小型發(fā)動(dòng)機燃用汽油、乙醇和LPG燃料的排放對比

第9卷第3期燃燒科學(xué)與技術(shù)Vol 9 No. 32003年6月Journal of Combustion Science and TechnologyJun.2003小型發(fā)動(dòng)機燃用汽油、乙醇和LPG燃料的排放對比鄧寶清,李理光2,劉巽俊3,劉志敏,王惠萍〔1.吉林大學(xué)地面機械仿生技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,長(cháng)春130025;2.上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海2000;3.吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,長(cháng)春130025)摘要對125mL發(fā)動(dòng)杋燃用汽油、乙醇和液化石油氣LPG)時(shí)的過(guò)量空氣系數和點(diǎn)火提前角與排放性能之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗研究指岀了影響這三種燃料發(fā)動(dòng)機排放性能的敏感參數的合理取值范圍.通過(guò)對比試驗驗證了發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇可降低NO,排放濃度發(fā)動(dòng)機燃燒LPG時(shí)低HC排放的空燃比范圍比其它兩種發(fā)動(dòng)機空燃比范圍廣.研究結果可為小型汽油、乙醇和LPG發(fā)動(dòng)機參數匹配提供參考關(guān)鍵詞乙醇發(fā)動(dòng)機;汽油機;液化石油氣發(fā)動(dòng)機;排放中圖分類(lèi)號TK417文獻標識碼:A文章編號:00687402003)030247-04Exhaust Emissions from a Small Engine Using Gasoline, Ethanol and LPGIngLIU Xun-jun', LIU Zhi-min, WANG H(1. Key Laboratory of Terrain-Machinery Bionics Engineering of Ministry of Education Jilin University Changchun130025 China 2, College of Machinery and Power Engineering, Shanghai Jiaotong Universityanghai 200030 China 3. College of Automobile Engineering Jilin University Changchun 130025 ChinaAbstract Effects of excess air ratio and ignition timing 0 on CO HC and NO, emissions from a 125 mL engine fueledith gasoline ethanol and liquefied petroleum gas( LPG )were studied experimentally. It is proved that ethanol engineemits less No, thanequivalent gasoline and LPG engine LPG engine emits less HC than equivalent gasoline and ethanolengine. Relatively optimal ranges of g and 0 to lower emissions from gasoline ethanol and LPG engines were proposedwhich is useful to their parameter matching and controlKeywords ethanol engine gasoline engine LPG engine exhaust emission環(huán)境保護是當今世界各國普遍關(guān)注的重要問(wèn)題.發(fā)動(dòng)機的有害排放物是大氣的主要污染源之一尤其1試驗方法與儀器設備是在發(fā)達國家和交通發(fā)達地區這種危害更為突出燃燒清潔燃料是降低排放的有效方法1.其中試驗用發(fā)動(dòng)機是125mL、單缸、四沖程、風(fēng)冷、氣汽油杋改燒醇類(lèi)燃料和LG是有效措施之—特別是道噴射汽油杋未進(jìn)行尾氣后處理.燃燒乙醇時(shí)只將燃燒醇類(lèi)燃料對降低No更汋顯著(zhù).電控噴射系統能汽油換成乙醇即可κ燃燒LG時(shí),燃料供給系統是由精確地控制空燃比和點(diǎn)火定時(shí),有效地改善發(fā)動(dòng)機的自行開(kāi)發(fā)的等比例混合器、貯氣鋼瓶和蒸發(fā)調壓器動(dòng)力、經(jīng)濟與排放性能23].本文對電控噴射汽油機、組成汽油機技術(shù)參數排量124mL行程49.5mm;乙醇發(fā)動(dòng)機和混合器式LPG發(fā)動(dòng)機的排放性能4進(jìn)汽缸直徑56.5mm壓縮比為9最大功率6kW(8500行了對比研究為這三種發(fā)動(dòng)機的參數匹配提供參考.r/min中國煤化工0r/min)試驗用測功機是1CNMHG儀是廣東佛山生產(chǎn)的日期2002-12-02基金項目國家重大基礎研究前期專(zhuān)項資助項目(2002CCA01200)國家技術(shù)創(chuàng )新項目國經(jīng)貿技1998)45號]國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助196-—)男博士講師dengbaoqingt@2lcn.com.248燃燒科學(xué)與技術(shù)第9卷第3期FGA4015五氣體成分分析儀過(guò)量空氣系數是利用燃機MBT為40°CA料的分子式和排放物濃度計算的實(shí)際過(guò)量空氣系數而不是儀器的指示值.試驗中汽油和乙醇的噴射量汽油,全負荷點(diǎn)火定時(shí)的控制是利用自行開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)測控系統通汽油,5負荷過(guò)計算機輸入控制信號完成的燃燒LPG時(shí)點(diǎn)火定醇,sP負荷時(shí)由在線(xiàn)測控系統控制燃料流量則通過(guò)混合器和節G.全負荷1KG.5負流閥控制在線(xiàn)測控系統可分為測量和控制兩部分.測量部眾三二分通過(guò)測量電路測量發(fā)動(dòng)機的轉速、曲軸轉角、氣缸n=70010xm白溫度、節氣門(mén)開(kāi)度、噴油脈寬和點(diǎn)火角等這些信號是160718911113141516作為判定發(fā)動(dòng)機狀態(tài)和對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行控制的依據.控制部分是將測得的噴油脈寬和點(diǎn)火角等信號通過(guò)適當圖1HC排放與過(guò)量空氣系數的關(guān)系的放大、縮小、提前或延遲等處理發(fā)送給下位機通過(guò)控制電路發(fā)送給噴油器和點(diǎn)火線(xiàn)圈以達到對發(fā)動(dòng)機的在線(xiàn)控制6700tmn(全負荷)2試驗結果及分析2.1HC排放三三汽油,中8◆乙醇,“08圖1是三種燃料發(fā)動(dòng)機不同負荷下最佳點(diǎn)火角乙醇,中115晉[G請“9MBI指在一定條件下使轉矩最大的最小點(diǎn)火提前角)時(shí)的HC排放體積分數隨過(guò)量空氣系數φ的變化曲線(xiàn)由圖1中可以看出當φ在1~1.3之間時(shí)三圖2HC排放與點(diǎn)火提前角的關(guān)系種發(fā)動(dòng)機的HC排放都比較低并且變化量不大.這是分析對比可見(jiàn)從控制HC角度看燃用LPG具有因為燃料與空氣混合比適當火焰傳播比較穩定,可以使混合氣完全燃燒因此HC排放低.當0.85≤Φ。<優(yōu)勢汽油機最差.僅從降低HC排放考慮燃用乙醇與燃用汽油沒(méi)有明顯差別.減小點(diǎn)火提前角都可以降1時(shí)LPG發(fā)動(dòng)機HC排放最低乙醇發(fā)動(dòng)機次之汽油機最差.Φ。<0.85時(shí),三種發(fā)動(dòng)機都由于混合氣過(guò)低三種燃料發(fā)動(dòng)機的HC排放2.2CO排放濃,部分燃料未燃燒而直接排入大氣導致HC排放圖3是三種燃料發(fā)動(dòng)機CO排放體積分數與過(guò)量惡化并出現隨φ進(jìn)一步降低HC排放惡化加速的現象.當φ>1.3時(shí)三種發(fā)動(dòng)機的HC排放上升速率很空氣系數Φ。的變化曲線(xiàn).從圖3可見(jiàn)在濃混合氣時(shí)快這是由于混合氣過(guò)稀燃燒不穩定和失火率增加所三種燃料的CO排放濃度都很大并隨混合氣濃度的增加CO排放濃度呈線(xiàn)性增加這主要是因為缺氧不LPG燃料低比C排放的空燃比范圍比其它兩種燃料要完全燃燒造成的,試驗表明0的排放濃度與關(guān)系寬Φ在0.7~1.4之間都能穩定燃燒圖2是三種燃料發(fā)動(dòng)機的HC排放體積分數隨點(diǎn)可以看出:相同過(guò)量空氣系數時(shí),乙醇發(fā)動(dòng)機負荷減火提前角的變化曲線(xiàn)由圖2中可以看出隨著(zhù)θ的小CO排放略有提高但幅度不大相同發(fā)動(dòng)機負荷減小不論什么燃料也不論大小發(fā)動(dòng)機的HC排時(shí)在濃混合氣區過(guò)量空氣系數相同時(shí)乙醇燃料的升高燃不完全的料在排氣管中提擊氧化反2放都降低這是因為推遲點(diǎn)火使燃燒拖后排氣溫度中國煤化工追混合氣的加濃其差CNMHG0.8時(shí)濃度差達應降低了HC排放濃度.小于MBT以后汽油機HC下這是由群定名氧‰科混合氣的加濃燃料中的氧對于將CO轉化為CO2的貢獻率增大的緣故.因降速度最快在理論空燃比70ymi全負荷時(shí)汽油機此只要控制中,>1三種燃料發(fā)動(dòng)機都會(huì )獲得較低MBT為345克數據醇發(fā)動(dòng)機MBT為37° CA LPG發(fā)動(dòng)的CO排放特性在濃混合氣區乙醇燃料具有相對較2003年6月鄧寶清等小型發(fā)動(dòng)機燃用汽油、乙醇和LPG燃料的排放對比249低的CO排放特性所以燃燒最高溫度大幅度下降NO.排放明顯降低.從圖中還可以看出,對于最高NO.排放對應的φ。值日·汽油,全負荷LPG最大汽油次之乙醇最小LFG,全負荷乙醇全負荷汽油,全負荷乙醇,506負荷汽油,50。負荷醇,全負荷乙醇,50負留x·LFG.全荷50°負荷n-7 oonr/ min圖3CO排放與過(guò)量空氣系數的關(guān)系“其07080910111:13141516171819圖4是三種燃料發(fā)動(dòng)機在不同混合氣濃度下的CO排放體積分數隨點(diǎn)火提前角θ的變化曲線(xiàn).由圖可圖5NO2排放與過(guò)量空氣系數Φ的關(guān)系見(jiàn)無(wú)論混合氣濃度如何燃燒哪種燃料CO的排放濃圖6是三種燃料發(fā)動(dòng)機不同混合氣濃度下的NO度變化不大說(shuō)明點(diǎn)火定時(shí)對CO的排放濃度影響較排放體積分數隨點(diǎn)火提前角的變化曲線(xiàn)從圖中可小因此混合氣濃度是影響CO濃度的關(guān)鍵因素,只以看出三種燃料無(wú)論混合氣是濃還是稀減小點(diǎn)火提要控制中。>1,三種燃料的發(fā)動(dòng)機都會(huì )獲得優(yōu)良的前角都會(huì )降低NO,的排放原因是點(diǎn)火提前角減小使CO排放性能得氣缸內最高燃燒溫度下降從而降低了NO.的排放.從控制NO,排放角度上看LPG發(fā)動(dòng)機應當使φ不在0.9~1.2范圍內汽油機不在0.9~1.15范圍內而對乙醇發(fā)動(dòng)機此范圍可縮小到0.95~1.057ot/min全負荷7000r/min(全負荷)乙醇,中“日8一汽油,中=0871BG.:095乙醇,=097乙醇,中“95430354045505560nCA亡乙醇,垂“1汽油,=7圖4CO排放與點(diǎn)火提前角的關(guān)系LBG.●,=0972.3NO.排放圖5是三種燃料發(fā)動(dòng)機在不同負荷下最佳點(diǎn)火提前角時(shí)的NO,排放體積分數與可燃混合氣過(guò)量空氣系圖6NO.排放與點(diǎn)火提前的關(guān)系數Φ的關(guān)系由圖可見(jiàn)④在1~1.2時(shí)是三種燃料2.4動(dòng)力性NO.高排放區.相比之下LPG發(fā)動(dòng)機的NO.排放最高圖7為三種燃料發(fā)動(dòng)機全負荷轉矩變化率隨過(guò)汽油機次之乙醇發(fā)動(dòng)機最低.其原因是LPG是經(jīng)過(guò)量空氣系數Φ的變化曲線(xiàn)由圖可見(jiàn)汽油機最大轉調壓蒸發(fā)器氣化后的氣體因此進(jìn)氣終了溫度最高再矩出現在Φ=0.85附近PG和乙醇發(fā)動(dòng)機最大轉加上最佳點(diǎn)火提前角大燃燒最高溫度高故NO排放矩出現在φ=0.95附近.隨著(zhù)φ的加大汽油機轉最高以汽油和乙醇為液體,噴射到進(jìn)氣門(mén)口氣化吸矩的下降比PG和乙醇發(fā)動(dòng)機轉矩下降得快即汽油熱使得進(jìn)氣終了溫度降低燃燒最高溫度降低故NO,發(fā)動(dòng)中國煤化工比其它兩種燃料發(fā)動(dòng)機排放下降而且乙醇發(fā)動(dòng)機全負荷的NO排放濃度比更強烈CNMHG降率的條件下LPG和汽油機5σ負荷的NO,排放濃度還低這是因為乙醇乙醇發(fā)動(dòng)機能比汽油杋燃燒更稀的混合氣也就是說(shuō)的氣化澘熱是汽油的4倍多3加上因理論空燃比不在同樣的空燃比變動(dòng)率下JPG和乙醇發(fā)動(dòng)機的轉矩同同樣進(jìn)氣量條件下達到同樣Φ時(shí)乙醇的噴入燃變動(dòng)量比汽油機小運轉更穩定料量比汽夢(mèng)左右致使進(jìn)氣終了溫度下降更多圖8為三種燃料發(fā)動(dòng)機全負荷轉矩變化率隨點(diǎn)250燃燒科學(xué)與技術(shù)第9卷第3期火提前角θ的變化曲線(xiàn).由圖可見(jiàn)三種發(fā)動(dòng)機的轉矩隨追點(diǎn)火提前角的變化規律一致在大θ區汽油機轉矩3結論對θ最敏感JPG發(fā)動(dòng)機轉矩對θ相對遲鈍.為維持發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性點(diǎn)火提前角不宜偏離MBT過(guò)遠1)過(guò)量空氣系數φ是影響三種燃料發(fā)動(dòng)機排放性能的敏感參數通過(guò)對φ的合理控制能夠實(shí)現對有害排放物的控制出么仁一2)點(diǎn)火提前角θ對三種燃料發(fā)動(dòng)機的HC和NO口汽油,全負荷◆乙醇,全負何排放性能有明顯影響但對CO排放影響很小▲LB.全負荷3)在當今的技術(shù)條件下LPG車(chē)與汽油車(chē)最具競爭力3但是乙醇發(fā)動(dòng)機具有優(yōu)越的低NO.排放性能=7000t/mn將是未來(lái)更嚴格排放法規下的首選燃料.4)LPG發(fā)動(dòng)機穩定燃燒空燃比范圍寬對于降低HC排放和對發(fā)動(dòng)機空燃比的控制有利圖7轉矩變化率與過(guò)量空氣系數的關(guān)系參考文獻[1]鄧寶清李理光王惠萍等.混合器式液化石油氣小型發(fā)動(dòng)機排放性能研究J]內燃機學(xué)報20024)287-2912]陳慶平夏鈞.電控噴射技術(shù)在摩托車(chē)中的應J]浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報2001132)62-63700r/mm全負荷)[3]黃志甲張旭于桌平等汽車(chē)代用燃料發(fā)展戰略的探試J]中國能源2001831-33一汽油087乙醉,08[4]鄧寶清李理光韓永強等.混合器式液化石油氣小型發(fā)動(dòng)機性L(fǎng).0=9能研究J]農業(yè)機械學(xué)報200233(3)14-1[5]王惠萍鄧寶清鳳翔等,車(chē)用燃氣等比例混合罰P]中國專(zhuān)DCA[6]鄧寶清劉志敏陳慶海等.電控噴射點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機信號在線(xiàn)測圖8轉矩變化率與點(diǎn)火提前角的關(guān)系量與控制A]中國內燃機學(xué)會(huì 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