乙醇汽油E85在中低负荷排放特性及燃油消耗率的研究

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摘?要 乙醇汽油e85由85%的乙醇和15%的汽油混合而成，它的价格与性能与常规汽油相似。本实验中，发动机节气门开度、点火提前角、空燃比等参数没有进行调整。通过对发动机排气管（未经过三元催化反应装置）中气体进行分析来研究发动机在使用E85和普通汽油时的排放特性，并比较了使用两种燃料时燃油消耗率及热效率的差异。由于一般汽车主要在中低负荷工作，因此本实验主要考察发动机在中低负荷时的排放特性。实验结果表明，使用E85后，发动机的CO、NOx、HC排放都显著减少，并且发动机的热效率也有所提高。唯一的不足在于，由于乙醇的低热值较低，对于同样的续航里程需要更大容积的油箱。

关键词 乙醇汽油E85；发动机排放特性；燃油消耗率

中图分类号 U473 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)071-0129-01

汽车尾气中有害气体对于人类社会的影响甚至已经超过了化石能源短缺的影响。实验表明，燃料的成分以及燃烧过程中的温度对于有害气体的形成具有重要影响。乙醇由于其本身具有氧元素，因此能减小不完全燃烧的程度。此外，由于乙醇具有较大的气化潜热，能有效减少氮氧化物的产生。不仅如此，乙醇作为燃料还具有高辛烷值、可再生等特性。在世界各地，乙醇汽油被逐步推广使用。其中在美国乙醇汽油E85被广泛使用。本文研究了使用E85的发动机排放特性，与使用正常汽油的实验进行比较，然后分析了E85具有更好的排放特性的内在机理。

1 试验仪器与方案

本试验采用一台美国通用公司的Quad-4直列、四缸、16气门发动机。排量为2260 cc，压缩比9.5:1，最大功率112 kW

（5200 rpm）。使用传感器和Labview软件来记录转速、压强以及相位角。其他主要设备有Thermo Scientific牌气体分析仪、液压自动测矩器。通过测矩器控制扭矩，再通过Labview软件和控制节气门的开度来调节转速，并使用气体分析仪记录各种废气的体积分数。分别对普通汽油和乙醇汽油E85进行同样的实验，转速选为

3000r/min，测量在不同扭矩下的排放。

2 实验结果与分析

2.1 CO排放

CO是由于可燃混合气体不完全燃烧而引起的，使用汽油的发动机在中低负荷的范围内随着发动机发出的有效功率的增加，CO的排放减小，这是因为温度更高，所以更多的CO在产生以后会在燃烧室内被氧化。而使用E85的发动机排放的CO则基本在一个小范围内波动，这是因为负荷增加，可燃混合器的浓度增加，由于乙醇的气化潜热使气缸温度产生下降的趋势，所以抑制了CO的氧化，因此CO基本不变。同时可以看到，使用E85产生的CO远远低于使用普通汽油而产生的CO。CO排放减少高达79.3%至84.2%。原因在于乙醇的分子中含有羟基，也就是说含有氧原子，这样使得实际的过量空气系数增大，从而使CO有更多的机会被氧化，通常这种作用大于由于乙醇气化潜热引起温度降低而产生的影响。由于E85中乙醇的含量占85%，因此实验中CO的减少量非常可观。

2.2 HC排放

HC同样是由于可燃混合气体不完全燃烧而引起的，从图1中可以看出，HC排放和CO排放具有相似的趋势，这是因为它们都是因为燃烧不完全而引起的，并且都因为氧的增加以及温度的增加而使得被氧化的量增加。同样的，使用E85产生的HC远远低于使用普通汽油而产生的CO。HC排放减少高达78.7%至88.9%。

图1 两种燃料HC排放对比（n=3000 r/min）

2.3 NOx排放

根据NOx形成的机理，有两个因素影响其形成，一是燃烧过程中最高温度以及保持在高温的时间，二是过量空气系数，一般比理想空燃比的可燃混合气稍微稀薄的混合气有利于NOx的形成。因此随着负荷的增加，缸内最高温度增加，NOx的产生增加。这种趋势在使用普通汽油和E85乙醇汽油时都得到了体现。与前面结果相同的是，使用E85乙醇汽油后NOx排放显著减少。CO排放减少高达84.3%至86.5%。引起这个的原因与引起CO和HC减少的原因不同，此处是因为乙醇的挥发吸收大量热量，从而降低了气缸的温度，从而使NOx明显减少。当然，乙醇分子中的氧会使NOx增加，但这个因素与乙醇挥发引起温度降低相比是次要的。

2.4 有效燃油消耗率和热效率

由于乙醇的低热值约为27 MJ，小于汽油的42 MJ，因此使用E85燃料以后发动机的有效燃油消耗率显著增加，这样对于相同的续航里程所需要的油箱的体积增加，这是使用乙醇汽油的一大

缺点。

但是，使用E85却能够获得更高的热效率。燃料能够更加充分地燃烧，因此效率提高。如图2所示，使用E85后发动机的热效率提高了3%至8%。

3 结论

1）使用E85乙醇汽油能够显著降低CO和HC的排放，这是因为乙醇分子中含有氧原子，因此使得更多由于可燃混合气混合不

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均匀而不完全燃烧产生的CO和HC被氧化。由于乙醇的气化潜热较大，这样使得即使发动机的负荷增加，气缸内温度增加也不显著。这样导致了CO和HC的排放在使用E85时没有随着负荷的增加而显著减少。

图2 两种燃料热效率对比（n=3000r/min）

2）虽然NOx的产生需要过量的氧气，但是使用E85并不会导致NOx排放增加。这是因为乙醇挥发使温度降低，而高温则是NOx产生的另一重要条件。其中在本次试验中，温度的影响大于氧成分增加的影响，因此E85所造成的NOx排放同样远远小于普通汽油的NOx排放。

3）很明显使用E85能够显著地减少HC、CO、NOx的排放，但是同时有限燃油消耗率也有所增加，这主要是因为乙醇的低热值较低。因此，使用E85将需要更大的油箱，这是使用E85的一大缺点。即便如此，使用E85后热效率可以提高3%至8%。总之，乙醇汽油由于其良好的排放特性以及可再生性，必将在未来发挥更大的作用。

参考文献

[1]Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988.

[2]谭满志,郭英男,刘金山等.化油器发动机燃用不同比例乙醇汽油的性能和排放测试[J].吉林大学学报(工学版),2005,35(1):24-28.