含水乙醇汽油對發(fā)動機(jī)NOx排放的影響

葉燕帥，凌華梅，牛彩云，譚艷，李春青

(1.廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院,廣西 柳州 545006;2.廣西機(jī)電技師學(xué)院,廣西 柳州 545006)

石油資源的匱乏和汽車尾氣污染的日益嚴(yán)重，促使乙醇汽油燃料在國內(nèi)外獲得廣泛關(guān)注[1-5]。相比乙醇度不低于99．2% 的無水乙醇，乙醇度為95%的含水乙醇在價(jià)格上具有顯著的優(yōu)勢。而含水乙醇汽油乳化技術(shù)的研究使得含水乙醇汽油的使用成為可能[6]。研究人員對電噴汽油機(jī)燃用含水乙醇汽油作了大量的研究，研究表明[7-10]:電噴汽油機(jī)改燃含水乙醇汽油后，發(fā)動機(jī)的動力性略有下降；燃油消耗率增加 5%～10%，但能耗率會有所改善；CO排放、HC排放均降低，NOx排放在不同研究中有增有減。

在不同的研究文獻(xiàn)中，NOx的變化范圍和趨勢不盡相同，至于造成NOx排放產(chǎn)生差異的主要原因到底是乙醇摻比影響燃燒還是含水乙醇使催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率發(fā)生變化，它們間存在怎樣的影響關(guān)系等問題都還不太明確。為探尋含水乙醇汽油對汽油機(jī)NOx排放的影響，在1臺四缸電噴發(fā)動機(jī)上進(jìn)行發(fā)動機(jī)燃用不同摻比含水乙醇汽油的排放試驗(yàn)，分析含水乙醇汽油對NOx排放和三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器與燃油

主要試驗(yàn)設(shè)備有CWF250電渦流測功機(jī)、FC2210Z油耗儀、AVL4000Light排氣分析儀等，試驗(yàn)用電噴汽油機(jī)的主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)選用的汽油為市售93號汽油，乙醇為體積分?jǐn)?shù)95%的含水乙醇，應(yīng)用自主研制的乳化劑以90號汽油為基礎(chǔ)油，按照試驗(yàn)要求配置性能穩(wěn)定的含水乙醇汽油，含水乙醇和汽油體積比分別為1∶9，2∶8，3∶7，分別記為E10，E20，E30。燃油在-10～40 ℃保持穩(wěn)定不分層。

表1 汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)臺架與方法

為比較汽油機(jī)燃用不同摻比的含水乙醇汽油與93號汽油的性能差異，發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)過程中不對電控汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制策略作任何調(diào)整，分別在三元催化轉(zhuǎn)化器前和催化器后對尾氣進(jìn)行取樣測試。試驗(yàn)用測試臺架見圖1。根據(jù)GB 14762—2002《車用點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)及裝用點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)汽車排氣污染物限值及測量方法》，選取常用轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷工況測定發(fā)動機(jī)的常規(guī)排放。

圖1 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對怠速排放的影響

圖2示出了發(fā)動機(jī)的NOx怠速排放特性，圖中排放值以燃用汽油時(shí)催化器前的NOx排放量為100%，使用含水乙醇汽油的排放值為其實(shí)際值與使用汽油時(shí)排放值的比值。試驗(yàn)結(jié)果表明, 燃用含水乙醇汽油后，NOx排放均得到了改善。隨著含水乙醇摻比的增加，催化器前的NOx排放量降低，與燃用93號汽油相比，燃用E10，E20，E30的NOx排放量分別降低64%，68%，69.5%；經(jīng)過催化轉(zhuǎn)化器后，燃用E10的NOx排放最低，燃用E20，E30的NOx排放量也低于93號汽油。隨著含水乙醇摻比的增加，催化器對NOx的催化轉(zhuǎn)化率逐步降低，與93號汽油相比，E10，E20，E30的NOx催化轉(zhuǎn)化率分別降低19%，24%，34%。

圖2 汽油機(jī)NOx怠速排放特性對比

NOx是空氣在燃燒室的高溫條件下，由氮和氧反應(yīng)所形成的，高溫富氧和高溫持續(xù)時(shí)間是生成NOx的重要條件，溫度對于NOx的生成有很大的影響。同時(shí)三元催化轉(zhuǎn)化器催化劑的催化效能也受溫度和尾氣中氧含量的影響。為此，檢測發(fā)動機(jī)的排氣溫度并通過氧傳感器檢測過量空氣系數(shù)，對結(jié)果進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖3。隨著含水乙醇摻比的增加，排氣溫度下降，燃用E10，E20，E30的排溫比燃用汽油分別降低5%，8%，10%。隨著乙醇摻比的增加，過量空氣系數(shù)變大。由此可以看出，汽油機(jī)在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其缸內(nèi)溫度較低，乙醇的汽化潛熱高使缸內(nèi)溫度下降，導(dǎo)致排氣溫度下降。因此，隨著含水乙醇摻比的增加，催前NOx排放下降，同時(shí)排氣溫度的降低導(dǎo)致催化劑的催化效能下降，催化器對NOx的催化轉(zhuǎn)化率降低。怠速工況時(shí)，發(fā)動機(jī)采用開環(huán)控制策略，不根據(jù)過量空氣系數(shù)修正噴油量。在怠速孔開度不變情況下，輸出相同功率時(shí)含水乙醇汽油的氧消耗量小，導(dǎo)致實(shí)際過量空氣系數(shù)變大，不利于NOx的催化還原。比較燃用E10和93號汽油的過量空氣系數(shù)和排氣溫度，可以看出排氣溫度的影響還是比較明顯的，當(dāng)然也可能是游離狀態(tài)的氧離子抑制了NOx的還原反應(yīng)。燃用大摻比的含水乙醇汽油時(shí)，由于排氣溫度低、尾氣中的氧含量大，導(dǎo)致三元催化轉(zhuǎn)化器對NOx排放的催化轉(zhuǎn)化效率降低。E10含水乙醇汽油的催前NOx排放高，但催化轉(zhuǎn)化效率高，所以催后的怠速NOx排放量反而比燃用E20和E30的要低。

表2 怠速工況過量空氣系數(shù)

2.2 對多工況排放的影響

在2 000 r/min和3 000 r/min兩個(gè)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了汽油機(jī)燃用不同摻比的含水乙醇汽油與93號汽油的試驗(yàn)。試驗(yàn)大部分工況在電控系統(tǒng)閉環(huán)控制策略范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)燃用不同燃料時(shí)的過量空氣系數(shù)均在1附近，無顯著差異。為便于直觀比較，用平均有效壓力pme表示發(fā)動機(jī)負(fù)荷。

從圖4和圖5可以看出，與93號汽油相比，汽油機(jī)燃用含水乙醇汽油后，催化器前的NOx排放均有變化：在低負(fù)荷時(shí)，表現(xiàn)出降低NOx排放的效果，E10和E20降低幅度大于E30；中高負(fù)荷時(shí)，燃用含水乙醇汽油的NOx排放升高，由大到小依次為E20，E30，E10，93號汽油，E20的NOx排放在中高負(fù)荷比93號汽油上升6%；大負(fù)荷時(shí)，E30的NOx排放最高，比93號汽油高7%。催后的排放試驗(yàn)結(jié)果表明：燃用含水乙醇汽油的催化器后NOx排放量要高于93號汽油，在最大負(fù)荷工況下，燃用E10，E20，E30催化器后的NOx排放量分別比燃用93號汽油高15%，6%，29%。乙醇摻比對發(fā)動機(jī)排氣溫度的影響呈現(xiàn)出小摻比時(shí)略有升高，大摻比下降的趨勢，E20的排溫在中低負(fù)荷略高于93號汽油。在中低負(fù)荷，幾種燃料的NOx催化轉(zhuǎn)化效率相差不大，E30的催化轉(zhuǎn)化效率低些。在大負(fù)荷時(shí)，隨著含水乙醇燃料摻比的增大，NOx催化轉(zhuǎn)化效率降低；E30的催化轉(zhuǎn)化率最低，約為93號汽油的92%。兩種轉(zhuǎn)速下，燃料的NOx排放數(shù)量有差異，但在趨勢性上差異不大。

圖4 n=2 000 r/min時(shí)汽油機(jī)NOx排放對比

圖5 n=3 000 r/min時(shí)汽油機(jī)NOx排放對比

分析認(rèn)為：乙醇汽油的汽化潛熱大，會導(dǎo)致混合氣溫度降低，大摻比的含水乙醇汽油能明顯降低燃燒和排放溫度。乙醇的燃燒速度快，瞬時(shí)燃燒溫度高，天津大學(xué)楊競的研究發(fā)現(xiàn)E20的燃燒溫度高于汽油[11]。乙醇的加入提高了燃料的氧含量，而更高的燃燒溫度有利于NOx的生成，由此導(dǎo)致含水乙醇燃料的催前NOx排放要高于汽油。增大含水乙醇的摻比，則在汽化潛熱和熱值兩方面因素的共同作用下，燃燒和排氣溫度下降，由此帶來NOx排放的下降。試驗(yàn)結(jié)果中E30的催前NOx排放低于E20。NOx的催化轉(zhuǎn)化率主要受過量空氣系數(shù)影響，過量空氣系數(shù)大于0.9時(shí)，NOx的催化轉(zhuǎn)化率隨過量空氣系數(shù)的增大而降低[12]。在電控控制策略中，為了同時(shí)保持對HC，CO，NOx較高的轉(zhuǎn)化效率，閉環(huán)控制區(qū)域?qū)⑦^量空氣系數(shù)控制在1.0。怠速和節(jié)氣門全開工況使用開環(huán)控制加濃混合氣，混合氣過量空氣系數(shù)小于1.0。在中低負(fù)荷的閉環(huán)控制區(qū)間，乙醇燃料對過量空氣系數(shù)改變不大，乙醇自含氧，在排氣中游離的氧離子不利于NOx的還原，致使NOx轉(zhuǎn)化效率略有下降。在閉環(huán)控制工況，大摻比乙醇燃料在開環(huán)控制時(shí)能顯著增大實(shí)際過量空氣系數(shù)，降低催化劑對NOx的轉(zhuǎn)化效率，由此導(dǎo)致大負(fù)荷工況E30的催化轉(zhuǎn)化率降低幅度最大。

3 結(jié)論

a) 燃用含水乙醇汽油燃料后，發(fā)動機(jī)的怠速NOx排放均得到了改善；隨著含水乙醇的摻比增加，催化器前的NOx排放量降低，與93號汽油相比，E10，E20，E30的NOx排放量分別降低64%，68%，69.5%；

b) 怠速工況下，E10的催化轉(zhuǎn)化器后NOx排放最低，E20和E30的催化轉(zhuǎn)化器后NOx排放量也低于93號好汽油；隨著含水乙醇摻比的增加，催化器對NOx的催化轉(zhuǎn)化率逐步降低；與93號汽油相比，E10，E20，E30的NOx催化轉(zhuǎn)化率分別降低19%，24%，34%；

c) 怠速工況下，排氣溫度對NOx的生成和NOx催化轉(zhuǎn)化率影響作用顯著；大乙醇摻比的混合燃料會導(dǎo)致實(shí)際過量空氣系數(shù)增加，也會影響NOx的催化轉(zhuǎn)化率；

d) 與93號汽油相比，含水乙醇汽油在低負(fù)荷時(shí)降低NOx生成的效果顯著，催化器前E10和E20的NOx排放降低幅度大于E30；中高負(fù)荷時(shí)，含水乙醇汽油的NOx排放升高，E20的NOx排放在中高負(fù)荷比93號汽油上升6%；大負(fù)荷時(shí)，E30的NOx排放最高，比93號汽油高7%；

e) 含水乙醇汽油的催化器后的NOx排放量要高于93號汽油，在最大負(fù)荷工況下，E10，E20，E30催化器后的NOx排放量分別比93號汽油高15%，6%，29%；

f) 在中低負(fù)荷工況，含水乙醇汽油對NOx催化轉(zhuǎn)化效率影響不大；在大負(fù)荷時(shí)，隨著含水乙醇燃料摻比的增大，NOx催化轉(zhuǎn)化效率降低，E30的催化轉(zhuǎn)化率約為93號汽油的92%。

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