乙醇汽油發(fā)動機非常規(guī)排放及其催化轉(zhuǎn)化的研究

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1、乙醇汽油發(fā)動機非常規(guī)排放及其催化轉(zhuǎn)化的研究 　　摘要：利用氣相色譜一氦離子化快速檢測方法，研究了一臺多點電噴汽油機分別燃用乙醇汽油混合燃料(乙醇的體積分數(shù)分別為0％、10％、20％和85％，記為EO、E10、E20和E85)時的非常規(guī)醇醛排放特性及其催化轉(zhuǎn)化特性．研究結(jié)果表明：與汽油機相比，E10和E20混合燃料發(fā)動機的甲醛、乙醛和乙醇排放隨乙醇摻混比的增加而增加，而E85混合燃料發(fā)動機的甲醛、乙醛排放增幅略小，約為EO發(fā)動機的1.6倍和2.4倍，乙醇排放卻大幅增加，約為E10混合燃料發(fā)動機的35倍；隨負荷的增加，乙醛排放整體呈增加的趨勢，E10和E20混

2、合燃料發(fā)動機的乙醇排放降低，而E85混合燃料發(fā)動機的乙醇排放卻增加；普通的三效催化器對乙醛、乙醇排放的轉(zhuǎn)化效率均在75％以上，但對甲醛的轉(zhuǎn)化效果不佳，對E20和E85混合燃料發(fā)動機甲醛排放的轉(zhuǎn)化效率低于30％。 下載論文網(wǎng) 　　關(guān)鍵詞：乙醇汽油；非常規(guī)排放；氣相色譜儀；三效催化器 　　中圖分類號：TK464　文獻標(biāo)志碼：A　文章編號：0253-987x(2010)01-0013-04 　　 　　乙醇來源廣泛，屬于可再生燃料，辛烷值比汽油高，且能與汽油較好的互溶，是點燃式內(nèi)燃機優(yōu)異的代用燃料．乙醇與汽油摻混用作汽車燃料不僅可以減少石油用量，而且能夠提高燃料含氧量和辛烷值，改善燃燒．

3、圍繞汽油摻混乙醇對汽車動力性和經(jīng)濟性的影響以及由此帶來的環(huán)境效應(yīng)等問題，國內(nèi)外均有廣泛研究，但大多針對乙醇體積分數(shù)低于10％的混合燃料，且排放的研究重點是常規(guī)CO、HC和NO2排放．本文利用氣相色譜法，開展了發(fā)動機燃用乙醇體積分數(shù)分別為0％、10％、20％和85％(EO、E10、E20和E85)的混合燃料時甲醛、乙醛及未燃乙醇的非常規(guī)排放特性研究，以及三效催化器對其催化轉(zhuǎn)化的研究。 　　 　　1　試驗裝置和試驗方法 　　 　　試驗用發(fā)動機為JL368Q3型三缸多點電噴汽油機，缸徑為68.5 mm，行程為72mm，總排量為0.796 L，壓縮比為9.4，額定功率為26.5 kW(5500

4、r/min時)，最大扭矩為60.5 N?m(3500 r/min)．電噴系統(tǒng)采用BOSCH公司的M1.5.4P閉環(huán)多點順序噴射系統(tǒng)，配合三效催化和處理，排放可達到國Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)．發(fā)動機試驗臺為長沙湘儀公司生產(chǎn)的FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)．排氣中的甲醛、乙醛和未燃乙醇采用本實驗室發(fā)展的氣相色譜一氦離子化檢測器(PDHID)進行測量。 　　試驗中用市售930汽油與純度(質(zhì)量分數(shù))為99.7％的工業(yè)乙醇配制乙醇體積分數(shù)分別為10％、20％、85％的混合燃料．考慮到乙醇容易吸收空氣中的水分導(dǎo)致燃料分層，試驗中所有混合燃料均為現(xiàn)場調(diào)配，未加入任何助溶劑．對于E10、E20混合燃料，試驗時發(fā)動機燃料供給系

5、統(tǒng)參數(shù)未作任何調(diào)整。由于E85混合燃料的單位體積熱值只有汽油的72％，試驗中將原機的單孔噴油器換為四孔噴油器，將供油量提高到原來的1.68倍(理論需要1.39倍)以恢復(fù)原機功率，其他參數(shù)不作調(diào)整．試驗過程中待發(fā)動機運行穩(wěn)定后，用聚全氟乙丙烯采氣袋采集排氣，然后在80℃恒溫加熱下檢測各種工況下三效催化器前后排氣中的非常規(guī)醇醛排放物。 　　 　　2　試驗結(jié)果與分析 　　 　　2.1甲醛排放 　　圖1為E0、E10、E20和E85混合燃料發(fā)動機的甲醛排放特性．甲醛排放主要在未燃碳氫后氧化過程中生成．由于乙醇比碳氫更容易氧化，在相同的排氣管溫度和氣體流速條件下，它有更充分的時間氧化生成甲醛．

6、如圖2所示，汽油中低比例(體積分數(shù))摻燒乙醇時碳氫排放比汽油高，而碳氫中約1.5％(體積分數(shù))轉(zhuǎn)化成甲醛，因此低摻混比時，甲醛排放隨著乙醇摻混比增加而增加．E85混合燃料中主要為乙醇，乙醇氧化生成的作用占據(jù)主導(dǎo)位置，有利于甲醛的生成，但E85混合燃料發(fā)動機的碳氫排放量明顯低于汽油機，如圖2所示，因此E85混合燃料發(fā)動機的甲醛排放增加幅度略小，約為汽油機的1.6倍。 　　圖3給出了普通的三效催化器(TWC)對甲醛排放的催化轉(zhuǎn)化特性．普通的TWC對EO、E10混合燃料發(fā)動機的甲醛排放改善明顯，轉(zhuǎn)化效率在8O％以上，而對于E20、E85混合燃料發(fā)動機的轉(zhuǎn)化效果差，轉(zhuǎn)化效率低于30％，這可能是因為甲

7、醛在催化器中存在生成和消耗兩種效應(yīng)。 　　2.2乙醛排放 　　圖4為乙醇汽油混合燃料發(fā)動機的乙醛排放特性．乙醇是二碳醇，它可以直接脫氫生成乙醛，因此比其他C2以上碳氫氧化生成乙醛簡單．Maria等人通過對常壓石英流動反應(yīng)器中乙炔/乙醇混合氣的燃燒研究發(fā)現(xiàn)，乙醇的性質(zhì)比乙炔活潑，它的氧化溫度較低，在乙炔氣體中摻入乙醇會明顯使乙炔氧化的初始溫度升高，一旦乙醇完全消耗，乙炔的濃度會迅速降低，亦即乙醇在完全氧化消耗以前對碳氫的氧化有抑制作用．乙炔為最活潑的烴類化合物之一，所以乙醇對其他碳氫化合物也有相似的抑制作用．隨著負荷的增加，排氣溫度逐漸升高，在不同負荷工況下，乙醇氧化生成乙醛，乙醛氧化消耗，

8、碳氫氧化生成乙醛，乙醛氧化消耗，這幾項依次占據(jù)主要地位，所以隨負荷的增加乙醛排放先增加后降低，再增加再降低，整體呈增加的趨勢。 　　由于乙醇氧化生成乙醛比其他碳氫氧化生成乙醛簡單，發(fā)動機燃用E10、E20混合燃料時，更多的乙醇氧化生成乙醛，乙醛排放隨摻混比增加．當(dāng)發(fā)動機燃用E85高比例乙醇汽油混合燃料時，乙醛排放較低，約為汽油機的2.4倍，因為燃用E85混合燃料時未燃碳氫中大部分是未燃乙醇，可能是其低溫氧化時其他支鏈反應(yīng)占主導(dǎo)地位，并且由于乙醇含氧，乙醛快速氧化為其他物質(zhì)的緣故．催化轉(zhuǎn)化后，乙醛排放大幅下降，如圖5所示，TWC對乙醛轉(zhuǎn)化效率在75％以上。 　　2.3乙醇排放 　　雖然Ze

9、rvas等人研究表明，汽油燃燒也可以產(chǎn)生乙醇，然而由于作為氧化中間產(chǎn)物的乙醇的量很少，發(fā)動機燃用汽油時未檢測到乙醇排放．乙醇排放是混合燃料中未燃燒且躲過后氧化的那部分燃料乙醇，因此循環(huán)噴入乙醇量越高、排氣溫度越低，未燃乙醇氧化時間越短則未燃乙醇量越高，其被氧化的消耗速率越低，乙醇排放量越高．如圖6所示，隨著乙醇摻混比的增加，乙醇排放量急劇增加，E85混合燃料發(fā)動機的乙醇排放量大約為E10混合燃料發(fā)動機的35倍。 　　隨著負荷的增加，缸內(nèi)溫度逐漸升高，乙醇被氧化的速率加快，所以發(fā)動機燃用E10、E20混合燃料時乙醇排放隨負荷的增加而降低．燃用E85混合燃料時，循環(huán)噴醇量隨負荷增加，而由于乙醇汽

10、化潛熱高，缸內(nèi)溫度比E10和E20時低，乙醇排放的增加速率比其消耗速率增加得快，而在平均有效壓力為O.7 MPa附近，由于高負荷下排氣溫度較高，有利于乙醇的后氧化，乙醇排放量有所下降，所以隨著負荷的增加，乙醇排放先增加再降低．催化轉(zhuǎn)化后，乙醇排放大幅下降，如圖7所示，TWC對乙醇的催化轉(zhuǎn)化效率高于75％。 　　 　　3　結(jié)　論 　　 　　本文利用氣相色譜儀對不同摻混比乙醇汽油混合燃料的非常規(guī)醇醛排放進行了試驗研究，得到以下結(jié)論。 　　(1)與汽油機相比，E10和E20混合燃料發(fā)動機的甲醛、乙醛排放均增大，且隨乙醇摻混比的增加而增加E85混合燃料發(fā)動機的甲醛、乙醛排放略有增加，沒有E20發(fā)動機增加得明顯．隨負荷的增加，乙醇汽油發(fā)動機的乙醛排放整體呈增加的趨勢，而甲醛則變化不明顯。 　　(2)汽油機排氣中未檢測出乙醇排放，它來自燃料中未燃燒的乙醇，乙醇摻混比越大，其排放量越高．隨負荷的增加，E10、E20混合燃料發(fā)動機的乙醇排放降低，而E85混合燃料發(fā)動機的乙醇排放則逐漸增加，僅在最大節(jié)氣門開度處有所降低。 　　(3)普通的三效催化器對乙醛和乙醇的轉(zhuǎn)化效率均大于75％，對汽油機和E10混合燃料發(fā)動機甲醛排放的轉(zhuǎn)化率也大于80％，而對E20、E85混合燃料發(fā)動機甲醛排放的轉(zhuǎn)化率卻低于30％。