幾種代用燃料的排放性能對比試驗研究＊

李昕光 崔淑華 付 強

（東北林業大學交通學院 哈爾濱 150040）

根據各種代用燃料的研究現狀［1－11］，在應用廣泛的電控燃油噴射發動機上進行幾種常見代用燃料的排放性能對比試驗，目的在于評價幾種代用燃料在電噴發動機上的排放性能特點及其影響因素，為常見代用燃料在電噴發動機上的推廣應用提供參考.

1 試驗方法與儀器設備

由于本文主要研究的是在發動機結構不變的條件下各種代用燃料的應用特性，因此要采用適當的摻燒比例，進行體積分數分別為10%乙醇、20%乙醇、15%甲醇、30%甲醇（E10，E20，M15，M30）的醇類混合燃料試驗.在原發動機上進行93＃汽油和醇類汽油的性能對比試驗后，在發動機上加裝一套閉環電控LPG供氣系統，然后對改裝后的雙燃料系統進行負荷特性和全負荷速度特性試驗，同時測量常規排放物的質量濃度.

本試驗是在捷達電噴發動機上進行的，該發動機的主要技術參數見表1.

發動機臺架試驗中的主要測試儀器設備見表2.

排放試驗中應用的NHA－501廢氣分析儀是采用不分光紅外吸收法來檢測尾氣排放中的HC，CO及CO2質量濃度，采用電化學傳感器檢測排放廢氣中的NOx質量濃度.

表1 捷達汽油機主要技術參數

表2 試驗測試設備

2 試驗結果及分析

2.1 NOx排放對比分析

圖1和圖2為93＃汽油和其他幾種代用燃料在4 000r／min負荷特性和全負荷速度特性的NOx排放對比圖.

圖1 4 000r／min負荷特性NOx排放對比圖

由圖1可見，隨著負荷的增加，發動機燃用各種燃料的NOx排放濃度都是先增加后減小.這是由于NOx的生成條件是高溫和富氧，發動機在小負荷時，缸內溫度比較低，因而NOx的排放量均較小；當發動機在中等負荷時，混合氣濃度基本穩定，但是缸內溫度升高，因此這時NOx排放增加較多；當發動機在大負荷工況下時，進入發動機的是較濃的混合氣，缸內混合氣的空燃比較小，因此即使此時缸內具有較高的溫度，但由于缺氧而抑制了NOx的生成.

由圖1還可以看到，發動機燃用93＃汽油時的NOx排放質量濃度明顯高于其他幾種代用燃料，而燃用M30及E20時的NOx排放質量濃度最低.這是因為當甲醇和乙醇的摻混比例提高后，降低了可燃混合氣的熱值，并且甲醇和乙醇的汽化潛熱均高于汽油，因此缸內的最高燃燒溫度降低，同時由于醇類燃料的燃燒速度高于汽油，缸內燃燒過程中的峰值溫度持續時間較短，因此發動機燃用M30及E20產生的NOx少于其他燃料.

圖2 全負荷速度特性NOx對比圖

由圖2可見，在全負荷速度特性下，隨著轉速的增大，燃用各種燃料時的NOx排放曲線均是經歷2個峰值，同時還可以看到，在整個轉速范圍內，發動機燃用M30的NOx排放最小，93＃汽油時最大，這些都是由燃料的含氧量、燃燒速度以及理論空燃比不同等諸多因素綜合在一起形成的.

2.2 HC排放對比分析

圖3是發動機在4 000r／min負荷特性下，燃用不同燃料的HC排放對比圖.圖4是發動機在全負荷速度特性下，燃用不同燃料的HC排放對比圖.

圖3 4 000r／min負荷特性HC對比圖

由圖3可見，隨著負荷的增加，各種燃料的HC排放變化并不明顯，而隨著甲醇和乙醇的摻混比例的增加，各種負荷下的HC排放均有明顯降低，E20遠低于E10，M30遠低于 M15，93＃汽油的HC排放量最高，LPG的HC排放量處于中間水平.由此可知，電噴發動機不論是在不缺氧的中小負荷狀態下還是在混合氣較濃，空燃比較小的大負荷狀態下，甲醇和乙醇燃料的加入或者其摻混比例的增加都可以改善缸內燃燒情況，進而降低HC的排放質量濃度.由于LPG是在混合器里就同空氣進行了混合，混合氣比較均勻，缸內的燃燒比較充分，因此其HC的排放濃度較低.

如圖4所示，隨著轉速的提高，發動機燃用各種燃料的HC的排放曲線都是先上升再下降.發動機燃用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.原因是發動機工況的變化而引起空燃比控制策略發生變化，混合氣的突然加濃導致燃燒速度不穩定，可燃混合氣大容積淬熄.由于醇類燃料含氧，其含碳量低于汽油，又集中在定容區內燃燒，后燃的現象較少，所以排氣中HC含量減少，而且甲醇和乙醇的摻混比例越大，HC排放改善越明顯.

2.3 CO排放對比分析

圖5是發動機在4 000r／min負荷特性下，燃用不同燃料的CO排放對比圖.圖6是發動機在全負荷速度特性下，燃用不同燃料的CO排放對比圖.

圖5 4 000r／min負荷特性CO對比圖

由圖5可見，發動機燃用93＃汽油，LPG，M15，M30和E10，E20時的CO排放趨勢大體相同，都是隨著負荷的增加，排放曲線先緩慢變化然后大幅上升達到最大值.其中LPG的CO排放量最低，燃用M15，M30，E10，E20的CO排放曲線變化居中，而93＃的汽油的CO排放量最高.這是因為發動機在中小負荷工況下，由氧傳感來檢測排氣管中的氧含量，進而使可燃混合氣盡量保持在理論空燃比狀態下，加之甲醇和乙醇的碳氫比小于汽油，而汽化潛熱又比汽油大，這都有利于缸內可燃混合氣的燃燒充分，因此在中小負荷工況，各種燃料的CO排放都不高，趨勢比較平穩.在大負荷工況下，由圖5可見，發動機燃用各種燃料的CO排放都迅速增加達到峰值.這是因為電噴發動機此時實行開環控制，增加噴油量形成濃混合氣，缸內氧濃度降低，導致CO的排放量迅速上升.

圖5中還可以看到，隨著醇類燃料摻混比例的增加，CO排放得到明顯降低.這是因為同空氣中的氧相比，甲醇和乙醇的自攜氧要更有利于充分燃燒.同時還可以看出，發動機排放性能的優化不僅與醇類燃料的摻混比例有關，而且與發動機的空燃比控制策略有關.

如圖6所示，發動機燃用各種代用燃料的CO排放曲線，都是在低轉速時較為平穩，在中高轉速時迅速上升.這也是由電噴發動機的開、閉環控制策略來決定的，當發動機達到某一轉速或者負荷時，會增加噴油量，形成比較濃的可燃混合氣，因此在中高轉速階段各種燃料的CO的排放均迅速上升.而由于汽油／LPG兩用燃料系統的電控單元是單獨對LPG的進氣量進行控制的，因此其CO的排放曲線同其他代用燃料有所不同.

圖6 全負荷速度特性CO排放對比圖

3 結 論

對發動機燃用各種試驗燃料的排放性能進行了研究，通過對發動機臺架試驗數據的分析，得出以下結論.

1）發動機燃用M30的NOx排放量最小，E20其次，燃用93＃汽油時的最大.原因是甲醇和乙醇特有的物理化學性質隨著其較高的摻混比例而體現得較為明顯，因此，醇類混合燃料的NOx總體上均低于93＃汽油，而LPG由于其火焰溫度低于93＃汽油，因此LPG的NOx排放量要稍低于93＃汽油.

2）隨著醇類混合燃料中醇類的增加，各種負荷下的HC排放均有明顯降低.發動機燃用93＃汽油時的HC排放高于其它燃料，由此可知，在汽油中加入醇類可改善燃燒.氣態的LPG與空氣混合比較均勻，燃燒充分，因此其HC的排放大幅度降低.

3）發動機燃用93＃汽油的CO排放量最高，其他燃料的CO排放曲線變化趨勢幾乎相同，即隨著負荷的增加，排放曲線緩慢變化最后急劇上升達到峰值.原因是電噴發動機在中小負荷工況和大負荷工況分別實行閉環和開環控制，可燃混合氣的過量空氣系數不同，在高負荷時，缸內的可燃混合氣較濃，因此CO排放量增加較大.因此電噴發動機排放性能的優化同摻醇比例和其空燃比控制策略均有重要關系.

［1］李 毅，劉圣華，魏衍舉，等.環境溫度對甲醇／汽油發動機冷起動排放影響的研究［J］.西安交通大學學報，2011，45（11）：37－42.

［2］朱 斌，許 敏，張玉銀，等.乙醇汽油噴霧特性研究及低壓直噴噴嘴優化［J］.車用發動機，2011（1）：79－84.

［3］何義團，安 娜，鄧 蛟，等.點火提前角對CNG發動機燃氫怠速性能的影響［J］.重慶交通大學學報：自然科學版，2011，30（2）：311－314.

［4］張 凡，帥石金，肖建華，等.M15甲醇汽油燃料的催化劑適應性研究［J］.內燃機學報，2010，28（4）：345－349.

［5］宋昌慶.4108LPG發動機的優化匹配研究［D］.長春：吉林大學，2011.

［6］姚喜貴，鄭 偉，吳汶芪，等.電控LPG發動機稀燃技術影響因素的試驗研究［J］.內燃機工程，2010，31（6）：17－22.

［7］曾東建，黃海波，姚 英，等.汽油機燃用甲醇汽油的動力性、經濟性及非常規排放物試驗研究［J］.小型內燃機與摩托車，2009，38（3）：50－53.

［8］劉曉輝.E0－E40乙醇汽油混合燃料在汽油發動機中的試驗研究［J］.燕山大學學報，2008，32（2）：176－179.

［9］張志輝.不同甲醇燃用方式對SI發動機性能影響的試驗研究［D］.天津：天津大學，2008.

［10］肖合林，張素英，張煜盛.LPG／柴油混合燃料缸內直噴燃燒的實驗研究［J］.武漢理工大學學報，2008，30（12）：137－142.

［11］魏衍舉，吳 剛，陳 岳，等.醇類燃料點火提前角對汽油機性能和排放的影響［J］.農業機械學報，2008，39（1）：33－37.