乙醇/柴油发动机乙醇乙醛排放测试系统的设计与应用

第36卷第6期吉林大学学报(工学版)Vol 36 No 62006年l1月Journal of Jilin University( Engineering and Technology Edition)文章编号:1671-5497(2006)06-0885-04乙醇/柴油发动机乙醇乙醛排放测试系统的设计与应用洪伟',吕庆胜,谭满志',郭英男,艾森林2(1.吉林大学汽车工程学院,长春130022;2.车辆排放与节能重庆市市级重点实验室,重庆400039)摘要:介绍了利用气相色谱分析技术分析发动机尾气的方法。采用在线直接进样、袋式采样和吸收采样3种釆样方式进行了对比试验。设计了冰浴去离子水吸收乙醇和乙醛的两级釆样系统和气相色谱分析系统。实验结果表明,建立的色谱分析方法可成功对乙醇和乙醛进行有效分离,乙醇和乙醛的检测限分别为0.19吧g/mL和0.18μg/mL,满足试验要求,实现了对乙醇柴油发动机排气中乙醇和乙醛的分离测量。关键词:动力机械工程;乙醇/粜油发动机;测试技术;乙醇排放;乙醛排放;气相色谱中图分类号:TK411.71文献标识码:ADesign and application of measure system for ethanol and acetaldehydeemissions from engine fueled with ethanol/ diesel blendsHong Wei, Lu Qing-sheng, Tan Man-zhi, Guo YiAi Sen-lin2(1. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China; 2. Chongging City Key Laboratory of VehicleEmission and Energy, Chg 400039, China)Abstract: Gas chromatography(GC)technology was used to analyze the ethanol and acetaldehyde in engineexhaust gas. Three sampling methods were compared including direct sampling, bag sampling and absorptionsampling. An analysis system was established which use a gas chromatograph as analyzer and a two-stageabsorption advice as sampling system in which the deionized water in the ice water bath was used to absorb theethanol and acetaldehyde. Ethanol and acetaldehyde are successfully separated and measured by the systemand the detection limits are 0. 19 ug/mL and 0. 18 ug/mL respectively. Separation and measurement of theethanol and acetaldehyde in actual ethanol/ diesel engine exhaust are realizedKey words: power machinery and engineering; ethanol/diesel engine; test technology ethanol emission;acetaldehyde emissions; gas chromatography在柴油里掺烧乙醇必定会给燃烧和排放带来燃烧过程的影响。但常规排气分析仪只能测量排影响12),并会产生乙醇和有害气体乙醛3。如气中的总碳氢,不能测定排气中乙醇和乙醛的具果能够准确地测试乙醇柴油发动机排气中乙醇和体含量,因此作者尝试应用色谱技术”实现乙乙醛的含量,将有助于了解乙醇的掺烧对排放和醇柴油发动机排气中乙醇和乙醛的测量。设计了收稿日期:2005-12-26中国煤化工基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2001CB209206)CNMHG作者简介:洪伟(1963-),男,教授博士生导师研究方向:排放控制. -maile: hong jlu,eou,cn吉林大学学报(工学版)第36卷冰浴去离子水吸收乙醇和乙醛的两级采样系统和之间的相平衡。平衡完成后,关闭旁通阀打开开气相色谱分析系统,实验结果表明,建立的色谱分关阀和节流阀,这样废气在排气背压和真空泵的析方法可成功对乙醇和乙醛进行有效分离。作用下克服两级吸收器的阻力流过吸收器A和1乙醇和乙醛采样系统的设计B,最后通过泵由流量计排出。吸收器A和B中的多孔玻板由微小的玻璃晶粒烧结而成,当废气1.1采样方案的选择经过多孔玻板时被分成许多微小的部分,使气体根据采样方式的不同,作者试验了以下3种和吸收液充分接触提高吸收效率。吸收器A和B采样方式。中的吸收液是去离子蒸馏水。发动机高温排气不(1)在线直接进样:把发动机的尾气通过一断通过采样器,这时不但有物质交换还有热能交根导管,经过进样装置直接进入气相色谱仪进行换,因此必须对吸收器进行冷却。本系统采用冰色谱分析。此时气体样品未经过处理,尾气中物水混合物作为冷却液。因为冰块总是漂浮在水面质改变较少。但色谱分析是一种组分分离过程,上,可以构成自然对流循环。乙醛的沸点为21并要求用多次进样分析来减小误差,需要较长的℃,乙醇的沸点为78℃,本系统的吸收液温度控时间;另外色谱分析存在检测限的问题,对于那些制在5℃以下,有较好的吸收效率浓度较低的物质,直接进样检测精度较低。(2)袋式取样:利用气体采样袋把发动机废如例器旁通阀气收集起来,然后经过进样装置使样气进入到气相色谱仪中进行分析。这种采样方法在大气分析值量计中应用较广。但在发动机上应用,要求采样袋本身渗透性要小、对样气成分的吸附性要小,采样袋要能承受较高温度以防止样气成分冷凝,在大负多孔玻荷釆样时,需要进行稀释或中间要加上特殊的温图1乙醇和乙醛的采样系统简图控装置。稀释的方法同样面临检测限问题,加上 Fig 1 Sketch of ethanol/ acetaldehyde sampling system一套特殊温控装置也较复杂热平衡主要是通过节流阀控制废气流量来控(3)吸收采样:利用乙醛、乙醇可以与水任意制的。吸收器内可装入5-10mL吸收液。采用互溶的特性让发动机的排气通过特定的吸收装一个美国制造的累计流量计,其测量范围小于8置来吸收排气中的乙醛和乙醇。相比之下有以下Lmin。优点:①取样方便,容易控制采样系统温度等参数:②对样品干扰小,排气中不溶于水的低沸点烃2色谱方法的建立类不会被吸收;③样品容易运输和保存。乙醛和色谱方法主要是指色谱分析过程中色谱仪的乙醇在水中的稳定性比在空气中高的多,低温选择、色谱仪进样方式的选择、色谱柱的选择、色(05℃)避光条件下可以保存一个月通④色谱分谱仪参数的设置、检测器的选择等。很多情况下析时的标准样品容易制备,因为配制液体标准样分析同种样品有多种方法,且方法的优劣会直接品相对于配制气体标准样品要容易得多;⑤可以影响分离度、分析效率、检测限和灵敏度等。通过控制采样量来控制样品的浓度,提高测试精作者利用岛津GC2010气相色谱仪对排气中度。所以本项研究最终选用了这种采样方案。的乙醇和乙醛进行分析,通过采样系统采得含有1.2乙醇和乙醛吸收采样系统的设计乙醇和乙醛的水溶液样品,因此进样就用注射器发动机排气在进入吸收器之前的管路都是保进样,进样体积选为1μL。采用分流进样,分流温的温度自动控制在100℃以上,主要是为了防比为1。乙醇和乙醛同为极性分子,因此色谱柱止发动机尾气中的水蒸气在管路中冷凝,吸收乙就需要选用极性的柱子。本实验选用的是PEC醇和乙醛。吸收采样装置的原理图如图1所示。20M毛细管柱,规格为15m(柱长)×0.25mm在采样之前关闭开关阀打开旁通阀让废气通过(内径)×0.53μm(膜厚)。PEG0M色谱柱的务路流动段时间,以便排除吸收器前气路中上固定们中国煤化工一个工况留下的废气,同时实现气路管壁和废气CNMHG子化检测器第6期伟,等:乙醇/柴油发动机乙醇乙醛排放测试系統的设计与应用887·(FID)都有着较好的响应性所以本实验选用FID3.2乙醇和乙醛排放测试作为检测器温度设定为200℃。图2是按上述利用所设计的测量系统,对一台增压中冷四方法使用含有乙醇和乙醛的样品得到的色谱图。缸16气阀乙醇/柴油发动机的排放进行了测量。其中乙醛的保留时间T( Retain time)为1.584图3是E0、E5、E10、E15四种燃料,在转速n=min,乙醇的保留时间为2.032min,可以实现乙醇1600/min下发动机的乙醛和乙醇排放特性和乙醛的完全分离。BMEPMPan=1600 r/min图2乙醇和乙醛标准样色谱图Fig 2 Chromatograph of ethanol and acetaldehydeE3测试系统的实际应用3.1色谱仪的标定BMEP/MP.色谱方法建立后,为了进行定量分析,需要对色谱仪进行标定。标定过程包括:标准样品溶液图3B、E5、E10、E15乙醛和乙醇的排放特性的制备,色谱标准曲线的制取检测限的确定等。Fg3 Ethanol and acetaldehyde emissions curves for乙醛标准溶液的定量标定采用化学滴定法。乙醇0、F5、E10、E15的标准溶液采用纯度很高的色谱分析级乙醇通过稀释的方法配制。4结束语考虑到实际情况,选择色谱标准曲线的标定本实验所建立的色谱分析方法成功地对乙醇方法为多点外标法,即把前面已经制取并标定完和乙醛进行了有效分离,乙醇和乙醛的检测限分毕的乙醛标准溶液与色谱分析级乙醇稀释混合成别为0.19平m和0.18g/mL,满足试验的要A、B、C、D、E、F6种混合标准样品,见表1,分别求,成功实现了对发动机排气中乙醇和乙醛的测测量出峰面积。根据实测的数据,通过二次多项量式回归就可以得到乙醛、乙醇标定曲线。表1色谱仪的标定数据(标准样品浓度和出峰面积)参考文献Tahe1 Calibration data of chromatograph concentration[1]吕兴才,黄震,张武高.柴油机燃用柴油醇的性能与of (standard sample and area of the peak)排放特性的研究[J]内燃机学报,2003,21(4):193各种标准样品ABD乙醛(weg/mL)00.73251.4632,9264.3897.325Lu Xing-cai, Huang Zhen, Zhang Wu.gao. Research乙醛(area)on performance and emissions of diesel enginee fueled乙醇(wg/mL)00.78901.5783.1564.7347.890[J]. Transactions of CSICE, 2003, 2乙醇(area0132225136330881413017(4):193-198[2]谭满志郭英男,刘金山,等增压中冷压燃式发动机按照信噪比3:1确定检测限。信噪比为出峰燃用柴油醇的十三工况排放特性[J].吉林大学学信号高度与短期噪声毛刺信号髙度平均值的比报:工学版,2004,34(3):352356值。最后确定乙醇和乙醛的检测限分别为0.19中国煤化工曲n,et al. eCemL和0.18比g/mL(约为0.1×10)。turbo-charged in-CNMHG吉林大学学报(工学版)第36卷tercooled CI engine fueled with diesohol[ J]. Journal ofand ethers[ C]//SAE Paper 920320Jilin University( Engineering and Technology Edition),[6] Swarin SJ, Loo J F, Chladek E. 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Changchun: College of AutomotiveEngineering, Jilin University, 2005uality improvement research program-1. hydrocarbons《中国学术期刊文摘》中文版和英文版2007年征订启事《中国学术期刊文摘》分中文版(简称CSAC)和英文版(简称CSAE)两种,各自收录了我国高水平学术期刊中基础科学医学、农业科学和工程技术领域约40个学科的论文文摘,全景展现我国的科研成果与进展作为综合性科技类检索刊物,《中国学术期刊文摘》致力于将我国科学技术各领域的原创性学术成果全面、快速地向科技工作者交流、传播,其中CSAE是我国第一份综合性英文版科技类学术检索刊物。《中国学术期刊文摘》由中国科学技术协会主管,科技导报社主办并负责编辑、出版、发行,对科研单位、高等院校、图书馆以及广大科技工作者检索和了解我国的科技研究成果、学术研究动向具有重要的参考价值《中国学术期刊文摘(中文版)》刊号为CN11-3501/N,IsSN1005-8923,2007年为半月刊,大16开,国内定价38.00元/册,全年定价912元,邮发代号:82-707《中国学术期刊文摘(英文版)》刊号为CN11-5411/N,IsN1673-4084,2007年改为月刊,大16开,国内定价15.00元/册,全年定价180元,邮发代号80-487欢迎广大科技工作者、科研单位、高等院校、图书馆订阅。通讯地址:北京市海淀区学院南路86号科技导报社(邮编100081联系电话:010-62103122联系人:姚玉琴征订信箱:yaoyugin@cas.org.cn单位主页;htp:w.sac.org.cn户名:科技导报社账号:020000409089017271开户银行:工商银行百万庄支行中国煤化工CNMHG