甲醇發(fā)動(dòng)機排放特性的研究

內燃機學(xué)報第25卷(2007)第1期Vol. 25 (2007) No.1Transactions of CSICE文章編號: 1000- 0909(2007 )01- 0073-0425-012甲醇發(fā)動(dòng)機排放特性的研究汪洋'，王靜'，史春濤”，王雪雁”，范國梁3(1.天津大學(xué)內燃機燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,天津300072; 2.天津大學(xué)內燃機研究所,天津300072;3.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津3002)摘要:以一臺電控M85甲醇燃料發(fā)動(dòng)機為研究對象,在發(fā)動(dòng)機臺架上,采用廢氣分析儀和氣相色譜儀,分別研究了甲醇發(fā)動(dòng)機的常規排放和非常規碳氫排放。研究表明:M85甲醇發(fā)動(dòng)機可以實(shí)現很低的常規排放,在非常規碳氫排放方面,甲醛在總碳氫排放占有較大的比例，而甲醇的排放接近0。三效催化反應器對甲醛的凈化率較低,并且存在隨負荷增大,凈化率降低的趨勢。甲醇的凈化率始終接近100%。關(guān)鍵詞:甲醇發(fā)動(dòng)機; M85;排放;非常規碳氫排放中圖分類(lèi)號: TK464文獻標志碼: AStudy on the Emission Characteristic of a Methanol Fuel Gasoline EngineWANG Yang' ，WANG Jing'，SHI Chun-tao2 , WANG Xue-yan2，FAN Guo-liang'(1. State Key Laboratory of Engines, Tanjin University, Tianjin 300072, China;2. Interual Combustion Engine Research Institute, Tianjin University , Tianjin 300072，China;3. School of Meterial Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: Using an electronic control M85 methanol engine. Regulated emissions and unregulated HC e-missions were measured on the test bench by the exhaust gas analyzer and gas chromatograph. The studyshows that the regulated emissions of the M85 methanol engine can realize very low values , however, therehas a high proportion of formaldehyde in THC emissions while the proportion of unbumed methanol reachesalmost zero. The conversion eficiency of the three way catalytic converter on the fomaldehyde is relativelylow and the decreasing tendency is presented with the increase of engine load, The conversion fficiency ofthe converter on methanol is keep at 100%.Keywords: Methanol engine; M85 ; Emission; Unregulated HC emission一般都低于汽油機,也不存在有機鉛和苯的排放問(wèn)題。引言但限制其推廣應用的主要阻力在于甲醇發(fā)動(dòng)機的非常甲醇燃料的原料可來(lái)源于煤、天然氣、生物垃圾規碳氫排放物(甲醇和甲醛)問(wèn)題,目前對減少甲醛排等,同時(shí)甲醇燃料具有傳統汽油燃料的優(yōu)點(diǎn):良好的運放尚缺乏可靠持久的控制技術(shù)(0]。另一方面,利用色輸性和較高的能量密度,因此是-種很有前途的汽油譜儀定量檢測甲醛、甲醇排放,其難點(diǎn)在于如何將甲替代燃料[' ,在油價(jià)不斷攀升的形勢下，甲醇燃料的醛、甲醇成分從其它碳氫成分中分離出來(lái),在此之前國優(yōu)勢日漸突出。世界各大汽車(chē)公司都曾對甲醇的車(chē)用內在這方面還缺少成熟的技術(shù)。本研究采用了天津大技術(shù)進(jìn)行了積極的研究與開(kāi)發(fā),示范了不同的方學(xué)和東風(fēng)汽車(chē)集團在科技部“十五”攻關(guān)“清潔汽車(chē)行案'- 4。我國也從70年代開(kāi)始,對甲醇汽車(chē)的研制和動(dòng)”項目中聯(lián)合開(kāi)發(fā)的非常規排放氣體分析儀,其核應用開(kāi)展了廣泛的研究'”。心儀器是一臺氣相色 譜儀,關(guān)鍵技術(shù)是色譜柱的選擇甲醇發(fā)動(dòng)機的常規排放物(THC、CO和顆粒等)與處理以及測量條件的匹配。收稿日期:2006 03- 11;修回日期:2006.07.12.基金項目:國家科技部清潔汽車(chē)行動(dòng)項目( 2003BA408B10)。作者簡(jiǎn)介:汪洋,博士,教授,E mail:w. yang@ eyou. com。2007年1月.汪洋等:甲 醇發(fā)動(dòng)機排放特性的研究90%時(shí),缸內混合氣的過(guò)量空氣系數φ. =1;大于90%規定值的 11. 9%(CO)和4.4%(THC + NO.)。因此從時(shí),過(guò)量空氣系數φ。逐步過(guò)渡到0.85,以保證發(fā)動(dòng)機常規排放角度, M85甲醇燃料應該屬于清沽燃料。三的動(dòng)力性。由于缺氧,燃燒的中間產(chǎn)物CO得不到充效催化反應器對于常規排放物,有很高的凈化率。分氧化,同時(shí)也抑制了NO,的生成。2.2非 常規排放特性分析圖4為催化器下游的測量結果，可以發(fā)現,在負荷圖5、圖6是2 000 r/min 時(shí)，使用M85燃料的甲小于90%之前,THC、C0、NO,排放的催化效率都很高。醇發(fā)動(dòng)機在催化前后甲醛排放和未燃甲醇排放隨負荷其中,THC轉化效率在90.4%以上, C0轉化效率在變化的曲線(xiàn)圖。92. 3%以上,NO,轉化效率在78%以上。但是當負荷超從圖5可以看出,在催化反應器前，甲醛的排放趨過(guò)90%時(shí),THC CO的轉化效率開(kāi)始降低,當達到10%勢類(lèi)似THC,在50%負荷附近其甲醛排放最低,為負荷時(shí),THC的轉化效率為84.8%,CO的轉化效率為60 x10 -6。在0%、10%、25%、55%和90%負荷工況點(diǎn),催88. 7%,其原因也是此時(shí)混合氣過(guò)濃缺氧?；鞯募兹┑膬艋史謩e是91. 6%、80.4%、78.0%、76. 9%和39. 8%,其趨勢是負荷越大,凈化率越低。從5 000一200圖6可以發(fā)現,在催化反應器前,甲醇的排放主要集中一-NO,在小負荷,當負荷為10%時(shí),達到最低值18x10-6 ,負4 00060。荷增大之后,逐漸上升到23.18x10-%。值得注意的s 3000120是,催化器下游的甲醇濃度接近0,因此催化器對甲醇+8c的凈化率非常高,接近100%。1 000-40-催化前140|-10010203040506070809010010--催化后三12(負荷/%婦100-圖4催化后常規排放物的負荷特性Fig.4 Characteristics of normal emission after catalysis50}t0f由于本研究所采用的發(fā)動(dòng)機,用于3.5噸及以上20-的汽車(chē),可以根據國家環(huán)?？偩职l(fā)布的國家標準.24050負荷1%GB14762-2002《車(chē)用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機及裝用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機汽車(chē)排氣污染物排放限值及測量方法》71 ,在發(fā)動(dòng)圖5催化前后甲 醛排放曲線(xiàn)圖Fig.5 Formaldehyde emission before and ater catalysis機臺架上測取了九工況點(diǎn)的排放數據,得到該發(fā)動(dòng)機常規排放物的九工況法排放指標,如表1所示。700個(gè)一催化前表1 M85 甲醇發(fā)動(dòng)機的常規排放數據? 50--.-催化后Tab. 1 Data of normal emission about the M8540- .methanol engine帶301B(C0)/B(NO,)/(g●B(THC)/電20-檢測位置(g. (kW●h)-")(kW.h)")h)-)04σ206080100催化器前25.0710.450. 81催化器后1.150.120.05圖6 催化前后甲酵排放曲線(xiàn)圖凈化率/%95.498.993.8Fig.6 Methanol emission before and after catalysis標準要求CB14762-2002≤9.7≤4. 1(HC + NO,)表2是該發(fā)動(dòng)機的九工況法測得的甲醛和甲醇排從表1中可以看出,M85甲醇發(fā)動(dòng)機經(jīng)過(guò)三效催放指標,對發(fā)動(dòng)機燃用M85燃料時(shí)甲醛與未燃甲醇排化之后,其排放值只有CB14762 2002(相當于歐洲II)放量按九工況法測量得,在催化反應器前后甲醛排放●76.內燃機學(xué)報第25卷第1期量分別為0.15 g/(kW●h)、0.04 g/(kW●h) ;未燃甲.(kW●h), NO,為0.12 g/(kW●h),CO排放相當于醇排放量在催化反應器前為0.05 g/(kW●h),而催化GB14762-2002限定值的11. 9%, THC +NO,相當于反應器后未燃甲醇排放量幾乎為0。上述計算結果表GB14762-2002限定值的4. 4%,因此從常規排放角度,明,目前HL495JIQ型電噴甲醇發(fā)動(dòng)機所配用的催化M85燃料屬于清潔燃料。反應器對甲醛和未燃甲醇的凈化率分別為73.3%和(2)按 照九工況法折算的非常規碳氫排放:甲100%醛為0.04 g/(kW●h),占THC中的80%,甲醇排放接甲醛是甲醇低溫氧化的產(chǎn)物,催化反應器對甲醛近0,因此電控甲醇發(fā)動(dòng)機的非常規排放問(wèn)題，實(shí)際上的凈化率低于甲醇的原因,存在兩種可能:1)甲醇氧是甲醛排放問(wèn)題?；蒀O2和水的過(guò)程可以不經(jīng)過(guò)甲醛這個(gè)階段,而且(3)按照九工況折算, 三效催化反應器對甲醛這個(gè)過(guò)程比經(jīng)過(guò)甲醛,再氧化成CO2和水的過(guò)程進(jìn)行和甲醇的凈化率分別為73. 3%和100. 0%,而且存在發(fā)得更徹底;2)雖然甲醇先氧化成甲醛,但是甲醛以自動(dòng)機負荷越大,甲醛的凈化率越低的規律。由基形式存在,其進(jìn)一步氧化所需要的活化能比穩定參考文獻:態(tài)的甲醛更低。至于具體何種因素起了決定性作用，有待進(jìn)-一步研究。[1] 周述志，廖宗富,漆長(cháng)席,等.甲醇是我國能源保障的最佳選擇[J].化工管理,2003(6):20- -21.表2 M85 甲醇發(fā)動(dòng)機的非常規排放數據[2] Brook D L. Methanol with Dimethyl Ether Igrition PromotorTab.2 Data of unregulated emission about the M85as a Fuel for Compression Ignitin Engines[ A]. In: SAE Pa-methanol engineper 849083[ C]. Detroit, New York , USA, 1984.[3] Green C J, Cockshutt N A, King L Dimethyl Fther as a甲醛的排放量/甲醇的排放量/檢測位置，Methanol Ignition Improver: Substitution Requirements and(g.(kW.h)-I)(g.(kW .h)-')Exhaust Emissions Impact[ A]. In: SAE Paper 902155催化器前0. 1S00.05 .[ C] . Detroit, New York, USA, 1990.催化器后0.040. 00[4] Johnson H R, Williams R S. Performance of Activated Car-凈化率%73.3100.0bon in Evaporative Loss Control Systems[ A]. In: SAE Paper在THC中的比例902119[ C]. Detroit, New York , USA, 1990.300.0(催化后)/%[5] 李宇峰,劉巽俊，劉忠長(cháng)，等.點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機的性能和排放[J].內燃機工程,1991,12(1):52- -57.從上表可以看出,電噴帶三效催化的M85甲醇發(fā)[6] Fukihiro Tsukasaki, Akio Yasuda, Sumio Ito, et al. Studyof Mileage-Related Formaldehyde Enmission from Methanol動(dòng)機,其非常規碳氫排放問(wèn)題,實(shí)際上是甲醛排放問(wèn)Fueled Vehicles[A]. In: SAE Paper 900705[C]. Detroit,題。普通汽油機的碳氫排放中也存在醛類(lèi)排放,但是New York, USA, 1990.其在總碳氫中的比例較低,文獻[8]的研究表明:對于7] CB14762-2002 ,車(chē)用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機及裝用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機帶催化反應器的汽油機，甲醛占總碳氫的比例在1.7%汽車(chē)排氣污染物排放限值及測量方法[S].中國:國家環(huán)以?xún)?。針對甲醇發(fā)動(dòng)機的排放特點(diǎn),開(kāi)發(fā)出對甲醛凈?？偩?2002.化率高的催化反應器,將是解決甲醇發(fā)動(dòng)機甲醛排放[8] Savas Geivanidis , Panayotis Pistikopoulos ，Zissis Samaras.問(wèn)題的有效途徑。Effet on Exhaust Emissions by the Use of Methylcyclopenta-dienyl Manganese Tricarbonyl ( MMT) Fuel Additive and3結論Other Lead Replacement Casolines[J]. The Science of theTotal Environment ,2003 ,305 ,129-141.(1)電控M85甲醇發(fā)動(dòng)機,其九工況法常規排放物指標:CO為1.15 g/(kW●h),THC為0.05 g/