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 EnginesDec. 2010乙醇汽油混合燃料的排放特性研究.實(shí)美華;杜寶杰只，季 岳林^(1.中業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東中心( 528404.2.浙江青利汽車(chē)技術(shù)中心浙江寧波, 6580-*.*，長(cháng)沙理工太學(xué),湖前，長(cháng)沙4104.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;C0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: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伴隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸的快速發(fā)展，人類(lèi)1實(shí)驗裝 置和實(shí)驗方案對石油燃料的需求越來(lái)越高,但因為石油資源有限,所以能源短缺8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2.4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(NDIR)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CO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)項目參數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/(mmxmm)87.0x 99.0攀升,不利于實(shí)用化。因此最好是把研究重點(diǎn)放在乙9.7:1醇汽油混合燃料上,避免對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行改裝。中國煤化工多點(diǎn)電噴MYTHCNMHG玲卻形式水冷作者簡(jiǎn)介:郭美華( 1982- ),女碩士研究生,主要從事車(chē)為了使發(fā)動(dòng)機具有乙醇汽油與汽油的隨意切換輛工程的研究。收稿日期:2010-05-10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2.5% ,5%, 10%和15%)進(jìn)行研究，分別用E2.5,E5,CO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99.7%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1.0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20 N.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20 N.m直至100 N.m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1 800 r/min和2 600 r/min, 在每個(gè)測量點(diǎn),待保持在1.0左右。因此,在中小負荷工況各種燃料的發(fā)動(dòng)機運轉60 s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1 200,1 800,油量以形成濃混合氣，導致過(guò)量空氣系數小于1.0,2 400,3 000,3 600 r/min, 在每個(gè)測量點(diǎn),待發(fā)動(dòng)機這就使得C0的排放開(kāi)始上升。運轉60 s后開(kāi)始測量。b.燃用93#汽油的排放始終最高,四種混合燃料的排放效果均優(yōu)于燃用93#汽油,并且隨著(zhù)摻燒乙醇2乙醇汽油 混合燃料的排放特性的增加,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8.3%。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CH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- -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5.0油中的各種烴類(lèi)的有所不同，其燃燒速度和火焰傳4.8+汽油+ E2.5+ E5士E10甘E15播速度高于汽油,這也是摻燒乙醇后CO排放得以改4.4善的另一個(gè)原因2.3。圖3是全負荷工況時(shí)燃用五種燃料的CO排放曲三4.0線(xiàn)。從圖上可以看出，燃用93#汽油,E2.5,E5, EI0,3.8E15的CO排放的變化趨勢都是開(kāi)始較為平穩，后來(lái)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。204(508(100 120一汽油一E2S←ES5←E10←E15 .扭矩(N.m)圖1轉速為1 800 r/min時(shí)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中國煤化工21YHC N M H G燃比控制策略來(lái)3.0決定的,在發(fā)動(dòng)機達到某-轉速或者負荷時(shí)，就要增10120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圖2轉速為2 600 r/min時(shí)的排放形成時(shí)間較短,不能夠完全燃燒,所以在高轉速段CO第6期郭美華等:乙醇汽油混合燃料的排放特性研究●47●的排放均有所上升。同樣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圖4和圖5分別是發(fā)動(dòng)機在兩種不同轉速下HC300的排放曲線(xiàn)。從圖上可以看出,燃用93#汽油和E2.5,E5,E10, E15時(shí)HC排放曲線(xiàn)的變化趨勢保持- - 致,臺250E2.5,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。1000 1500~ 2000 2500 3000 3500 4 000450轉速/(r*min~")400。 汽油E2.5 E5 E10。 E15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。350這是由于節氣門(mén)保持全開(kāi)時(shí),隨著(zhù)轉速的提高，號300燃燒速度得以提高，- -定程度上降低了因火焰在到; 250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200降低。同時(shí), HC在排氣系統中的氧化- -般要求排放系150統仍有富氧和較高的溫度,而發(fā)動(dòng)機在全負荷工況1002060800012運行時(shí)也使得排氣溫度獲得提高，-定程度上為HC扭矩/(N.m)在排氣系統中的氧化創(chuàng )造了條件9。另外,乙醇汽油圖4轉速為1 800 r/min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,50r又集中在定容區內燃燒,后燃的現象較少,也使排氣+汽油毋E2.5+ES→E10七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NOx的排放曲線(xiàn)。從圖上可以看出:300-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300廠(chǎng)- +汽油+E2.5-E5- *-E10- -E1S5027008100 120這240+210圖5轉速為2 600 r/min時(shí)的排放總這是因為在閉環(huán)控制區域內, ECU的控制策略80f使過(guò)量空氣系數保持在1.0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40 60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1 800 rmin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00 t燃HC的排放量。由此可知,即使在不缺氧的閉環(huán)區域，乙醇的加入或者燃料含氧量的增加仍可改善燃中國煤化工燒。這也表明燃料自攜氧對降低HC效果要優(yōu)于空氣YHC N MH G←E10 ELS中的氧氣。30100120圖6是全負荷時(shí)燃用五種燃料的HC排放結果曲線(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2 600 t/min時(shí)的排放48●內燃機2010年12月最大,出現在2600 r/min轉速的工況,約為28.5%。素綜合在一起形成的問(wèn)。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. E2.5, E5,E10,E15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3結論排放依次增加。這是由于乙醇含氧,可使缸內燃燒溫度變高、速a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(E2.5, E5,EI0, EI5)后的運行狀加,雖然乙醇的熱值低,汽化潛熱約為汽油的2.9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E2.5,E5,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NOx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[參考文獻]的排放先升高后降低最終又升高，并且四種混合燃料的排放始終低于93#汽油。這些都是由于燃料的含[1]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).2009,(2):85-87.900+ -汽油+E25-E5*-E10+ ES[2]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),2007.850[3]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)2009.[4]顧潔.汽油機燃用乙醇汽油混合燃料的模型及試驗研究750[D].杭州:浙江大學(xué).2003.00[5]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),2003.6506]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1000 1500 2000 2500 3000 3500 4 000.轉速/( r/min")爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2005.圖9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。型線(xiàn)。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[1]李巖萬(wàn)杰BI0RWD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[辦節能與技術(shù)2009,(11). .b.利用該BOOST模型對發(fā)動(dòng)機型線(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)[2] AVL-BOOST Users Guide Version 4.0.4 June 2004.化模擬計算，并利用計算模擬數據設計實(shí)施了試驗[3]蔣御I中國煤化工出版社,1986.[4]周出版社,1998.臺架，得出的臺架試驗結果確實(shí)提高了發(fā)動(dòng)機的整[5]朱YH. C N M. H G及其優(yōu)化M.北京:體性能。國防工業(yè)出版社.1997.c.利用計算機模擬,不僅能夠節省試驗的時(shí)間、降低試驗成本，還能夠得出對發(fā)動(dòng)機性能最有利的