一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料

摘要

本发明属于生物燃料技术领域，特别涉及一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料。所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为10-90%。本发明利用异丁醇与汽油混合燃料作为汽油机的燃料，为生物质转化为车用替代液体燃料提供目标动力，又可降低石油等化石燃料利用过程中的污染物排放。与常规的生物乙醇燃料相比，本发明混合燃料的能量密度和燃料经济性高。

权利要求

1.一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于，所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为10-90%，其余为汽油。

2.如权利要求1所述的一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于，所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为15-30%。

3.如权利要求2所述的一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于，所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为17-23%。

4.如权利要求3所述的一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于，所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为20%。

说明书

一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料

技术领域

[0001] 本发明属于生物燃料技术领域，特别涉及一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料。

背景技术

[0002] 我国车用燃油消耗占石油消耗比例与日俱增，减少石油燃料在车用中的消耗是改变能源消费结构的重要方向，而开拓新能源和可再生能源的应用将是降低车用石油消耗的重中之重。开发和利用生物燃料是许多国家提高能源安全保障、减少温室气体排放、应对气候变化的重要措施。生物燃料是由生物体组成或转化的固体、液体或气体燃料，具有降低温室气体排放、低污染物排放、可再生等优点。这些燃料可以使用现有的发动机，不用修改发动机，或者对发动机轻微的修改。

[0003] 目前，车用替代燃料乙醇约占世界生物燃料的90％，其他替代燃料的研究也取得了许多进展，如生物柴油、甲醇、乙醇、丁醇、二甲醚、乙醚、合成天然气、费托柴油加氢、直接植物油(SVO)、加氢精制植物油(HVO)等。国内外研究和利用较多的车用替代燃料有生物柴油、生物乙醇、甲醇、酯类、醚类、合成天然气、氢气等。但上述燃料都或多或少存在问题：

[0004] 1)生物柴油具有排放低、可再生等优点，但经济性还较差，成本高是困扰生物柴油大规模推广的重要因素。植物油制取的生物柴油存在生产成本高的问题，也存在与人争粮，与粮争地的现象，目前地沟油作为生物柴油也有较大的资源优势，但目前转化技术并不成熟，且由于原料价格差距，地沟油资源流失的情况比较严重。

[0005] 2)乙醇汽油中乙醇的含量在9.0-10.5％，其混合燃料中的含氧量可达35％，从而混合燃料燃烧更加充分，但使用乙醇汽油动力性能略有下降，不过尾气排放的CO、HC等平均减少30％以上。但燃料特性方面，乙醇汽油遇到水会分层而影响使用。乙醇的碳链很短，与汽油混合的比例也不能太大。乙醇的蒸汽压低，气化潜热大，增加了发动机气阻产生的可能性。

[0006] 3)甲醇在汽油机中利用存在着一些缺点：①甲醇能溶于水中，甲醇含水量、非芳烃含量和甲醇纯度均会影响甲醇与汽油的互溶性。②在汽车燃用低甲醇汽油混合燃料，在汽车启动过程中油路中会产生较多的甲醇蒸气，造成气阻和高温起动难的现象。③甲醇对锡、铜、铝、镁、锌等金属材料都有腐蚀性，在发动机燃油供给系统中会腐蚀镀铅锡合金、铝锌镁合金及黄铜等金属而生成氢氧化物，含水甲醇还会使钢管或薄钢板件腐蚀、生锈。④醇与橡胶有一定相溶性，使汽油泵的橡胶隔膜膨润而造成气密性不好，引起油路故障，有些接头也会因垫片胀坏而漏油。⑤甲醇经过口、呼吸道和皮肤等途径均可使人急性中毒。甲醇的急性毒作用带窄，急性中毒后果严重，易造成失明或死亡。

[0007] 4)生物油在发动机应用时，由于热值偏低，不能实现充分燃烧，导致部分生物油残留在气缸壁，这些残留的燃油会对缸套、活塞环的摩擦学行为产生显著作用，从而影响发动机的润滑效率。生物油目前均为锅炉燃烧供能，作为车用燃料生物油仍然有诸多弊端。粗生物油的含水量为15％～30％、含氧量为40％～50％、热值约20MJ/kg或以下，酸性较强为2.5左右，这些理化指标成为其作为车用燃料的重要障碍。

[0008] 因此，开发新的混合燃料，解决现有混合燃料存在的各种缺陷一直是本行业技术人员的研究热点。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料。

[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

[0011] 一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为10-90％。

[0012] 优选的，所述混合燃料中，其余为汽油。

[0013] 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为15-30％。

[0014] 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为17-23％。

[0015] 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为20％。

[0016] 所述混合燃料是将异丁醇和汽油进行充分混合即得。

[0017] 丁醇是一种化学组成单一的含氧燃料，是醇类燃料的一种，由碳、氢、氧元素组成，含氧量达22％。而在丁醇中，异丁醇辛烷值最高，是理想的汽油调和组分。异丁醇除了具有甲醇、乙醇等一般醇类替代燃料的易于汽化、燃烧空燃比范围大、辛烷值高、燃烧温度低等优点，还有其他醇类不可替代的优越性能。丁醇具有以下优势：1)丁醇的低位热值达33MJ/kg以上，高于甲醇和乙醇，能量密度更接近汽油，与汽油热值非常接近；2)丁醇的挥发性是乙醇的1/6倍，汽油的1/13.5，与汽油混合对水分的要求不高，不像乙醇那样遇水而和汽油容易分层；3)丁醇腐蚀性小，亲水性弱，可利用现有汽油供应系统进行分配，而乙醇容易腐蚀管线；4)生物丁醇与汽油可进行任意比混合，无需对车辆进行改造；5)相比乙醇的2碳和甲醇的1碳，丁醇由四个碳(C4H9OH)组成，与汽油(C4～C12)比较相似，符合相似相容原理；6)丁醇辛烷值和空气燃油混合比也与汽油非常接近，比乙醇和甲醇更类似于“油”。与传统汽油和乙醇混合汽油相比，生物丁醇能提高车辆的燃油率和行驶里程。每加仑(约合4.5升)生物丁醇比传统汽油提高车辆行驶里程10％，比燃料乙醇提高30％。7)生物燃料丁醇生命周期表现为温室气体的排放的减少。

[0018] 此外，丁醇的生产原料来源非常广泛，包含农业废弃物(玉米秸秆、小麦秸秆等)，林业废弃物(木屑、林草等)，这种木质纤维素类的生物丁醇不存在与人争粮、与粮争地的情况。

[0019] 基于目前的汽油混合燃料在燃烧性能等方面存在的不足，本申请提供了一种异丁醇汽油混合燃料，并研究了混合燃料的密度、低位热值、蒸发性、运动粘度、理论空燃比、辛烷值、铜片腐蚀、含氧量等；研究了在不改变汽油机台架条件的情况下，本发明异丁醇汽油混合燃料，对发动机动力性，燃油经济性，常规排放等的影响。

[0020] 以下从混合燃料的燃烧特性、发动机燃烧排放方面说明本发明混合燃料的性能。

[0021] 1.燃烧特性

[0022] 随异丁醇加添比例增大，混合燃料燃烧特性有如下变化：密度逐渐增大，但增幅较小，不影响汽油机的使用；低位热值逐渐减小，相比甲醇和乙醇，异丁醇的热值更接近汽油；50％蒸发温度等逐渐下降，有利于缩短汽油机升温时间；运动粘度逐渐增大，可能不利于低温环境下使用；理论空燃比逐渐降低，有利于燃料燃烧完全；辛烷值逐渐升高，有助于减少汽油发动机爆燃情况产生；氧含量逐渐增大，有利于降低CO、HC等排放；无铜片腐蚀，无需对汽油储运设施进行防腐改变。

[0023] 2.发动机燃烧排放特性

[0024] 在一台四缸汽油机上直接使用本发明异丁醇汽油混合燃料，研究了负荷特性和外特性下，燃料中异丁醇含量对发动机动力性(功率、转矩)和燃油经济性(燃料消耗量、等效燃料消耗率、能量消耗率)、常规排放(CO、CO2、THC、NOx)、排烟温度等性能的影响。结果表明：随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的燃油消耗率呈增加趋势；不同转速下，发动机转矩增大过程中，燃油消耗率先呈下降趋势，在中等转矩下达到最低，然后随着转矩的继续增大燃油消耗率呈上升趋势。相比燃油消耗率，等效燃油消耗率的曲线更加靠拢，说明折算为与汽油的等效燃料后，各燃料的消耗率趋于一致。相比燃油消耗率和等效燃油消耗率，能量消耗率的曲线更加靠拢和一致，与燃油消耗率和等效燃油消耗率不一样的是，能量消耗率并没有随异丁醇含量的增加而增大，纯汽油的能量消耗率多数情况反而大于异丁醇汽油混合燃料。随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的CO排放呈降低趋势，在低转矩情况下这种趋势尤为明显。不同转速条件下，随着转矩的增加，所有燃料的CO2排放呈逐渐升高的趋势。相同转矩条件下，随着转速的升高，CO2排放整体上呈上升趋势。随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的THC排放呈降低的趋势，相同转矩条件下，随着转速的升高，THC排放整体上呈下降趋势。另外，THC的排放相比其他排放出现了大幅度的变化。随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的NOx排放呈降低的趋势，随着异丁醇的掺入比例增大，混合燃料的后燃情况就越加明显，排烟温度就越来越高。排烟温度随着转矩的增大均为逐步升高；同等负荷、同等转速条件下，随着混合燃料中异丁醇比例的增加，排烟温度相对升高。随着异丁醇添加比例的增加，外特性功率和转矩整体上有所下降，但下降幅度很小，一般在5％以内。总体上，在一定异丁醇的添加范围内，汽油机燃用异丁醇汽油混合燃料的功率和转矩与燃用纯汽油时基本相当。燃用混合燃料的燃油消耗率和等效燃油消耗率略有增加，纯汽油的能量消耗率多数情况大于异丁醇汽油混合燃料。混合燃料的CO和THC与燃用纯汽油时相比均有不同程度的降低，混合燃料的CO2和NOx排放略有下降；混合燃料辛烷值高，造成发动机后燃，使排烟温度升高。

[0025] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0026] 本发明利用异丁醇与汽油混合燃料作为汽油机的燃料，为生物质转化为车用替代液体燃料提供目标动力，又可降低石油等化石燃料利用过程中的污染物排放。与常规的生物乙醇燃料相比，本发明混合燃料的能量密度和燃料经济性高。

附图说明

[0027] 图1-3分别为低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)负荷特性下，燃油消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的图，其中I0为纯汽油。

[0028] 图4-6分别为低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)负荷特性下，等效燃油消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的图。

[0029] 图7-9分别为低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)负荷特性下，能量消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的图。

[0030] 图10-12给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)条件下CO排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。

[0031] 图13-15给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)条件下CO2排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。

[0032] 图16-18给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)条件下THC排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。

[0033] 图19-21给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)条件下NOx排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。

[0034] 图22给出了节气门全开条件下，发动机输出功率随转速变化的情况。

[0035] 图23给出了节气门全开条件下，发动机转矩随转速变化的情况。

[0036] 图24-26给出了节气门全开条件下，发动机燃油消耗率、等效燃油消耗率、能量消耗率随转速变化的情况。

[0037] 图27-30出了节气门全开条件下，发动机CO、CO2、THC、NOx随发动机转速变化的情况。

具体实施方式

[0038] 以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

[0039] 实施例1-5

[0040] 一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为分别为10％(I10)、20％(I20)、30％(I30)、40％(I40)、50％(I50)，其余为汽油。

[0041] 所述混合燃料的各项性能指标如下：

[0042] 1、燃烧特性：

[0043] 异丁醇汽油混合燃料特性数据

[0044]

[0045]

[0046] 2、发动机燃烧性能

[0047] 进行实验的整个台架由汽油机、测功机、尾气分析仪、油耗仪、测控系统、温度传感器、进气排气等部分组成。

[0048] 发动机采用GW4G15(长城汽车)多点电子控制燃油喷射、4缸汽油机，发动机主要参数如下：

[0049]

[0050] 发动机自动测控系统采用湘仪动力测试仪器有限公司FC2000测控系统，发动机油耗测量仪为湘仪动力测试仪器有限公司FC2210Z油耗测量仪，发动机尾气排放测试系统采用日本HORIBA(日本株式会社)的XEXA-7100DEGR测定。

[0051] 测定方法

[0052] 试验前先燃料稳定运行约30min，待机油温度和水温均超过85℃停机，排除油路中的残留异丁醇汽油。把异丁醇汽油混合燃料接入油耗仪的进油口，然后对发动机的油路进行排气，发动机起动后使应在怠速条件下运行30min左右，燃后把发动机工况调节到需要测量的点进行试验。更换燃料后，重复试验步骤。每个油样需做三次，测得的动力、经济和排放数据取算数平均值。

[0053] (1)负荷特性

[0054] 利用测功机操作面板的n/P模式调节发动机转速分别稳定在2000r/min(低转速)、3000r/min(中转速)、4000r/min(高转速)，然后在n/M模式下，通过调节旋钮，逐渐增大转矩值，依次相对较均匀地设定转矩值为20N·m、30N·m、40N·m、50N·m、60N·m、70N·m、80N·m、90N·m、100N·m，每个状态稳定后记录此时的燃料消耗率(g/kWh)和功率(kW)，常规排放(CO、CO2、THC、NOx)。在每次改变转速和转矩后，系统都需要一定的时间达到稳定的状态。更换燃料后，需使发动机运转足够长时间以耗尽残留在燃油系统中的前一种燃料。

[0055] (2)外特性

[0056] 利用测功机操作面板调节发动机节气门开度稳定为100％。调节旋钮，使发动机转速以等差500r/min依次递增，本试验中从1500r/min开始增加，直至5000r/min。转速每增大500r/min，状态稳定后记录此时的燃料消耗率(g/kWh)、功率(kW)和转矩(N·m)，常规排放(CO、CO2、THC、NOx)。以此研究发动机的转矩、功率、油耗率、排放随发动机转速而变化的规律。在每次改变转速后，系统都需要一定的时间达到稳定的状态。

[0057] 测定结果：

[0058] 一、负荷特性

[0059] 1.燃油经济性

[0060] (1)燃油消耗率负荷特性

[0061] 图1-3给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)负荷特性下，燃油消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的图。从中可知：(1)随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的燃油消耗率呈增加趋势。与使用汽油相比，在转速为2000r/min，使用I10～I50的燃油消耗率平均增加约1.5％、4.4％、8.3％、10.8％和18.8％；在转速为3000r/min，使用I10～I50的燃油消耗率平均增加约0.6％、2.6％、7.9％、8.7％和16.0％；在转速为4000r/min，使用I10～I50的燃油消耗率平均增加约2.1％、3.3％、7.2％、11.2％和18.1％。这是由于异丁醇的低位热值小于汽油，异丁醇汽油混合燃料的低位热值随着燃料中异丁醇含量的增加而减小。但I10～I50的低位热值比纯汽油平均降低约2.5％、4.5％、8.3％、11.3％和12.8％。除了I50外，其他燃料的油耗消耗率增加的幅度比热值下降的幅度都要小，这是由于添加合适比例的异丁醇，能够使燃料更加充分地燃烧，燃烧效率提高，输出同样功率消耗燃料减少。过多地添加异丁醇燃烧效率有所下降。整体上燃油消耗率随异丁醇含量的增加而逐渐增加。(2)同一转速下，发动机转矩增大过程中，燃油消耗率先呈下降趋势，在中等转矩下达到最低，然后随着转矩的继续增大燃油消耗率呈上升趋势。(3)燃油经济性转矩在70N·m转矩左右出现最低值，此时燃油经济性较好。

[0062] (2)等效燃油消耗率负荷特性

[0063] 为了说明燃料成分对发动机经济性的影响，按照等热值原理，根据燃料的密度和低位热值将实测的有效燃油消耗率(BSFC)转换为等效油耗值：

[0064]

[0065] 式中，BSFC1为实际有效燃油消耗率，g/kWh；

[0066] BSFC2为等效有效燃油消耗率，g/kWh；

[0067] Vg(Vi)为汽油(异丁醇)体积分数，％vol；

[0068] QHLV,g(QHLV,b)为汽油(异丁醇)低位热值，MJ/g；

[0069] ρg(ρb)为汽油(异丁醇)20℃密度，kg/L。

[0070] 图4-6给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)负荷特性下，等效燃油消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。从图中可以看出，同等转速和转矩条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的等效燃油消耗率也逐渐增加，变化趋势与燃油消耗率相似。等效燃油消耗率能更好地体现燃油经济性，相比燃油消耗率，等效燃油消耗率的曲线更加靠拢，在一些工况点，混合燃料的等效燃油消耗率与汽油几乎重合，说明折算为与汽油的等效燃料后，各燃料的消耗率趋于一致。

[0071] (3)能量消耗率负荷特性

[0072] 异丁醇的热值低于汽油的热值，异丁醇汽油混合燃料的热值也就低于汽油的热值。仅仅用燃油消耗率的概念来比较混合燃料与汽油的燃油经济性并不完全科学。能量消耗率将提高发动机燃用混合燃料时燃料消耗的可比性，其计算式为：

[0073] BSEC＝BSFC×QHLV,mix

[0074] 式中，BSEC为能量消耗率，MJ/kWh；

[0075] BSFC为燃油消耗率，g/kWh；

[0076] QHLV,mix为混合燃料的低位热值，MJ/g。

[0077] 图7-9给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)，能量消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。从图7-9中可以看出，同等转速下，随着转矩的增大，能量消耗率逐渐降低。但相比燃油消耗率和等效燃油消耗率，能量消耗率的曲线更加靠拢和一致，与燃油消耗率和等效燃油消耗率不一样的是，能量消耗率并没有随异丁醇含量的增加而增大，相反，纯汽油的能量消耗率多数情况大于异丁醇汽油混合燃料。说明含有异丁醇的燃料的燃烧更为充分，作为含氧燃料，异丁醇的添加能够扩大混合气的着火界限，促进燃料充分燃烧，从而提高燃烧热效率和能量利用率。

[0078] 由图7-9还可以看出，混合燃料都表现出较好的能量利用先进性。说明适量地掺烧异丁醇能够使汽油更加合理地利用，过多地掺入会减低能量利用率。能量消耗率相比燃油消耗率、等效燃油消耗率更好地体现了燃料燃烧的效率性。

[0079] 2、排放性

[0080] (1)CO排放负荷特性

[0081] 图10-12给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)条件下CO排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。

[0082] 从图10-12中可以看出，在相同转速和相同转矩条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的CO排放呈降低趋势，在低转矩情况下这种趋势尤为明显。与使用纯汽油相比，在转速为2000r/min、3000r/min和4000r/min，转矩为20N·m时，使用I50的CO排放分别减低了约82％，88％和81％。这是由于异丁醇汽油混合燃料I50中氧含量较高(11.21％)，其可以使燃料燃烧更充分，从而使CO排放降低。CO是燃料中的碳氢化合物在燃烧过程中产生的，而燃料中的氧含量对CO排放量影响较大。异丁醇汽油的使用有利于降低汽油机的CO排放。另外，同一转速条件下，随着转矩的增大，燃料的CO排放均为先降低后在高转矩时升高，这是由于随着转矩的增大，供油量增加引起燃烧不完全造成的。

[0083] (2)CO2排放负荷特性

[0084] 图13-15给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)条件下CO2排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。

[0085] 从图13-15中可以看出，在相同转速和相同转矩条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的CO2排放呈降低趋势。与使用纯汽油相比，在转速为2000r/min、转矩为80N·m的I50，转速为3000r/min、转矩为40N·m的I50，和转速为4000r/min、转矩为60N·m的I50，CO2排放分别减低了约14％，11％和11％。这是由于异丁醇汽油混合燃料异丁醇的碳含量较低(64.9％)，混合燃料燃烧过程产生的CO2相对较少，从而使CO2排放降低。这样的结果在甲醇汽油中也有类似的表现。异丁醇汽油的使用也有利于降低汽油机的CO2排放。
另外，同一转速条件下，随着转矩的增大，所有燃料的CO2排放呈逐渐升高的趋势，这是由于转矩越大、消耗的燃料越多造成的。

[0086] (3)THC排放负荷特性

[0087] 图16-18给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)条件下THC排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。

[0088] 从图16-18中可以看出，在相同转速和相同转矩条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的THC排放呈降低的趋势。与使用纯汽油相比，在转速为2000r/min、转矩为90N·m的I50，转速为3000r/min、转矩为80N·m的I50，和转速为4000r/min、转矩为70N·m的I50，THC排放分别减低了约76％，98％和99％。异丁醇的掺入使燃料都能够更加充分地燃烧进而减少了THC的排放。另外，同一转速条件下，随着转矩的增大，燃料的THC排放均为先降低后在高转矩时升高，这是由于随着转矩的增大，供油量增加引起燃烧不完全造成的。

[0089] (4)NOx排放负荷特性

[0090] 图19-21给出了在低转速(2000r/min)、中转速(3000r/min)、高转速(4000r/min)条件下NOx排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。

[0091] 从图19-21中可以看出，在相同转速和相同转矩条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的NOx排放呈降低的趋势。与使用纯汽油相比，在转速为2000r/min、转矩为80N·m的I50，转速为3000r/min、转矩为90N·m的I50，和转速为4000r/min、转矩为60N·m的I50，NOx排放分别减低了约82％，69％和69％。异丁醇的掺入有利于NOx排放降低。

[0092] 二、外特性

[0093] 1、动力性

[0094] 图22给出了节气门全开条件下，发动机输出功率随转速变化的情况。从图22中可以看出，燃用异丁醇汽油混合燃料与纯汽油相比，其外特性功率变化趋势相同，随着转速的升高，输出功率逐渐升高。随着异丁醇添加比例的增加，外特性功率整体上有所下降，但下降幅度很小，一般在5％以内，最大降幅为21％(I50，3 000r/min)。不过混合燃料I10的外特性功率基本与纯汽油一样，部分转速条件下还高于纯汽油的输出功率3.3％(I10，5000r/min)，显示出了较好动力性。

[0095] 图23给出了节气门全开条件下，发动机转矩随转速变化的情况。从图23中可以看出，燃用异丁醇汽油混合燃料与纯汽油相比，其外特性转矩变化趋势相同，随着转速的升高，转矩整体升高，在转速3 000r/min时有一个下降，随后又上升。这是由于在该转速下发动机输出功率有了一定的下降。随着异丁醇添加比例的增加，转矩整体上有所下降，其中，I50的转矩下降比较明显，在转速3 000r/min时的最大降幅为22％；但合适的异丁醇添加比例下降幅度较小，例如，I10的外特性转矩基本与纯汽油一样，多数转速条件下还高于纯汽油的转矩，I10比纯汽油的转矩平均高出比例为1％，显示出了较好的动力性。

[0096] 2、燃油经济性

[0097] 图24-26给出了节气门全开条件下，发动机燃油消耗率、等效燃油消耗率、能量消耗率随转速变化的情况。

[0098] 从图24中可以看出，燃用异丁醇汽油混合燃料与纯汽油相比，其外特性燃油消耗率变化趋势基本相同，随着转速的升高，燃油消耗率整体升高。随着异丁醇添加比例的增加，外特性燃油消耗率整体上有所增大，这是由于异丁醇的热值低于汽油，密度却高于汽油(异丁醇密度为0.736kg/L 0.803kg/L，汽油密度为)，使得同样做功量下，异丁醇混合燃料的消耗量大，并且随着异丁醇比例的增大而燃料消耗增大。从图中还可以看出，I10在低转速(1500～2500r/min)情况下，燃油消耗率小于汽油，这是由于低转速情况下输出功率不大，发动机对燃料热值的要求相对不高，而添加小比例的含氧的异丁醇热值下降不大，并且能够使混合燃料充分燃烧。

[0099] 从图25中可以看出，同等转速和转矩条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的等效燃油消耗率也逐渐增加，变化趋势与燃油消耗率相似。随着转速的升高，等效燃油消耗率整体升高，变化趋势与燃油消耗率相似。但相比外特性燃油消耗率，外特性等效燃油消耗率的曲线更加靠拢，说明折算为与汽油的等效燃料后，各燃料的消耗率趋于一致，减少了由于燃料热值和密度不同而造成的燃油消耗差别。随着异丁醇添加比例的增加，I20的平均等效燃油消耗率下降约1.2％；其他混合燃料的等效燃油消耗率均有增加，其中I10平均等效燃油消耗率增加幅度为2.6％；I40增大降幅最大，平均增加幅度为3.6％。

[0100] 从图26中可以看出，能量消耗率的变化趋势与燃油消耗率和等效燃油消耗率相似，与前两者不一样的是，各燃料的能量消耗率的曲线更进一步的靠拢，含有异丁醇的混合燃料的能量消耗率在更多的工况点是小于汽油的，表明汽油机燃烧含有异丁醇的燃料能够提高能源利用率。5种异丁醇汽油混合燃料中除了I10外，其他混合燃料的外特性能量消耗率都表现较好。I20、I30、I40和I50的平均能量消耗率分别下降约2.2％、4.3％、1.1％和1.6％。

[0101] 3、排放性

[0102] 图27-30出了节气门全开条件下，发动机CO、CO2、THC、NOx随发动机转速变化的情况。

[0103] 从图27中可以看出，随着转速的提高，各燃料燃烧的CO排放变化趋势相似；在相同转速条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的CO排放呈现降低趋势。异丁醇汽油混合燃料中的含氧量使得燃料更加充分地燃烧，从而减少了CO排放。与使用纯汽油相比，I10、I20、I30、I40和I50的平均CO排放分别下降约30.2％、34.6％、61.9％、61.4％和79.0％。外特性条件下，异丁醇汽油混合燃料中含氧量对CO排放量影响较大，异丁醇汽油的使用有利于降低汽油机的CO排放。

[0104] 从图28中可以看出，随着转速的提高，各燃料燃烧的CO2排放变化趋势一致；在相同转速条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的CO2排放略有下降趋势。原因为异丁醇的含碳量比汽油低，根据碳原子守恒，燃烧过程中CO2的排放也较低。对比CO排放可以看出，在CO排放增加的工况点，CO2排放往往是降低的，反之，在CO排放降低的工况点，CO2排放往往是增加的。说明燃料中碳的含量是固定的，碳燃烧后主要以CO2和CO的形式排放，两者的排放此消彼长。

[0105] 从图29中可以看出，随着转速的提高，各燃料燃烧的THC排放呈现出先增加后减低；在相同转速条件下，随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的THC排放逐渐降低。未完全燃烧的碳氢主要由氧气浓度的过大或过小引起的，异丁醇汽油混合燃料I10～I50中含氧量为2.32％～11.21％，这使得燃料能够更加充分地燃烧，表明异丁醇汽油的使用有利于降低汽油机的THC排放。

[0106] 从图30中可以看出，随着转速的提高，各燃料燃烧的NOx排放变化趋势一致。(1)随着燃料中异丁醇含量的增加，NOx排放降低。NOx排放的形成原因主要是高温，由于异丁醇的添加，使燃料的热值下降，同时异丁醇气化潜热较大，相对吸收了缸内热量较多，异丁醇辛烷值也高而产生后燃，气缸内温度偏低，NOx排放降低。(2)同一种混合燃料，随着转速的提高，NOx排放整体上呈降低趋势，但中速升高。这是因为，一方面，异丁醇汽油混合燃料的理论空燃比要比汽油小，在燃油供给系统不做调整的情况下，发动机仍按汽油所需的空燃比供油，因此缸内的空燃比会增大，中速燃烧充分，燃烧温度高，NOx排放会升高。

[0107] 发动机外特性的评价指标见下表

[0108]

[0109]

[0110] 在分析异丁醇汽油混合燃料的台架试验过程中，综合考虑了混合燃料的功率、转矩、燃料消耗量、等效燃料消耗率、能量消耗率、CO、CO2、THC、NOx等指标，依据模糊数学决策法对数据进行分析，可知异丁醇汽油混合燃料的台架试验综合性能能评价结果，本发明混合燃料能够体现出较好的性能优势。其中特别以I20混合燃料的燃烧性能最为明显。

[0111] 与使用纯汽油相比，I10、I20、I30、I40和I50的平均CO排放分别下降约30.2％、34.6％、61.9％、61.4％和79.0％。