甲醇對甲醇汽油混合燃料發動機碳氫排放貢獻率的定量研究

汪文瑞,王坤,王小榮,魏衍舉,劉圣華

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

甲醇對甲醇汽油混合燃料發動機碳氫排放貢獻率的定量研究

汪文瑞,王坤,王小榮,魏衍舉,劉圣華

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

在一臺JL368Q3型汽油機上,通過考察發動機燃用體積分數分別為10%、20%和85%的甲醇汽油混合燃料時甲醇和碳氫(HC)的排放特性,研究了甲醇和汽油各自的排放率隨發動機排氣溫度的變化規律和甲醇摻混比的影響,以及甲醇對發動機碳氫排放的貢獻率。試驗結果表明:甲醇摻混比對甲醇排放率的影響不大,在各摻混比下,甲醇排放率均不超過8 g/kg,且隨發動機排氣溫度的升高呈現指數降低的趨勢;汽油的碳氫排放率比甲醇排放率高一個數量級,甲醇體積分數為10%時發動機的碳氫排放率在中高負荷時最低,約為40 g/kg;在各甲醇摻混比下,汽油均是發動機碳氫排放的主要來源,甲醇對發動機碳氫排放的貢獻率不超過8%。

甲醇;汽油機;排放率;甲醇汽油混合燃料

甲醇與汽油性質非常相似,某些性能甚至優于汽油,因而成為火花點火發動機最有潛力的代用燃料之一。例如,甲醇具有優良的燃燒特性以及抗爆性[1]。如果為發動機提供相同化學能的甲醇燃料,發動機不僅能保持原動力特性和熱效率,還可以降低發動機的常規排放物HC、CO和NOx[2]。然而,發動機在燃用甲醇汽油混合燃料時,會產生有毒的甲醇排放[3],所以研究發動機燃燒甲醇汽油時的甲醇排放特性以及甲醇對于發動機碳氫排放的貢獻非常重要。

發動機燃用甲醇汽油的研究已經非常廣泛[1-3],但現有研究往往僅局限于某一固定比例的甲醇汽油混合燃料[4-5],或局限于某個、某幾個特定轉速和負荷[6-7],研究的系統性較差。雖然現有文獻一致認為發動機燃用甲醇汽油能夠降低發動機的碳氫排放,但具體降低多少,各文獻說法不一,而且不能定量地給出甲醇比例對碳氫排放的影響、發動機碳氫排放中甲醇及其他汽油來源性碳氫各自的含量以及它們隨發動機負荷、轉速和排氣溫度的變化規律。

本文以江鈴汽車公司生產的JL368Q3型三缸電控火花點火發動機為對象,研究發動機燃用3種不同比例甲醇汽油混合燃料時的碳氫和甲醇排放特性,以及甲醇對發動機碳氫排放的貢獻率。

1 試驗臺架

1.1 試驗用發動機

試驗用發動機型號為江鈴汽車公司生產的JL368Q3型發動機,該發動機為三缸進氣道噴射電控火花點火發動機,缸徑為68 mm,行程為72 mm,總排量為0.796 L,壓縮比為9.4,額定功率為26.5kW(轉速5500 r/min),額定扭矩為45N·m(轉速3 000 r/min)。

試驗工況點設置:選取1 500 r/min到5500 r/min之間的7個不同轉速,扭矩以7 N·m為間隔從最小值7 N·m增大至最大節氣門開度處,這些工況點組成一個矩陣。試驗中為保證發動機為穩態測試,除5500 r/min轉速外,試驗前在其他待測工況點將發動機穩定運行3 min。

1.2 試驗用燃料

基礎燃料選用辛烷值為93的商用標準汽油,并按體積分數10%、20%和85%摻混純度(體積分數)為99.9%的分析純甲醇(CH3OH),得到3種混合燃料,分別命名為M10、M20和M85。由于混合燃料極易吸收空氣中的水分造成分層,所以每次試驗前都重新配制混合燃料,并且通過觀察燃料的透明度來了解燃料的混合情況,如果混合燃料清澈透明則說明混合徹底。在整個試驗過程中不使用任何助溶劑。

1.3 發動機改造

因為甲醇的低熱值只有汽油的46%左右,所以發動機燃用甲醇汽油時將導致發動機功率下降,尤其是燃用甲醇含量很高的M85燃料時,發動機功率下降非常明顯。在試驗中,當發動機燃用M10和M20時,發動機供油系統未經任何改造。當發動機燃用M85時,發動機功率下降較大,因此必須改變供油參數來恢復發動機的功率,具體變動包括調整燃油噴射壓力(從0.30 MPa增大至0.45MPa);更換發動機噴油器,將原噴油器更換為東風雪鐵龍所用的1.6 L汽油機上的噴油器。經上述改造后,發動機的噴油量增大至原機的1.75倍,可完全滿足發動機燃用M85的需要。發動機的空燃比由氧傳感器反饋控制。

1.4 排放物檢測

采用HORIBA MEXA-7100DEGR氣體分析儀檢測排氣中的碳氫排放物,檢測精度為量程的1%,檢測到的碳氫排放物包含甲醇排放。采用日本島津公司GC-2010氣相色譜儀直接檢測排氣中的甲醇。色譜儀采用Gs-OxyPLOT極性毛細柱(長為10 m,內徑為0.53 mm,膜厚為10 μm,安捷倫科技有限公司生產)和脈沖放電氦離子化檢測器(型號為D4-I-SH-17R)。檢測時,先用氟聚乙丙烯(FEP)氣體采樣袋收集排氣,并將其加熱至80 ℃以防止水和甲醇凝結,當甲醇濃度高于20 μg/L時,此方法的檢測誤差小于5%[7]。另外,為更準確地反映未燃碳氫排放的特性,所有廢氣的檢測以及采樣均在三元催化轉化器前進行。發動機排氣溫度選用K型熱電偶于排氣口外1.0 m處進行測量。

文中甲醇及碳氫排放的濃度均以排放率表示,即每千克甲醇或汽油燃燒所排放的甲醇或碳氫的質量,單位為g/kg,其中碳氫因成分復雜,故其質量以對應濃度的甲烷質量計算。由于氣體分析儀顯示的是體積濃度,要經過下述公式將其轉換為排放率

式中:C為甲醇或碳氫的體積分數,10-6;M為甲醇或甲烷的摩爾質量,g/mol;D為發動機排量,L;m為甲醇或汽油的循環供給量,g/cycle。

2 結果與討論

雖然烴類的氧化過程中自由基CH3O結合游離的H原子也會生成甲醇[8-9],但是由于缸內的高溫氧化,致使作為中間產物的CH3O很快被氧消耗,因此甲醇的濃度非常低,發動機燃用汽油時沒有檢測到甲醇排放。因此,發動機燃用甲醇汽油時,排氣中檢測到的甲醇排放均可視作未燃燒的燃料甲醇,其排放量由缸內主燃燒后的甲醇殘留量和在缸內及排氣管的高溫環境中的氧化消耗量二者共同決定。

2.1 低比例甲醇汽油

圖1所示是發動機燃用M10燃料時的甲醇排放特性圖,從中可以看出,甲醇排放率隨發動機的轉速和扭矩的增大而減小。當扭矩一定時,隨著發動機轉速的升高,循環供油量增加,每工作循環錯過主燃燒的未燃甲醇量增加,然而未燃甲醇排放率卻反而降低,這說明:甲醇在缸內燃燒的完善程度對甲醇排放影響不大;轉速增加導致排氣溫度升高對未燃甲醇氧化消耗的促進作用占主導地位,當轉速一定、扭矩增加時亦是如此。

圖1 燃用M10時甲醇排放率隨扭矩和轉速的變化

將甲醇排放率對排氣溫度作圖(見圖2),可以看出排氣溫度對甲醇排放率的影響更加明顯,甲醇的排放率隨著排氣溫度的增加總體呈現指數降低的趨勢。對所有數據點統一進行擬合,可獲得M10混合燃料的甲醇排放率的擬合公式

R2=0.884 7

(1)

式中:R2是相關系數。

由圖1和圖2可以看出:甲醇的排放率與發動機的轉速和扭矩關系不大,其值更多地取決于排氣溫度;甲醇的燃燒效率很高,即使在1 500 r/min低負荷處,其排放率也低于10 g/kg,并且隨轉速和扭矩的增加而迅速下降。

碳氫排放率比甲醇排放率高一個數量級(如圖3所示),在所有工況下均高于35g/kg,且隨著扭矩和轉速的增加總體呈現先降低而后略微增加的趨勢。排氣溫度升高可使碳氫排放率降低,而在最大負荷及最高轉速處排放率有所增加是由于此時混合氣過濃造成的。當發動機燃用化學計量空燃比的混合氣時,排氣溫度仍是碳氫排放的主要影響因素。

圖2 燃用M10時甲醇排放率隨排氣溫度和轉速的變化

圖3 燃用M10時碳氫排放率隨扭矩和轉速的變化

從圖2和圖3可以看出,甲醇排放率遠低于碳氫排放率。定義甲醇排放率與碳氫排放率之比為甲醇的排放比

(2)

式中:m表示甲醇或碳氫排放的質量,g;M是對應甲醇或汽油的消耗量,kg。

圖4 燃用M10時甲醇排放比隨排氣溫度和轉速的變化

排放比可以直觀地反映出甲醇對碳氫排放的貢獻率。如圖4所示,發動機燃用M10時的甲醇排放比rM10小于10%,并且隨著排氣溫度和轉速的升高而迅速降低。

2.2 高比例甲醇汽油

發動機燃用高比例甲醇汽油混合燃料M85時,循環供醇量高于M10,以體積濃度計的甲醇排放量明顯高于燃用M10時的排放量,體積濃度值與循環供醇量呈現近似線性關系[6],但隨著排氣溫度的提高,以質量分數計的甲醇排放量卻變化不大。

如圖5所示,除了在2 000 r/min時幾個混合氣過濃的離散點外,發動機燃用M85燃料時其甲醇排放率均不超過10 g/kg,并且隨排氣溫度的升高而呈指數趨勢下降。將化學計量空燃比條件下的數據點統一進行擬合,可獲得甲醇排放率與排氣溫度的擬合關系式

R2=0.90

(3)

圖5 燃用M85時甲醇排放率與排氣溫度和轉速的關系

由于甲醇的汽化潛熱遠高于汽油,發動機燃用M85時甲醇汽化所需的熱量遠高于燃用M10時,這將降低缸內溫度,使碳氫的氧化受到抑制,因此發動機燃用M85時的碳氫排放率遠高于燃用M10時的,如圖6所示。雖然轉速增加后發動機每工作循環所需的時間縮短,不利于缸內未燃碳氫的氧化,但轉速的增加使缸內氣流運動增強,促進了未燃汽油與熱廢氣的混合,又促進了碳氫的氧化,從圖6可以看出,這種促進作用占據主導地位,所以碳氫的排放率隨發動機轉速增加而降低。

圖6 燃用M85時碳氫排放率與排氣溫度和轉速的關系

圖7 燃用M85時甲醇排放比與排氣溫度和轉速的關系

發動機燃用M85與M10時的甲醇排放率相近,但燃用M85時碳氫排放率更高,這使得發動機燃用M85時的甲醇排放比rM85較燃用M10時的甲醇排放比rM10低,如圖7所示,除2 000 r/min時后面4個工況點混合氣偏濃外,其他檢測工況下的rM85均小于4%。這說明,M85混合燃料中雖然只含有15%的汽油,但汽油仍是碳氫排放的主要來源。

2.3 甲醇對碳氫排放的貢獻

圖8 甲醇排放率隨甲醇循環供給量的變化

甲醇排放主要來源于未燃燒的甲醇燃料,其排放量與燃料的甲醇摻混比成正比。Zervas等在試驗中發現,排氣中甲醇的體積濃度與混合燃料中甲醇的體積分數成線性關系[3];本課題組之前的研究也得出類似的結論,即甲醇排放的體積濃度與每循環進入缸內的甲醇量近似成線性關系[6,10]。雖然以體積濃度計的甲醇排放量隨甲醇摻混比的增大而增加,但不同摻混比時的排放率卻變化不大,然而將甲醇排放的體積濃度換算成甲醇的排放率時,它們之間則呈現出另外一種關系。如圖8所示,發動機分別燃用M10、M20和M85時甲醇排放率的最大值相差不大,均未超過8 g/kg,然而其排放率的最小值卻隨著燃料中甲醇比例的增大而增大,這是由于甲醇摻混比增加后排氣溫度降低不利于甲醇的氧化所致。

圖9是碳氫排放率與汽油循環供給量的關系。從圖中可知,碳氫排放率隨負荷增加而迅速降低,到中等負荷以后基本保持不變,穩定在40 g/kg左右。當混合燃料中甲醇的體積分數低于20%時,進入缸內的甲醇對發動機的碳氫排放基本沒有影響。當甲醇的體積分數增加至85%以后,排氣中的碳氫排放率遠高于低混合比甲醇汽油的碳氫排放率,這是由于甲醇的汽化潛熱大,發動機排氣溫度降低,從而削弱了排氣中碳氫的氧化作用,最終導致燃用M85時發動機排氣中的碳氫排放率遠高于M10的碳氫排放率。

圖9 碳氫排放率隨汽油循環供給量的變化

圖10所示為發動機甲醇排放比與排氣溫度的關系。由圖可以看出,在各種甲醇汽油混合燃料所產生的碳氫排放中,甲醇排放所占比例均未超過8%,這說明碳氫主要是由汽油成分產生的,由此表明甲醇比汽油易于氧化,也可以說甲醇比汽油“清潔”。

圖10 甲醇排放比隨汽油循環供給量的變化

3 結 論

在一臺JL368Q3型火花點火發動機上研究了分別燃用汽油及3種比例甲醇汽油混合燃料時發動機的甲醇和碳氫排放率特性,獲得如下結論。

(1)甲醇排放來源于未完全燃燒的甲醇,排氣溫度對甲醇排放率有決定性影響,排放率隨排氣溫度的升高呈指數規律下降。甲醇摻混比對其排放率的最大值影響不大,各摻混比下的甲醇排放率均不超過10 g/kg,而排放率最小值卻隨摻混比的增加而升高。

(2)碳氫排放率比甲醇排放率高一個數量級。隨著排氣溫度的升高,當混合燃料中甲醇的體積分數低于20%時,碳氫排放率呈現先降低后增加的趨勢,在中高負荷時達到最低,約為40 g/kg,而對于M85混合燃料,其碳氫排放率在各轉速下均比相應的低摻混比甲醇汽油的碳氫排放率高。

(3)甲醇對發動機碳氫排放的貢獻率與甲醇的摻混比關系不大,在3種摻混比下,甲醇對碳氫排放的貢獻率均未超過8%,從燃料“清潔度”角度看,甲醇比汽油“清潔”。

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(編輯 葛趙青 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;魏衍舉(通信作者),男,博士,講師。

國家自然科學基金資助項目(51206130,51176151);國家“863計劃”資助項目(2012AA111721);國家質檢總局科技計劃資助項目(2012IK039)。

時間: 2014-01-10

TK462

:A

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

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