电喷汽油机燃用乙醇-汽油燃料的排放性能研究

第20卷(2002)第5期内燃机学报Vol.20(2002)No.5Transactions of CSIcE文章编号:1000-0909(2002)05-0399-04200085电喷汽油杋燃用乙醇汽油燃料的排放性能研究何邦全,闫小光,王建昕,肖建华,郝吉明(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084摘要:研究了不同掺混比的乙醇-汽油燃料在多点电喷汽油机上应用时旳排放性能。研究结果表明:在汽油机参数未做仼何调整的情况下,在试验的摻混比范围內,隨随着乙醇-汽油混合燃料中乙醇含量旳增加THC排放改善了30%,CO排放在大负荷时有所改善,NO排放在中、小负荷时改善较明显。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。以质量计的燃油消耗率有所増加,但以燃料热值计的比能耗降低。关键词:电喷汽油机;乙醇;含氧燃料;排放特性中图分类号:TK464文献标识码:A引言放,用不分光红外线法(NDIR)分析CO排放,用化学发光法(CLD)分析NO排放,使用 ONO-SOKKI公司近年来,乙醇等含氧生物燃料在內燃杋中的应用的FP214自动油耗仪测量燃油消耗率。研究倍受关注。乙醇可以从生物质制取,以乙醇为燃料乙醇容易吸收空气中的水。为避免乙醇与汽油分的发动机所排岀的CO被植物所吸收,对大气环境的层,试验所用混合燃料均为现场调配。对10%(VoL)CO2净释放率为零,使乙醇有可能成为一种能够满乙醇-汽油(以下简称E10和30%(VσL)乙醇-汽油足可持续发展要求的燃料,(以下简称E30)两种燃料在不同工况时的性能进行了鉴于上述原因,我国政府已决定推广应用乙醇试验。考虑到对汽油机不做任何调整更有利于燃料的汽油混合燃料,以改善我囯的汽车能源结构,并于推广使用,试验时发动机未做仼何调整,各系统也未进2001年颁布了变性燃料乙醇国家标准(GB18350行优化匹配。乙醇的含氧量为34.8%(质量比),但热2001)和车用乙醇国家标准(GB18351-2001)。国内对值只有汽油的61%左右,随着乙醇含量的增加,混乙醇ˉ汽油混合燃料的燃烧特性已有硏究结果发合燃料的热值下降。为客观地评价燃油经济性,本文除表2],但缺乏对其排放特性的深入研究国外在乙醇使用燃油消耗率(g/(kW·h))外,也同时使用了能量汽油混合燃料的研究方面,除了考虑其石油能源替代消耗率,简称能耗率(kJ/(kW·h)。性之外,尤其注重其排放特性,包括法规尚未限制的有害成分。作者曾对乙醇-柴油的排放特性进行了研2乙醇-汽油混合燃料的排放特性究,除常规排放成分外,同时分析了醛类和未燃醇类的在相同转速和负荷下、对不同乙醇掺混比时的排排放特性本文则研究了不同掺混比的乙醇-汽油放特性进行了研究。各种排放物均在催化器前测量。混合燃料在多点电喷汽油机上应用时的排放性能图1给出了2000r/min和3000r/min下CO排试验装置和试验方法放和过量空气系数的变化。在中、小负荷工况时,电控汽油机是闭环控制的,过量空气系数φ稳定在1.0左试验用发动机为EQ49ⅱ型电喷汽油机,缸径为右,基本上可以保证燃料充分燃烧。因而,随乙醇含量90.82mm,行程为76.95mm,压缩比为8.2电喷系统的增加,电控系统使发动机进气量自动减小,以维持的软硬件采用 DELPHI公司的电控多点汽油喷射系中国煤化广大负荷时,随乙醇含量成分,用氢火焰离子法(FID)分析总碳氢(THC)排比下, CNMHG大负荷时,在相同空燃统使用AVL公司的CEB-1型排气分析仪分析排气的增址仗∪以善的原因是燃料自携氧收稿日期:2002-02-21;修订日期:2002-04-22基金要然科学基金重点项目(5013600作者简介:何邦全(196男,博土后,主要研究方向为內燃机燃烧与代用燃料的研究内燃学报第20卷第5期要比空气中的氧更有助于充分燃烧,或者说原子氧要次说明燃料自携氧对降低THC效果要优于空气中的比分子氧更容易参加氧化反应。同时还可以看岀,排放氧气。与图1相似,在开环区域,由于空燃比变浓,原机特性的变化不仅与乙醇含量有关,而且与电喷发动机和不同掺混比时的THC排放都呈突然上升趋势,但并开环与闭环区域的划分即与空燃比控制策略有关不影响加入乙醇后的THC改善效果。图2示出了不同乙醇掺混比时的THC排放特性图4示出了NO的排放特性。可以看出,乙醇在随着燃料中含醇量的增加,各种工况下的THC排放均中、小负荷时表现岀降低NO排放的效果,E10和E30明显降低,改善效果可达30%左右。由此可知,即使在分别有10%和20%左右的改善程度。由于空燃比基基本不缺氧旳闭环区域,乙醇的加入或燃料含氧量的本一定,可以认为这主要是因为乙醇旳气化潜热比汽增加仍可改善燃烧。考虑到排温基本不变〔见图3),再油大得多(约为2.8:1),因而随乙醇含量的增加,进a) 2 000 r/min(b)3 000 r/min1不同乙醇-汽油掺混比时的Φ和CO排放对比Fig 1 Comparison of excess air ratio and Co emission using different ethanol blended gasoline fuels2000200E301200P kwa)2 000 r/min(b) 3 000 r/ min图2不同乙醇-汽油掺混比时的THC排放对比Fig. 2 Comparison of THC emissions using different ethanol blended gasoline fuels…汽油Y中国煤化工CNMHGPkwa)2 000 r/min(b) 3 000 r/min图3不同乙醇-汽油掺混比时的排气温度对比Fig 3 Comparison of exhaust temperature using different ethanol blended gasoline fuels2002年9月何邦全等:电喷汽油杋燃用乙醇-汽油燃料的排放性能研究·401·气温度降低以致燃烧温度下降,使NO降低。而大负荷时由于空燃比变小,排放改善效果变得不明显了。油20002 D00L000a)2 000 r/min(b) 3 000 r/min4不同乙醇-汽油掺混比时的NO,排放对比Fig. 4 Comparison of NO, emissions using different ethanol blended gasoline fuels图5给出了怠速时的排放特性,图中以纯汽油时乙醇-汽油用于化油器式汽油机时,CO和THC的排的排放为100%,使用E10和E30时的排放值为其实际放改善效果会更明显值与使用纯汽油时的比值。由图可知,随乙醇掺混比的由以上讨论可知,在电喷汽油机上使用乙醇-汽增加,CO、THC和N○排放均得到了改善,其中使用油混合燃料时,其排放特性的变化规律不仅受乙醇E30乙醇-汽油时的排放降低幅度为35%~55%,明油掺混比的影响,而且随电控系统控制策略旳不同而显优于E10。需要指出的是,这时的空燃比为1.10左变化,这也导致排放特性的变化会不同于化油器式汽右,明显稀于普通化油器式汽油机,因而可以设想,将油机,也有别于乙醇柴油的排放特性4■E103乙醇-汽油混合燃料对汽油机经济性的影响图6给出了不同乙醇汽油掺混比时的燃料消耗率的变化。可以看岀,燃料消耗率随着乙醇掺混量的增加而增大。这主要是由于乙醇的热值低于汽油引起的并非燃烧热效率恶化。图7所示为能量消耗率对比曲线。可以看出,在使用E10时,其比能耗比纯汽油时的略高或基本相同;而在使用E30时的比能耗在所有工况下均低于纯汽油,最大降低幅度为4%左右。这说明图5不同乙醇-汽油掺混比时的怠速排放乙醇的掺入有利于改善燃烧,提高汽油机的燃烧热效Fig 5 Emissions at idle speed using different率。如对乙醇-汽油混合燃料汽油机的点火时间等参ethanol blended gasoline fuels数进行优化匹配,有可能得到更好的节能效果n=2 000 I/min7=3 000 r min中国煤化工CNMHG(a)2 000 r/min(b) 3 000 r/min图6不同乙醇-汽油掺混比对燃油消耗率的影响Fig.6 Brake specific fuel consumption using different ethanol blended gasoline fuels内燃机学报第20卷第5期汽油曾·2(a) 2 r/minb)3000r/n图7不同乙醇-汽油掺混比对能量消耗率的影响Fig. 7 Brake specific energy consumption using different ethanol blended gasoline fuels4结论参考文献:(1)随着混合燃料中乙醇含量的增加,THC排「] Alan e wheals,L; lu c basso, Denise M G Alves,eta放的改善最为显著,可达30%左右,CO排放在大负荷Fuel Ethanol after 25 Years [J]. TIBTECH, 1999,17时有所改善,NO排放在中、小负荷时改善较明显。482~487(2)怠速时,E10对CO、THC和NO排放的改[2]黄佐华,苗海燕,周龙保,等.汽油机燃用汽油-含氧化善不明显,但E30有35%~55%的改善效果。合物混合燃料时的燃烧特性研究[].西安交通大学学(3)乙醇汽油在电喷汽油机上使用时,随空燃3 Poulopoulos S G, Samaras D P, Philippopoulos C J比控制策略的不同,其排放特性的变化会有所不同,由Regulated and Unregulated Emissions from an Inter-此也可以推论,本研究结果应与化油器式汽油机以及al Combustion Engine Operating on Ethanol-Con普通柴油机的结果不完全相同taining Fuels [JJ. Atmospheric Environment, 2001(4)随乙醇掺混比的提高,以质量计的燃料消5:4399~4406耗率增加,但以热值计的能量消耗率有不同程度的改4王建昕,闫小光,程勇,等.乙醇柴油混合燃料的燃善,E30时可改善4%左右烧与排放特性[J].内燃机学报,2002,20(3):225(5)燃料自携氧对燃烧的改善效果要优于空气中的氧气的推论尚需进行进一步的试验研究。5]何学良,詹永厚,李疏松,内燃机燃料[M].北京:中国石化出版社,1999.328~338A Study on the Emission Characteristics of anefI Engine with ethanol blended gasoline fuelHE Bang-quan, Yan Xiao-guang, WANG Jian-xin, XIAO Jian-hua, HAO Ji-ming(State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The effects of ethanol blended gasoline fuel on emission characteristics have been investigated in alulti-point eFI gasoline engine. The result shows that when the proportion of ethanol in the blended fuelsincreased, THC emissions are reduced by 30%, CO emissions at I中国煤化工 at part load canbe improved too. The emission characteristics are not only pertiCNMHG in the blendedthe strategies to control air /fuel ratio of the eFi gasoline engine. The brake specific fuel con-sumption is increased, but brake specific energy consumption can be improvedKeywords EFI gasoline engine: Ethanol Oxygenated fuel Emission characterist