低比例甲醇汽油发动机冷起动非常规排放和燃烧特性研究

第 32卷 第 1期 2O11年 2月 内 燃 机 工 程 Chinese Internal Combustion Engine Engineering Vo1．32 No．1 February．201 1 文章编号：1000—0925(2011)01—0001—07 低比例甲醇汽油发动机冷起动非常规排放 和燃烧特性研究 张 凡，王 真 ，帅石金 ，王建昕 (清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084) Experimental Investigation of Cold—Start Unregulated Em issions and Combustion Characteristics of Low-Percent M ethanol-Gasoline Engine ZHANG Fan，W ANG Zhen， (State Key Laboratory of Automotive Safety and 320001 SHUAI Shi-j in，WANG Jian—xin Energy，Tsinghua University，Beijing 100084，China) Abstract：In an electron—controlled port inj ection gasoline engine，separately operating on gasoline， M10．M 20 and M30 blends under the ambient temperature。the combustion characteristics and cold—start e— missions，including regulated and unregulated emissions，were researched by simulating the first two cycles of the urban conditions of new European driving cycle(NEDC)．The results show that for the four kinds of fuel，as the methanol proportion increasing，CO and NO emissions decrease，while methanol and formalde— hyde unregulated emissions increase．The THC emissions increase in early period of cold—start as the metha— nol proportion increasing，and after the cylinder warmed up they decrease．But all the emissions from tailpipe come to a very low level once the three—way catalyst lights off．Addition of methanol in gasoline fuel can im— prove the combustion in cold—start stage to a certain extent，resulting in shortened combustion duration and higher cylinder indieated mean effective pressure． 0 概述 摘要 ：在 电控进气道喷射汽油机 台架上 ，分别使 用汽油、M10、M20和 M30 4种燃油在 常 温条件下模拟了 NEDC测试循环 中的前 2个市区工况循环(ECE)，对冷起动过程中催化剂前 后的常规排放和非常规排放 以及燃烧特性进行 了研究。研 究结果表明 ：随着燃油中甲醇比例 的增大，4种燃油的 CO、N0 排放量逐步减 少，而甲醇、甲醛等非常规排放量逐步增 多。THC 排放量在冷起动初期随着甲醇比例的增大而增加 ，在发动机温度上升后随着甲醇比例的增 大 而减少。但是在常规三效催化剂起燃 以后 ，催化剂后 的常规和非常规排放基本上均能得到有 效控制。随着汽油燃料 中甲醇添加比例的增大，在冷起 动过程 中发动机燃烧持 续期缩短，缸 内 平均指示压力略有升高，对发动机缸 内燃烧有一定的改善作用。 关键词 ：内燃机；冷起动 ；非常规排放；甲醇 ；甲醛 ；燃烧特性 Key words：IC engine；cold—start；unregulated emission；methanol； formaldehyde；combustion characteristic 中图分类号 ：TK464 文献标识码 ：A 由于汽车使用以石油为基础的汽油、柴油作为 燃料，所 以汽车工业是 中国石油需求迅猛增加的主 收稿 日期 ：2009-09—09 基金项目：国家“Jk~--”高技术研究发展项目——甲醇汽车测试评价技术研究与开发(2006AA11AIA4) 作者简介：张 凡(1982一)。男，博士生．主要研究方向为替代燃料。E—mail：zfan03@mails．tsinghua．edu．ca。 · 2 · 内 燃 机 工 程 2011年第 1期 要推动力之一。随着 国内汽车生产量和保有量逐年 的高速增长，能源消费需求 的压力也迅速增加。作 为一个煤炭资源相对丰富，而石油和天然气资源缺 乏的国家 ，使用煤制甲醇作为汽油的替代能源符合 我国的资源结构 ，是可能实现大规模替代应用 的现 实可行选择之一 ，对国家的能源安全战略具有特殊 的意义。 与传统的汽油燃料相比，甲醇燃料除了 HC、CO 和 NO 等常规排放外 ，还会生成 甲醇、甲醛等非常 规排放 。甲醇、甲醛能够刺激人的皮肤、眼睛和嗅觉 黏膜 ，被认为是神经毒物 ，甚至是致癌物质 ，这严重 危害了人体的健康。因此非常规排放问题是甲醇燃 料在国内大规模推广遇到的主要障碍之一。研究[1] 表明：在一个 FTP测试循环 中，整个测试循环 HC排 放总量的 70 ～80 是在冷起动后 40~140 s产生的 (不包括前 40 S的排放)。由于在 NEDC(new Euro— pean driving cycle)中取消了前 40 S不进行测量的规 定 ，发动机起动后直接进行测量 ，因此冷起动在整个 测试循环中所 占的排放比例更高 。甲醇的汽化潜热 是汽油的 3倍多，所 以蒸发时所吸收的热量更多，进 一 步恶化 了进气蒸发条件 ，使 甲醇的冷起动问题更 为突出。所以，冷起动过程 中甲醇的非常规排放需 要进行重点研究 。现阶段国内外对 甲醇冷起动过程 的研究较少 ，并主要集中在燃烧特性 和常规排放方 面[2 ]，尚未见到冷起动过程 中甲醇汽油发动机瞬态 非常规排放的文献报道 本文分别燃用 10 、2O 、 3O 体积 比的甲醇与汽油混 合的混合燃料 (M10、 M20、M30)，研究了发动机冷起动过程 中甲醇 、甲醛 等非常规排放的变化规律 ，并且对发动机在瞬态过 程中的燃烧特性进行 了试验解析 。试验中还评价了 常规三效催化剂在冷起动过程 中的转化效率和起燃 时 间 。 1 试验台架和试验方法 1．1 发动机台架 图 1为发动机试验台架布置示意图。整个台架 由尾气测量系统 、燃油供 给系统、进排气系统 、数据 采集处理系统等组成。在发动机排气管上连接双排 放仪采样管路 ，分别检测催化剂前后 的常规和非 常 规排放。使用 2台 AVL CEB-II型排放仪同时 测量催化剂前后的 CO、NO 、THC、Oz、COz等常规 排放 。使用 AVL SESAM 4．0型傅里叶变换红外光 谱仪(FTIR)测量催化剂前后的甲醇、甲醛等非常规 排放 。催化剂出、入 口布置 KEU型铠装热电偶测量 排气温度。使用 AVL燃烧分析仪和 Kistler缸内压 力传感器对发动机 1缸的缸 内压力和燃烧过程进行 记 录和分析 。使用湘仪 FC2010发动机测控仪和测 功机系统实现发动机台架试验的 自动控制 。发动机 置于常温状态，每次试验之间至少间隔 10 h以上，保 证发动机充分冷浸至室温。 图 1 发动机试 验台架布置 试验用机为 EQ491i多点进气道 电控喷射汽油 机 ，其主要技术参数见表 1。试验用催化剂为常规汽 油三效催化剂。 表 1 发动机的主要技术参数 项 目 ． 参数 四冲程 、水冷 、直列 4缸、 发动机型式 单顶置 凸轮轴 缸径 ×行程／mm 9O．82× 76．95 总排量／L 1．933 压缩 比 9 1．2 试验 方法 为了考察甲醇汽油燃料在冷起动过程中的非常 规排放和燃烧特性，试验 中以发动机转速和节气门为 控制参数，在发动机台架上模拟了汽车在 ECE整车工 况循环中的冷起动过程。根据所要模拟的整车传动 比参数及 ECE循环的车速要求 ，计算稳定工况的发动 机控制转速。采用发动机转矩的计算 ，将整车运 行工况 中的各项行驶阻力折算成发动机输出转矩，并 将过渡过程近似为简单线性过渡。与在转毂试验 台 上进行的整车循环工况测试相比，在发动机台架上模 拟冷起动过程具有投资少、调整灵活、响应快速的特 点。试 表明：经过对控制参数的设定 ，台架模拟 结果的吻合度高，具有较高的可比性。台架模拟方法 对节气门突开、突闭过程的模拟，能够使其排放曲线 形状更接近转毂试验结果，并体现发动机在最易产生 大量排放物工况 中的排放特征。 为了研究冷起动过程 中催化剂 的起燃时间，同 时考虑到不同机型及催化剂间的性能差异，模拟工 况应 至少能够模 拟 ECE一15工况的一个完整循 环。 2011年第 1期 内 燃 机 工 程 由于甲醇燃料非常规排放 的法规 尚未出台，本文综 合考虑了汽车的实 际起动过程 和催化 剂的起燃特 性，以便于与汽油冷起动试验进行对比，将低比例甲 醇汽油发动机 台架模拟工况设定为 10 S怠速工况加 上 2个市区工况 ECE循环(2×195 s一390 s)，共 400 S。 冷起动是一个瞬态过程，因此整个试验过程和设 备测试精度 的重复性对试验结果 的准确性有着至关 重要的影响。考虑到较高 比例 甲醇汽油燃料冷起动 过程的不确定性更高，因此为了更加严格地评价试验 的重复性 ，选用 M3o燃料进行了试验。图 2～图 5为 使用 M30燃料 5次冷起动试验 中的整个过程内 转速、转矩和催化剂前后排气温度的变化规律。 ．g 晕 毒 时间／s 图 2 5次冷起动过程的转速 曲线 时间／s 图 3 5次冷起动过程 的转矩 曲线 5次 M30冷起动过程的试验结果 基本一致 ，特 别是发动机转速和催化剂前后的排气温度 曲线基本 重合。转矩在前 100 S内和接近 300 S时出现的峰值 略有差别。这是由于发动机的瞬态响应总会略有波 动 ，特别在急加 、减速时发动机瞬间处于开环控制 ， 更容易显现出不稳定 。5次试验中转矩 的最大误差 约为 5 N·m，在试验误差允许的范围内。催化剂前 后的排气温度曲线基本一致 ，说 明发动机的瞬态排 ＼ 赠 武阃?s 图 4 5次冷起动过程的催化剂前排气温度 ＼ 赠 时间／s 图 5 5次冷起动过程的催化剂后排气温度 放成分和催化剂 的转化效率也具有 良好的重复性。 由此可以认为，试验控制台架 、模拟和测试仪器 等方面均可 以满足冷起动性能试验研究所需要的重 复性要求。 2 试验结果与数据分析 2．1 常规排放 试验 中分别使用汽油和 M10、M20、M30低比例 甲醇汽油作为燃料 ，在发动机台架上进行了常温冷 起动过程的模拟试验。图 6为冷起动过程催化剂前 后 THC的瞬时排放浓度 曲线 。4种 比例 甲醇汽油 燃料催化剂前后 THC的瞬态排放 曲线形状基本相 似，只是峰值有所不同，特别是在前 100 S内。 试验使用流量积分法对发动机瞬态排气流量和 各排放物瞬时体积分数之积进行积分运算 ，得到各 排放物的累计排放量 。图 7为 THC累计排放质量 随冷起动时间变化的曲线 无论使用何种燃料，催 化剂前 THC的排放总量基本上随着冷起 动时间呈 线性增加，而催化剂后 THC的排放总量基本都由前 150 S贡献 。 图 8为 4种 比例 甲醇 汽油 燃 料 催 化 剂 前后 THC累计排 放质量 的情 况。在 前 100 S催 化剂前 · 4 · 内 燃 机 工 程 2011年第 1期 甲 0 U U 舌 甲 0 U 墨 时间／s (b)催化剂后 图 6 催化剂前 、后 THC的瞬态排放 曲线 时间／s 图 7 THC的累计排 放曲线 THC排放总量随着燃料中甲醇含量的增加而增加 ； 而在后 300 s催化剂前 THC排放总量随着燃料 中甲 醇含量的增加而减小 。这是因为在前 100 S内，由于 甲醇的汽化潜热大 ，缸 内温度上升较慢，在气缸内壁 容易发生淬熄 ，加剧 了 HC的生成 。在 100 S之后 ， 发动机温度上升，壁面淬熄作用减小 ，而造成 HC大 量排放的主要原因是燃料的不完全燃烧 。由于 甲醇 中含氧，实际空燃比变稀，起到了改善燃烧的作用， 所以后 300 S甲醇汽油的 HC排放 比汽油稍低，且甲 醇浓度越大，HC排放越低。 图 9为4种比例甲醇汽油燃料催化剂前后 CO 累计排放质量的情况。随着燃料中甲醇比例的增 加，催化剂前后 CO的排放总量减少。由于 CO是一 咖删 咯 整 Ⅲ《 U 毒 催化剂前 催化剂后 图 8 催化剂前 、后 THC累计排放质量 种不完全燃烧 的产物，其生成主要受混合气浓度的 影响。甲醇的含氧量为 50％，因此在冷起动过程中 能够有效抑制 CO的生成 。 圃删 蜓 嚣 0 U 催化剂前 催化剂后 图 9 催化剂前 、后 CO累计排放质量 图 10为 4种 比例 甲醇汽 油燃 料催 化剂前 后 NO 累计排 放质量的情 况。催化剂前汽 油的 NO 排放总量最高 ，M10、M20和 M30依次递减。这是 因为甲醇的汽化潜热很大，使进气温度降低，缸内燃 烧温度也随之降低 ，抑制了 NO 的生成。 删 m 0 Z 催化剂前 催化剂后 图 1O 催化剂前 、后 NO 累计排放质量 2．2 非常规排放 非常规排放是醇类燃料研究 的重点和难点，由 2011年第 1期 内 燃 机 工 程 于缺乏相关 的政策法规，国内外对其测量方法也未 形成统一标准。本次试验中使用 了傅里叶变换红外 光谱分析仪，着重研究和分析了甲醇燃料最主要的 两种有害非常规排放—— 甲醇和 甲醛。图 11为冷 起动过程催化剂前后甲醇排放的瞬态结果。总体上 甲醇和 甲醛的排放随着燃料 中甲醇 比例的增大而增 加。由于甲醇 、甲醛也属 于 THC的一部分 ，其 与未 燃 HC的生成机理类似 ，未燃 甲醇主要来源于壁 面 淬熄 、失火、吸附等原 因。由于冷起动初始阶段 ，发 动机尚未达到正 常工作温度 ，燃烧不稳定 ，失火 、淬 熄等现象增多 ，因此非常规排放增多。 2 ＼ 士 0 【工] 2 ＼ 0 羔 时间／s (a)催化剂前 时间／s (b)催化剂后 图 11 催化剂前 、后 甲醇排 放瞬态曲线 如图 11a所示 ，M30在冷起动开始 阶段 出现 了 2个长时间的甲醇尖峰 ，峰值达到 了 2 000×10 ，而 M20对应的甲醇排放约为 1 000×10～，M10约为几 百 1O一，汽油约为几十 10 。这是 因为在发动机点 火和急加速工况下 ，发动机瞬间进入开环状态 ，电控 系统按照汽油的策略进行喷油 ，空燃 比加浓 ，再加上 发动机还处在冷态状况下 ，水温 、油温未达到正常工 作温度 ，壁面淬熄作用严重，因此 甲醇汽油 的甲醇排 放急剧上升 ，峰值很高 。在 100s之 后，发动机基本 进入 了正常工作温度 ，淬熄等现象减少，并且甲醇的 加人有助于燃烧更充分、完全 ，因此除 了在每个加速 工况瞬间加浓开环情况下 ，M30有 (1 000～2 000)× 10 的峰值(M20、M10和汽油依次递减)以外 ，其余 工况的甲醇排放值均较低 。如图 1lb所示 ，前 100 S 催化剂还未完全达到正常工作温度 ，转化效率较低， 催化剂后仍有一定 的甲醇排放量 ；而在催化剂完全 起燃之后 ，甲醇排放基本接近于零。 图 12为冷起 动过程催化剂 前后 甲醛排放 的瞬 态结果。甲醛是 甲醇不完全燃烧 的中间产物 ，其浓 度的大小可 以一定程度上反映 甲醇燃烧 的充分性 。 如图 12a所示 ，甲醛的瞬时排放规律与甲醇类似，不 过浓度相对低很多 ，M30的 甲醛峰值也不超过 300 ×1O一，在正常燃烧 的闭环控制工况下基本维 持在 50×10 左右 ，4种燃料 的甲醛排放值按燃料中甲醇 含量的递减而减少 。在前 100 S中燃料每增加 10 的甲醇，甲醛浓度就会增加(30～4O)×10一，但燃烧 稳定后差别不大。由此可见 ，在冷起动初始阶段 ，甲 醇还有一定程度 的燃烧不完全现 象，但 旦进入正 常工作温 度后 ，甲醇燃烧较为充 分，甲醛生 成量减 少 ，不同比例 甲醇汽油的 甲醛排 放差异较小。如 图 12b所示 ，与 甲醇类 似，三效催 化剂完全起燃后 ，甲 醛催化剂后的排放也基本接近于零。 甲 O 0 墨 U 窆 ∞ O 0 0 时间／s (a)催化剂前 时间／s (b)催化剂后 图 12 催化剂前 、后甲醛排放瞬态曲线 图 13和图 14为 4种 比例甲醇汽油燃料催化剂前 内 燃 机 工 程 2011年第 1期 后甲醇和甲醛排放的累计排放质量。催化剂后汽油 的甲醇排放总量很低 ，而 M30约为汽油的 80倍 ，M20 约为汽油的 2O倍 ，M10约为汽油的 8倍。此外 ，催化 剂后 M30的甲醛排放总量约为汽油的 4倍 ，M20约为 汽油的 2．5倍 ，M10约为汽油的 1．5倍。 咖{ 喀 辎 嘴 o ∞ 催化剂前 催化剂后 图 13 催化剂前 、后 MEOH 累计排放质量 蚓 略 0 U 墨 催化剂前 催化剂后 图 l4 催化剂前 、后 HCHO累计排放质量 图 15为使用不 同比例 甲醇汽油时催化剂起 燃 时间的对 比。使用汽油时三效催化 剂起燃最快 ，随 着 甲醇 比例的增大起燃 时间依次递增，M30的起燃 时间约 比汽油慢 10 S。这是 因为甲醇的燃烧温度较 低 ，致使排气温度也略低于汽油 ，催化剂温度上升变 慢 ，如图 16所示。 90 芒 85 厘 茁 80 捌 75 70 M30 M20 M10 汽油 燃料种类 图 15 催化剂起 燃时间 综上所述 ，M30冷起动过程催化剂后 的甲醇和 p ＼ 赠 时间／s 图 16 排气温度曲线 甲醛排放问题较为严重 ，不适合在发动机上直接使 用。对于低比例 甲醇汽油的冷起动 问题 ，需要加强 催化剂 的起燃性能，使催化剂能够更快地进入高效 工作区域 。 2．3 燃烧特性 图 17为 4种不同 比例 甲醇 汽油冷起动过程发 动机着火后第 1～1O个循环的缸 内压力 曲线 。发动 机着火后的第 1个循环缸 内最高燃烧压力最大，第 2、3个循环缸内最高燃烧压力逐渐降低。这是因为 冷起动过程发动机着火前会有几个循环燃料无法点 燃 ，缸内残存 了大量燃料 ，在着火后 的第 1～3个循 环内逐步消耗掉 。从 第 4个循环开始 ，发动机逐渐 进入正常燃烧状态 ，缸内最高燃烧压力逐步上升。4 种不同比例 甲醇汽油 的缸 内压力 曲线 形状基本相 同，只是缸 内最高燃烧压力值略有差异。 耳 曲轴转角／。CA 图 17 冷起动过程第 1～1O个着火循环缸内压力 根据发动机参数和缸 内压力曲线，计算 出冷起 动过程第 1～1O个循环的平均指示压力 曲线，如图 18所示 。与缸内最高燃烧 压力 的规律类似 ，发动机 的平均指示压力在冷起动过程第 1～10个循环呈现 出先快速减少后缓慢增加的趋势 。总体而言 ，4种不 同比例燃料的平均指示压力 曲线基本相同，但 M30 2011年第 1期 内 燃 机 工 程 · 7 ‘ 的平均指示压力数值略高于汽油 。这是 因为甲醇具 有较高 的含氧量 ，在冷起动过程浓混合气 的条件下 能够促进燃烧 ，提高发动机效率 。 发动机循环数 图 18 冷起动过程第 1～1O个着火循环平均指示压力 燃烧持续期定义为 累计放热率从 1O 开始到 累计放热率达到 9O 的曲轴转角间隔角度 。图 19 为冷起动过程第 1～100个循环的燃烧持续期 曲线 。 燃烧持续期在前几个循环迅速下降，然后逐渐上 升 直至达到稳定状态 。4种不同燃料 的燃烧持续期 曲 线趋势基本一致 ，但 M30的燃烧持续期要 比汽油的 短 。这是 因为甲醇的火焰传播速度快于汽油 。 发动机循环数 图 19 冷起动过程第 1～100个着火循 环燃烧持续期 3 结论 (1)在冷起 动过程 中，前 l00 S催 化剂前 THC 排放总量随着燃料中 甲醇含量 的增加而增加 ；而在 后 300 S催化剂前 THC排放总量随着燃料中甲醇含 量的增加 而减小。随着燃料 中甲醇 比例的增加 ，催 化剂前后 CO的排放总量减少。催化剂前汽油的 NO 排放总量最高 ，M10、M20和 M30依次递减。 (2)甲醇和甲醛的排放 由燃料 中的 甲醇比例所 决定 ，比例越大则非常规排放越多。常规三效催．化 剂起燃后能很好地解决非常规排放 问题 ，可以将催 化剂后 的甲醇 和甲醛排放控制在接近于零的水平 。 但是催化剂未起燃的前 100 S仍是排放的主要来源 ， 特别是 M30出现了较高的甲醇排放浓度。 (3)随着汽油燃料 中甲醇 比例 的增 加，在冷起 动过程 中发动机燃烧持续期缩短 ，缸 内平均指示压 力略有增加，发动机缸内燃烧略有改善 。 参考文献 ： [1] [2] [3] [4] [5] [6] [73 Es] [9] [1O] Boam D J，Clark T A，Hobbs K E．The influence of fuel marl agement on unburnt hydrocarbon emissions during the ECE 1 5 and US FTP drive cycles[C]／／sAE 950930，1 995． Hu T G，Wei Y J，Liu S H，et a1．Improvement of spark～igni tion(SI)engine combustion and emission during cold—start，fu— eled with methanol／gasoline blends[J]．Energy&Fuels，2007， 21(1)：l7l l75． 胡铁刚，刘圣华 ，梁小强．火花点燃式 甲醇汽油发动 机冷起动过 程燃烧特性研究EJ]．内燃机学报 ，2007，25(3)：235—240． Hu T G，Liu S H ，Liang X Q．Investigation on the combustion characteristics of a SI engine fueled with methanol—gasoline blends during cold start process[J]．Transactions of CSICE， 20O7，25(3)：235-240． Gardiner D P，Bardon M F，Rao V K，et a1．Review of the cold— starting performance of methanol and high methanol blends in spark ignition engines：neat methanoi[C]／／SAE 902154，1990． Gardiner D P，Bardon M F，Rao V K，et a1．Review of the cold— starting 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