甲醇對(duì)甲醇汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧咆暙I(xiàn)率的定量研究

汪文瑞,王坤,王小榮,魏衍舉,劉圣華

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 710049, 西安)

甲醇對(duì)甲醇汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧咆暙I(xiàn)率的定量研究

汪文瑞,王坤,王小榮,魏衍舉,劉圣華

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 710049, 西安)

在一臺(tái)JL368Q3型汽油機(jī)上,通過(guò)考察發(fā)動(dòng)機(jī)燃用體積分?jǐn)?shù)分別為10%、20%和85%的甲醇汽油混合燃料時(shí)甲醇和碳?xì)?HC)的排放特性,研究了甲醇和汽油各自的排放率隨發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的變化規(guī)律和甲醇摻混比的影響,以及甲醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧诺呢暙I(xiàn)率。試驗(yàn)結(jié)果表明:甲醇摻混比對(duì)甲醇排放率的影響不大,在各摻混比下,甲醇排放率均不超過(guò)8 g/kg,且隨發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的升高呈現(xiàn)指數(shù)降低的趨勢(shì);汽油的碳?xì)渑欧怕时燃状寂欧怕矢咭粋€(gè)數(shù)量級(jí),甲醇體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的碳?xì)渑欧怕试谥懈哓?fù)荷時(shí)最低,約為40 g/kg;在各甲醇摻混比下,汽油均是發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧诺闹饕獊?lái)源,甲醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧诺呢暙I(xiàn)率不超過(guò)8%。

甲醇;汽油機(jī);排放率;甲醇汽油混合燃料

甲醇與汽油性質(zhì)非常相似,某些性能甚至優(yōu)于汽油,因而成為火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)最有潛力的代用燃料之一。例如,甲醇具有優(yōu)良的燃燒特性以及抗爆性[1]。如果為發(fā)動(dòng)機(jī)提供相同化學(xué)能的甲醇燃料,發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能保持原動(dòng)力特性和熱效率,還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)排放物HC、CO和NOx[2]。然而,發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用甲醇汽油混合燃料時(shí),會(huì)產(chǎn)生有毒的甲醇排放[3],所以研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒甲醇汽油時(shí)的甲醇排放特性以及甲醇對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧诺呢暙I(xiàn)非常重要。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇汽油的研究已經(jīng)非常廣泛[1-3],但現(xiàn)有研究往往僅局限于某一固定比例的甲醇汽油混合燃料[4-5],或局限于某個(gè)、某幾個(gè)特定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷[6-7],研究的系統(tǒng)性較差。雖然現(xiàn)有文獻(xiàn)一致認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇汽油能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的碳?xì)渑欧?但具體降低多少,各文獻(xiàn)說(shuō)法不一,而且不能定量地給出甲醇比例對(duì)碳?xì)渑欧诺挠绊憽l(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧胖屑状技捌渌蛠?lái)源性碳?xì)涓髯缘暮恳约八鼈冸S發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和排氣溫度的變化規(guī)律。

本文以江鈴汽車(chē)公司生產(chǎn)的JL368Q3型三缸電控火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象,研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃用3種不同比例甲醇汽油混合燃料時(shí)的碳?xì)浜图状寂欧盘匦?以及甲醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧诺呢暙I(xiàn)率。

1 試驗(yàn)臺(tái)架

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為江鈴汽車(chē)公司生產(chǎn)的JL368Q3型發(fā)動(dòng)機(jī),該發(fā)動(dòng)機(jī)為三缸進(jìn)氣道噴射電控火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī),缸徑為68 mm,行程為72 mm,總排量為0.796 L,壓縮比為9.4,額定功率為26.5kW(轉(zhuǎn)速5500 r/min),額定扭矩為45N·m(轉(zhuǎn)速3 000 r/min)。

試驗(yàn)工況點(diǎn)設(shè)置:選取1 500 r/min到5500 r/min之間的7個(gè)不同轉(zhuǎn)速,扭矩以7 N·m為間隔從最小值7 N·m增大至最大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度處,這些工況點(diǎn)組成一個(gè)矩陣。試驗(yàn)中為保證發(fā)動(dòng)機(jī)為穩(wěn)態(tài)測(cè)試,除5500 r/min轉(zhuǎn)速外,試驗(yàn)前在其他待測(cè)工況點(diǎn)將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行3 min。

1.2 試驗(yàn)用燃料

基礎(chǔ)燃料選用辛烷值為93的商用標(biāo)準(zhǔn)汽油,并按體積分?jǐn)?shù)10%、20%和85%摻混純度(體積分?jǐn)?shù))為99.9%的分析純甲醇(CH3OH),得到3種混合燃料,分別命名為M10、M20和M85。由于混合燃料極易吸收空氣中的水分造成分層,所以每次試驗(yàn)前都重新配制混合燃料,并且通過(guò)觀察燃料的透明度來(lái)了解燃料的混合情況,如果混合燃料清澈透明則說(shuō)明混合徹底。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不使用任何助溶劑。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)改造

因?yàn)榧状嫉牡蜔嶂抵挥衅偷?6%左右,所以發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇汽油時(shí)將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降,尤其是燃用甲醇含量很高的M85燃料時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降非常明顯。在試驗(yàn)中,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M10和M20時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)未經(jīng)任何改造。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M85時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降較大,因此必須改變供油參數(shù)來(lái)恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,具體變動(dòng)包括調(diào)整燃油噴射壓力(從0.30 MPa增大至0.45MPa);更換發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器,將原噴油器更換為東風(fēng)雪鐵龍所用的1.6 L汽油機(jī)上的噴油器。經(jīng)上述改造后,發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量增大至原機(jī)的1.75倍,可完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M85的需要。發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比由氧傳感器反饋控制。

1.4 排放物檢測(cè)

采用HORIBA MEXA-7100DEGR氣體分析儀檢測(cè)排氣中的碳?xì)渑欧盼?檢測(cè)精度為量程的1%,檢測(cè)到的碳?xì)渑欧盼锇状寂欧?。采用日本島津公司GC-2010氣相色譜儀直接檢測(cè)排氣中的甲醇。色譜儀采用Gs-OxyPLOT極性毛細(xì)柱(長(zhǎng)為10 m,內(nèi)徑為0.53 mm,膜厚為10 μm,安捷倫科技有限公司生產(chǎn))和脈沖放電氦離子化檢測(cè)器(型號(hào)為D4-I-SH-17R)。檢測(cè)時(shí),先用氟聚乙丙烯(FEP)氣體采樣袋收集排氣,并將其加熱至80 ℃以防止水和甲醇凝結(jié),當(dāng)甲醇濃度高于20 μg/L時(shí),此方法的檢測(cè)誤差小于5%[7]。另外,為更準(zhǔn)確地反映未燃碳?xì)渑欧诺奶匦?所有廢氣的檢測(cè)以及采樣均在三元催化轉(zhuǎn)化器前進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度選用K型熱電偶于排氣口外1.0 m處進(jìn)行測(cè)量。

文中甲醇及碳?xì)渑欧诺臐舛染耘欧怕时硎?即每千克甲醇或汽油燃燒所排放的甲醇或碳?xì)涞馁|(zhì)量,單位為g/kg,其中碳?xì)湟虺煞謴?fù)雜,故其質(zhì)量以對(duì)應(yīng)濃度的甲烷質(zhì)量計(jì)算。由于氣體分析儀顯示的是體積濃度,要經(jīng)過(guò)下述公式將其轉(zhuǎn)換為排放率

式中:C為甲醇或碳?xì)涞捏w積分?jǐn)?shù),10-6;M為甲醇或甲烷的摩爾質(zhì)量,g/mol;D為發(fā)動(dòng)機(jī)排量,L;m為甲醇或汽油的循環(huán)供給量,g/cycle。

2 結(jié)果與討論

雖然烴類(lèi)的氧化過(guò)程中自由基CH3O結(jié)合游離的H原子也會(huì)生成甲醇[8-9],但是由于缸內(nèi)的高溫氧化,致使作為中間產(chǎn)物的CH3O很快被氧消耗,因此甲醇的濃度非常低,發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到甲醇排放。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇汽油時(shí),排氣中檢測(cè)到的甲醇排放均可視作未燃燒的燃料甲醇,其排放量由缸內(nèi)主燃燒后的甲醇?xì)埩袅亢驮诟變?nèi)及排氣管的高溫環(huán)境中的氧化消耗量二者共同決定。

2.1 低比例甲醇汽油

圖1所示是發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M10燃料時(shí)的甲醇排放特性圖,從中可以看出,甲醇排放率隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩的增大而減小。當(dāng)扭矩一定時(shí),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,循環(huán)供油量增加,每工作循環(huán)錯(cuò)過(guò)主燃燒的未燃甲醇量增加,然而未燃甲醇排放率卻反而降低,這說(shuō)明:甲醇在缸內(nèi)燃燒的完善程度對(duì)甲醇排放影響不大;轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致排氣溫度升高對(duì)未燃甲醇氧化消耗的促進(jìn)作用占主導(dǎo)地位,當(dāng)轉(zhuǎn)速一定、扭矩增加時(shí)亦是如此。

圖1 燃用M10時(shí)甲醇排放率隨扭矩和轉(zhuǎn)速的變化

將甲醇排放率對(duì)排氣溫度作圖(見(jiàn)圖2),可以看出排氣溫度對(duì)甲醇排放率的影響更加明顯,甲醇的排放率隨著排氣溫度的增加總體呈現(xiàn)指數(shù)降低的趨勢(shì)。對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行擬合,可獲得M10混合燃料的甲醇排放率的擬合公式

R2=0.884 7

(1)

式中:R2是相關(guān)系數(shù)。

由圖1和圖2可以看出:甲醇的排放率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系不大,其值更多地取決于排氣溫度;甲醇的燃燒效率很高,即使在1 500 r/min低負(fù)荷處,其排放率也低于10 g/kg,并且隨轉(zhuǎn)速和扭矩的增加而迅速下降。

碳?xì)渑欧怕时燃状寂欧怕矢咭粋€(gè)數(shù)量級(jí)(如圖3所示),在所有工況下均高于35g/kg,且隨著扭矩和轉(zhuǎn)速的增加總體呈現(xiàn)先降低而后略微增加的趨勢(shì)。排氣溫度升高可使碳?xì)渑欧怕式档?而在最大負(fù)荷及最高轉(zhuǎn)速處排放率有所增加是由于此時(shí)混合氣過(guò)濃造成的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用化學(xué)計(jì)量空燃比的混合氣時(shí),排氣溫度仍是碳?xì)渑欧诺闹饕绊懸蛩亍?/p>

圖2 燃用M10時(shí)甲醇排放率隨排氣溫度和轉(zhuǎn)速的變化

圖3 燃用M10時(shí)碳?xì)渑欧怕孰S扭矩和轉(zhuǎn)速的變化

從圖2和圖3可以看出,甲醇排放率遠(yuǎn)低于碳?xì)渑欧怕?。定義甲醇排放率與碳?xì)渑欧怕手葹榧状嫉呐欧疟?/p>

(2)

式中:m表示甲醇或碳?xì)渑欧诺馁|(zhì)量,g;M是對(duì)應(yīng)甲醇或汽油的消耗量,kg。

圖4 燃用M10時(shí)甲醇排放比隨排氣溫度和轉(zhuǎn)速的變化

排放比可以直觀地反映出甲醇對(duì)碳?xì)渑欧诺呢暙I(xiàn)率。如圖4所示,發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M10時(shí)的甲醇排放比rM10小于10%,并且隨著排氣溫度和轉(zhuǎn)速的升高而迅速降低。

2.2 高比例甲醇汽油

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用高比例甲醇汽油混合燃料M85時(shí),循環(huán)供醇量高于M10,以體積濃度計(jì)的甲醇排放量明顯高于燃用M10時(shí)的排放量,體積濃度值與循環(huán)供醇量呈現(xiàn)近似線性關(guān)系[6],但隨著排氣溫度的提高,以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)的甲醇排放量卻變化不大。

如圖5所示,除了在2 000 r/min時(shí)幾個(gè)混合氣過(guò)濃的離散點(diǎn)外,發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M85燃料時(shí)其甲醇排放率均不超過(guò)10 g/kg,并且隨排氣溫度的升高而呈指數(shù)趨勢(shì)下降。將化學(xué)計(jì)量空燃比條件下的數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行擬合,可獲得甲醇排放率與排氣溫度的擬合關(guān)系式

R2=0.90

(3)

圖5 燃用M85時(shí)甲醇排放率與排氣溫度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由于甲醇的汽化潛熱遠(yuǎn)高于汽油,發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M85時(shí)甲醇汽化所需的熱量遠(yuǎn)高于燃用M10時(shí),這將降低缸內(nèi)溫度,使碳?xì)涞难趸艿揭种?因此發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M85時(shí)的碳?xì)渑欧怕蔬h(yuǎn)高于燃用M10時(shí)的,如圖6所示。雖然轉(zhuǎn)速增加后發(fā)動(dòng)機(jī)每工作循環(huán)所需的時(shí)間縮短,不利于缸內(nèi)未燃碳?xì)涞难趸?但轉(zhuǎn)速的增加使缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),促進(jìn)了未燃汽油與熱廢氣的混合,又促進(jìn)了碳?xì)涞难趸?從圖6可以看出,這種促進(jìn)作用占據(jù)主導(dǎo)地位,所以碳?xì)涞呐欧怕孰S發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而降低。

圖6 燃用M85時(shí)碳?xì)渑欧怕逝c排氣溫度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖7 燃用M85時(shí)甲醇排放比與排氣溫度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M85與M10時(shí)的甲醇排放率相近,但燃用M85時(shí)碳?xì)渑欧怕矢?這使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M85時(shí)的甲醇排放比rM85較燃用M10時(shí)的甲醇排放比rM10低,如圖7所示,除2 000 r/min時(shí)后面4個(gè)工況點(diǎn)混合氣偏濃外,其他檢測(cè)工況下的rM85均小于4%。這說(shuō)明,M85混合燃料中雖然只含有15%的汽油,但汽油仍是碳?xì)渑欧诺闹饕獊?lái)源。

2.3 甲醇對(duì)碳?xì)渑欧诺呢暙I(xiàn)

圖8 甲醇排放率隨甲醇循環(huán)供給量的變化

甲醇排放主要來(lái)源于未燃燒的甲醇燃料,其排放量與燃料的甲醇摻混比成正比。Zervas等在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),排氣中甲醇的體積濃度與混合燃料中甲醇的體積分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系[3];本課題組之前的研究也得出類(lèi)似的結(jié)論,即甲醇排放的體積濃度與每循環(huán)進(jìn)入缸內(nèi)的甲醇量近似成線性關(guān)系[6,10]。雖然以體積濃度計(jì)的甲醇排放量隨甲醇摻混比的增大而增加,但不同摻混比時(shí)的排放率卻變化不大,然而將甲醇排放的體積濃度換算成甲醇的排放率時(shí),它們之間則呈現(xiàn)出另外一種關(guān)系。如圖8所示,發(fā)動(dòng)機(jī)分別燃用M10、M20和M85時(shí)甲醇排放率的最大值相差不大,均未超過(guò)8 g/kg,然而其排放率的最小值卻隨著燃料中甲醇比例的增大而增大,這是由于甲醇摻混比增加后排氣溫度降低不利于甲醇的氧化所致。

圖9是碳?xì)渑欧怕逝c汽油循環(huán)供給量的關(guān)系。從圖中可知,碳?xì)渑欧怕孰S負(fù)荷增加而迅速降低,到中等負(fù)荷以后基本保持不變,穩(wěn)定在40 g/kg左右。當(dāng)混合燃料中甲醇的體積分?jǐn)?shù)低于20%時(shí),進(jìn)入缸內(nèi)的甲醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的碳?xì)渑欧呕緵](méi)有影響。當(dāng)甲醇的體積分?jǐn)?shù)增加至85%以后,排氣中的碳?xì)渑欧怕蔬h(yuǎn)高于低混合比甲醇汽油的碳?xì)渑欧怕?這是由于甲醇的汽化潛熱大,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度降低,從而削弱了排氣中碳?xì)涞难趸饔?最終導(dǎo)致燃用M85時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的碳?xì)渑欧怕蔬h(yuǎn)高于M10的碳?xì)渑欧怕省?/p>

圖9 碳?xì)渑欧怕孰S汽油循環(huán)供給量的變化

圖10所示為發(fā)動(dòng)機(jī)甲醇排放比與排氣溫度的關(guān)系。由圖可以看出,在各種甲醇汽油混合燃料所產(chǎn)生的碳?xì)渑欧胖?甲醇排放所占比例均未超過(guò)8%,這說(shuō)明碳?xì)渲饕怯善统煞之a(chǎn)生的,由此表明甲醇比汽油易于氧化,也可以說(shuō)甲醇比汽油“清潔”。

圖10 甲醇排放比隨汽油循環(huán)供給量的變化

3 結(jié) 論

在一臺(tái)JL368Q3型火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了分別燃用汽油及3種比例甲醇汽油混合燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醇和碳?xì)渑欧怕侍匦?獲得如下結(jié)論。

(1)甲醇排放來(lái)源于未完全燃燒的甲醇,排氣溫度對(duì)甲醇排放率有決定性影響,排放率隨排氣溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降。甲醇摻混比對(duì)其排放率的最大值影響不大,各摻混比下的甲醇排放率均不超過(guò)10 g/kg,而排放率最小值卻隨摻混比的增加而升高。

(2)碳?xì)渑欧怕时燃状寂欧怕矢咭粋€(gè)數(shù)量級(jí)。隨著排氣溫度的升高,當(dāng)混合燃料中甲醇的體積分?jǐn)?shù)低于20%時(shí),碳?xì)渑欧怕食尸F(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),在中高負(fù)荷時(shí)達(dá)到最低,約為40 g/kg,而對(duì)于M85混合燃料,其碳?xì)渑欧怕试诟鬓D(zhuǎn)速下均比相應(yīng)的低摻混比甲醇汽油的碳?xì)渑欧怕矢摺?/p>

(3)甲醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧诺呢暙I(xiàn)率與甲醇的摻混比關(guān)系不大,在3種摻混比下,甲醇對(duì)碳?xì)渑欧诺呢暙I(xiàn)率均未超過(guò)8%,從燃料“清潔度”角度看,甲醇比汽油“清潔”。

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(編輯 葛趙青 苗凌)

ContributionRatioofMethanoltoHCEmissionofaGasoholFueledSparkIgnitionEngine

WANG Wenrui,WANG Kun,WANG Xiaorong,WEI Yanju,LIU Shenghua

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The emission rate characteristics of methanol and hydrocarbon (HC) were investigated on a JL368Q3 gasoline engine when fueled with methanol/gasoline blends with the methanol fraction of 10%, 20% and 85% in volume, respectively.The effects of exhaust temperature and methanol fraction on the emission rates, and the contribution ratio of methanol on HC emission were then quantitatively studied.Experimental results show that the blending ratio of methanol has little effect on its emission rate, and the rate is less than 8 g/kg for all the fuel blends and it decreases exponentially with the increasing engine speed and exhaust temperature.The emission rate of HC is one grade higher than that of methanol and is higher than 40 g/kg when the engine fueled with the M10 blend.For all the tested fuel blends, gasoline is the main source of HC emission, and methanol contributes less than 8% on HC emission.

methanol; gasohol engine; hydrocarbon emission; methanol/gasoline blend

10.7652/xjtuxb201403008

2013-06-26。

汪文瑞(1989—),男,博士生;魏衍舉(通信作者),男,博士,講師。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206130,51176151);國(guó)家“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目(2012AA111721);國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012IK039)。

時(shí)間: 2014-01-10

TK462

:A

:0253-987X(2014)03-0039-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140110.1749.008.html