甲醇发动机排放特性的研究

内燃机学报第25卷(2007)第1期Vol. 25 (2007) No.1Transactions of CSICE文章编号: 1000- 0909(2007 )01- 0073-0425-012甲醇发动机排放特性的研究汪洋'，王静'，史春涛”，王雪雁”，范国梁3(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072; 2.天津大学内燃机研究所,天津300072;3.天津大学材料科学与工程学院，天津3002)摘要:以一台电控M85甲醇燃料发动机为研究对象,在发动机台架上,采用废气分析仪和气相色谱仪,分别研究了甲醇发动机的常规排放和非常规碳氢排放。研究表明:M85甲醇发动机可以实现很低的常规排放,在非常规碳氢排放方面,甲醛在总碳氢排放占有较大的比例，而甲醇的排放接近0。三效催化反应器对甲醛的净化率较低,并且存在随负荷增大,净化率降低的趋势。甲醇的净化率始终接近100%。关键词:甲醇发动机; M85;排放;非常规碳氢排放中图分类号: TK464文献标志码: 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一般都低于汽油机,也不存在有机铅和苯的排放问题。引言但限制其推广应用的主要阻力在于甲醇发动机的非常甲醇燃料的原料可来源于煤、天然气、生物垃圾规碳氢排放物(甲醇和甲醛)问题,目前对减少甲醛排等,同时甲醇燃料具有传统汽油燃料的优点:良好的运放尚缺乏可靠持久的控制技术(0]。另一方面,利用色输性和较高的能量密度,因此是-种很有前途的汽油谱仪定量检测甲醛、甲醇排放,其难点在于如何将甲替代燃料[' ,在油价不断攀升的形势下，甲醇燃料的醛、甲醇成分从其它碳氢成分中分离出来,在此之前国优势日渐突出。世界各大汽车公司都曾对甲醇的车用内在这方面还缺少成熟的技术。本研究采用了天津大技术进行了积极的研究与开发,示范了不同的方学和东风汽车集团在科技部“十五”攻关“清洁汽车行案'- 4。我国也从70年代开始,对甲醇汽车的研制和动”项目中联合开发的非常规排放气体分析仪,其核应用开展了广泛的研究'”。心仪器是一台气相色 谱仪,关键技术是色谱柱的选择甲醇发动机的常规排放物(THC、CO和颗粒等)与处理以及测量条件的匹配。收稿日期:2006 03- 11;修回日期:2006.07.12.基金项目:国家科技部清洁汽车行动项目( 2003BA408B10)。作者简介:汪洋,博士,教授,E mail:w. yang@ eyou. com。2007年1月.汪洋等:甲 醇发动机排放特性的研究90%时,缸内混合气的过量空气系数φ. =1;大于90%规定值的 11. 9%(CO)和4.4%(THC + NO.)。因此从时,过量空气系数φ。逐步过渡到0.85,以保证发动机常规排放角度, M85甲醇燃料应该属于清沽燃料。三的动力性。由于缺氧,燃烧的中间产物CO得不到充效催化反应器对于常规排放物,有很高的净化率。分氧化,同时也抑制了NO,的生成。2.2非 常规排放特性分析图4为催化器下游的测量结果，可以发现,在负荷图5、图6是2 000 r/min 时，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。醇发动机在催化前后甲醛排放和未燃甲醇排放随负荷其中,THC转化效率在90.4%以上, C0转化效率在变化的曲线图。92. 3%以上,NO,转化效率在78%以上。但是当负荷超从图5可以看出,在催化反应器前，甲醛的排放趋过90%时,THC CO的转化效率开始降低,当达到10%势类似THC,在50%负荷附近其甲醛排放最低,为负荷时,THC的转化效率为84.8%,CO的转化效率为60 x10 -6。在0%、10%、25%、55%和90%负荷工况点,催88. 7%,其原因也是此时混合气过浓缺氧。化器的甲醛的净化率分别是91. 6%、80.4%、78.0%、76. 9%和39. 8%,其趋势是负荷越大,净化率越低。从5 000一200图6可以发现,在催化反应器前,甲醇的排放主要集中一-NO,在小负荷,当负荷为10%时,达到最低值18x10-6 ,负4 00060。荷增大之后,逐渐上升到23.18x10-%。值得注意的s 3000120是,催化器下游的甲醇浓度接近0,因此催化器对甲醇+8c的净化率非常高,接近100%。1 000-40-催化前140|-10010203040506070809010010--催化后三12(负荷/%妇100-图4催化后常规排放物的负荷特性Fig.4 Characteristics of normal emission after catalysis50}t0f由于本研究所采用的发动机,用于3.5吨及以上20-的汽车,可以根据国家环保总局发布的国家标准.24050负荷1%GB14762-2002《车用点燃式发动机及装用点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》71 ,在发动图5催化前后甲 醛排放曲线图Fig.5 Formaldehyde emission before and ater catalysis机台架上测取了九工况点的排放数据,得到该发动机常规排放物的九工况法排放指标,如表1所示。700个一催化前表1 M85 甲醇发动机的常规排放数据? 50--.-催化后Tab. 1 Data of normal emission about the M8540- .methanol engine带301B(C0)/B(NO,)/(g●B(THC)/电20-检测位置(g. (kW●h)-")(kW.h)")h)-)04σ206080100催化器前25.0710.450. 81催化器后1.150.120.05图6 催化前后甲酵排放曲线图净化率/%95.498.993.8Fig.6 Methanol emission before and after catalysis标准要求CB14762-2002≤9.7≤4. 1(HC + NO,)表2是该发动机的九工况法测得的甲醛和甲醇排从表1中可以看出,M85甲醇发动机经过三效催放指标,对发动机燃用M85燃料时甲醛与未燃甲醇排化之后,其排放值只有CB14762 2002(相当于欧洲II)放量按九工况法测量得,在催化反应器前后甲醛排放●76.内燃机学报第25卷第1期量分别为0.15 g/(kW●h)、0.04 g/(kW●h) ;未燃甲.(kW●h), NO,为0.12 g/(kW●h),CO排放相当于醇排放量在催化反应器前为0.05 g/(kW●h),而催化GB14762-2002限定值的11. 9%, THC +NO,相当于反应器后未燃甲醇排放量几乎为0。上述计算结果表GB14762-2002限定值的4. 4%,因此从常规排放角度,明,目前HL495JIQ型电喷甲醇发动机所配用的催化M85燃料属于清洁燃料。反应器对甲醛和未燃甲醇的净化率分别为73.3%和(2)按 照九工况法折算的非常规碳氢排放:甲100%醛为0.04 g/(kW●h),占THC中的80%,甲醇排放接甲醛是甲醇低温氧化的产物,催化反应器对甲醛近0,因此电控甲醇发动机的非常规排放问题，实际上的净化率低于甲醇的原因,存在两种可能:1)甲醇氧是甲醛排放问题。化成CO2和水的过程可以不经过甲醛这个阶段,而且(3)按照九工况折算, 三效催化反应器对甲醛这个过程比经过甲醛,再氧化成CO2和水的过程进行和甲醇的净化率分别为73. 3%和100. 0%,而且存在发得更彻底;2)虽然甲醇先氧化成甲醛,但是甲醛以自动机负荷越大,甲醛的净化率越低的规律。由基形式存在,其进一步氧化所需要的活化能比稳定参考文献:态的甲醛更低。至于具体何种因素起了决定性作用，有待进-一步研究。[1] 周述志，廖宗富,漆长席,等.甲醇是我国能源保障的最佳选择[J].化工管理,2003(6):20- -21.表2 M85 甲醇发动机的非常规排放数据[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/检测位置，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-净化率%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,刘巽俊，刘忠长，等.点燃式甲醇发动机的性能和排放[J].内燃机工程,1991,12(1):52- -57.从上表可以看出,电喷带三效催化的M85甲醇发[6] Fukihiro Tsukasaki, Akio Yasuda, Sumio Ito, et al. Studyof Mileage-Related Formaldehyde Enmission from Methanol动机,其非常规碳氢排放问题,实际上是甲醛排放问Fueled Vehicles[A]. In: SAE Paper 900705[C]. Detroit,题。普通汽油机的碳氢排放中也存在醛类排放,但是New York, USA, 1990.其在总碳氢中的比例较低,文献[8]的研究表明:对于7] CB14762-2002 ,车用点燃式发动机及装用点燃式发动机带催化反应器的汽油机，甲醛占总碳氢的比例在1.7%汽车排气污染物排放限值及测量方法[S].中国:国家环以内。针对甲醇发动机的排放特点,开发出对甲醛净保总局,2002.化率高的催化反应器,将是解决甲醇发动机甲醛排放[8] Savas Geivanidis , Panayotis Pistikopoulos ，Zissis Samaras.问题的有效途径。Effet on Exhaust Emissions by the Use of Methylcyclopenta-dienyl Manganese Tricarbonyl ( MMT) Fuel Additive and3结论Other Lead Replacement Casolines[J]. The Science of theTotal Environment ,2003 ,305 ,129-141.(1)电控M85甲醇发动机,其九工况法常规排放物指标:CO为1.15 g/(kW●h),THC为0.05 g/