乙醇汽油混合燃料的排放特性研究

第6期內燃機No 62010年12月internal Combustion EngineDec 2010乙醇汽油混合燃料的排放特性研究漂∵郭杰棘∷∴仲山職業(yè)技禿學(xué)院八狝,即川·58404,江青利汽車(chē)技術(shù)中心逝祚∵守漩580∷∵∵∵沙殫豳:長(cháng)沙·4)摘要:研究不同配比的乙醇汽油混合燃料在電噴汽油機上應用時(shí)的排放特性。結果表明:在發(fā)動(dòng)機參數未做任何調整的情況下發(fā)動(dòng)機運行狀況良好;CO和HC的排放明顯得到了改善NOx的排放在個(gè)別工況下發(fā)生惡化;排放特性的變化不僅與乙醇含量有關(guān)而且與電噴發(fā)動(dòng)機的空燃比控制策略有關(guān)。關(guān)鍵詞:汽油機;乙醇汽油;排放特性中圖分類(lèi)號:TK411文獻標識碼:A文章編號:10006494(2010)06004504Research on Emission Characteristics ofEthanol-gasoline BlendGUO Mei-hua, DU Bao-jie, LI Yue-lin(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 effects of ethanol-gasoline blends on emission characteristics have been investigated on an EFl gasoline engine. The result shows that the engine runs in good condition without making any adjustments to the engine parameters. Theengine emissions of CO and HC have been improved significantly, but NOx occurs to be deteriorated in some conditionThe emission characteristics are not only related to the amount of ethanol in the blended fuel, but also to the strategies tocontrol air/fuel ratio of the EFI engineKey words: gasoline engine; alcohol-gasoline blends; emission characteristics伴隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸的快速發(fā)展,人類(lèi)對石油燃料的需求越來(lái)越高,但因為石油資源有限1實(shí)驗裝置和實(shí)驗方案所以能源短缺日益成為一個(gè)令人擔憂(yōu)的問(wèn)題。除了實(shí)驗用汽油機為本田24型發(fā)動(dòng)機,表1列出了它設計更高效的發(fā)動(dòng)機以節省石油資源外,必須尋找的主要參數。排放分析儀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們當前正在使用公司生產(chǎn)的VEA-501型五組分排放分析儀,該設備的燃料。于是各種新能源技術(shù)應運而生,乙醇汽油就是利用不分光紅外線(xiàn)吸收原理(NDR)來(lái)測量排氣是其中的一種。乙醇能夠通過(guò)農作物發(fā)酵、蒸餾得中的CO0和HC的濃度,采用化學(xué)發(fā)光原理對NOx的濃到,可以看成是一種可再生能源;同時(shí)乙醇的辛烷值度進(jìn)行檢測。高于汽油,可以提高發(fā)動(dòng)機的抗爆震性能。如果使用表1發(fā)動(dòng)機主要參數乙醇作為燃料,則可以通過(guò)提高壓縮比來(lái)改善發(fā)動(dòng)項目機的熱效率和輸出功率然而如果使用純乙醇作為燃排量幾料的話(huà),就必須對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行改裝,這樣會(huì )導致成本缸徑x行程/(mmx70x990攀升,不利于實(shí)用化。因此最好是把研究重點(diǎn)放在乙醇汽油混合燃料上,避免對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行改裝壓縮比點(diǎn)火方式多點(diǎn)電噴冷卻形式水冷作者簡(jiǎn)介:郭美華(1982-),女,碩士研究生,主要從事車(chē)輛工程的研究。為了使發(fā)動(dòng)機具有乙醇汽油與汽油的隨意切換性能,選用低濃度的乙醇汽油(乙醇的體積分數為內燃機2010年12月%,5%,10%和15%)進(jìn)行研究,分別用E25,E5,CO0的排放曲線(xiàn)開(kāi)始時(shí)緩慢變化,而后出現上升趨E10,E15表示,其中乙醇為工業(yè)乙醇,純度在97%勢,最終達到最大值。以上。實(shí)驗中未對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行任何調整各系統也未這是由于電控發(fā)動(dòng)機在中小負荷工況時(shí)是實(shí)行進(jìn)行優(yōu)化,以利于乙醇汽油混合燃料的推廣使用。實(shí)閉環(huán)控制的,根據裝在排氣管上的氧傳感器的反饋驗主要在如下的兩種工況下進(jìn)行:信號控制過(guò)量空氣系數基本保持在10左右,此時(shí)汽a.部分負荷工況。在適當轉速下進(jìn)行,發(fā)動(dòng)機轉油機用經(jīng)濟混合氣工作,基本上可以保證燃料完全速恒定,從小負荷20N·m開(kāi)始逐漸開(kāi)大節氣門(mén),每燃燒;另一方面隨著(zhù)摻燒乙醇比例的增大,電控系次多加載20N·m直至100Nm進(jìn)行測量。轉速分別統使發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量自動(dòng)減小,以維持過(guò)量空氣系數固定在1800rmn和2600r/mn,在每個(gè)測量點(diǎn),待保持在10左右。因此在中小負荷工況各種燃料的發(fā)動(dòng)機運轉60s后開(kāi)始測量。CO排放變化都不大,趨勢比較平穩。而在大負荷工b.全負荷工況。在適當轉速下進(jìn)行,節氣門(mén)保持況時(shí),電噴汽油機為了輸出較大的功率將會(huì )增加噴全開(kāi),并且發(fā)動(dòng)機轉速不變。測量點(diǎn)為1200,1800,油量以形成濃混合氣,導致過(guò)量空氣系數小于10,2400,30003600r/min,在每個(gè)測量點(diǎn),待發(fā)動(dòng)機這就使得CO的排放開(kāi)始上升。運轉60s后開(kāi)始測量。b.燃用93#汽油的排放始終最高,四種混合燃料2乙醇汽油混合燃料的排放特性的排放效果均優(yōu)于燃用93#汽油,并且隨著(zhù)摻燒乙醇的增加,CO排放有明顯改善,其中使用E15的最大降在兩種實(shí)驗工況下,對不同比例的乙醇汽油混低幅度為83%。合燃料的排放特性進(jìn)行了研究,各種排放物均在催這是因為乙醇汽油燃料自攜氧要比空氣中的氧化器前測量。更有助于完全燃燒,或者說(shuō)原子氧要比分子氧更容圖1和圖2分別是發(fā)動(dòng)機在兩種不同轉速下CO易參加化學(xué)反應加之混合燃料中乙醇的C/H小于汽的排放曲線(xiàn)。從圖上可以看出:油,汽化潛熱大于汽油,有利于混合氣的完全燃燒。a.在一定轉速下,隨著(zhù)負荷的加大,五種燃料乙醇化學(xué)結構中的羥基OH使其燃燒反應特點(diǎn)與汽50油中的各種烴類(lèi)的有所不同,其燃燒速度和火焰傳4亠汽油一E25-E5+E10→E15播速度髙于汽油,這也是摻燒乙醇后CO排放得以改善的另一個(gè)原因習變42圖3是全負荷工況時(shí)燃用五種燃料的CO排放曲線(xiàn)。從圖上可以看出,燃用93#汽油,E25,E5,E10,El5的CO排放的變化趨勢都是開(kāi)始較為平穩,后來(lái)3.4很快上升;同時(shí),隨著(zhù)乙醇比例的不斷增加,CO的排3.2放依次明顯降低改善效果可達28%左右。80100120扭矩/N·m)汽油一E25亠E5-E10E15圖1轉速為1800mmin時(shí)的排放平汽油一E2.5+E5→E10→E151000150020002500300035004000轉速/(r*min3)圖3全負荷時(shí)的排放這是由于電控噴油發(fā)動(dòng)機的空燃比控制策略來(lái)406080100120決定的在發(fā)動(dòng)機達到某一轉速或者負荷時(shí),就要增扭矩/(N·m)大噴油量,以形成功率混合氣而高轉速段混合氣的第6期郭美華等:乙醇汽油混合燃料的排放特性研究的排放均有所上升。同樣也是由于乙醇汽油富氧特性的作用,使得乙醇汽油的排放仍然低于93#汽油。一汽油E25E5一E10→E5圖4和圖5分別是發(fā)動(dòng)機在兩種不同轉速下HC的排放曲線(xiàn)。從圖上可以看出燃用93#汽油和E25,330E5E10,E時(shí)HC排放曲線(xiàn)的變化趨勢保持一致,250E25,E5,E10和E15的排放效果均優(yōu)于燃用93#汽油時(shí)的排放,并且隨著(zhù)摻燒乙醇比重的不斷增加,HC的排放依次降低。1000150020002500300035004000轉速八(rmin4)汽油F25EEl圖6全負荷時(shí)的排放放逐漸降低;并且摻醇率越高,未燃HC的排放就越低。這是由于節氣門(mén)保持全開(kāi)時(shí)隨著(zhù)轉速的提高燃燒速度得以提高,一定程度上降低了因火焰在到達壁面前由于膨脹使缸內氣體溫度和壓力下降造成可燃混合氣大容積淬熄的可能性,所以HC排放得以降低。同時(shí),HC在排氣系統中的氧化一般要求排放系統仍有富氧和較高的溫度,而發(fā)動(dòng)機在全負荷工況100l00120運行時(shí)也使得排氣溫度獲得提高,一定程度上為HC扭矩/(Nm)在排氣系統中的氧化創(chuàng )造了條件。另外,乙醇汽油圖4轉速為1800rmn時(shí)的排放含氧,其含碳量比汽油低,加上燃燒最高溫度較低,450又集中在定容區內燃燒后燃的現象較少,也使排氣汽油一E2.5+E5一E10-E15中HC減少摻醇比例越大,HC排放改善越明顯。圖7和圖8分別是發(fā)動(dòng)機在兩種不同轉速下NO的排放曲線(xiàn)。從圖上可以看出:a.發(fā)動(dòng)機燃用五種燃料時(shí),隨著(zhù)負荷的增加NOx的排放都是先升高后降低?；旌先剂现蠩15降幅汽油一E25E5-E10E10020406080100120圖5轉速為2600rmin時(shí)的排放21這是因為在閉環(huán)控制區域內,ECU的控制策略使過(guò)量空氣系數保持在10到1.05之間,五種燃料基本上都可以充分燃燒。然而由于乙醇的含氧特性,當150206080100120扭矩/(N·m)乙醇加入后,混合燃料的含氧量獲得提高,也使燃燒圖7轉速為1800mmin時(shí)的排放得以改善,燃料含氧降低了中小負荷時(shí)因為混合氣過(guò)稀引起的HC淬熄排放,也降低了高負荷時(shí)因為混合氣過(guò)濃導致的HC不完全燃燒排放,從而降低了未燃HC的排放量。由此可知,即使在不缺氧的閉環(huán)區關(guān)z域,乙醇的加入或者燃料含氧量的增加仍可改善燃燒。這也表明燃料自攜氧對降低HC效果要優(yōu)于空氣一汽油一一一E25E5-E10E1中的氧氣6080100120圖6是全負荷時(shí)燃用五種燃料的HC排放結果曲扭矩八(Nm)線(xiàn)。從圖上可以看出隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機轉速的提高,HC的排圖8轉速為2600mmin時(shí)的排放內燃機2010年12月最大,出現在2600rmin轉速的工況,約為285%素綜合在一起形成的間這是由于發(fā)動(dòng)機在小負荷時(shí),缸內溫度比較低,綜合比較可知,在兩種實(shí)驗工況下燃用四種乙不利于NOx的生成;到了中等負荷時(shí)混合氣濃度變化醇汽油后可以顯著(zhù)降低CO和HC的排放但同時(shí)會(huì )引不大,但是缸內溫度已經(jīng)上升了,所以排放有所增加;起個(gè)別工況下NOx排放的增加?？梢?jiàn),發(fā)動(dòng)機燃用四而發(fā)動(dòng)機在大負荷時(shí)供給的混合氣較濃氧不足,即種乙醇汽油后排放特性的變化不僅與摻醇量有關(guān)使此時(shí)缸內溫度較高NOx的生成也因缺氧被抑制。而且與發(fā)動(dòng)機的空燃比控制策略以及發(fā)動(dòng)機的運行b.E25,E5,E10E15的排放均高于燃用93#汽工況有密切關(guān)系。油時(shí)的排放,并且隨著(zhù)摻燒乙醇比重的增加,NOx的排放依次增加。3結論這是由于乙醇含氧,可使缸內燃燒溫度變高、速在未作任何改動(dòng)的前提下,發(fā)動(dòng)機燃用四種度變快燃燒放熱也比較集中,使NOx的排放得以增乙醇汽油混合燃料(E25,E5,E10,El5)后的運行狀加,雖然乙醇的熱值低,汽化潛熱約為汽油的29倍,況良好,未有異響或是噪聲出現有使進(jìn)氣溫度降低,火焰傳播速度減慢缸內最高溫b.在兩種實(shí)驗工況下,CO和HC的排放均有明度降低的趨勢,可能會(huì )使NOx有所降低,但其影響不顯改善。夠大,于是兩者因素共同作用后的結果是E25E5,c.部分負荷工況下,NOx的排放有所惡化。E10,E15這四種混合燃料NO的排放比93#汽油高。d.排放特性的變化不僅與乙醇的含量有關(guān),而圖9是全負荷時(shí)五種燃料的NOx排放曲線(xiàn)。從圖且也與電噴發(fā)動(dòng)機的空燃比控制策略有關(guān)上可以看出,節氣門(mén)全開(kāi)時(shí)隨著(zhù)轉速的提高,NOx的排放先升高后降低最終又升高,并且四種混合燃[參考文獻料的排放始終低于93#汽油。這些都是由于燃料的含]李岳林杜寶杰李薛,等汽油機燃用乙醇汽油混合燃料氧量、燃燒峰值溫度以及混合氣濃度不同等諸多因的研究進(jìn)展小型內燃機與摩托車(chē),20092):85-87一汽油十E25E5-E10·El2]刁洪軍乙醉汽油成分測試及其對電噴汽油機性能影響實(shí)驗研究D吉林:吉林大學(xué),20073]杜寶杰.電噴汽油機燃用乙醇汽油混合燃料的性能研究[D長(cháng)沙:長(cháng)沙理工大學(xué),20094]顧潔.汽油機燃用乙醇汽油混合燃料的模型及試驗研究D杭州:浙江大學(xué),20035]彭小紅醇類(lèi)燃料的燃燒與排放特性的研究[D西安:長(cháng)安大學(xué),20031000150020002500300035004000間李昕光汽車(chē)代用燃料在電噴發(fā)動(dòng)機上的應用研究[D]哈轉速(rmin-)爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2005圖9全負荷時(shí)的排放(上接第44頁(yè))油機工作模型,并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機型線(xiàn)的優(yōu)化設計。a.利用計算模型對直噴汽油機的外特性進(jìn)行模擬計算,通過(guò)與臺架試驗數據對比,證明模型正參考文獻]確,說(shuō)明該模型與發(fā)動(dòng)機實(shí)際工作狀態(tài)基本吻合,可[李巖,萬(wàn)杰.B1ORWD發(fā)動(dòng)機性能模擬與MOP優(yōu)化試驗研應用到直噴發(fā)動(dòng)機的實(shí)際開(kāi)發(fā)中究幾節能與技術(shù),2009,(1)b.利用該B0OST模型對發(fā)動(dòng)機型線(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)2 AVL-BooST Users Guide version404Jme2004化模擬計算,并利用計算模擬數據設計實(shí)施了試驗3]蔣德明內燃機原理M北京:機械T業(yè)出版社,1986臺架,得出的臺架試驗結果確實(shí)提高了發(fā)動(dòng)機的整4周龍保內燃機學(xué)圍M北京機械工業(yè)出版社,199體性能5朱訪(fǎng)君吳堅?xún)热紮C工作過(guò)程數值計算及其優(yōu)化M北京c.利用計算機模擬,不僅能夠節省試驗的時(shí)間、國防工業(yè)出版社,1997.降低試驗成本,還能夠得出對發(fā)動(dòng)機性能最有利的