲線比較以上三組曲線不難看出，丁醇-汽油燃料的放熱普遍推后并且隨著丁醇的摻混率增加而增加、隨轉(zhuǎn)速的增加推后的趨勢也增加，這便是混合燃料中的丁醇所起的作用。為了更清楚地分析三者之間的變化關(guān)系，我們將放熱的始點(diǎn)、終點(diǎn)和最大放熱速率點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計。見圖4?？梢娫诎l(fā)動機(jī)沒有作任何調(diào)整和變動的情況下?lián)接卸〈嫉娜剂先紵键c(diǎn)后移，丁醇含量越高則著火延遲越大，這是由于丁醇的蒸發(fā)潛熱比汽油大，在進(jìn)氣過程中使得缸內(nèi)溫度降低，雖然著火延遲有所增大，但對于發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)提高是十分有利的。從放熱終點(diǎn)的

9、比較看，丁醇分子鏈比汽油的平均分子鏈短，因此一旦燃燒則速率較快，圖4 放熱始點(diǎn)-峰值點(diǎn)-終點(diǎn)的統(tǒng)計規(guī)律 圖5 各種燃料的放熱峰值比較因此低速時混合燃料燃燒速率有所提高，而高速時則沒有明顯的改變，這是因為高速時燃燒速率雖比汽油快，但還是明顯跟不上轉(zhuǎn)速變化的結(jié)果。此外，從燃燒放熱速率的峰值看，混合燃料峰值都低于汽油的放熱峰值。見圖5。這是由于混合燃料著火延遲期延長，使得大部分燃料在遠(yuǎn)離上止點(diǎn)時刻燃燒而影響了最高放熱速率。根據(jù)我們對排氣溫度的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，幾種燃料燃燒排氣溫度沒有大的變化，說明雖然丁醇-汽油混合燃料的著火延遲期有所延長，燃燒速率快而在上止點(diǎn)后4060度曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)便全部燒完。2.2不同混合

10、比燃料點(diǎn)火提前角優(yōu)化后放熱規(guī)律分析因原機(jī)的點(diǎn)火提前角是根據(jù)燃用汽油而標(biāo)定，因此我們對燃用混合燃料進(jìn)行了點(diǎn)火提前角的優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后的最大峰值點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后48度曲柄轉(zhuǎn)角。一般地講，氣缸內(nèi)最高壓力點(diǎn)將比其推后45度，由此氣缸最高壓力點(diǎn)將維持在上止點(diǎn)后812度。結(jié)果使得燃燒的峰值點(diǎn)和終點(diǎn)都明顯提前于燃用汽油，尤其在低速的情況下，我們得到了更高的放熱速率。見圖6。這一點(diǎn)由鍵能力理論不難解釋3，根據(jù)C-C，C-H，C-O、O-H鍵能理論不難算出，燃燒1kg汽油所需鍵能為33.52kcal，而燃燒1kg丁醇則只需27.2kcal。此外，根據(jù)反應(yīng)速率正比于碰撞頻率和能量概率因子的觀點(diǎn)，雙分子反應(yīng)的速度常

11、數(shù)為：圖6 點(diǎn)火提前角優(yōu)化后與90#汽油放熱峰值的對比 圖7 35%混合燃料放熱速率曲線其中A反應(yīng)速度常數(shù)；方位修正因子；E分子活化能；dAB兩種分子的平均直徑，也稱有效碰撞直徑；NA、NB分別為兩種分子的數(shù)目；MAB兩種分子的修正質(zhì)量，混合燃料中丁醇的存在使得燃料平均分子直徑有一定的減小，但分子數(shù)目增長很多，則燃料與氧分子的碰撞頻率有所增加，更何況丁醇分子本身含有21.6%的氧。還有一個因素使得混合燃料燃燒的后期放熱速率很快，根據(jù)多極反應(yīng)速率與壓力的關(guān)系：其中：CA物質(zhì)A的摩爾濃度；XAA物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；n反應(yīng)級數(shù)；T溫度；R氣體常數(shù)。 35%從放熱速率圖上可以看出，整個放熱過程都比汽油要快

12、，尤其是燃燒后期。見圖7。 2.2不同混合比燃料對發(fā)動機(jī)綜合性能的影響 在此之前，我們在LU4650-1AE6機(jī)型上也做過性能測試，總體看來：丁醇-汽油的摻混率最高達(dá)到35%時，經(jīng)點(diǎn)火提前角優(yōu)化調(diào)整完全可以保證發(fā)動機(jī)的動力性不下降（見圖8），而燃油消耗率平均減少4%（圖9）、CO排放平均下降48%（圖10）、HC排放平均下降22% （圖11）。圖8 35%混合燃料時動力性沒有下降 圖9 燃用35%混合燃料時經(jīng)濟(jì)性有所改善圖10 燃用35%混合燃料時CO明顯下降 圖11 燃用35%混合燃料時HC明顯下降值得注意的是燃燒高摻混比的丁醇-汽油時NOx有所上升（圖12），并且增長幅度很大。根據(jù)我們對氣

13、缸蓋溫度的監(jiān)測以及排氣中氧含量的檢測表明：此時的缸蓋溫度較燃燒汽油時平均上升了7%，最高達(dá)到了217，而燃燒汽油時最高缸蓋溫度只有200，排氣中氧含量平均增高了63%。因此NOx的增加也就不足以為奇了。由于丁醇-汽油燃料的理論空然比要比汽油小，在我們沒有對燃油供給系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的情況下，發(fā)動機(jī)仍按汽油所需的空然比供油，因此缸內(nèi)的空然比增大了12%！加之丁醇-汽油燃燒速率快，尤其是燃燒速率后期比汽油更快，燃燒后期放熱速率的加快將使得高溫期維持更長的時間。則更加促進(jìn)了NOx的生成4。圖12 燃用35%混合燃料時NOx有所增加 圖12 燃用35%混合燃料時缸蓋溫度升高 3 結(jié)論（1）在發(fā)動機(jī)不做任何調(diào)整的情況下丁醇-汽油燃料的著火延遲期比汽油的長，并且隨摻混比的提高而延長更多；（2）丁醇-汽油一旦開始燃燒，則放熱速率比汽油快，尤其是燃燒后期；（3）燃用35%摻混率的丁醇-汽油無需