乙醇汽油混合燃料的排放特性研究

第6期内燃机No. 62010年12月Internal Combustion EnginesDec. 2010乙醇汽油混合燃料的排放特性研究.实美华;杜宝杰只，季 岳林^(1.中业职业技术学院广东中心( 528404.2.浙江青利汽车技术中心浙江宁波, 6580-*.*，长沙理工太学,湖前，长沙4104.摘要:研究不同配比的乙醇汽油混合燃料在电喷汽油机上应用时的排放特性。结果表明:在发动机参数未做任何调整的情况下,发动机运行状况良好;C0和HC的排放明显得到了改善,NOx的排放在个别工况下发生恶化;排放特性的变化不仅与乙醇含量有关，而且与电喷发动机的空燃比控制策略有关。关键词:汽油机;乙醇汽油;排放特性中图分类号:TK411文献标识码:A文章编号:1000- 6494(2010)06 -0045 04Research on Emission Characteristics ofEthanol- gasoline BlendsGUO Mei-hua' , DU Bao- -jie',LI Yue lin3'(1. Zhongshan Vocational College ,Zhongshan 528404 ,China; 2. Zhejiang Geely Automobile TechnicalCenter, Ningbo 315800,China;3. Changsha University of Technology , Changsha 4101 14,China)Abstract: The ffects of ethanol-gasoline blends on emission characteristics have been investigated on an EFI gasoline en-gine. The result shows that the engine runs in good conditin without making any adjustments to the engine parameters. Thengine emissions of CO and HC have been improved signifcantly, but NOx occurs to be deteriorated in some conditions.The emission characteristics are not only related to the amount of ethanol in the blended fuels, but also to the strategies tocontrol air/fuel ratio of the EFI engine.Key words: gasoline engine; alcohol-gasoline blends; emission characteristics伴随着工业生产和交通运输的快速发展，人类1实验装 置和实验方案对石油燃料的需求越来越高,但因为石油资源有限,所以能源短缺8益成为一个令人担忧的问题。除了实验用汽油机为本田2.4型发动机,表1列出了它设计更高效的发动机以节省石油资源外，必须寻找的主要参数。排放分析仪是深圳元征科技股份有限其它的能源以部分或者完全替代我们当前正在使用公司生产的VEA- -501型五组分排放分析仪，该设备的燃料。于是各种新能源技术应运而生,乙醇汽油就是利用不分光红外线吸收原理(NDIR)来测量排气是其中的一种。乙醇能够通过农作物发酵、蒸馏得中的CO和HC的浓度,采用化学发光原理对NOx的浓到,可以看成是一-种 可再生能源;同时乙醇的辛烷值度进行检测。高于汽油,可以提高发动机的抗爆震性能。如果使用表1发动机主要参数乙醇作为燃料，则可以通过提高压缩比来改善发动项目参数机的热效率和输出功率。然而如果使用纯乙醇作为燃排量几料的话,就必须对发动机进行改装,这样会导致成本缸径x行程/(mmxmm)87.0x 99.0攀升,不利于实用化。因此最好是把研究重点放在乙9.7:1醇汽油混合燃料上,避免对发动机进行改装。中国煤化工多点电喷MYTHCNMHG玲却形式水冷作者简介:郭美华( 1982- ),女硕士研究生,主要从事车为了使发动机具有乙醇汽油与汽油的随意切换辆工程的研究。收稿日期:2010-05-10性能，选用低浓度的乙醇汽油(乙醇的体积分数为内燃机2010年12月2.5% ,5%, 10%和15%)进行研究，分别用E2.5,E5,CO的排放曲线开始时缓慢变化，而后出现上升趋E10,E15表示,其中乙醇为工业乙醇,纯度在99.7%势,最终达到最大值。以上。实验中未对发动机进行任何调整,各系统也未这是由于电控发动机在中小负荷工况时是实行进行优化，以利于乙醇汽油混合燃料的推广使用。实闭环控制的，根据装在排气管上的氧传感器的反馈验主要在如下的两种工况下进行:信号控制过量空气系数基本保持在1.0左右,此时汽a.部分负荷工况。在适当转速下进行,发动机转油机用经济混合气工作，基本上可以保证燃料完全速恒定,从小负荷20 N.m开始,逐渐开大节气门，每燃烧;另一方面,随着掺烧乙醇比例的增大,电控系次多加载20 N.m直至100 N.m进行测量。转速分别统使发动机进气量自动减小，以维持过量空气系数固定在1 800 r/min和2 600 r/min, 在每个测量点,待保持在1.0左右。因此,在中小负荷工况各种燃料的发动机运转60 s后开始测量。CO排放变化都不大,趋势比较平稳。而在大负荷工b.全负荷工况。在适当转速下进行,节气门保持况时，电喷汽油机为了输出较大的功率将会增加喷全开,并且发动机转速不变。测量点为1 200,1 800,油量以形成浓混合气，导致过量空气系数小于1.0,2 400,3 000,3 600 r/min, 在每个测量点,待发动机这就使得C0的排放开始上升。运转60 s后开始测量。b.燃用93#汽油的排放始终最高,四种混合燃料的排放效果均优于燃用93#汽油,并且随着掺烧乙醇2乙醇汽油 混合燃料的排放特性的增加,CO排放有明显改善,其中使用E15的最大降在两种实验工况下，对不同比例的乙醇汽油混低幅度为8.3%。合燃料的排放特性进行了研究，各种排放物均在催这是因为乙醇汽油燃料自携氧要比空气中的氧化器前测量。更有助于完全燃烧，或者说原子氧要比分子氧更容图1和图2分别是发动机在两种不同转速下CO易参加化学反应,加之混合燃料中乙醇的CH小于汽的排放曲线。从图上可以看出:油,汽化潜热大于汽油,有利于混合气的完全燃烧。a.在- -定转速下，随着负荷的加大，五种燃料乙醇化学结构中的羟基OH使其燃烧反应特点与汽5.0油中的各种烃类的有所不同，其燃烧速度和火焰传4.8+汽油+ E2.5+ E5士E10甘E15播速度高于汽油,这也是掺烧乙醇后CO排放得以改4.4善的另一个原因2.3。图3是全负荷工况时燃用五种燃料的CO排放曲三4.0线。从图上可以看出，燃用93#汽油,E2.5,E5, EI0,3.8E15的CO排放的变化趋势都是开始较为平稳，后来很快上升;同时,随着乙醇比例的不断增加,CO的排3.2放依次明显降低,改善效果可达28%左右。204(508(100 120一汽油一E2S←ES5←E10←E15 .扭矩(N.m)图1转速为1 800 r/min时的排放4t.8十汽油甘E2.5+E5士E10+E15.6|8.4?4.2 |生4.0|1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000.6中国煤化工21YHC N M H G燃比控制策略来3.0决定的,在发动机达到某-转速或者负荷时，就要增10120扭矩/(N.m)大喷油量,以形成功率混合气,而高转速段混合气的图2转速为2 600 r/min时的排放形成时间较短,不能够完全燃烧,所以在高转速段CO第6期郭美华等:乙醇汽油混合燃料的排放特性研究●47●的排放均有所上升。同样也是由于乙醇汽油富氧特40性的作用,使得乙醇汽油的排放仍然低于93#汽油。十汽油甘E2.5士E5世E10士EI5图4和图5分别是发动机在两种不同转速下HC300的排放曲线。从图上可以看出,燃用93#汽油和E2.5,E5,E10, E15时HC排放曲线的变化趋势保持- - 致,台250E2.5,E5, E10和E15的排放效果均优于燃用93#汽油时的排放,并且随着掺烧乙醇比重的不断增加,HC的排放依次降低。1000 1500~ 2000 2500 3000 3500 4 000450转速/(r*min~")400。 汽油E2.5 E5 E10。 E15图6全负荷时的排放放逐渐降低;并且掺醇率越高,未燃HC的排放就越低。350这是由于节气门保持全开时,随着转速的提高，号300燃烧速度得以提高，- -定程度上降低了因火焰在到; 250达壁面前由于膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄的可能性，所以HC排放得以200降低。同时, HC在排气系统中的氧化- -般要求排放系150统仍有富氧和较高的温度,而发动机在全负荷工况1002060800012运行时也使得排气温度获得提高，-定程度上为HC扭矩/(N.m)在排气系统中的氧化创造了条件9。另外,乙醇汽油图4转速为1 800 r/min时的排放含氧,其含碳量比汽油低,加上燃烧最高温度较低,50r又集中在定容区内燃烧,后燃的现象较少,也使排气+汽油毋E2.5+ES→E10七E15中HC减少,掺醇比例越大, HC排放改善越明显。图7和图8分别是发动机在两种不同转速下NOx的排放曲线。从图上可以看出:300-a.发动机燃用五种燃料时，随着负荷的增加，NOx的排放都是先升高后降低。混合燃料中E15降幅300厂- +汽油+E2.5-E5- *-E10- -E1S5027008100 120这240+210图5转速为2 600 r/min时的排放总这是因为在闭环控制区域内, ECU的控制策略80f使过量空气系数保持在1.0到1.05之间，五种燃料基本.上都可以充分燃烧。然而由于乙醇的含氧特性,当40 60乙醇加入后,混合燃料的含氧量获得提高,也使燃烧图7转速为1 800 rmin时的排放得以改善，燃料含氧降低了中小负荷时因为混合气过稀引起的HC淬熄排放,也降低了高负荷时因为混合气过浓导致的HC不完全燃烧排放,从而降低了未00 t燃HC的排放量。由此可知,即使在不缺氧的闭环区域，乙醇的加入或者燃料含氧量的增加仍可改善燃中国煤化工烧。这也表明燃料自携氧对降低HC效果要优于空气YHC N MH G←E10 ELS中的氧气。30100120图6是全负荷时燃用五种燃料的HC排放结果曲线。从图上可以看出,随着发动机转速的提高,HC的排图8转速为2 600 t/min时的排放48●内燃机2010年12月最大,出现在2600 r/min转速的工况,约为28.5%。素综合在一起形成的问。这是由于发动机在小负荷时，缸内温度比较低,综合比较可知,在两种实验工况下,燃用四种乙不利于NOx的生成;到了中等负荷时,混合气浓度变化醇汽油后可以显著降低CO和HC的排放,但同时会引不大,但是缸内温度已经上升了,所以排放有所增加;起个别工况 下NOx排放的增加。可见，发动机燃用四而发动机在大负荷时,供给的混合气较浓,氧不足,即种乙醇汽油后排放特性的变化不仅与掺醇量有关，使此时缸内温度较高,NOx的生成也因缺氧被抑制。而且与发动机的空燃比控制策略以及发动机的运行b. E2.5, E5,E10,E15的排放均高于燃用93#汽工况有密切关系。油时的排放,并且随着掺烧乙醇比重的增加,NOx的3结论排放依次增加。这是由于乙醇含氧,可使缸内燃烧温度变高、速a在未作任何改动的前提下，发动机燃用四种度变快,燃烧放热也比较集中,使NOx的排放得以增乙醇汽油混合燃料(E2.5, E5,EI0, EI5)后的运行状加,虽然乙醇的热值低,汽化潜热约为汽油的2.9倍，况良好,未有异响或是噪声出现。有使进气温度降低,火焰传播速度减慢,缸内最高温b.在两种实验工况下,CO和HC的排放均有明度降低的趋势,可能会使NOx有所降低,但其影响不显改善。够大，于是两者因素共同作用后的结果是E2.5,E5,c.部分负荷工况下,NOx的排放有所恶化。E10, E15这四种混合燃料NOx的排放比93#汽油高。d.排放特性的变化不仅与乙醇的含量有关，而图9是全负荷时五种燃料的NOx排放曲线。从图且也与电喷 发动机的空燃比控制策略有关。上可以看出,节气门全开时,随着转速的提高,NOx[参考文献]的排放先升高后降低最终又升高，并且四种混合燃料的排放始终低于93#汽油。这些都是由于燃料的含[1]李岳林,杜宝杰,李薛,等汽油机燃用乙醇汽油混合燃料氧量、燃烧峰值温度以及混合气浓度不同等诸多因的研究进展[]小型内燃机与摩托车.2009,(2):85-87.900+ -汽油+E25-E5*-E10+ ES[2]刁洪军,乙醉汽油成分测试及其对电喷汽油机性能影响实验研究[D]吉林:吉林大学,2007.850[3]杜宝杰电喷汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的性能研究[D].长沙:长沙理工大学2009.[4]顾洁.汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的模型及试验研究750[D].杭州:浙江大学.2003.00[5]彭小红.醇类燃料的燃烧与排放特性的研究[D]西安:长安大学,2003.6506]李昕光汽车代用燃料在电喷发动机上的应用研究[D]哈1000 1500 2000 2500 3000 3500 4 000.转速/( r/min")尔滨:东北林业大学,2005.图9负荷时的排放(上接第44页)油机工作模型,并进行了发动机型线的优化设计。型线。a.利用计算模型对直喷汽油机的外特性进行模拟计算,通过与台架试验数据对比，证明模型正确,说明该模型与发动机实际工作状态基本吻合,可[1]李岩万杰BI0RWD发动机性能模拟与MOP优化试验研应用到直喷发动机的实际开发中。究[办节能与技术2009,(11). .b.利用该BOOST模型对发动机型线进行了优[2] AVL-BOOST Users Guide Version 4.0.4 June 2004.化模拟计算，并利用计算模拟数据设计实施了试验[3]蒋御I中国煤化工出版社,1986.[4]周出版社,1998.台架，得出的台架试验结果确实提高了发动机的整[5]朱YH. C N M. H G及其优化M.北京:体性能。国防工业出版社.1997.c.利用计算机模拟,不仅能够节省试验的时间、降低试验成本，还能够得出对发动机性能最有利的