含醇燃料對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放的影響

田 林,王 磊,陳亞雷,邢恩輝

(煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

醇類具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、燃燒無(wú)污染、辛烷值高、可以與汽油任意比例互溶等優(yōu)點(diǎn),是汽油良好的替代能源,相比乙醇、丁醇具有更高的能量密度、更低的腐蝕性,且可不用糧食作為原料．使用醇類作為內(nèi)燃機(jī)的替代燃料是當(dāng)前燃料研究趨勢(shì),可以緩解能源危機(jī)并降低排放污染[1]．

1 燃料的理化特性

燃料的理化特性如表1,乙醇和正丁醇的H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于汽油,所以反應(yīng)會(huì)形成更多的水蒸氣,增加汽化潛熱,因此醇的汽化潛熱值要大于汽油汽化潛熱值．根據(jù)文獻(xiàn)[2]，醇類均為含氧燃料,含氧燃料會(huì)促進(jìn)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?所以相同條件下會(huì)燃燒更充分．正丁醇與汽油的化學(xué)結(jié)構(gòu)更相似,便于互溶和運(yùn)輸．醇類的熱值低于汽油,所以在輸出功率方面要略低．丁醇的熱值高,乙醇的含氧量高,所以兩者的輸出功率差距不大[3]．

表1 燃料的理化特性對(duì)比Tab.1 Comparison of physicochemical properties of fuels

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次臺(tái)架試驗(yàn)使用的是一臺(tái)直列四缸GDI發(fā)動(dòng)機(jī),尾氣檢測(cè)設(shè)備是芬蘭DASMET生產(chǎn)的納米傅里葉紅外光譜儀,簡(jiǎn)稱FTIR,專用于檢測(cè)NOx/CO/HC的排放濃度．發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表2．

表2 汽油機(jī)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of gasoline engine

2.2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)不變的前提下,分別用G100、E10、B10、B5E5這4種燃料,通過(guò)尾氣檢測(cè)設(shè)備對(duì)NOx/CO/HC等進(jìn)行檢測(cè),記錄數(shù)據(jù)并分析結(jié)果,所用燃料均未添加助溶劑等物質(zhì)．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 冷啟動(dòng)分析

在進(jìn)行冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)之前,使發(fā)動(dòng)機(jī)在25 ℃的環(huán)境下10 h以上,保證充分冷卻．從發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開始計(jì)時(shí)200 s,對(duì)三效催化轉(zhuǎn)化器前的原排尾氣進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析結(jié)果(圖1—3)．

圖1 HC排放濃度Fig.1 HC emission concentration

圖2 NOx排放濃度Fig.2 NOx emission concentration

圖3 CO排放濃度Fig.3 CO emission concentration

通過(guò)圖1—3可以看出，不同燃料生成的排放物30 s后均趨于穩(wěn)定．冷啟動(dòng)排放不穩(wěn)的原因有:一方面,冷啟動(dòng)時(shí)缸內(nèi)溫度較低,燃料霧化效果較差;另一方面,ECU在發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)會(huì)增大噴油量,使混合氣較濃,燃燒效果較差[4]．

從圖1可以看出:在25 ℃冷啟動(dòng)時(shí),幾種燃料HC初始時(shí)的排放都比較高,波動(dòng)也較大,其中E10的峰值最低,G100、B5E5次之,B10最高．這與文獻(xiàn)[5]中結(jié)論吻合:乙醇可以縮短火焰的快速燃燒期從而降低HC峰值．污染物在30 s后趨于穩(wěn)定,其中B10變化最緩,原因是醇類的燃燒速度較快,且丁醇的汽化潛熱比乙醇要低,缸內(nèi)溫度相對(duì)G100降低較少,因此通過(guò)不完全燃燒和容積淬熄形成污染物就會(huì)相應(yīng)減少;乙醇雖然也促進(jìn)了燃燒速度,但汽化潛熱降低了發(fā)動(dòng)機(jī)溫度,導(dǎo)致HC排放變化不明顯[6]．

從圖2可以看出，4種燃料的NOx排放濃度相對(duì)于CO、HC要低的多,實(shí)驗(yàn)測(cè)出峰值不超過(guò)0.005%．其中E10排放最高,B10最低;由此可以看出,冷啟動(dòng)時(shí)丁醇有利于降低NOx的排放．E10雖然燃燒速度也較快,汽化潛熱也較多,但含氧量大,富氧條件導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的生成加劇．

從圖3可以看出,燃料的CO的排放峰值都非常高,G100最高,體積分?jǐn)?shù)達(dá)4%;B10、E10、B5E5的體積分?jǐn)?shù)分別占2.51%、2.72%、2.59%;CO是碳?xì)淙剂系闹饕紵虚g產(chǎn)物,主要受溫度、混合氣的含氧量、化學(xué)反應(yīng)速率的影響,原因與HC的類似．

3.2 怠速分析

圖4是發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況時(shí)燃料尾氣的排放比較．從圖4(a)可以看出在純汽油中加入乙醇和丁醇的效果相似,都有利于降低HC的排放;說(shuō)明增加氧濃度,會(huì)有助于HC的轉(zhuǎn)化．但B5E5反而使HC的排放濃度明顯增加,可能與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)噴油量不穩(wěn)定有關(guān),混合氣過(guò)濃或霧化不均勻都會(huì)導(dǎo)致燃料失火排放增加[7]．在圖4(b)中,NOx在G100、B10、E10、B5E5中的排放濃度分別為0.009%、0.021%、0.016%、0.012%,說(shuō)明怠速時(shí)加入含醇燃料,為NOx的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件;乙醇汽化潛熱降低了缸內(nèi)溫度,所以優(yōu)于丁醇．圖4(c)是CO的含量比較,G100、E10的CO含量分別為0.168%、0.377%,B10和B5E5的含量相似,大約是G100的3倍,說(shuō)明CO的排放在怠速時(shí)受溫度影響比較大．雖然含氧量有助于CO的轉(zhuǎn)化,但燃料的汽化潛熱對(duì)CO的排放明顯的起到了反作用．

3.3 負(fù)荷特性的分析

本實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)工況之前使發(fā)動(dòng)機(jī)怠速預(yù)熱1 h已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件,冷卻水溫度控制在(80±5)℃,燃料溫度控制在(25±5)℃,機(jī)油溫度控制在(90±5)℃,空燃比14.6．發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000 r·min-1的恒定轉(zhuǎn)速下,通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)荷分析燃料的尾氣排放,其中每個(gè)工況測(cè)量時(shí)間調(diào)整間隔不低于5 min[8]．以下4個(gè)工況包含了汽車道路行駛時(shí)的常用工況,有較強(qiáng)的代表性．

圖5給出了不同工況下污染物的排放對(duì)比曲線．通過(guò)圖5(a)可以看出,隨著負(fù)荷的不斷增加,HC的含量在不斷降低,含醇燃料的排放值始終低于汽油,且負(fù)荷越低差值越明顯．一方面隨著負(fù)荷增加,缸內(nèi)溫度更高,使燃料燃燒更加充分;另一方面醇類都是含氧燃料,所以燃燒效果要優(yōu)于純汽油[9]．

圖4 怠速時(shí)污染物排放濃度Fig.4 Emission concentration of pollutants during idling

從圖5(b)可以看出,隨著負(fù)荷的增加NOx的含量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),主要原因是NOx在高溫和富氧的環(huán)境中會(huì)更容易形成．幾種燃料中,排放效果依次是B10

在圖5(c)中,隨著負(fù)荷的增加,混合氣變稀,CO濃度整體呈下降趨勢(shì)．在不同工況下每種燃料CO的排放出現(xiàn)交叉現(xiàn)象,說(shuō)明CO的排放在含碳量、含氧量、燃料熱值、辛烷值、汽化潛熱等多種因素的共同作用下,效果不明顯．

圖5 負(fù)荷工況污染物排放濃度Fig.5 Emission concentration of pollutants under load condi-tions

4 結(jié) 論

研究結(jié)果表明：冷啟動(dòng)時(shí)，3種污染物均是先增加后減小，B10的污染物排放量最少，說(shuō)明正丁醇相比純汽油、乙醇在冷啟動(dòng)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)；怠速時(shí)，含醇汽油的排放表現(xiàn)并不優(yōu)于G100；在負(fù)荷工況下，B5E5的污染物排放優(yōu)于其他3種燃料，說(shuō)明多種醇混合汽油一定程度上可以彌補(bǔ)添加單種醇汽油的缺點(diǎn)，減少污染物排放量.考慮到車輛在實(shí)際使用中負(fù)荷工況情況最多，4種燃料中選擇B5E5可以最大程度減少污染物的排放.

當(dāng)前對(duì)使用多醇燃料的相關(guān)研究甚少，我們通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以在一定程度上證明了使用多醇燃料的優(yōu)點(diǎn)，以及從降低排氣污染的角度替代傳統(tǒng)燃料的可行性.