工程科学与技术，国际期刊20（2017）528完整文章支化高质量C3醇（异丙醇）混合燃料中型MPFI SI发动机Harish Sivasubramaniana，Yashwanth Kutti Pochareddya，Gopinath Dhamodaranb，Ganapathy Sundaram EsakkimuthucaVelammal工程学院机械工程系，Chennai 600 066，印度b印度钦奈600 123，Panimetri理工学院机械工程系cVelammal工程学院汽车工程系，Chennai 600 066，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年9月26日收到2016年11月5日修订2016年11月11日接受2016年12月9日关键词：异丙醇排放性能含氧醇高级醇A B S T R A C T随着人们对汽车造成的环境污染的日益关注，含氧生物燃料（也称为含氧化合物）正在进行非常严格的研究。在这篇文章中，我们已经检查了使用异丙醇/汽油混合燃料，作为燃料在4将异丙醇与无铅汽油以10、20和30体积%的比例混合（IPA 10、IPA 20和IPA 30）。结果表明，在火花点火发动机中使用异丙醇/汽油混合燃料，可提高发动机的制动热效率，降低一氧化碳当点火正时延迟2度时，发现异丙醇/汽油混合物比原始点火正时时排放更低的NOx排放异丙醇共混物也增加了缸内压力值和热释放速率值。©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍多年来，能源和大气污染相关问题一直受到高度重视[1]，特别是汽车行业，因为其主要的能源消耗（就化石燃料而言）和污染。化石燃料的消耗和环境污染相关的问题导致了对替代品的研究[2]。生物柴油被提议作为柴油的替代品，而含氧化合物如甲醇、乙醇等被提议作为汽油的替代品，以解决化石燃料耗尽和污染相关问题[2在汽油的各种替代品中，对其中一些进行了如下审查和讨论：Agarwal等人[6]在四缸发动机中测试甲醇/汽油混合物时发现，使用甲醇替代汽油混合物，BTE、NO和CO排放得到改善，HC排放略有不规则。Liu等人[7]传导发射*通讯作者。电子邮件地址：harishsivasubramanian@gmail.com（H.Sivasubramanian）、yashwanthkutti2008@gmail.com、yashwanthpochareddy@gmail.com（Y.K.Pochar-eddy），gmail.com（G.Dhamodaran），ganapathy_sundar@yahoo.com（G.S.Esakkimuthu）。由Karabuk大学负责进行同行审查在以甲醇/汽油混合物为燃料的三缸SI发动机上进行的试验中，观察到当发动机配备有三效催化重整器时，CO和HC排放的减少比没有它时更大。[7]还观察到燃烧开始提前，BTE增加，随着混合物中甲醇含量的增加。Schifter等人[8]使用乙醇混合物测试了恒定质量燃料速率，发现HC和CO排放量减少，但NOx排放量增加还检查了K，并且对于所有乙醇混合物，K值似乎小于1。所有乙醇混合物的最大压力和总燃尽角都有所增加Zhang等人[9]在他们的研究中发现，E85混合物显示出最高的缸内压力，而B85混合物显示出最低的缸内压力。德尔诺特等人[10]研究了当量比和发动机负荷变化的正丁醇/汽油混合物（B 0、B20、B40、B60和B80）的使用。他们观察到，在化学计量混合物中，B0（0%正丁醇）、B20（20%正丁醇+80%汽油）、B40（40%正丁醇+60%汽油）排放的HC排放量相似，但B60（60%正丁醇+40%汽油）和B80（80%正丁醇+20%汽油）排放的HC排放量分别比汽油高18%和47%当观察HC排放随负荷变化时，所有的混合物都显示出降低HC排放的效果。所有http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.11.0132215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchH. Sivasubramanian等人/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）528529命名法BTDC上止点IPA2020%异丙醇+80%无铅汽油BTE制动热效率IPA3030%异丙醇+70%无铅汽油CA曲柄角K当量比CO一氧化碳MPFI多点燃油喷射系统CO2二氧化碳NOx氮氧化物HC烃没有一氧化氮HRR热释放速率SI火花点火IPA异丙醇或异丙醇UG无铅汽油IPA1010%异丙醇+90%无铅汽油丁醇混合物比汽油排放更高的CO排放随着当量比的增加，丁醇混合燃料（80%混合燃料除外）与汽油的NOx排放值之差B80在所有当量比下的NOx排放量都较低。Yusri等人[11]在三菱4缸发动机中测试了5%、10%和15%混合的2-丁醇/汽油混合物，发现随着混合物中2-丁醇含量的增加，NOx、CO和HC排放减少，而 CO2排放增加。Galloni等人[12]在4缸进气道燃油喷射发动机中测试了20%和40%丁醇混合物，k值不同。他们观察到所有混合物在k= 1时的最大总体制动效率随着k的增加，HC和CO排放减少，CO2排放增加，而NOx排放增加，在k= 1.05时达到峰值，之后又下降冯在al。[13]观察到当发动机用丁醇混合物作为燃料时，发动机功率和扭矩降低，而点火正时没有任何变化在优化点火时刻下燃用Bu35的发动机比未优化点火时刻时排放更少的HC和CO，而排放更多的NOx类似地，发现CO排放量较少，Bu 30+优化点火正时，比没有优化点火正时的Bu30Elfasakhany[14]在化油器发动机中测试了异丁醇/汽油（iB 3，iB 7，iB 10）的混合物在转速分别为2900 rpm和2800 rpm之前，混合异丁醇的CO和HC排放均低于汽油，在转速为2900 rpm和2800 rpm之后，混合异丁醇的CO和HC异丁醇混合物降低了充气效率、排气温度、制动功率和扭矩。此外，为了评估异丁醇和正丁醇之间的差异，在较高和较低速度下进行排放测试，即， 3400 rpm和2600 rpm。得出的结论是，燃料转化效率和发动机性能下降，即使添加少量的异丁醇。Keskin和Guru[15]在三种不同负荷下测试4、8、12、16和20%丙醇混合物后得出结论，随着负荷的增加，CO、HC、CO2和NO排放量增加。但随着异丙醇含量的增加，CO和HC排放降低，NO和CO2排放增加。Gravalos等人[16]在单缸化油器发动机中比较甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇的各种燃料混合物与汽油后他们还发现，CO排放量随着混合物中醇类比例的增加而增加对于戊醇和丁醇混合物的HC排放，观察到类似的结果。除含40%的混合物外，所有酒精混合物的NOx排放水平非常相似他们得出结论，戊醇和丙醇混合物的排放模式分别与汽油和乙醇相似，丁醇混合物的排放量低于乙醇和丙醇混合物。醇类也适合与柴油混合，当他们在压燃式发动机中测试异丁醇、正戊醇、正己醇、环己醇、正辛醇取代的柴油混合物时，[17-Li等人[22]研究了燃烧、性能和排放特性以异丙醇-正丁醇-乙醇（IBE）和汽油混合物为燃料的SI发动机的性能结果发现，在性能和排放特性方面，IBE30共混物产生了IBE30混合燃料的HC、CO、NOx排放较汽油低，Elfasakhany[23]在单缸发动机中测试丙酮/汽油混合物时发现，添加丙酮可减少CO、HC和CO2排放。Nithyanandan等人[24]测试不同体积%的丙酮-它们之间的比例，并与汽油进行比较。他们发现，丙酮含量高的混合物排放的HC比汽油低。他们还观察到氮氧化物排放量没有重大变化，并建议使用丙酮含量高的混合物。Wei等人[25]比较了10%的乙醇/汽油和2-甲基呋喃/汽油混合物，发现乙醇/汽油混合物比2-甲基呋喃/汽油混合物显示出更高的峰值压力和BTE，并且排放更低的CO、HC和NOx排放Wen等人[26]研究了在无铅汽油中加入碳酸二甲酯和乙醇的影响. 5%和10%的碳酸二甲酯/汽油混合物分别观察到68%和61%的CO排放量减少。Dhamodaran等人[2]研究了一种名为“二异丙醚”的新型替代燃料的使用他们还观察到使用二异丙醚/汽油混合物时缸内压力更高。Topgul[27]观察到，与汽油相比，使用MTBE混合物，发动机排放的CO排放量较低，NO排放量较高。他们还观察到使用甲基叔丁基醚/汽油混合物可以改善BTE。[27]还观察到，在所有测试的MTBE混合物中，30%的MTBE +70%的汽油混合物排放的HC和CO排放量最低。虽然有一本书的信息提供了许多较低质量的醇和许多其它替代燃料如异丙醚、碳酸二甲酯、甲基叔丁基醚等， 在该文献中只有非常少的关于异丙醇的信息。为了充分评价异丙醇作为火花点火发动机燃料的潜力，在一台四缸MPFI汽油机上进行了异丙醇与汽油混合燃料（10%、20%和30%）的性能、排放和燃烧特性的试验研究。2. 实验设置方法2.1. 测试装置试验是在铃木公司生产的Maruti Zen直列四缸四冲程MPFI SI发动机上进行的。发动机的内径和冲程分别为72和61毫米。使用连接到发动机轴的涡流测力计（TMEC 50，由MECHMECH制造）作为加载装置。使用电子天平测量应变来测量燃油流量，并使用随空气530H. Sivasubramanian等人/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）528坦克安装在第一个气缸盖上的水冷式独立压电压力传感器（PCBPiezotronics）测量气缸内的压力，并使用Encoders India制造的编码器测量角度使用具有非色散红外传感器的多气体分析仪（NPM-MGA- 1，Netel India Limited）测量废气，例如HC和CONOx气体也使用相同的仪器测量，但通过电化学方法。测试发动机规格和测量-表1测试引擎规格。描述规范让马鲁蒂禅类型水冷MPFI SI发动机孔径72 mm行程长度61 mm压缩比9.4：1排量993 cc最大功率（@6000 rpm）45 kW最大扭矩（@4500 rpm）78.48 Nm点火正时14o BTDC表2测量精度。测量精度负载（N）1转速（rpm）25时间（秒）0.2温度（°C）1曲柄角（o）0.1一氧化碳（%）0.01HC（ppm）（丙烷）1NOx（ppm）1表1和表2分别给出了测量精密度。 测试设置如图所示。1.一、2.2. 试验燃料程序异丙醇或异丙醇是1-丙醇和仲醇的结构异构体，仲醇也称为二甲基甲醇，是无色、易燃、气味强烈的化合物。其化学式为C3H8O或C3H7OH，有时也写作（CH3）2CHOH，因为它的醇碳原子与两个碳原子相连。表3中所示的燃料性质是从[22]中采用的。无铅汽油（UG）从当地加油站获得，异丙醇从当地化学品供应商（Lab Chemicals，Chennai）获得。制备在无铅汽油中包含10、20和30体积%异丙醇的共混物。测试在八种不同的转速下进行：从1400 rpm到2800 rpm，以200 rpm为增量，BMEP为2.53巴。发动机被允许运行足够长的时间来消耗之前实验中剩余的燃料。对于每个实验，使发动机达到稳定状态，然后记录测量结果。排气温度-由K型热电偶测量-进行监测，以确保发动机在稳定的条件下运行。测试重复三次，取平均值。在测量废气之前，进行标准泄漏测试。通过在排气管上增加一个延长管来方便排气测量。然后将气体分析仪的探针插入延伸管中，在那里保持直到在气体分析仪的LCD屏幕上获得稳态值。安装在气缸盖上的压电传感器测量了每个曲轴转角处的缸内压力。在进行所有测试后，从发动机Fig. 1. 测试设置。H. Sivasubramanian等人/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）528531表3燃料的特性[22]。号财产汽油异丙醇1化学式C4C3H7OH2密度（kg/m3）7367863热值（kJ/kg）43.430.44理论14.710.45自燃温度（°C）2573996氧（重量%）–26.637辛烷值921128汽化潜热（kJ/kg）3497589层流火焰速度（cm/s）3345B10沸腾温度（°C）38–20484注意事项：ap = 1atm，T = 298bp = 1atm，T = 343K。3. 结果讨论3.1. 性能特性制动器热效率（BTE）是发动机将燃料的化学能转化为有用功的能力。图2描绘了所测试的燃料（即无铅汽油（UG）和IPA的共混物（IPA 10、IPA 20和IPA 30））的BTE的变化，其中速度在BMEP为2.53酒吧结果表明，随着共混物中IPA浓度的增加， BTE在所有转速下均逐渐增加这是因为IPA的氧含量较高，而且IPA需要更高的能量，即将一公斤液体转化为一公斤蒸汽的热量（758 kJ/kg）比汽油（349 kJ/kg）高，这是汽油的两倍多，导致从气缸吸收的热量比汽油多，从而减少通过气缸壁的热量损失，同时冷却进入的充气[6]。IPA的高氧含量和较高的汽化潜热将克服其较低的热值，并将导致更好的燃烧。共混物IPA10、IPA20和IPA30的热值分别为42.64、41.29和42.64。39.94 MJ/kg。在1400 rpm转速下，IPA 10、IPA 20、IPA 30的BTE分别比UG提高了10.30%、21.01%和 29.95%在转速为2800 rpm时，IPA 10、IPA20和IPA 30的效率分别比UG提高了8.05%、14.50%和19.65%。在较高速度下，效率增加百分比减少的原因是在较高的速度下，只有有限的时间量可用于燃料完全燃烧，导致快速燃烧阶段减少，但在较低的速度下情况相反[7]。3.2. 发射特性在本节中，HC，CO和NOx排放的变化与IPA的添加进行了研究。大多数碳氢化合物在环境空气中的浓度下对健康无害[28]。它们的水平会因车辆排放而改变，因此了解它们排放到大气层中这些未燃烧的碳氢化合物是由于不完全燃烧而形成的这些碳氢化合物中存在的挥发性有机化合物与二氧化硫和氮氧化物混合形成烟雾。即使是轻微的烟雾暴露也可能导致严重的问题，如哮喘，有时也可能导致过早死亡[29]。图3显示了UG、IPA 10、IPA 20和IPA 30在2.53巴的BMEP下在1400 rpm至2800 rpm的速度范围内可以观察到，在所有速度下，IPA共混物排放的HC排放低于UG。这种HC排放的减少是由于IPA的氧含量在1400 rpm时，与UG相比，IPA 10、IPA 20和IPA 30的HC排放分别降低了4.16%、6.25%和10.41%此外，HC排放量降低与IPA含量的增加，以及在混合物中的速度的增加这是因为氧含量随着IPA含量的增加而增加，并导致完全燃烧，这反过来又增加了缸内温度，因此卡在缝隙中的燃料将容易燃烧。除此之外，如表3所示的IPA的较低自燃温度将使燃料在较低温度下容易蒸发，从而随着速度的增加，广泛蔓延的火焰将试图烧掉大部分碳氢化合物，只留下少数，并消除与部分燃烧相关的问题[30]。这是因为随着速度的增加，更多的燃料被喷射到燃烧室中，并且在高速下，空气燃料混合物混合良好，从而增强燃烧过程。但在我们的实验中，HC排放在2800 rpm的速度略有增加。这是因为可用的时间有限让燃料完全燃烧一氧化碳是一种无色无味的气体，吸入后会取代血流中的氧气，影响身体一氧化碳是由于氧气不足而形成的。以来图二. BTE与速度532H. Sivasubramanian等人/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）528图三. HC对速度IPA比UG具有更高的氧含量，因此将IPA添加到汽油中将导致减少CO的形成。 CO排放随UG中IPA浓度的增加而降低。在2400 rpm时，IPA 10、IPA 20和IPA 30的CO排放分别比UG降低5.56%、11.77%和16.66%从图中可以清楚地看出，在2800 rpm的最大速度下，与2600 rpm下的CO排放相比，CO排放略微增加这是因为在较高的速度下，只有有限的时间量可用于完成燃烧，而在较低的速度下则不是这种情况。在整个速度范围内，IPA共混物的CO排放量小于UG。减少CO排放是由于IPA中的氧含量引起的倾斜效应。IPA的空燃比比汽油低，因此混合气更稀这导致在完全燃烧中，这也是降低CO和HC排放。借助于图5还讨论了UG、IPA 10、IPA 20和IPA 30的SI发动机的NOx排放特性，图5显示了在不同转速下NOx排放的变化。IPA共混物比UG产生更高的NOx排放。IPA30混合物在任何相应的速度下产生最高的NOx排放。据观察，随着混合百分比和速度的增加，NOx排放增加。异丙醇中存在氧可能是这种行为的原因。NOx排放随着速度增加而增加的原因是，当速度增加时，更多的燃料量被喷射到气缸中。发动机又会吸入更多的空气，从而进一步增加氧气含量。这导致完全燃烧，导致更高见图4。 CO和速度H. Sivasubramanian等人/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）528533图五. NOx与速度缸内温度和火焰温度，这导致热NOx的形成。热NOx路径主要在高于1800 K的温度下打开，并在更高的温度下成为主导[13，32，33]。异丙醇的辛烷值越高，意味着燃料的燃烧持续时间越短，这也是导致NOx排放增加的一个因素[2]。在转速为2800 rpm时，与UG相比，IPA 10、IPA 20和IPA 30的NOx排放分别增加了8.88%、16.3%和21.7%当火花点火正时从14°BTDC延迟到12° BTDC时，在2800 rpm下，共混物IPA 30的NOx排放从4326 ppm降低到4142 ppm。同样，IPA 20混合物在BTDC12°时仅排放3907ppm，而在BTDC 14°时为 4134 ppm在共混物IPA10的情况下，其在12℃下排放的NOx排放量减少203 ppmBTDC比BTDC的14o3.3. 燃烧特性发动机气缸内的压力在整个发动机循环中变化[34]。准确地研究缸内压力和放热率的变化的动机将给我们一个想法来预测气缸内的燃烧质量。在转速2800 rpm和BMEP 2.53 bar时，ICP随CA的变化如图所示。 五、从图6可以观察到，随着UG中IPA分数的增加，峰值压力值也增加。UG、IPA10、IPA20和IPA30的峰值压力值分别为30.7巴、31.1巴，31.5 bar和32.1 bar。这种趋势可归因于IPA的较高氧含量。还可以看出，IPA与UG共混导致在整个燃烧期间缸内压力更高。IPA是一种层流火焰速度高于汽油的燃料，如表3所示，将导致燃烧持续时间缩短。因此，较短的燃烧持续时间将增加峰值压力值[2]。较短的燃烧持续时间也意味着较少的热量通过气缸壁传递，并将进一步有助于增加缸内压力值，这也可能是IPA混合物的压力值增加的原因，而不是IPA的氧含量（见表3）。点燃式发动机的放热取决于点火延迟期、空燃混合比、燃料汽化潜热、自燃温度和热值等参数。的图六、2800 rpm和BMEP 2.53 bar时的缸内压力534H. Sivasubramanian等人/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）528图7.第一次会议。在2800 rpm和BMEP 2.53 bar下的热释放速率表4结果与文献的比较（表中所有结果均与汽油进行比较使用的参考燃料BTECO排放HC排放NOx排放缸内压力我们的工作异丙醇/汽油混合物* ++*[6]甲醇/汽油混合物* +Irvine+*Irvine和HRR曲线的UG提出早于共混物。[8]乙醇/汽油混合物~++*[11]2-丁醇/汽油混合物~+[15]丙醇/汽油混合物~++*~~[23]丙酮/汽油混合物~++~*~[25]2-甲基呋喃/汽油混合物* ++*[26]二甲基碳酸盐/汽油混合物~+烦躁+~~[2]二异丙醚/汽油混合物* ++**+在汽油中加入IPA对HRR的影响及其随CA的变化如图所示。7 .第一次会议。在2.53 bar的BMEP和2800 rpm的速度下，观察到UG的最大HRR为52 J/°CA，并已增加到54、56和58 J/ ° CA。IPA 10、IPA 20和IPA 30分别为58 J/oCA。IPA30共混物的热释放速率最高。IPA的较高氧含量将有助于完全燃烧，从而导致较高的HRR。尽管汽油的热值较低，但随着汽油中IPA含量的增加，热释放速率增加这是因为IPA具有比汽油更高的蒸发潜热和自燃温度，使得进气更冷，并且由于更大量的燃料被喷射到气缸中。很明显，较冷的空气由于其较高的密度而具有更多的氧气[35]。因此，较高的燃料摄入量将导致完全燃烧，并将增加热释放率。除氧含量外，异丙醇较高的层流火焰速度也将导致燃烧持续时间缩短，这反过来将进一步增加HRR[2]。4. 结论测试了IPA在3种不同浓度（10%、20%和30%）下的性能、排放和燃烧特性在2.53 bar的BMEP下，得出以下结论：在MPFI SI发动机中使用异丙醇作为燃料将提高制动热效率，主要是因为其比UG更高的汽化潜热和氧含量异丙醇/汽油混合物导致碳氢化合物和一氧化碳排放降低。IPA30混合燃料在较高的转速下，即2800 rpm时，HC和CO排放均比2600 rpm时略有增加。异丙醇/汽油混合燃料的使用不仅降低了HC和CO的排放，而且增加了NOx的排放。IPA-30混合气的NOx排放高于其它混合气和UG，但点火提前角从14o BTDC推迟到12o BTDC由于异丙醇的氧含量较高，IPA共混物的峰压高于UG。即使在热释放速率的情况下也获得了类似的结果结果表明，异丙醇在汽油机上使用时，会降低CO、HC排放，但会增加NOx排放和BTE。引用[1] G. Mahesh，S.放大图片作者：Harish，S.Ajith Sankar，M.Naveen，太阳能利用纳米技术-审查，国际J。Res. Sci. 4（2015）7038http://dx.doi.org/10.15680/[2] G. Dhamodaran，G.S.Esakkimuthu，Y.K.Pochareddy，MPFI SI发动机中二异丙醚混合物的性能、燃烧和排放行为的实验研究http://dx.doi.org/10.1016/●●●●●H. Sivasubramanian等人/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）528535[3] Y.K. Pochareddy，A.K.Ganeshram，H.M.Pyarelal，S.Sridharan，A.阿索坎湾Dhamodaran等人，以二乙醚-萨波特籽油甲酯-柴油混合物为燃料的固定式直喷压燃发动机的性能和排放特性http://dx.doi.org/[4] G. 达 莫 达 兰 河 Krishnan ， Y.K.Pochareddy ， H.M.Pyarelal ， H.Sivasubramanian，A.K. Ganeshram，具有不同不饱和度的米糠，印楝和棉籽油生物 柴 油 的 燃 烧 ， 排 放 和 性 能 特 征 的 比 较 研 究 ， 燃 料 187 （ 2017 ）296http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2016.09.062[5] D. Gopinath，K.V.N.王志华，陈志华，等，柴油机燃烧特性与排放特性之研究，国立成功大学机械工程研究所硕士论文。应用工程研究10（2015）9017-9031。[6] A.K. Agarwal，H. 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