电喷汽油机燃用乙醇/汽油混合燃料排放及催化转化特性研究

第6卷第5期安全与环境学报Vol 6 No 52006年10月JournalOct,2006文章编号:1009-6094200605-0021-04放用氢火焰离子法(FID)分析,CO排放用不分光红外线法电喷汽油机燃用乙醇/汽油混合(NDR)分析NO排放用化学发光法(CID)分析。用岛津GC2010气相色谱仪测量废气中的未燃乙醇、乙醛、甲醇和甲醛燃料排放及催化转化特性研究*的浓度°考虑到乙醇容易吸收空气中的水,引起乙醇与汽油的分祁东辉12,刘圣华1,李晖,吕胜春层试验时所用的含10%乙醇的汽油(以下简称E10)和含1西安交通大学能源与动力工程学院西安71004920%乙醇的汽油以下简称E20)均为现场调配。纯汽油记为2长安大学汽车学院西安710064)EO。考虑到醇类燃料的应用推广以及20%以下低比例掺烧醇类对电喷汽油机部件腐蚀和溶胀作用比较小在试验中对摘要:研究多点电喷汽油机燃用不同掺混比的乙醇/汽油混合燃料原电喷汽油机未作任何改动时的排放及催化器的转化性能。结果表明在汽油机参数未做任何调2乙醇/汽油混合燃料汽油机的排放特性整的情况下与汽油机相比乙醇/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排放在大负荷时略有升高;NO,排图1给出了乙醇/汽油混合燃料汽油机催化器前、后的放基本相同;乙醇对排放物催化转换效率的影响与电喷汽油机的转Co排放及其催化转化效率。由图可知:汽油机燃用E10和速、负荷和空燃比控制策略有关。用气相色谱分析仪测录的未燃乙醇E20时催化器前的CO排放在整个负荷范围内基本相同并排放在大负荷时略有升高甲静排放量变化不大乙醛排放量随乙静且比燃用汽油时的CO排放低。其原因是:发动机在中、小负含量增大而增大经三效催化转化器后可以被控制在接近零排放的荷工况下运行时电喷汽油机的控制策略是闭环控制根据安水平。在息速工况随乙静含量增加,CO、HC和NO.的排放与汽油机装在排气管上的氧传感器的反馈信号控制过量空气系数基本相比略有降低保持在1.0~1.05以利于三效催化转换器正常工作。催化器关键词:动力机械工程;气相色谐法;乙醇;乙醛;三效催化转化器前CO排放降低的主要原因是燃料自携氧要比空气中的氧更有助于充分燃烧或原子氧要比分子氧更容易參与氧化反应。中图分类号:TK411.5文献标识码:A同时CO排放明显下降的另一个原因主要是:乙醇化学结构0引言中的羟基OH使其燃烧反应特点与汽油中的各种烃类的有所乙醇来源广泛正常使用无毒副作用。乙醇掺混汽油作不同使着火温度较低和不易熄火7从催化转化效率来看在2500r/min、中小负荷时汽油汽车燃料不仅可以减少石油用量而且能够提高燃料含氧量机燃用E10和E20燃料时的催化转化效率与燃用汽油时基本和辛烷值改善燃烧效果。目前乙醇/汽油混合燃料在巴西、相同但在大负荷时燃用E10和E20燃料时的催化转化效率美国和加拿大等国已经得到较广泛的应用。围绕掺混乙醇对低于燃用汽油时的;在3000r/min、整个负荷范围内汽油机汽车动力和经济性能以及由此带来的环境效应等问题,也有燃用E10和E20燃料时的催化转化效率与燃用汽油时的基本了研究相同。由此可见CO在P-hh系催化剂中的转化效率与燃料面对日益短缺的石油资源和逐步加严的排放法规,国内中的含醇量、发动机的转速和负荷有关对替代燃料包括乙醇汽油混合燃料也越来越重视45然图2给出了乙醇/汽油混合燃料汽油机催化器前、后的而到目前为止乙醇掺混汽油作汽车燃料的研究只集中在如HC排放及其催化转化效率。由图可知:在小负荷时,燃用何实现乙醇/汽油双燃料供给、混合燃料的动力和经济性能E0o和E0时催化器前的HC排放与燃用汽油时相差不大在等有关排放性能的研究相对较少。另外乙醇不完全燃烧会中、大负荷燃用E10和E0时的HC排放明显高于燃用汽油形成乙醛而乙醛是一种有害气体因此掺混乙醇对乙醛排放的乙醇含量对HC排放的影响较小。其原因是:闭环控制策的影响也值得特别注意。略使过量空气系数保持在1.0~1.05,燃料基本可以完全燃本文基于发动机台架实验系统考察掺混体积分数分别烧。可以认为主要是由于乙醇的汽化潜热比汽油大得多因为10%和20%乙醇对汽油机排放和铂铱(P助h)三效崔化而使进气温度降低同时由于燃烧室的余隙而出现较强烈的剂性能的影响。淬熄效应使HC排放升高试验装置和试验方法从催化转化效率看在2500r/min、小负荷时,燃用E10燃料时的催化转化效率最高燃用汽油时次之燃用E20时最试验用发动机为38Q坐电喷汽油机缸径为685mm,低;在中、大负荷时燃用E!0和E20时的催化转化效率略低行程为η2mm压缩比为9.4标定功率为26.5kW标定转速于燃用汽油的。在3000r/min、小负荷时燃用3种燃料的转为5500rymn,总排量为0.796电喷系统的软硬件采用化效率基本相同在中、大负荷时燃用汽油时的催化转化效BOSCH公司生产的电控多点汽油喷射系统。用AⅥL公司的率最高。上述结果说明:HC的催化转化效率与燃料中的含Digas4000型排气分析仪分析废气成分其中总碳氩(THC腓排醇量中国煤化工料发动机催化器前、后的收稿日期:2006-03-27CNMHG可知在2500mn时燃作者简介:祁东辉副教授博土后从事内燃机代用燃料及排污用E10时催化器前的NO,排放略低于燃用汽油和E20的在控制研究。中、小负荷燃用E20的NO,排放与燃用汽油的基本相同在基金项目:国家重点基础研究规划资助项目(2001CB209206)大负荷时略高于燃用汽油的;在3000r/min时燃用E10和21Vol 6 No 5安全与环境学报第6100催化器前卷04}m200mim63000rmin催化器802催化器后催化器后00.60.2平均有效压力/MPa平均有效压力/MPaE0-E10E20图1乙醇/汽油混合燃料汽油机旳Co排放及其催化转化效率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平均有效压力/MPa平均有效压力MPa图2乙醇/汽油混合燃料汽油机的HC催化转化效率Fig 2 HC emissions and their conversion efficiencies of ethanol/ gasoline blended fuel enginee颗尔催化器前n2500rm催化器前n=300rmin20001000催化器后z催化器后0.60.8平均有效压力MPa平均有效压力/MPa一E0-E10-E20图3乙醇/汽油混合燃料汽油机的NO,催化转化效率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时的NO,排放其原因为是:乙醇为含氧燃料燃烧速度快瞬时燃烧温度口E10口E20高有助于NO的生成;但另一方面乙醇的热值低汽化潜热大有使缸内温度下降的趋势从而抑制NO,的生成从催化转化效率看在2500r/min、小负荷时燃用E10和E20燃料时的NO.转化效率比燃用汽油时的低但在中大负荷时差别不明显。在3000/min、小负荷时燃用E10和中国煤化工E20燃料时的NO,转化效率比燃用汽油时的低在大负荷时CNMHG3种燃料NO4的催化转化效率相差不大。可见,催化剂对乙4个同乙晖/汽沺掺混比的怠速排放醇/汽油混合燃料汽油机NO,转化效率的影响与混合燃料中Fig 4 Emissions at idling condition of ethanol/ gasoline的含醇量以及发动机的负荷和转速有关blended fuel engine222006年10月祁东辉籌电喷汽油机燃用乙醇/汽油混合燃料排放及催化转化特性研究Oct,2006图4给岀了怠速时的排放特性图中以纯汽油时的排放乙醇和乙醛的排放。从图中可以看岀3种燃料的乙醇排放为100使用E10和E20时的排放值为其实际值与使用纯汽油随负荷的增大而增大在转速较高时增加比较明显乙醇的含时的比值。由图可知随乙醇含量的增加,CO和HC排放均量对未燃乙醇排放的影响不明显在较大负荷时略有升得到了改善但排放降低幅度最大为15%;NO,排放没有明乙醇排放随发动机转速的升高有所升高。乙醛是乙醇被氧化显的改善。需要指岀的是电喷发动机的空燃比基本保持在的中间产物燃用E10和E20时的乙醛排放随负荷的增大而约1.05明显稀于普通化油器式汽油机可以认为将乙醇汽增大燃用汽油时的乙醛排放基本不随负荷变化燃用E10和油用于化油器式汽油机时CO和HC的排放改善效果会较明E20的乙醛排放明显高于燃用汽油的,且随乙醇含量的增加而增加在较大负荷时比较明显,说明乙醇的混入对生成乙醛由以上讨论可知在电喷汽油机上使用乙醇/汽油混合燃的贡献率较大。发动杋转速对混合燃料乙醛的排放有一定的料时其排放特性的变化规律不仅受乙醇汽油掺混比的影响,影响转速较髙时乙醛排放较大尤其在大负荷时比较明显。而且随电控系统控制策略的不同而变化,这也导致排放特性图7给出了乙醇汽油混合燃料发动机催化器前甲醇的排的变化会不同于化油器式汽油机的。放。乙醇的含量对甲醇的排放没有明显的规律性,且甲醇排3乙醇/汽油混合燃料汽油机的醇、醛类排放放在多数运行工况时基本相同,说明甲醇是由汽油的燃烧产生的。在大负荷时,甲醇排放随发动机转速的升高而升高。图5和6给岀了乙醇汽油混合燃料发动机催化器前未燃试验过程中对甲醛排放进行了测量但在多数工况下测不到n=2 500 r/minn=3 000 rimin04口E10O E2003E0日E00E2009营0.20.20.10.2平均有效压力MPa平均有效压力MPa图5乙醇/汽油混合燃料汽油机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平均有效压力MPa平均有效压力MPa图6乙醇/汽油混合燃料汽油机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中国煤化工CNMHG平均有效压力MPa平均有效压力MPa图7乙醇/汽油混合燃料汽油机催化器前的甲醇排λFig 7 Methanol engine-out emissions of ethanol/ gasoline blended fuel engine23Vol 6 No 5安全与环境学报第65期甲醛。这可能是因为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(闫小光), WANG Jianxin(如MTBE或ETBE造成的。王建昕),etal., A study on the emission characteristics of an Efl en外经过三效催化转化器后醇、醛类等非法规排放物gine with ethanol blended gasoline fue[ J]. Transactions of CSICE(ry的体积排放仅为百万分之几大部分工况下可实现零排放。燃机学报),2002,205):399-4024结论Emission and catalytic conversion features of1汽气油机燃用E10和E20时催化器前的CO排放与燃用the efi engine fueled with ethanol/ gasoline汽油相比明显降低NO排放基本保持不变在较大负荷时 blendsHC排放略有升高OI Dong-hui'2, LIU Sheng-hua',LI HV Sheng-chur2)汽气油机燃用E10和E20时的未燃乙醇排放与燃用汽油时相比大负荷下略有升高而乙醛排放明显升高且随混合(1 School of Energy and Power Engineerin, Xi' an Jiag Ur燃料中乙醇含量的增加而增大,乙醇的混入对乙醛的排放起sity, Xi an 710049, China 2 School of Automobile Chang an Uni重要作用混合燃料发动机的甲醇排放与汽油机相差不明显, versity,xi710064, China)说明甲醇的排放主要来自汽油中的添加成分(MTBE或ETBE bAbstract: The present paper aims at introducing the authors experi3甩喷汽油机在外特性运行时为开环控制而在中、小负 mental investigation over the pollutant emissions and catalytic conver荷运行时为闭环控制其控制策略的不同会影响燃用乙醇/汽 on efficiency features of the synthetic electronic fuel injection(E)油混合燃料时的排放特性因此本研究结果与在化油器式发 gasoline engine fueled with ethanol-gasoline blends at various blend动机上的研究结果不会完全相同。ing ratios(0 vol % 10 vol % 20 vol %) In our investigation4催化剂对乙醇汽油混合燃料发动机机CO、HC和NO, ethanol was treated as a partially oxidized hydrocarbon and ther转化效率的影响与混合燃料中的含醇量以及发动机的负荷和 added to the blended fuel, which gives out more oxygen in the com转速有关从整个催化转化特性看燃用汽油时的催化转化特 bustion process and leads to the so-called" leaning effect.When性效果较优于燃用混合燃料的,used the fuel injection ratio was adjusted by means of a closed-loop5)、醛类排放经过三效催化转化器后基本可以实现零 in which the on- board ECU controlled the fuel injection with feedback排放表明PHh系三效催化剂能够满足汽油机燃用乙醇/汽 ignal from the built-In oxygen sensor in a exhaust pipe: By contro油混合燃料时对非法规排放控制的要求。the closed-loop it is possible to measure the effect of the ethanoladded to the pollutant emission andReference参考文献)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王玮), TANG Dagang(汤大 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-科学),2004,254):113-11verter. While idling the CO, HC and NO, emissions proves to be[6] Ly Hengchun(吕胜春),LIHu李晖),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(内燃机学报),2006,24(1)etaldahvde three-way catalytic中国煤化工[7] ZHU Tianle(朱天乐), 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(清华大学学报:自然科学版2002,4x12):1609-161124