汪文瑞,王坤,王小荣,魏衍举,刘圣华

(西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安)

甲醇对甲醇汽油混合燃料发动机碳氢排放贡献率的定量研究

汪文瑞,王坤,王小荣,魏衍举,刘圣华

(西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安)

在一台JL368Q3型汽油机上,通过考察发动机燃用体积分数分别为10%、20%和85%的甲醇汽油混合燃料时甲醇和碳氢(HC)的排放特性,研究了甲醇和汽油各自的排放率随发动机排气温度的变化规律和甲醇掺混比的影响,以及甲醇对发动机碳氢排放的贡献率。试验结果表明:甲醇掺混比对甲醇排放率的影响不大,在各掺混比下,甲醇排放率均不超过8 g/kg,且随发动机排气温度的升高呈现指数降低的趋势;汽油的碳氢排放率比甲醇排放率高一个数量级,甲醇体积分数为10%时发动机的碳氢排放率在中高负荷时最低,约为40 g/kg;在各甲醇掺混比下,汽油均是发动机碳氢排放的主要来源,甲醇对发动机碳氢排放的贡献率不超过8%。

甲醇;汽油机;排放率;甲醇汽油混合燃料

甲醇与汽油性质非常相似,某些性能甚至优于汽油,因而成为火花点火发动机最有潜力的代用燃料之一。例如,甲醇具有优良的燃烧特性以及抗爆性[1]。如果为发动机提供相同化学能的甲醇燃料,发动机不仅能保持原动力特性和热效率,还可以降低发动机的常规排放物HC、CO和NOx[2]。然而,发动机在燃用甲醇汽油混合燃料时,会产生有毒的甲醇排放[3],所以研究发动机燃烧甲醇汽油时的甲醇排放特性以及甲醇对于发动机碳氢排放的贡献非常重要。

发动机燃用甲醇汽油的研究已经非常广泛[1-3],但现有研究往往仅局限于某一固定比例的甲醇汽油混合燃料[4-5],或局限于某个、某几个特定转速和负荷[6-7],研究的系统性较差。虽然现有文献一致认为发动机燃用甲醇汽油能够降低发动机的碳氢排放,但具体降低多少,各文献说法不一,而且不能定量地给出甲醇比例对碳氢排放的影响、发动机碳氢排放中甲醇及其他汽油来源性碳氢各自的含量以及它们随发动机负荷、转速和排气温度的变化规律。

本文以江铃汽车公司生产的JL368Q3型三缸电控火花点火发动机为对象,研究发动机燃用3种不同比例甲醇汽油混合燃料时的碳氢和甲醇排放特性,以及甲醇对发动机碳氢排放的贡献率。

1 试验台架

1.1 试验用发动机

试验用发动机型号为江铃汽车公司生产的JL368Q3型发动机,该发动机为三缸进气道喷射电控火花点火发动机,缸径为68 mm,行程为72 mm,总排量为0.796 L,压缩比为9.4,额定功率为26.5kW(转速5500 r/min),额定扭矩为45N·m(转速3 000 r/min)。

试验工况点设置:选取1 500 r/min到5500 r/min之间的7个不同转速,扭矩以7 N·m为间隔从最小值7 N·m增大至最大节气门开度处,这些工况点组成一个矩阵。试验中为保证发动机为稳态测试,除5500 r/min转速外,试验前在其他待测工况点将发动机稳定运行3 min。

1.2 试验用燃料

基础燃料选用辛烷值为93的商用标准汽油,并按体积分数10%、20%和85%掺混纯度(体积分数)为99.9%的分析纯甲醇(CH3OH),得到3种混合燃料,分别命名为M10、M20和M85。由于混合燃料极易吸收空气中的水分造成分层,所以每次试验前都重新配制混合燃料,并且通过观察燃料的透明度来了解燃料的混合情况,如果混合燃料清澈透明则说明混合彻底。在整个试验过程中不使用任何助溶剂。

1.3 发动机改造

因为甲醇的低热值只有汽油的46%左右,所以发动机燃用甲醇汽油时将导致发动机功率下降,尤其是燃用甲醇含量很高的M85燃料时,发动机功率下降非常明显。在试验中,当发动机燃用M10和M20时,发动机供油系统未经任何改造。当发动机燃用M85时,发动机功率下降较大,因此必须改变供油参数来恢复发动机的功率,具体变动包括调整燃油喷射压力(从0.30 MPa增大至0.45MPa);更换发动机喷油器,将原喷油器更换为东风雪铁龙所用的1.6 L汽油机上的喷油器。经上述改造后,发动机的喷油量增大至原机的1.75倍,可完全满足发动机燃用M85的需要。发动机的空燃比由氧传感器反馈控制。

1.4 排放物检测

采用HORIBA MEXA-7100DEGR气体分析仪检测排气中的碳氢排放物,检测精度为量程的1%,检测到的碳氢排放物包含甲醇排放。采用日本岛津公司GC-2010气相色谱仪直接检测排气中的甲醇。色谱仪采用Gs-OxyPLOT极性毛细柱(长为10 m,内径为0.53 mm,膜厚为10 μm,安捷伦科技有限公司生产)和脉冲放电氦离子化检测器(型号为D4-I-SH-17R)。检测时,先用氟聚乙丙烯(FEP)气体采样袋收集排气,并将其加热至80 ℃以防止水和甲醇凝结,当甲醇浓度高于20 μg/L时,此方法的检测误差小于5%[7]。另外,为更准确地反映未燃碳氢排放的特性,所有废气的检测以及采样均在三元催化转化器前进行。发动机排气温度选用K型热电偶于排气口外1.0 m处进行测量。

文中甲醇及碳氢排放的浓度均以排放率表示,即每千克甲醇或汽油燃烧所排放的甲醇或碳氢的质量,单位为g/kg,其中碳氢因成分复杂,故其质量以对应浓度的甲烷质量计算。由于气体分析仪显示的是体积浓度,要经过下述公式将其转换为排放率

式中:C为甲醇或碳氢的体积分数,10-6;M为甲醇或甲烷的摩尔质量,g/mol;D为发动机排量,L;m为甲醇或汽油的循环供给量,g/cycle。

2 结果与讨论

虽然烃类的氧化过程中自由基CH3O结合游离的H原子也会生成甲醇[8-9],但是由于缸内的高温氧化,致使作为中间产物的CH3O很快被氧消耗,因此甲醇的浓度非常低,发动机燃用汽油时没有检测到甲醇排放。因此,发动机燃用甲醇汽油时,排气中检测到的甲醇排放均可视作未燃烧的燃料甲醇,其排放量由缸内主燃烧后的甲醇残留量和在缸内及排气管的高温环境中的氧化消耗量二者共同决定。

2.1 低比例甲醇汽油

图1所示是发动机燃用M10燃料时的甲醇排放特性图,从中可以看出,甲醇排放率随发动机的转速和扭矩的增大而减小。当扭矩一定时,随着发动机转速的升高,循环供油量增加,每工作循环错过主燃烧的未燃甲醇量增加,然而未燃甲醇排放率却反而降低,这说明:甲醇在缸内燃烧的完善程度对甲醇排放影响不大;转速增加导致排气温度升高对未燃甲醇氧化消耗的促进作用占主导地位,当转速一定、扭矩增加时亦是如此。

图1 燃用M10时甲醇排放率随扭矩和转速的变化

将甲醇排放率对排气温度作图(见图2),可以看出排气温度对甲醇排放率的影响更加明显,甲醇的排放率随着排气温度的增加总体呈现指数降低的趋势。对所有数据点统一进行拟合,可获得M10混合燃料的甲醇排放率的拟合公式

R2=0.884 7

(1)

式中:R2是相关系数。

由图1和图2可以看出:甲醇的排放率与发动机的转速和扭矩关系不大,其值更多地取决于排气温度;甲醇的燃烧效率很高,即使在1 500 r/min低负荷处,其排放率也低于10 g/kg,并且随转速和扭矩的增加而迅速下降。

碳氢排放率比甲醇排放率高一个数量级(如图3所示),在所有工况下均高于35g/kg,且随着扭矩和转速的增加总体呈现先降低而后略微增加的趋势。排气温度升高可使碳氢排放率降低,而在最大负荷及最高转速处排放率有所增加是由于此时混合气过浓造成的。当发动机燃用化学计量空燃比的混合气时,排气温度仍是碳氢排放的主要影响因素。

图2 燃用M10时甲醇排放率随排气温度和转速的变化

图3 燃用M10时碳氢排放率随扭矩和转速的变化

从图2和图3可以看出,甲醇排放率远低于碳氢排放率。定义甲醇排放率与碳氢排放率之比为甲醇的排放比

(2)

式中:m表示甲醇或碳氢排放的质量,g;M是对应甲醇或汽油的消耗量,kg。

图4 燃用M10时甲醇排放比随排气温度和转速的变化

排放比可以直观地反映出甲醇对碳氢排放的贡献率。如图4所示,发动机燃用M10时的甲醇排放比rM10小于10%,并且随着排气温度和转速的升高而迅速降低。

2.2 高比例甲醇汽油

发动机燃用高比例甲醇汽油混合燃料M85时,循环供醇量高于M10,以体积浓度计的甲醇排放量明显高于燃用M10时的排放量,体积浓度值与循环供醇量呈现近似线性关系[6],但随着排气温度的提高,以质量分数计的甲醇排放量却变化不大。

如图5所示,除了在2 000 r/min时几个混合气过浓的离散点外,发动机燃用M85燃料时其甲醇排放率均不超过10 g/kg,并且随排气温度的升高而呈指数趋势下降。将化学计量空燃比条件下的数据点统一进行拟合,可获得甲醇排放率与排气温度的拟合关系式

R2=0.90

(3)

图5 燃用M85时甲醇排放率与排气温度和转速的关系

由于甲醇的汽化潜热远高于汽油,发动机燃用M85时甲醇汽化所需的热量远高于燃用M10时,这将降低缸内温度,使碳氢的氧化受到抑制,因此发动机燃用M85时的碳氢排放率远高于燃用M10时的,如图6所示。虽然转速增加后发动机每工作循环所需的时间缩短,不利于缸内未燃碳氢的氧化,但转速的增加使缸内气流运动增强,促进了未燃汽油与热废气的混合,又促进了碳氢的氧化,从图6可以看出,这种促进作用占据主导地位,所以碳氢的排放率随发动机转速增加而降低。

图6 燃用M85时碳氢排放率与排气温度和转速的关系

图7 燃用M85时甲醇排放比与排气温度和转速的关系

发动机燃用M85与M10时的甲醇排放率相近,但燃用M85时碳氢排放率更高,这使得发动机燃用M85时的甲醇排放比rM85较燃用M10时的甲醇排放比rM10低,如图7所示,除2 000 r/min时后面4个工况点混合气偏浓外,其他检测工况下的rM85均小于4%。这说明,M85混合燃料中虽然只含有15%的汽油,但汽油仍是碳氢排放的主要来源。

2.3 甲醇对碳氢排放的贡献

图8 甲醇排放率随甲醇循环供给量的变化

甲醇排放主要来源于未燃烧的甲醇燃料,其排放量与燃料的甲醇掺混比成正比。Zervas等在试验中发现,排气中甲醇的体积浓度与混合燃料中甲醇的体积分数成线性关系[3];本课题组之前的研究也得出类似的结论,即甲醇排放的体积浓度与每循环进入缸内的甲醇量近似成线性关系[6,10]。虽然以体积浓度计的甲醇排放量随甲醇掺混比的增大而增加,但不同掺混比时的排放率却变化不大,然而将甲醇排放的体积浓度换算成甲醇的排放率时,它们之间则呈现出另外一种关系。如图8所示,发动机分别燃用M10、M20和M85时甲醇排放率的最大值相差不大,均未超过8 g/kg,然而其排放率的最小值却随着燃料中甲醇比例的增大而增大,这是由于甲醇掺混比增加后排气温度降低不利于甲醇的氧化所致。

图9是碳氢排放率与汽油循环供给量的关系。从图中可知,碳氢排放率随负荷增加而迅速降低,到中等负荷以后基本保持不变,稳定在40 g/kg左右。当混合燃料中甲醇的体积分数低于20%时,进入缸内的甲醇对发动机的碳氢排放基本没有影响。当甲醇的体积分数增加至85%以后,排气中的碳氢排放率远高于低混合比甲醇汽油的碳氢排放率,这是由于甲醇的汽化潜热大,发动机排气温度降低,从而削弱了排气中碳氢的氧化作用,最终导致燃用M85时发动机排气中的碳氢排放率远高于M10的碳氢排放率。

图9 碳氢排放率随汽油循环供给量的变化

图10所示为发动机甲醇排放比与排气温度的关系。由图可以看出,在各种甲醇汽油混合燃料所产生的碳氢排放中,甲醇排放所占比例均未超过8%,这说明碳氢主要是由汽油成分产生的,由此表明甲醇比汽油易于氧化,也可以说甲醇比汽油“清洁”。

图10 甲醇排放比随汽油循环供给量的变化

3 结 论

在一台JL368Q3型火花点火发动机上研究了分别燃用汽油及3种比例甲醇汽油混合燃料时发动机的甲醇和碳氢排放率特性,获得如下结论。

(1)甲醇排放来源于未完全燃烧的甲醇,排气温度对甲醇排放率有决定性影响,排放率随排气温度的升高呈指数规律下降。甲醇掺混比对其排放率的最大值影响不大,各掺混比下的甲醇排放率均不超过10 g/kg,而排放率最小值却随掺混比的增加而升高。

(2)碳氢排放率比甲醇排放率高一个数量级。随着排气温度的升高,当混合燃料中甲醇的体积分数低于20%时,碳氢排放率呈现先降低后增加的趋势,在中高负荷时达到最低,约为40 g/kg,而对于M85混合燃料,其碳氢排放率在各转速下均比相应的低掺混比甲醇汽油的碳氢排放率高。

(3)甲醇对发动机碳氢排放的贡献率与甲醇的掺混比关系不大,在3种掺混比下,甲醇对碳氢排放的贡献率均未超过8%,从燃料“清洁度”角度看,甲醇比汽油“清洁”。

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(编辑 葛赵青 苗凌)

ContributionRatioofMethanoltoHCEmissionofaGasoholFueledSparkIgnitionEngine

WANG Wenrui,WANG Kun,WANG Xiaorong,WEI Yanju,LIU Shenghua

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The emission rate characteristics of methanol and hydrocarbon (HC) were investigated on a JL368Q3 gasoline engine when fueled with methanol/gasoline blends with the methanol fraction of 10%, 20% and 85% in volume, respectively.The effects of exhaust temperature and methanol fraction on the emission rates, and the contribution ratio of methanol on HC emission were then quantitatively studied.Experimental results show that the blending ratio of methanol has little effect on its emission rate, and the rate is less than 8 g/kg for all the fuel blends and it decreases exponentially with the increasing engine speed and exhaust temperature.The emission rate of HC is one grade higher than that of methanol and is higher than 40 g/kg when the engine fueled with the M10 blend.For all the tested fuel blends, gasoline is the main source of HC emission, and methanol contributes less than 8% on HC emission.

methanol; gasohol engine; hydrocarbon emission; methanol/gasoline blend

10.7652/xjtuxb201403008

2013-06-26。

汪文瑞(1989—),男,博士生;魏衍举(通信作者),男,博士,讲师。

国家自然科学基金资助项目(51206130,51176151);国家“863计划”资助项目(2012AA111721);国家质检总局科技计划资助项目(2012IK039)。

时间: 2014-01-10

TK462

:A

:0253-987X(2014)03-0039-05

网络出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140110.1749.008.html