乙醇/汽油混合燃料对电喷汽油机排放特性的影响

2005年8月农业机械学报第36卷第8期乙醇/汽油混合燃料对电喷汽油机排放特性的影响高祥宋崇林成存玉郭振鹏董素荣摘要】采用增氧剂乙醇替代甲基叔丁基醚,在发动机台架上研究了不同掺混比混合燃料对电喷汽油机排放特性的影响及三效催化器的净化性能。实验结果表明,汽油机掺烧乙醇后,在低转速时CO排放有所升高,而在中高转速时CO的排放改善程度较小;在所有转速条件下,THC排放量都有所降低,其中E4组(无水乙醇添加量9.826%)燃油对THC排放改善效果较明显,降低幅度接近40%,而NO排放仅在中低转速时降低较明显。催化转化器对CO和THC净化效率分别为42%~99%、58%~93%对NO2的催化转化率相对低一些,平均约为27%三效催化器的转化效率与燃料中乙醇含量、汽油机转速和负荷有关关键词:电喷汽油机乙醇三元催化器排放中图分类号:TK417+,126文献标识码:AEffect of Ethanol Anhydrous Addition into Gasoline on RegulatedEmission Characteristics of an EFI Gasoline EngineGao Xiang Song Chonglin Cheng Cunyu Guo Zhenpeng Dong Surong(1. Tianjin University 2. Military Traffic Institute)AbstractReferring to oxygen concentration in methyl tertiary butyl ether (MTBE)/gasoline blendedfuels with 0,,, 15% and 20% MTBe respectively, ethanol anhydrous(EA) was usedas a substitute for mTbe and mixed into 90 unleaded gasoline, namely eo, El, E2, E3 andE4. The effects of EA addition into gasoline on the regulated emissions from an eFi gasolineengine and catalytic conversion efficiency were investigated. The experimental results showedthat with EA/ gasoline mixtures, CO emissions were increased at low speed and decreased little atmiddle and high speed. THC emissions were reduced under all operating conditions. When E4was fueled, THC emissions have been decreased obviously to 40%. NO, emissions had a greatdecrease at low and middle speed. Catalytic conversion efficiencies of CO and THC were from42% to 99% and from 58% to 93%respectively. But catalytic conversion rate of NO, onlyreached 27%. The efficiency of catalytic converter had relations to the speed, load of the engineand the ethanol content in the blended fuelsKey words EFi gasoline engine, Ethanol, Three-way catalytic converter, Emissions丁基醚( methyl tert- butyl ether,简称MTBE),汽引言油车燃用加入MTBE的汽油后可减少CO和THC目前,国际上应用最多的汽油增氧剂是甲基叔的排放,对保护环境有益。但大量研究结果表明,收稿日期:2004-08-09国家自然科学基金资助项目(项目编号:50076032)中国煤化工高祥天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室硕士生,30007天津中宋崇林天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室教授博士生导师CNMHG成存玉天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室硕士生郭振鹏天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室硕土生董素荣解放军军事交通学院汽车工程系博士生,300161天津市农业机械学报2005年MTBE可诱发癌症,导致免疫系统功能下降等慢性公司MEXA-7100DEGR型汽车排气分析仪检测疾病,且使用中易污染地下水。1999年美国加利发动机排气中的常规排放物,用不分光红外线法福尼亚州发现地下水受到地下汽油储槽泄漏的微量(NDⅠR)分析CO排放,用氢火焰离子法(FID)检测MTBE污染,宣布禁用MTBE作汽油含氧添加剂。总碳氢(THC)排放,化学发光法(CLD)检测尾气中随后,类似情况也在其他一些州受到追究和责备。鉴NO。于此,应寻找和开发绿色环保型汽油增氧剂以替代台架实验用汽油机未做任何调整,乙醇/汽油混MTBE。乙醇是一种无毒的含氧燃料,可以改善发动合燃料(以下简称混合燃料)现场调配。选用MTBE机的燃烧和排放特性[24,由于乙醇可以从生物质作为实验的参照,以MTBE添加量(体积分数)5%,制取,燃烧后所排出的CO2可被植物所吸收,对大10%,15%20%时的含氧量换算成相应无水乙醇的气环境的CO2净释放率为零,因此,乙醇是一种添加量(体积分数)2.456%,4.912%,7.369%,较为理想的MTBE替代品。9.826%,并将无水乙醇按相应比例添加到90号无本文选择无水乙醇( ethanol anhydrous,简称铅汽油中,分别记为E0(基础油)、E1、E2、E3、E4。EA)为研究对象,分析研究EA替代MTBE,电喷汽油机燃用不同掺混比乙醇/汽油混合燃料的CO、实验结果及分析THC及NO2排放规律及三效催化转化器的催化净图1给出了混合燃料汽油机的CO排放。从图化性能。中可以看出,1600r/min时除燃用E4组燃油高负荷时外,汽油机掺烧乙醇后CO排放有所上升,汽油实验条件机燃用E2组燃油时CO排放上升幅度最大,与燃用实验发动机为HL4951Q型多点电喷汽油机,缸基础油相比上升约15%;2600r/min时汽油机燃用径为95mm,行程为100mm,压缩比为7.6。三效催E4组燃油时CO排放改善效果最为明显,平均降低化器的催化剂成分为贵金属Pt和Rh,载体为堇青20%,其他燃油组与基础油组相比CO排放整体石蜂窝陶瓷,孔数为64孔/cm2。使用日本 HORIBA变化不大;3400r/min时汽油机掺烧乙醇后CO排■E0口E回E4■E0囗E2aE4NE1因E6884100负荷/%%图1乙醇/汽油混合燃料汽油机的CO排放Fig 1 CO emissions of gasoline engine fueled EA/gasoline mixtures(a)1 600 r/min (b)2 600 r/min (c)3 400 r/min放略有降低。THC排放有不同程度改善,其中汽油机燃用E4组图2给出了混合燃料汽油机三效催化器对CO燃油与燃用基础油相比,THC排放降低约40%;的净化效率。从图中可以看出,1600r/min时催化2600r/min时,汽油机掺烧乙醇后THC排放明显器的净化效率比其他两个转速的都高,转化效率为降低,但乙醇掺烧比例的不同对THC排放的改善82%~97%;2600r/min时汽油机燃用E2、E3和程度影响不大;3400r/min时,随着负荷增大,汽油E4组燃油时的催化器净化效率稍优于基础油组。机掺烧乙醇后THC排放有所改善3400r/min时汽油机燃用E2组燃油时催化器的净图4给出了混合燃料汽油机三效催化器对化效率最低,平均约为65%,对于其他燃油组,催化THC的净化效率。从图中可以看出,1600r/min器的净化效率与基础油组相比变化不大,平均约为时,H中国煤化工THC的净化效率73%可见,三效催化器对CO的净化效率与混合燃整体CNMHG燃用E1组燃油时料中的含醇量、发动机转速和负荷有关的平遇化双平取离,织为。2600r/min时汽图3给出了混合燃料汽油机的THC排放。从油机燃用基础油时THC的净化效率约为91%,而图中可以看出,1600r/min时汽油机掺烧乙醇后汽油机燃用E2和E4组燃油时净化效率相对较低,第8期高祥等:乙醇/汽油混合燃料对电喷汽油机排放特性的影响■E0口E2■E0口E2El口E3CE4SEl E3图2乙醇/汽油混合燃料汽油机的CO净化效率ig2 Catalytic conversion rate of co of gasoline engine fueled EA/gasoline mixtures(a)1 600r/min (b)2 600 r/min (c)3 400 r/minHE4■E0口E2NEl区E3sEwE3日E4■E0口E2日E4SEl E3h自图3乙醇/汽油混合燃料汽油机的THC排放Fig 3 THC emissions of gasoline engine fueled EA/gasoline mixtures(a)1 600 r/min (b)2 600 r/min (c)3 400 r/min■E06783100负荷/%负荷/%图4乙醇/汽油混合燃料汽油机的THC净化效率Fig4 Catalytic conversion rate of THC of gasoline engine fueled EA/gasoline mixtures(a)1 600r/min (b)2 600 r/min (c)3 400 r/min约为85%。3400r/min时汽油机燃用基础油,净化图6给出了混合燃料汽油机三效催化器对NOx效率比燃用混合燃料高,特别是高负荷时更为明显。的净化效率。从图中可以看出,1600r/min时NO图5给出了混合燃料汽油机的NO排放。从图净化效率较低,各组燃油均不超过30%中可以看出,1600r/min时除小负荷外,汽油机掺2600r/min高负荷时,燃用E2、E3组燃油时催净化烧乙醇后NO2排放降低明显;2600r/min时汽油效率相对较高;3400r/min时整体上看,汽油机燃机掺烧乙醇后NO-排放有一定降低,但降低幅度比用基础油、1及E2组燃油时,净化效率优于乙醇1600r/min时小;而3400r/min时,汽油机掺烧乙掺混中国煤化工醇后NOx排放有所改善,其中燃用E2组燃油时CNMHG净化效率与燃料中NO4排放降低幅度最大,与燃用基础油相比降低约乙醇含量、汽油机转速和负荷有关系。10%农业机械学报2005年35■E0口E2E4Bo日B2aE4E1口E3■E0口E2E4EI日5图5乙醇/汽油混合燃料汽油机的NOx排放Fig 5 NO, emissions of gasoline engine fueled EA/gasoline mixtures(a)1 600 r/min (b)2 600 r/min (c)3 400 r/min■E0日E2日EAMEI E■E0日B曰E4MEl ELEA负荷/%图6乙醇/汽油混合燃料汽油机的NO2净化效率Fig6 Catalytic conversion rate of NO, of gasoline engine fueled EA/gasoline mixtures(a)1 600 r/min (b)2 600 r/min (c)3 400 r/minTHC排放都有所降低,其中E4组燃油的THC排3结论放改善效果较明显,其最大降幅率接近40%。三效(1)汽油机掺烧乙醇后,在低转速时CO排放催化器对THC的净化效率较高。有所升高,而中高转速时对CO排放改善程度较小(3)汽油机掺烧乙醇后,NO2排放在中低转速三效催化器对排放中CO的净化效率,在低转速时时降低较明显,在高转速时也略有改善,但净化效率普遍较高,而中高转速时随负荷的增加净化效率降较低。低4)三效催化器的净化效率与乙醇的含量、发(2)汽油机掺烧乙醇后,在所有转速条件下,动机的转速和负荷有关。参考文献1 Farhad Nadim, Peter Zack, George E Hoag, et al. United states experience with gasoline additives. Energy Policy2001,29(1):1~52何邦全,闫小光,王建昕等.电喷汽油机燃用乙醇汽油燃料的排放性能研究,内燃机学报,2002,20(5):399~4023何邦全,王建昕,郝吉明等.乙醇-汽油燃料电喷汽油机的排放及催化性能.内燃机学报,2002,20(6):529~5334 Poulopoulos S G, Samaras D P, Philippopoulos C J. Regulated and unregulated emissions from an internacombustion engine operating on ethanol-containing fuels. Atmospheric Environment, 2001, 35(26): 4399-44065 Kevin N Rask. Clean air and renewable fuels t the market for fuel ethanol in the US from 1984 to 1993. EnergyEconomics,1998,20(2):325~3456 Jose R Moreira, Jose Goldemberg. The alcohol program. Energy Policy, 1999, 27(4): 229-245中国煤化工CNMHG