幾種代用燃料的排放性能對(duì)比試驗(yàn)研究＊

李昕光 崔淑華 付 強(qiáng)

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院 哈爾濱 150040）

根據(jù)各種代用燃料的研究現(xiàn)狀［1－11］，在應(yīng)用廣泛的電控燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行幾種常見(jiàn)代用燃料的排放性能對(duì)比試驗(yàn)，目的在于評(píng)價(jià)幾種代用燃料在電噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的排放性能特點(diǎn)及其影響因素，為常見(jiàn)代用燃料在電噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的推廣應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)方法與儀器設(shè)備

由于本文主要研究的是在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不變的條件下各種代用燃料的應(yīng)用特性，因此要采用適當(dāng)?shù)膿綗壤?，進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)分別為10%乙醇、20%乙醇、15%甲醇、30%甲醇（E10，E20，M15，M30）的醇類(lèi)混合燃料試驗(yàn).在原發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行93＃汽油和醇類(lèi)汽油的性能對(duì)比試驗(yàn)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝一套閉環(huán)電控LPG供氣系統(tǒng)，然后對(duì)改裝后的雙燃料系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷特性和全負(fù)荷速度特性試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量常規(guī)排放物的質(zhì)量濃度.

本試驗(yàn)是在捷達(dá)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的，該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的主要測(cè)試儀器設(shè)備見(jiàn)表2.

排放試驗(yàn)中應(yīng)用的NHA－501廢氣分析儀是采用不分光紅外吸收法來(lái)檢測(cè)尾氣排放中的HC，CO及CO2質(zhì)量濃度，采用電化學(xué)傳感器檢測(cè)排放廢氣中的NOx質(zhì)量濃度.

表1 捷達(dá)汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 NOx排放對(duì)比分析

圖1和圖2為93＃汽油和其他幾種代用燃料在4 000r／min負(fù)荷特性和全負(fù)荷速度特性的NOx排放對(duì)比圖.

圖1 4 000r／min負(fù)荷特性NOx排放對(duì)比圖

由圖1可見(jiàn)，隨著負(fù)荷的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用各種燃料的NOx排放濃度都是先增加后減小.這是由于NOx的生成條件是高溫和富氧，發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度比較低，因而NOx的排放量均較??；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在中等負(fù)荷時(shí)，混合氣濃度基本穩(wěn)定，但是缸內(nèi)溫度升高，因此這時(shí)NOx排放增加較多；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷工況下時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的是較濃的混合氣，缸內(nèi)混合氣的空燃比較小，因此即使此時(shí)缸內(nèi)具有較高的溫度，但由于缺氧而抑制了NOx的生成.

由圖1還可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用93＃汽油時(shí)的NOx排放質(zhì)量濃度明顯高于其他幾種代用燃料，而燃用M30及E20時(shí)的NOx排放質(zhì)量濃度最低.這是因?yàn)楫?dāng)甲醇和乙醇的摻混比例提高后，降低了可燃混合氣的熱值，并且甲醇和乙醇的汽化潛熱均高于汽油，因此缸內(nèi)的最高燃燒溫度降低，同時(shí)由于醇類(lèi)燃料的燃燒速度高于汽油，缸內(nèi)燃燒過(guò)程中的峰值溫度持續(xù)時(shí)間較短，因此發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M30及E20產(chǎn)生的NOx少于其他燃料.

圖2 全負(fù)荷速度特性NOx對(duì)比圖

由圖2可見(jiàn)，在全負(fù)荷速度特性下，隨著轉(zhuǎn)速的增大，燃用各種燃料時(shí)的NOx排放曲線均是經(jīng)歷2個(gè)峰值，同時(shí)還可以看到，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M30的NOx排放最小，93＃汽油時(shí)最大，這些都是由燃料的含氧量、燃燒速度以及理論空燃比不同等諸多因素綜合在一起形成的.

2.2 HC排放對(duì)比分析

圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)在4 000r／min負(fù)荷特性下，燃用不同燃料的HC排放對(duì)比圖.圖4是發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷速度特性下，燃用不同燃料的HC排放對(duì)比圖.

圖3 4 000r／min負(fù)荷特性HC對(duì)比圖

由圖3可見(jiàn)，隨著負(fù)荷的增加，各種燃料的HC排放變化并不明顯，而隨著甲醇和乙醇的摻混比例的增加，各種負(fù)荷下的HC排放均有明顯降低，E20遠(yuǎn)低于E10，M30遠(yuǎn)低于 M15，93＃汽油的HC排放量最高，LPG的HC排放量處于中間水平.由此可知，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)不論是在不缺氧的中小負(fù)荷狀態(tài)下還是在混合氣較濃，空燃比較小的大負(fù)荷狀態(tài)下，甲醇和乙醇燃料的加入或者其摻混比例的增加都可以改善缸內(nèi)燃燒情況，進(jìn)而降低HC的排放質(zhì)量濃度.由于LPG是在混合器里就同空氣進(jìn)行了混合，混合氣比較均勻，缸內(nèi)的燃燒比較充分，因此其HC的排放濃度較低.

如圖4所示，隨著轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用各種燃料的HC的排放曲線都是先上升再下降.發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M15和E20的HC排放低于其他燃料，93＃汽油的HC排放量最高，LPG的HC排放量居中.原因是發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而引起空燃比控制策略發(fā)生變化，混合氣的突然加濃導(dǎo)致燃燒速度不穩(wěn)定，可燃混合氣大容積淬熄.由于醇類(lèi)燃料含氧，其含碳量低于汽油，又集中在定容區(qū)內(nèi)燃燒，后燃的現(xiàn)象較少，所以排氣中HC含量減少，而且甲醇和乙醇的摻混比例越大，HC排放改善越明顯.

2.3 CO排放對(duì)比分析

圖5是發(fā)動(dòng)機(jī)在4 000r／min負(fù)荷特性下，燃用不同燃料的CO排放對(duì)比圖.圖6是發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷速度特性下，燃用不同燃料的CO排放對(duì)比圖.

圖5 4 000r／min負(fù)荷特性CO對(duì)比圖

由圖5可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用93＃汽油，LPG，M15，M30和E10，E20時(shí)的CO排放趨勢(shì)大體相同，都是隨著負(fù)荷的增加，排放曲線先緩慢變化然后大幅上升達(dá)到最大值.其中LPG的CO排放量最低，燃用M15，M30，E10，E20的CO排放曲線變化居中，而93＃的汽油的CO排放量最高.這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在中小負(fù)荷工況下，由氧傳感來(lái)檢測(cè)排氣管中的氧含量，進(jìn)而使可燃混合氣盡量保持在理論空燃比狀態(tài)下，加之甲醇和乙醇的碳?xì)浔刃∮谄?，而汽化潛熱又比汽油大，這都有利于缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒充分，因此在中小負(fù)荷工況，各種燃料的CO排放都不高，趨勢(shì)比較平穩(wěn).在大負(fù)荷工況下，由圖5可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用各種燃料的CO排放都迅速增加達(dá)到峰值.這是因?yàn)殡妵姲l(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)實(shí)行開(kāi)環(huán)控制，增加噴油量形成濃混合氣，缸內(nèi)氧濃度降低，導(dǎo)致CO的排放量迅速上升.

圖5中還可以看到，隨著醇類(lèi)燃料摻混比例的增加，CO排放得到明顯降低.這是因?yàn)橥諝庵械难跸啾?，甲醇和乙醇的自攜氧要更有利于充分燃燒.同時(shí)還可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的優(yōu)化不僅與醇類(lèi)燃料的摻混比例有關(guān)，而且與發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制策略有關(guān).

如圖6所示，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用各種代用燃料的CO排放曲線，都是在低轉(zhuǎn)速時(shí)較為平穩(wěn)，在中高轉(zhuǎn)速時(shí)迅速上升.這也是由電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)、閉環(huán)控制策略來(lái)決定的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到某一轉(zhuǎn)速或者負(fù)荷時(shí)，會(huì)增加噴油量，形成比較濃的可燃混合氣，因此在中高轉(zhuǎn)速階段各種燃料的CO的排放均迅速上升.而由于汽油／LPG兩用燃料系統(tǒng)的電控單元是單獨(dú)對(duì)LPG的進(jìn)氣量進(jìn)行控制的，因此其CO的排放曲線同其他代用燃料有所不同.

圖6 全負(fù)荷速度特性CO排放對(duì)比圖

3 結(jié) 論

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用各種試驗(yàn)燃料的排放性能進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論.

1）發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M30的NOx排放量最小，E20其次，燃用93＃汽油時(shí)的最大.原因是甲醇和乙醇特有的物理化學(xué)性質(zhì)隨著其較高的摻混比例而體現(xiàn)得較為明顯，因此，醇類(lèi)混合燃料的NOx總體上均低于93＃汽油，而LPG由于其火焰溫度低于93＃汽油，因此LPG的NOx排放量要稍低于93＃汽油.

2）隨著醇類(lèi)混合燃料中醇類(lèi)的增加，各種負(fù)荷下的HC排放均有明顯降低.發(fā)動(dòng)機(jī)燃用93＃汽油時(shí)的HC排放高于其它燃料，由此可知，在汽油中加入醇類(lèi)可改善燃燒.氣態(tài)的LPG與空氣混合比較均勻，燃燒充分，因此其HC的排放大幅度降低.

3）發(fā)動(dòng)機(jī)燃用93＃汽油的CO排放量最高，其他燃料的CO排放曲線變化趨勢(shì)幾乎相同，即隨著負(fù)荷的增加，排放曲線緩慢變化最后急劇上升達(dá)到峰值.原因是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在中小負(fù)荷工況和大負(fù)荷工況分別實(shí)行閉環(huán)和開(kāi)環(huán)控制，可燃混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)不同，在高負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)的可燃混合氣較濃，因此CO排放量增加較大.因此電噴發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的優(yōu)化同摻醇比例和其空燃比控制策略均有重要關(guān)系.

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