乙醇燃料对内燃机经济性的影响

收稿日期： ２００８－ ０５－ ２０ 作者简介： 石社轩（ １９６８—） ， 男 ， 河南洛阳人， 讲师、工程师， 主要研究从事内燃机动力及代用燃料研究。
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逐渐低于纯石油燃料的价格， 乙醇燃料的经济性会进一步体 现出来。
我国没有应用乙醇含量更高的高掺混比的乙醇混合燃料， 有研究证实， 乙 醇 含 量 ２０％以 上 的 乙 醇 汽 油 具 有 更 高 的 经 济 性 。 美 国 能 源 部 和 美 国 乙 醇 联 盟（ ＡＣＥ） 于 ２００７ 年 １２ 月 初 宣 布， 通过研究发现， 中等混合范围的乙醇混合物， 即乙醇量大 于 １０％（ Ｅ１０） 、但 小 于 ８５％（ Ｅ８５） ， 则 在 某 些 情 况 下 ， 其 燃 料 经 济性优于普通的无铅汽油。
乙醇燃料是乙醇和汽油或乙醇和柴油混合而成的新型燃 料， 乙醇柴油的应用正在实验研究阶段， 乙醇汽油虽已经在我 国推广， 围绕乙醇燃料的争论仍在进行中。乙醇作为一种优质 的代 用 燃 料 ， 对 提 高 内 燃 机 的 燃 料 经 济 性 、降 低 内 燃 机 维 护 成 本具有不可替代的作用。
表 １ 燃料性能比较
４００ ３７５ ３５０ ３２５ ３００ ２７５ ２５０ ２２５
２５％
Ｄｉｅｓｅｌ Ｅ５－ Ｄ Ｅ１０－ Ｄ Ｅ１５－ Ｄ Ｅ２０－ Ｄ Ｅ１５－ Ｄ＋ＣＮｉｍｐｒｏｖｅｒ
ｎ＝２２００ｒ／ｍｉｎ
５０％ ７５％ ９０％ １００％
Ｄｉｅｓｅｌ
３００
Ｅ５－ Ｄ
Ｅ１０－ Ｄ
Ｅ１５－ Ｄ
２７５
Ｅ２０－ Ｄ
Ｅ１５－ Ｄ＋ＣＮｉｍｐｒｏｖｅｒ
２ 乙醇燃料可消除碳烟， 减少故障率及修理成本
科学实验表明， 只要气 门 积 炭 超 过 １００ｍｇ 就 会 引 起 故 障 ：
破坏气门的密封性， 导致气门关闭不严， 致使气门烧坏。积炭
能恶化驾驶性能， 增加尾气排放， 导致发动机动力丧失， 还会
吸附雾化状的燃油破坏油气混合比。积炭若落入曲轴箱内， 通
在乙醇燃料中， 由于乙醇的加入提高了燃料的含氧量， 使 油品含氧量达 ３．５ ％， 使燃料和氧的混合更均匀， 助燃效果好， 可将普通燃油中不能燃烧的部分充分燃烧， 燃料缺氧裂解的 概率变小， 燃料燃烧充分， 减少了碳烟的生成； 图 ４ 中显示了 分隔式燃烧室发动机使用乙醇柴油燃料和纯柴油的烟度对比 值。直喷 式 柴 油 机 使 用 Ｅ１０ 柴 油 可 以 是 发 动 机 中 高 负 荷 时 的 烟度下降 ５０％左右。另一方面， 乙醇是一种良好的有机溶剂， 稀 释 被 活 塞 泵 入 燃 烧 室 的 机 油 。进 一 步 减 少 碳 烟 生 成 数 量 。对 比使用乙醇汽的发动机的燃烧室内和使用纯汽油的燃烧室， 前者的积碳少得多。积碳减少， 故障率会下降， 减少了维修成 本， 提高内运行经济性。
过润滑 的 循 环 ， 还 会 引 起 活 塞 环 卡 死 、气 缸 曲 轴 箱 的 磨 损 甚 至
擦伤等故障。
４．０
烟度 ／ 波许单位
３．５
Ｅ０
３．０ Ｅ１０
２．５ Ｅ２０
２．０
１．５
１．０
０．５
０
２５
５０
７５
１００
负 荷 率 ／％
图 ４ 乙醇柴油烟度
碳烟是发动机燃烧过程中产生的， 主要有几种途径： 一是
燃料种类 相对分子质量 液 态 密 度 （ｋｇ／Ｌ） 沸点（ ℃） 自然温度（ ℃） 闪点（ ℃） 燃料低热值（ ＭＪ／ｋｇ） 汽化潜热（ ｋＪ／ｋｇ） 辛烷值 ＲＯＮ
辛烷值 ＭＯＮ
汽油 １１４ ０．７～０．７５ ３０～２００ ２２０～２６０ － ４５ ４３．５ ３１０ ９０～１０６ ８１～８９
轻柴油 １７０ ０．８２～０．８８ １７５～３６０ ２００～２２０ ５０～６５ ４２．５ ２７０
氮 氧 化 物 排 放 标 志 发 动 机 的 热 负 荷 ， 应 用 Ｅ１０ 乙 醇 汽 油 的发动机的氮氧化物减 少 １０％左 右 ， 柴 油 机 应 用 Ｅ１０ 乙 醇 柴 油 时 ， 氮 氧 化 物 下 降 ２０％～３０％。 可 以 看 出 ， 乙 醇 燃 料 具 有 较 明显的减低发动机热负荷的效果。
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Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．８， ２００８
参考文献： ［１］ 杜志良， 等． 车用乙醇实验研究［Ｊ］． 内燃机设计， ２００３， （１）： １１－ １６． ［２］ 夏淑民， 等． 涡流室柴油机 燃 用 乙 醇 柴 油 的 实 验 研 究［Ｊ］． 拖 拉 机 与
４ 乙醇代替燃油添加剂， 可降低内燃机维护成本， 提 高经济性
燃 油 添 加 剂 如 ＤＭＣ、ＭＢＴＥ 等 ， 主 要 做 用 是 增 加 燃 油 中 的 氧含量、提高汽油的辛烷值、减少和清除发动机燃烧室的积 炭， 改善在用内燃机发动机的动力性能和经济性能。再用内燃 机每年会投入一定量的资金在所有添加剂中， 乙醇是最经济 且功能齐全的添加剂之一。内燃机使用乙醇燃料， 节约了购置 添加剂的费用， 减低运行成本， 提高了经济性。
２５０
ｎ＝２２００ｒ／ｍｉｎ
２２５
２５％ ５０％ ７５％ ９０％ １００％
图 ２ 乙醇柴油与纯柴油的燃油消耗率
单纯从燃油使用量上计算， 乙醇汽油的使用量上升。考虑 到乙醇本身的热值低于汽油和柴油的热值， 发动机以同等放 热量的乙醇燃料和纯石油燃料比较， 乙醇燃料的热效率要高。 图 ３ 是乙醇柴油与纯柴油有效能消耗率比较。可以看出， 以相 同放热量比较的乙醇燃料的热效率高于纯石油燃料。
１１
９
７
２５
５０
７５
１００
负 荷 率 ／％
图 ３ 乙醇柴油与纯柴油有效能消耗率比较
北达科塔大学能源与环境研究中心为内燃机研究会做出 研 究 ， 采 用 ４ 种 ２００７ 年 型 号 的 内 燃 机 ： 丰 田 Ｃａｍｒｙ、福 特 Ｆｕ－ ｓｉｏｎ 和 两 款 Ｃｈｅｖｒｏｌｅｔ Ｉｍｐａｌａｓ。 使 用 环 保 局（ ＥＰＡ） 高 速 公 路 燃 料 经 济 性 试 验（ＨＷＦＥＴ）的 研 究 ， 试 验 了 乙 醇 － 汽 油 调 合 范 围 ： 从纯的第二档汽油至含乙醇 ８５％的汽油。对于丰田和福特车， Ｅ３０ 的 燃 料 经 济 性 优 于 汽 油 ， 高 出 １％； 对 于 灵 活 燃 料 Ｃｈｅｖｒｏ－ ｌｅｔ 车 ， Ｅ２０ 的 燃 料 经 济 性 优 于 汽 油 ， 高 出 １５％； 对 于 非 灵 活 燃 料 Ｃｈｅｖｒｏｌｅｔ 车， 采用 Ｅ４０ 有较大改进［４］。
乙醇的热值是 ２６．７７ ＭＪ／ｋｇ，是 燃 油 的 ６４ ％左 右， 乙 醇 燃 料 的热值低于普通燃油的热值， 其热值只相当于普通汽油的 ９３． ５ ％ 。在夏季使用乙醇汽油会使发动机的最高燃烧温度略 有下降， 发动机热负荷比使用纯汽油降低， 减少夏季发动机舱 的温度， 减少因发动机舱温度过高造成的冷却系统能力下降、 润滑油过度氧化和制动系统液体高温气化的倾向。
３ 降低发动机的热负荷， 降低内燃机的故障率
夏季由于气温高， 冷却系统的散热效率会降低， 发动机的 热负荷较高， 造成发动机的充气效率下降， 爆燃和早燃容易发 生 ， 故 障 率 提 高 。 实 验 得 知 ： 气 温 为 ３２～３５ ℃时 ， 发 动 机 的 最 大功率仅为该转速下的 ３４％～４８％。
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乙醇燃料对内燃机经济性的影响
石社轩 ， 王中雅 （河南工业职业技术学院， 河南 南阳 ４７３００９ ）
摘要： 乙醇燃料能够提高内燃机的热效率， 降低碳烟的生成和排放， 降低热负荷， 降低维护费用， 因而能够降低运行成本， 提高内燃机 的经济性。 关键词： 乙醇燃料； 内燃机； 经济性指标
内燃机燃料的经济性取决于燃料的消耗量和燃料的价格 两方面， 乙醇主要靠国内生产， 生产原料已经从小麦和玉米逐 渐改为秸秆， 生产成本已在降低。以小麦为原料生产燃油乙醇 的 成 本 超 过 ５０００ 元 ／ｔ ， 以 玉 米 和 陈 化 小 麦 为 原 料 的 成 本 为 ４４００～４５００ 元 ／ｔ ， 以甘蔗和鲜木薯为原料的成本 约 为 ３３００ 元 ／ｔ ， 以甜高粱为原料的成本约为 ２６００ 元 ／ｔ。而以秸秆为原料生 产 出 来 的 燃 乙 醇 的 成 本 为 ４１００～４２００ 元 ／ｔ 。 可 以 预 见 ， 随 着 原油价格的变化和乙醇生产成本的降低， 乙醇燃油的价格会
图 １ 汽油机速度特性曲线
１ 乙醇燃料热效率高于普通燃油
乙 醇 汽 油 是 乙 醇 和 汽 油 的 混 合 物 ， 乙 醇 、汽 油 以 及 轻 柴 油 的 指 标 见 表 １。 我 国 目 前 应 用 的 内 燃 机 燃 料 是 １０％的 乙 醇 和 汽 油 混 合 而 得 到 的 Ｅ１０ 汽 油 ， 图 １ 是 化 油 器 式 汽 油 机 燃 用 Ｅ１０ 乙 醇 汽 油 和 纯 汽 油 对 比 实 验 的 速 度 特 性 线 图 ［１］。 可 以 看 出， 乙醇汽油 的 有 效 燃 油 耗 率 上 升 约 １０％， 动 力 性 能 基 本 未 变 化 。电 控 燃 油 喷 射 系 统 的 发 动 机 在 不 进 行 任 何 调 整 的 情 况 下 ， 使 用 Ｅ１０ 汽 油 代 替 纯 汽 油 ， 内 燃 机 的 动 力 性 能 下 降 ６％， 燃 油 耗 率 上 升 １０％［２］， 调 整 发 动 机 的 点 火 提 前 角 ， 燃 烧 乙 醇 燃 料 的 发动机的燃油耗率比燃烧纯汽油上升 ５％左右。不同掺混比的 乙醇柴油应用于柴油机上， 发动机的输出的最大功率有所下 降， 有效燃油耗率上升 ５％～１０％（ 见图 ２） 。
在当前和今后相当长的一段时期， 内燃机燃料仍将以石 油产品为主， 随着世界石油价格的逐步攀升， 我国多次调整了 石油产品的零售价格。燃油费用的支出在内燃机运行成本总 的比例越来越大。从统计上看， 内燃机燃油油耗占运输成本的 ２０％ 以 上 ， 内 燃 机 维 修 费 用 占 内 燃 机 运 行 支 出 的 １０％左 右，提 高内燃机的燃油经济性， 降低内燃机维修费用，对提高运输业 的经济效益具有重要的意义。