電噴汽油機燃用乙醇/汽油混合燃料排放及催化轉化特性研究

第6卷第5期安全與環(huán)境學(xué)報Vol 6 No 52006年10月JournalOct,2006文章編號:1009-6094200605-0021-04放用氫火焰離子法(FID)分析,CO排放用不分光紅外線(xiàn)法電噴汽油機燃用乙醇/汽油混合(NDR)分析NO排放用化學(xué)發(fā)光法(CID)分析。用島津GC2010氣相色譜儀測量廢氣中的未燃乙醇、乙醛、甲醇和甲醛燃料排放及催化轉化特性研究*的濃度°考慮到乙醇容易吸收空氣中的水,引起乙醇與汽油的分祁東輝12,劉圣華1,李暉,呂勝春層試驗時(shí)所用的含10%乙醇的汽油(以下簡(jiǎn)稱(chēng)E10)和含1西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院西安71004920%乙醇的汽油以下簡(jiǎn)稱(chēng)E20)均為現場(chǎng)調配。純汽油記為2長(cháng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院西安710064)EO?？紤]到醇類(lèi)燃料的應用推廣以及20%以下低比例摻燒醇類(lèi)對電噴汽油機部件腐蝕和溶脹作用比較小在試驗中對摘要:研究多點(diǎn)電噴汽油機燃用不同摻混比的乙醇/汽油混合燃料原電噴汽油機未作任何改動(dòng)時(shí)的排放及催化器的轉化性能。結果表明在汽油機參數未做任何調2乙醇/汽油混合燃料汽油機的排放特性整的情況下與汽油機相比乙醇/汽油混合燃料汽油杋催化器之前的CO排放降低降幅接近15%;HC排放在大負荷時(shí)略有升高;NO,排圖1給出了乙醇/汽油混合燃料汽油機催化器前、后的放基本相同;乙醇對排放物催化轉換效率的影響與電噴汽油機的轉Co排放及其催化轉化效率。由圖可知:汽油機燃用E10和速、負荷和空燃比控制策略有關(guān)。用氣相色譜分析儀測錄的未燃乙醇E20時(shí)催化器前的CO排放在整個(gè)負荷范圍內基本相同并排放在大負荷時(shí)略有升高甲靜排放量變化不大乙醛排放量隨乙靜且比燃用汽油時(shí)的CO排放低。其原因是:發(fā)動(dòng)機在中、小負含量增大而增大經(jīng)三效催化轉化器后可以被控制在接近零排放的荷工況下運行時(shí)電噴汽油機的控制策略是閉環(huán)控制根據安水平。在息速工況隨乙靜含量增加,CO、HC和NO.的排放與汽油機裝在排氣管上的氧傳感器的反饋信號控制過(guò)量空氣系數基本相比略有降低保持在1.0~1.05以利于三效催化轉換器正常工作。催化器關(guān)鍵詞:動(dòng)力機械工程;氣相色諧法;乙醇;乙醛;三效催化轉化器前CO排放降低的主要原因是燃料自攜氧要比空氣中的氧更有助于充分燃燒或原子氧要比分子氧更容易參與氧化反應。中圖分類(lèi)號:TK411.5文獻標識碼:A同時(shí)CO排放明顯下降的另一個(gè)原因主要是:乙醇化學(xué)結構0引言中的羥基OH使其燃燒反應特點(diǎn)與汽油中的各種烴類(lèi)的有所乙醇來(lái)源廣泛正常使用無(wú)毒副作用。乙醇摻混汽油作不同使著(zhù)火溫度較低和不易熄火7從催化轉化效率來(lái)看在2500r/min、中小負荷時(shí)汽油汽車(chē)燃料不僅可以減少石油用量而且能夠提高燃料含氧量機燃用E10和E20燃料時(shí)的催化轉化效率與燃用汽油時(shí)基本和辛烷值改善燃燒效果。目前乙醇/汽油混合燃料在巴西、相同但在大負荷時(shí)燃用E10和E20燃料時(shí)的催化轉化效率美國和加拿大等國已經(jīng)得到較廣泛的應用。圍繞摻混乙醇對低于燃用汽油時(shí)的;在3000r/min、整個(gè)負荷范圍內汽油機汽車(chē)動(dòng)力和經(jīng)濟性能以及由此帶來(lái)的環(huán)境效應等問(wèn)題,也有燃用E10和E20燃料時(shí)的催化轉化效率與燃用汽油時(shí)的基本了研究相同。由此可見(jiàn)CO在P-hh系催化劑中的轉化效率與燃料面對日益短缺的石油資源和逐步加嚴的排放法規,國內中的含醇量、發(fā)動(dòng)機的轉速和負荷有關(guān)對替代燃料包括乙醇汽油混合燃料也越來(lái)越重視45然圖2給出了乙醇/汽油混合燃料汽油機催化器前、后的而到目前為止乙醇摻混汽油作汽車(chē)燃料的研究只集中在如HC排放及其催化轉化效率。由圖可知:在小負荷時(shí),燃用何實(shí)現乙醇/汽油雙燃料供給、混合燃料的動(dòng)力和經(jīng)濟性能E0o和E0時(shí)催化器前的HC排放與燃用汽油時(shí)相差不大在等有關(guān)排放性能的研究相對較少。另外乙醇不完全燃燒會(huì )中、大負荷燃用E10和E0時(shí)的HC排放明顯高于燃用汽油形成乙醛而乙醛是一種有害氣體因此摻混乙醇對乙醛排放的乙醇含量對HC排放的影響較小。其原因是:閉環(huán)控制策的影響也值得特別注意。略使過(guò)量空氣系數保持在1.0~1.05,燃料基本可以完全燃本文基于發(fā)動(dòng)機臺架實(shí)驗系統考察摻混體積分數分別燒?？梢哉J為主要是由于乙醇的汽化潛熱比汽油大得多因為10%和20%乙醇對汽油機排放和鉑銥(P助h)三效崔化而使進(jìn)氣溫度降低同時(shí)由于燃燒室的余隙而出現較強烈的劑性能的影響。淬熄效應使HC排放升高試驗裝置和試驗方法從催化轉化效率看在2500r/min、小負荷時(shí),燃用E10燃料時(shí)的催化轉化效率最高燃用汽油時(shí)次之燃用E20時(shí)最試驗用發(fā)動(dòng)機為38Q坐電噴汽油機缸徑為685mm,低;在中、大負荷時(shí)燃用E!0和E20時(shí)的催化轉化效率略低行程為η2mm壓縮比為9.4標定功率為26.5kW標定轉速于燃用汽油的。在3000r/min、小負荷時(shí)燃用3種燃料的轉為5500rymn,總排量為0.796電噴系統的軟硬件采用化效率基本相同在中、大負荷時(shí)燃用汽油時(shí)的催化轉化效BOSCH公司生產(chǎn)的電控多點(diǎn)汽油噴射系統。用AⅥL公司的率最高。上述結果說(shuō)明:HC的催化轉化效率與燃料中的含Digas4000型排氣分析儀分析廢氣成分其中總碳氬(THC腓排醇量中國煤化工料發(fā)動(dòng)機催化器前、后的收稿日期:2006-03-27CNMHG可知在2500mn時(shí)燃作者簡(jiǎn)介:祁東輝副教授博土后從事內燃機代用燃料及排污用E10時(shí)催化器前的NO,排放略低于燃用汽油和E20的在控制研究。中、小負荷燃用E20的NO,排放與燃用汽油的基本相同在基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究規劃資助項目(2001CB209206)大負荷時(shí)略高于燃用汽油的;在3000r/min時(shí)燃用E10和21Vol 6 No 5安全與環(huán)境學(xué)報第6100催化器前卷04}m200mim63000rmin催化器802催化器后催化器后00.60.2平均有效壓力/MPa平均有效壓力/MPaE0-E10E20圖1乙醇/汽油混合燃料汽油機旳Co排放及其催化轉化效率Fig. 1 CO emissions and their conversion efficiencies of ethanol/ gasoline blended fuel enginen=2500r/min=3 000 r/min催化器前催化器前催化器后催化器后06平均有效壓力/MPa平均有效壓力MPa圖2乙醇/汽油混合燃料汽油機的HC催化轉化效率Fig 2 HC emissions and their conversion efficiencies of ethanol/ gasoline blended fuel enginee顆爾催化器前n2500rm催化器前n=300rmin20001000催化器后z催化器后0.60.8平均有效壓力MPa平均有效壓力/MPa一E0-E10-E20圖3乙醇/汽油混合燃料汽油機的NO,催化轉化效率Fig 3 NO, emissions and their conversion efficiencies of ethanol/ gasoline blended fuel engineE20的NO,排放基本相同且略低于燃用汽油時(shí)的NO,排放其原因為是:乙醇為含氧燃料燃燒速度快瞬時(shí)燃燒溫度口E10口E20高有助于NO的生成;但另一方面乙醇的熱值低汽化潛熱大有使缸內溫度下降的趨勢從而抑制NO,的生成從催化轉化效率看在2500r/min、小負荷時(shí)燃用E10和E20燃料時(shí)的NO.轉化效率比燃用汽油時(shí)的低但在中大負荷時(shí)差別不明顯。在3000/min、小負荷時(shí)燃用E10和中國煤化工E20燃料時(shí)的NO,轉化效率比燃用汽油時(shí)的低在大負荷時(shí)CNMHG3種燃料NO4的催化轉化效率相差不大?？梢?jiàn),催化劑對乙4個(gè)同乙暉/汽沺摻混比的怠速排放醇/汽油混合燃料汽油機NO,轉化效率的影響與混合燃料中Fig 4 Emissions at idling condition of ethanol/ gasoline的含醇量以及發(fā)動(dòng)機的負荷和轉速有關(guān)blended fuel engine222006年10月祁東輝籌電噴汽油機燃用乙醇/汽油混合燃料排放及催化轉化特性研究Oct,2006圖4給岀了怠速時(shí)的排放特性圖中以純汽油時(shí)的排放乙醇和乙醛的排放。從圖中可以看岀3種燃料的乙醇排放為100使用E10和E20時(shí)的排放值為其實(shí)際值與使用純汽油隨負荷的增大而增大在轉速較高時(shí)增加比較明顯乙醇的含時(shí)的比值。由圖可知隨乙醇含量的增加,CO和HC排放均量對未燃乙醇排放的影響不明顯在較大負荷時(shí)略有升得到了改善但排放降低幅度最大為15%;NO,排放沒(méi)有明乙醇排放隨發(fā)動(dòng)機轉速的升高有所升高。乙醛是乙醇被氧化顯的改善。需要指岀的是電噴發(fā)動(dòng)機的空燃比基本保持在的中間產(chǎn)物燃用E10和E20時(shí)的乙醛排放隨負荷的增大而約1.05明顯稀于普通化油器式汽油機可以認為將乙醇汽增大燃用汽油時(shí)的乙醛排放基本不隨負荷變化燃用E10和油用于化油器式汽油機時(shí)CO和HC的排放改善效果會(huì )較明E20的乙醛排放明顯高于燃用汽油的,且隨乙醇含量的增加而增加在較大負荷時(shí)比較明顯,說(shuō)明乙醇的混入對生成乙醛由以上討論可知在電噴汽油機上使用乙醇/汽油混合燃的貢獻率較大。發(fā)動(dòng)杋轉速對混合燃料乙醛的排放有一定的料時(shí)其排放特性的變化規律不僅受乙醇汽油摻混比的影響,影響轉速較髙時(shí)乙醛排放較大尤其在大負荷時(shí)比較明顯。而且隨電控系統控制策略的不同而變化,這也導致排放特性圖7給出了乙醇汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機催化器前甲醇的排的變化會(huì )不同于化油器式汽油機的。放。乙醇的含量對甲醇的排放沒(méi)有明顯的規律性,且甲醇排3乙醇/汽油混合燃料汽油機的醇、醛類(lèi)排放放在多數運行工況時(shí)基本相同,說(shuō)明甲醇是由汽油的燃燒產(chǎn)生的。在大負荷時(shí),甲醇排放隨發(fā)動(dòng)機轉速的升高而升高。圖5和6給岀了乙醇汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機催化器前未燃試驗過(guò)程中對甲醛排放進(jìn)行了測量但在多數工況下測不到n=2 500 r/minn=3 000 rimin04口E10O E2003E0日E00E2009營(yíng)0.20.20.10.2平均有效壓力MPa平均有效壓力MPa圖5乙醇/汽油混合燃料汽油機催化器前的乙醇排放Fig 5 Unburned ethanol engine-out emissions of ethanol/ gasoline blended fuel engine0.120.12n=2 500 r/minn=3 000 r/min◆E0口E100E20◆E0E10E200040.04802040.60.80.2040608平均有效壓力MPa平均有效壓力MPa圖6乙醇/汽油混合燃料汽油機催化器前旳乙醛排放Fig 6 Acetaldehyde engine-out emissions of ethanol/ gasoline blended fuel enginen=2 500 riminn=3 000 r/min0E20◆E0aE10E20TYH中國煤化工CNMHG平均有效壓力MPa平均有效壓力MPa圖7乙醇/汽油混合燃料汽油機催化器前的甲醇排λFig 7 Methanol engine-out emissions of ethanol/ gasoline blended fuel engine23Vol 6 No 5安全與環(huán)境學(xué)報第65期甲醛。這可能是因為甲醇的排放是由汽油中的一些添加成分[8] HE Yangquan何邦全), Yan Xiaoguang(閆小光), WANG Jianxin(如MTBE或ETBE造成的。王建昕),etal., A study on the emission characteristics of an Efl en外經(jīng)過(guò)三效催化轉化器后醇、醛類(lèi)等非法規排放物gine with ethanol blended gasoline fue[ J]. Transactions of CSICE(ry的體積排放僅為百萬(wàn)分之幾大部分工況下可實(shí)現零排放。燃機學(xué)報),2002,205):399-4024結論Emission and catalytic conversion features of1汽氣油機燃用E10和E20時(shí)催化器前的CO排放與燃用the efi engine fueled with ethanol/ gasoline汽油相比明顯降低NO排放基本保持不變在較大負荷時(shí) blendsHC排放略有升高OI Dong-hui'2, LIU Sheng-hua',LI HV Sheng-chur2)汽氣油機燃用E10和E20時(shí)的未燃乙醇排放與燃用汽油時(shí)相比大負荷下略有升高而乙醛排放明顯升高且隨混合(1 School of Energy and Power Engineerin, Xi' an Jiag Ur燃料中乙醇含量的增加而增大,乙醇的混入對乙醛的排放起sity, Xi an 710049, China 2 School of Automobile Chang an Uni重要作用混合燃料發(fā)動(dòng)機的甲醇排放與汽油機相差不明顯, versity,xi710064, China)說(shuō)明甲醇的排放主要來(lái)自汽油中的添加成分(MTBE或ETBE bAbstract: The present paper aims at introducing the authors experi3甩噴汽油機在外特性運行時(shí)為開(kāi)環(huán)控制而在中、小負 mental investigation over the pollutant emissions and catalytic conver荷運行時(shí)為閉環(huán)控制其控制策略的不同會(huì )影響燃用乙醇/汽 on efficiency features of the synthetic electronic fuel injection(E)油混合燃料時(shí)的排放特性因此本研究結果與在化油器式發(fā) gasoline engine fueled with ethanol-gasoline blends at various blend動(dòng)機上的研究結果不會(huì )完全相同。ing ratios(0 vol % 10 vol % 20 vol %) In our investigation4催化劑對乙醇汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機機CO、HC和NO, ethanol was treated as a partially oxidized hydrocarbon and ther轉化效率的影響與混合燃料中的含醇量以及發(fā)動(dòng)機的負荷和 added to the blended fuel, which gives out more oxygen in the com轉速有關(guān)從整個(gè)催化轉化特性看燃用汽油時(shí)的催化轉化特 bustion process and leads to the so-called" leaning effect.When性效果較優(yōu)于燃用混合燃料的,used the fuel injection ratio was adjusted by means of a closed-loop5)、醛類(lèi)排放經(jīng)過(guò)三效催化轉化器后基本可以實(shí)現零 in which the on- board ECU controlled the fuel injection with feedback排放表明PHh系三效催化劑能夠滿(mǎn)足汽油機燃用乙醇/汽 ignal from the built-In oxygen sensor in a exhaust pipe: By contro油混合燃料時(shí)對非法規排放控制的要求。the closed-loop it is possible to measure the effect of the ethanoladded to the pollutant emission andReference參考文獻)aturesigation indicated that the ethanol[1 KSEL Fikret Yu, KSEL Bdri Yi. The use of ethanol-gasoline blend as gasoline blends as a kind of improved fuel with ethanol contenta fuel in an SI engine J ] Renewable Energy 2004, 29: 1181-1191. creased in the blends helps to remarkable decreasing the engine-out2] HSIEHA Wei-dong, CHENB Rong-hong, WUB Tsung-lin, et al. En- CO emission. The improved level proved to be as high as up togine performance and pollutant emission of an SI engine using ethane5%, Whereas the engine-out HC emissions slightly increase at thegasoline blended fuel! J ]. Atmospheric Environment 2002, 36: 403- high engine load the engine-out NO emission depends on the oper410anol conte[3] AL-HASAN M. Effect of ethanol-unleaded gasoline blends on engine Furthermore, the effect of the ethanol on catalytic conversion efficien-performance and exhaust emissions[ J ]. Energy Conversion and cy proves to be related to the engine speed load as well as air fuelManagement,2003,44:1547-1561ratio. And, finally, the acetaldehydes emissions of the engine with4] QI D H, LIU Sh Q, LIU J C, et al. Properties, performance and e-new blends measured by gas chromatography, prove evidently highermissions of methanol-gasoline blends in a spark ignition engine[J]Proc ImechE, Part D: J Automobile Engineering, 2005, 219( 3)than that of the gasoline engine. However, the unburned ethanol405-412missions of the blends engine prove slightly higher than that of gaso[5] WANG Chunjie王春杰), WANG We王瑋), TANG Dagang(湯大 line engine, while the methanol emissions of the blends engine are alEa),et al. Effect of ethanol gasoline and unleaded gasoline on exhaust most similar to that of the gasoline one but the pollutants can be deions of EFI vehicles with TWd J]. Environmental Science( IFig creased to approximately zero value after the three-way catalytic con-科學(xué)),2004,254):113-11verter. While idling the CO, HC and NO, emissions proves to be[6] Ly Hengchun(呂勝春),LIHu李暉),EDDY,etal. Measurement slightly decreasedof non-regulated pollutants from SI engine fueled with methanol/gasoline Key words: power machine engineering i gas chromatographyblends[J]. Transactions of CSICE(內燃機學(xué)報),2006,24(1)etaldahvde three-way catalytic中國煤化工[7] ZHU Tianle(朱天樂(lè )), WANG Jianxin王建昕), FU Lixin傅立CLCCN MH Gument code: AWI), et al. Effects of blended ethanol on gasoline engine emissions andArticle ID:1009-609420065-0021-04three-way catalytic converter performance[ J ]. Journal of Tsinghuaniversity:si& Tech edition(清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版2002,4x12):1609-161124