几种代用燃料的排放性能对比试验研究＊

李昕光 崔淑华 付 强

（东北林业大学交通学院 哈尔滨 150040）

根据各种代用燃料的研究现状［1－11］，在应用广泛的电控燃油喷射发动机上进行几种常见代用燃料的排放性能对比试验，目的在于评价几种代用燃料在电喷发动机上的排放性能特点及其影响因素，为常见代用燃料在电喷发动机上的推广应用提供参考.

1 试验方法与仪器设备

由于本文主要研究的是在发动机结构不变的条件下各种代用燃料的应用特性，因此要采用适当的掺烧比例，进行体积分数分别为10%乙醇、20%乙醇、15%甲醇、30%甲醇（E10，E20，M15，M30）的醇类混合燃料试验.在原发动机上进行93＃汽油和醇类汽油的性能对比试验后，在发动机上加装一套闭环电控LPG供气系统，然后对改装后的双燃料系统进行负荷特性和全负荷速度特性试验，同时测量常规排放物的质量浓度.

本试验是在捷达电喷发动机上进行的，该发动机的主要技术参数见表1.

发动机台架试验中的主要测试仪器设备见表2.

排放试验中应用的NHA－501废气分析仪是采用不分光红外吸收法来检测尾气排放中的HC，CO及CO2质量浓度，采用电化学传感器检测排放废气中的NOx质量浓度.

表1 捷达汽油机主要技术参数

表2 试验测试设备

2 试验结果及分析

2.1 NOx排放对比分析

图1和图2为93＃汽油和其他几种代用燃料在4 000r／min负荷特性和全负荷速度特性的NOx排放对比图.

图1 4 000r／min负荷特性NOx排放对比图

由图1可见，随着负荷的增加，发动机燃用各种燃料的NOx排放浓度都是先增加后减小.这是由于NOx的生成条件是高温和富氧，发动机在小负荷时，缸内温度比较低，因而NOx的排放量均较小；当发动机在中等负荷时，混合气浓度基本稳定，但是缸内温度升高，因此这时NOx排放增加较多；当发动机在大负荷工况下时，进入发动机的是较浓的混合气，缸内混合气的空燃比较小，因此即使此时缸内具有较高的温度，但由于缺氧而抑制了NOx的生成.

由图1还可以看到，发动机燃用93＃汽油时的NOx排放质量浓度明显高于其他几种代用燃料，而燃用M30及E20时的NOx排放质量浓度最低.这是因为当甲醇和乙醇的掺混比例提高后，降低了可燃混合气的热值，并且甲醇和乙醇的汽化潜热均高于汽油，因此缸内的最高燃烧温度降低，同时由于醇类燃料的燃烧速度高于汽油，缸内燃烧过程中的峰值温度持续时间较短，因此发动机燃用M30及E20产生的NOx少于其他燃料.

图2 全负荷速度特性NOx对比图

由图2可见，在全负荷速度特性下，随着转速的增大，燃用各种燃料时的NOx排放曲线均是经历2个峰值，同时还可以看到，在整个转速范围内，发动机燃用M30的NOx排放最小，93＃汽油时最大，这些都是由燃料的含氧量、燃烧速度以及理论空燃比不同等诸多因素综合在一起形成的.

2.2 HC排放对比分析

图3是发动机在4 000r／min负荷特性下，燃用不同燃料的HC排放对比图.图4是发动机在全负荷速度特性下，燃用不同燃料的HC排放对比图.

图3 4 000r／min负荷特性HC对比图

由图3可见，随着负荷的增加，各种燃料的HC排放变化并不明显，而随着甲醇和乙醇的掺混比例的增加，各种负荷下的HC排放均有明显降低，E20远低于E10，M30远低于 M15，93＃汽油的HC排放量最高，LPG的HC排放量处于中间水平.由此可知，电喷发动机不论是在不缺氧的中小负荷状态下还是在混合气较浓，空燃比较小的大负荷状态下，甲醇和乙醇燃料的加入或者其掺混比例的增加都可以改善缸内燃烧情况，进而降低HC的排放质量浓度.由于LPG是在混合器里就同空气进行了混合，混合气比较均匀，缸内的燃烧比较充分，因此其HC的排放浓度较低.

如图4所示，随着转速的提高，发动机燃用各种燃料的HC的排放曲线都是先上升再下降.发动机燃用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.原因是发动机工况的变化而引起空燃比控制策略发生变化，混合气的突然加浓导致燃烧速度不稳定，可燃混合气大容积淬熄.由于醇类燃料含氧，其含碳量低于汽油，又集中在定容区内燃烧，后燃的现象较少，所以排气中HC含量减少，而且甲醇和乙醇的掺混比例越大，HC排放改善越明显.

2.3 CO排放对比分析

图5是发动机在4 000r／min负荷特性下，燃用不同燃料的CO排放对比图.图6是发动机在全负荷速度特性下，燃用不同燃料的CO排放对比图.

图5 4 000r／min负荷特性CO对比图

由图5可见，发动机燃用93＃汽油，LPG，M15，M30和E10，E20时的CO排放趋势大体相同，都是随着负荷的增加，排放曲线先缓慢变化然后大幅上升达到最大值.其中LPG的CO排放量最低，燃用M15，M30，E10，E20的CO排放曲线变化居中，而93＃的汽油的CO排放量最高.这是因为发动机在中小负荷工况下，由氧传感来检测排气管中的氧含量，进而使可燃混合气尽量保持在理论空燃比状态下，加之甲醇和乙醇的碳氢比小于汽油，而汽化潜热又比汽油大，这都有利于缸内可燃混合气的燃烧充分，因此在中小负荷工况，各种燃料的CO排放都不高，趋势比较平稳.在大负荷工况下，由图5可见，发动机燃用各种燃料的CO排放都迅速增加达到峰值.这是因为电喷发动机此时实行开环控制，增加喷油量形成浓混合气，缸内氧浓度降低，导致CO的排放量迅速上升.

图5中还可以看到，随着醇类燃料掺混比例的增加，CO排放得到明显降低.这是因为同空气中的氧相比，甲醇和乙醇的自携氧要更有利于充分燃烧.同时还可以看出，发动机排放性能的优化不仅与醇类燃料的掺混比例有关，而且与发动机的空燃比控制策略有关.

如图6所示，发动机燃用各种代用燃料的CO排放曲线，都是在低转速时较为平稳，在中高转速时迅速上升.这也是由电喷发动机的开、闭环控制策略来决定的，当发动机达到某一转速或者负荷时，会增加喷油量，形成比较浓的可燃混合气，因此在中高转速阶段各种燃料的CO的排放均迅速上升.而由于汽油／LPG两用燃料系统的电控单元是单独对LPG的进气量进行控制的，因此其CO的排放曲线同其他代用燃料有所不同.

图6 全负荷速度特性CO排放对比图

3 结 论

对发动机燃用各种试验燃料的排放性能进行了研究，通过对发动机台架试验数据的分析，得出以下结论.

1）发动机燃用M30的NOx排放量最小，E20其次，燃用93＃汽油时的最大.原因是甲醇和乙醇特有的物理化学性质随着其较高的掺混比例而体现得较为明显，因此，醇类混合燃料的NOx总体上均低于93＃汽油，而LPG由于其火焰温度低于93＃汽油，因此LPG的NOx排放量要稍低于93＃汽油.

2）随着醇类混合燃料中醇类的增加，各种负荷下的HC排放均有明显降低.发动机燃用93＃汽油时的HC排放高于其它燃料，由此可知，在汽油中加入醇类可改善燃烧.气态的LPG与空气混合比较均匀，燃烧充分，因此其HC的排放大幅度降低.

3）发动机燃用93＃汽油的CO排放量最高，其他燃料的CO排放曲线变化趋势几乎相同，即随着负荷的增加，排放曲线缓慢变化最后急剧上升达到峰值.原因是电喷发动机在中小负荷工况和大负荷工况分别实行闭环和开环控制，可燃混合气的过量空气系数不同，在高负荷时，缸内的可燃混合气较浓，因此CO排放量增加较大.因此电喷发动机排放性能的优化同掺醇比例和其空燃比控制策略均有重要关系.

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