含醇燃料对GDI发动机气体排放的影响

田 林,王 磊,陈亚雷,邢恩辉

(烟台大学机电汽车工程学院,山东 烟台 264005)

醇类具有来源广泛、价格低廉、燃烧无污染、辛烷值高、可以与汽油任意比例互溶等优点,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、更低的腐蚀性,且可不用粮食作为原料．使用醇类作为内燃机的替代燃料是当前燃料研究趋势,可以缓解能源危机并降低排放污染[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的质量分数要高于汽油,所以反应会形成更多的水蒸气,增加汽化潜热,因此醇的汽化潜热值要大于汽油汽化潜热值．根据文献[2]，醇类均为含氧燃料,含氧燃料会促进层流火焰传播速度,所以相同条件下会燃烧更充分．正丁醇与汽油的化学结构更相似,便于互溶和运输．醇类的热值低于汽油,所以在输出功率方面要略低．丁醇的热值高,乙醇的含氧量高,所以两者的输出功率差距不大[3]．

表1 燃料的理化特性对比Tab.1 Comparison of physicochemical properties of fuels

2 实验设备及试验方法

2.1 实验设备

本次台架试验使用的是一台直列四缸GDI发动机,尾气检测设备是芬兰DASMET生产的纳米傅里叶红外光谱仪,简称FTIR,专用于检测NOx/CO/HC的排放浓度．发动机的参数如表2．

表2 汽油机主要参数Tab.2 Main parameters of gasoline engine

2.2 试验方法

本实验是在发动机结构参数和运行参数不变的前提下,分别用G100、E10、B10、B5E5这4种燃料,通过尾气检测设备对NOx/CO/HC等进行检测,记录数据并分析结果,所用燃料均未添加助溶剂等物质．

3 实验结果与分析

3.1 冷启动分析

在进行冷启动实验之前,使发动机在25 ℃的环境下10 h以上,保证充分冷却．从发动机启动开始计时200 s,对三效催化转化器前的原排尾气进行连续测量,记录实验数据并分析结果(图1—3)．

图1 HC排放浓度Fig.1 HC emission concentration

图2 NOx排放浓度Fig.2 NOx emission concentration

图3 CO排放浓度Fig.3 CO emission concentration

通过图1—3可以看出，不同燃料生成的排放物30 s后均趋于稳定．冷启动排放不稳的原因有:一方面,冷启动时缸内温度较低,燃料雾化效果较差;另一方面,ECU在发动机刚启动时会增大喷油量,使混合气较浓,燃烧效果较差[4]．

从图1可以看出:在25 ℃冷启动时,几种燃料HC初始时的排放都比较高,波动也较大,其中E10的峰值最低,G100、B5E5次之,B10最高．这与文献[5]中结论吻合:乙醇可以缩短火焰的快速燃烧期从而降低HC峰值．污染物在30 s后趋于稳定,其中B10变化最缓,原因是醇类的燃烧速度较快,且丁醇的汽化潜热比乙醇要低,缸内温度相对G100降低较少,因此通过不完全燃烧和容积淬熄形成污染物就会相应减少;乙醇虽然也促进了燃烧速度,但汽化潜热降低了发动机温度,导致HC排放变化不明显[6]．

从图2可以看出，4种燃料的NOx排放浓度相对于CO、HC要低的多,实验测出峰值不超过0.005%．其中E10排放最高,B10最低;由此可以看出,冷启动时丁醇有利于降低NOx的排放．E10虽然燃烧速度也较快,汽化潜热也较多,但含氧量大,富氧条件导致发动机NOx的生成加剧．

从图3可以看出,燃料的CO的排放峰值都非常高,G100最高,体积分数达4%;B10、E10、B5E5的体积分数分别占2.51%、2.72%、2.59%;CO是碳氢燃料的主要燃烧中间产物,主要受温度、混合气的含氧量、化学反应速率的影响,原因与HC的类似．

3.2 怠速分析

图4是发动机在怠速工况时燃料尾气的排放比较．从图4(a)可以看出在纯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;说明增加氧浓度,会有助于HC的转化．但B5E5反而使HC的排放浓度明显增加,可能与发动机怠速时喷油量不稳定有关,混合气过浓或雾化不均匀都会导致燃料失火排放增加[7]．在图4(b)中,NOx在G100、B10、E10、B5E5中的排放浓度分别为0.009%、0.021%、0.016%、0.012%,说明怠速时加入含醇燃料,为NOx的产生创造了条件;乙醇汽化潜热降低了缸内温度,所以优于丁醇．图4(c)是CO的含量比较,G100、E10的CO含量分别为0.168%、0.377%,B10和B5E5的含量相似,大约是G100的3倍,说明CO的排放在怠速时受温度影响比较大．虽然含氧量有助于CO的转化,但燃料的汽化潜热对CO的排放明显的起到了反作用．

3.3 负荷特性的分析

本实验调节工况之前使发动机怠速预热1 h已达到标准实验条件,冷却水温度控制在(80±5)℃,燃料温度控制在(25±5)℃,机油温度控制在(90±5)℃,空燃比14.6．发动机在2 000 r·min-1的恒定转速下,通过调节负荷分析燃料的尾气排放,其中每个工况测量时间调整间隔不低于5 min[8]．以下4个工况包含了汽车道路行驶时的常用工况,有较强的代表性．

图5给出了不同工况下污染物的排放对比曲线．通过图5(a)可以看出,随着负荷的不断增加,HC的含量在不断降低,含醇燃料的排放值始终低于汽油,且负荷越低差值越明显．一方面随着负荷增加,缸内温度更高,使燃料燃烧更加充分;另一方面醇类都是含氧燃料,所以燃烧效果要优于纯汽油[9]．

图4 怠速时污染物排放浓度Fig.4 Emission concentration of pollutants during idling

从图5(b)可以看出,随着负荷的增加NOx的含量均呈现上升趋势,主要原因是NOx在高温和富氧的环境中会更容易形成．几种燃料中,排放效果依次是B10

在图5(c)中,随着负荷的增加,混合气变稀,CO浓度整体呈下降趋势．在不同工况下每种燃料CO的排放出现交叉现象,说明CO的排放在含碳量、含氧量、燃料热值、辛烷值、汽化潜热等多种因素的共同作用下,效果不明显．

图5 负荷工况污染物排放浓度Fig.5 Emission concentration of pollutants under load condi-tions

4 结 论

研究结果表明：冷启动时，3种污染物均是先增加后减小，B10的污染物排放量最少，说明正丁醇相比纯汽油、乙醇在冷启动方面有明显的优势；怠速时，含醇汽油的排放表现并不优于G100；在负荷工况下，B5E5的污染物排放优于其他3种燃料，说明多种醇混合汽油一定程度上可以弥补添加单种醇汽油的缺点，减少污染物排放量.考虑到车辆在实际使用中负荷工况情况最多，4种燃料中选择B5E5可以最大程度减少污染物的排放.

当前对使用多醇燃料的相关研究甚少，我们通过上述实验可以在一定程度上证明了使用多醇燃料的优点，以及从降低排气污染的角度替代传统燃料的可行性.