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(E5, E15, M5, 和 M15) 乙醇汽油电火花点火发动机的非常规排放
【摘 要】：在全球范围内，汽油越来越倾向于与基本醇混合使用,以确保能源安全,减少当地和全球污染。但是,没有系统的科学研究报告表明废气的排放是超标的,汽油(与酒精汽油混合)发动机已经开始实时测量排放。非常规排放的实验是在四缸、水冷、多点燃油喷射港(MPFI)汽油发动机加上一个涡流测功器完成的。具体的实验是测量用汽油(E5,E15 M5和M15)的电喷汽油机的常规和非常规排放特性，然后与使用标准汽油的排放特性相比。废气排放分析仪用来测量常规排放，傅里叶红外(FTIR)排放分析仪是用于测量非常规排放。实验表明,与基线汽油相比，乙醇混合汽油的甲酸(HCOOH),异丁烷(iso-C4H10)和异戊烷(iso-C5H12)排放相对较低。与更高的乙醇汽油混合(E15)相比，低浓度乙醇汽油的异丁烷、戊烷、乙烷、甲苯、苯的排放更明显，甲醛、丙烷和异丁烯排放相对较高。相比其他测试燃料，M15排放的甲酸,异丁烷,iso-pentane,苯浓度较低,但排放的甲醇浓度更高,甲醛、丙烷、戊烷、甲苯。使用汽油并不能减少二氧化碳(CO2)和醋酸排放。乙醛是乙醇-汽油排出的产物并不是汽油和乙醇-汽油排出的产物。
【关键词】:非常规排放，甲醇，乙醇，醛类，傅里叶变换红外光谱法
重点
- SI发动机燃烧混合汽油的排放特性
- 汽油的碳氢排放明显减少
- 汽油降低了甲酸，异丁烷，异戊烷的排放
- 乙醇汽油的乙醛排放较高
- 乙醇汽油的乙醇含量越高排放的乙醇越多
- 引言
与柴油机相比，汽油发动机在功率质量比方面有明显的优势。但汽油发动机也有一些缺点,如热效率较低,会排放未燃尽的碳氢化合物(UHC)和一氧化碳(CO)，同时也会造成全球环境问题，如臭氧层枯竭，温室效应，酸雨，化石燃料储备消耗极快。这些缺点促使低排放燃料和汽车技术的发展。醇（甲醇;CH3OH和乙醇;C2H5OH）由于相对优秀的燃烧特性，被认为是最适合的汽油替代燃料。
乙醇被用于各种各样的地方,可以由生物质蔗糖,淀粉类植物和木质纤维素生产。与化石燃料相比它在减少温室气体排放的方面也有巨大的潜力。 相比汽油和可持续可再生燃料的生物质来源，甲醇可以更容易的用天然气(NG)或煤和生物质碳生产。与汽油相比，醇(乙醇和甲醇)有一个相对更高的辛烷值,沸点低、氧含量高,燃点高,木材消耗量，热值低。醇因为有较高的辛烷值，可以在高压缩比的发动机上使用,会增加热效率。由于酒精的分子存在氧气,比汽油的混合燃烧相对更完全,因此降低了CO和HC排放。低沸点的醇还有助于实现更大程度的燃烧。一些实验测量了汽油发动机的排放，然而这些研究测量的是这些燃料的常规排放。很少有研究人员测量醇类发动机的常规与非常规排放,这些研究缺乏对非常规排放的测量。发动机排气污染物的化学成分随环境的变化而变化，气体的排放的实时测量是不可或缺的,要彻底覆盖整个实验研究。所以奈文研究了乙醇汽油发动机受环境的影响。
M15,M20,M30,M50 - M85,M100燃料对八动荡挥发性有机化合物和13个羰基化合物影响的研究表明,苯,甲苯,乙苯、p、m,邻二甲苯(BTEX)约占挥发性有机化合物总量的95%。此外,甲苯占所有的VOC排放50%。也有在不同的汽油发动机上进行试验的研究，研究表明乙醛减少了13 - 65%。另一个试验研究表明三缸燃油喷射(PFI)汽油发动机使用M10,M15,M20,M25和M30作为燃料时，随着甲醇浓度的增加，排放物会增多,发动机扭矩和发动机转速的增加使甲醇和甲醛的排放增加。使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量5种不同的汽车冷启动时的非常规排放的研究表明：在较低的温度时乙醇混合的非常规排放较高。E75汽油发动机羰基碳排放增加，乙醛排放特别高。另一项研究测量了汽油摩托(化油器和PFI引擎)的非常规和一些挥发性有机化合物的排放。相比市场上的无铅汽油引擎，E15汽油的一氧化碳、烷烃、烯烃和芳烃组排放相对较低。在另一个实验研究中,测试了两个新的相同的摩托车,一个用汽油另一个用E03。E03增加了摩托车发动机羰基22%排放。另一项研究调查了乙醇混合汽油理化性能对常规与非常规排放的影响。
发动机非常规排放对人类和其他生物有严重的健康影响。表1显示了汽油和汽油引擎的非常规排放对生物的不同健康影响。
如表1所示,一些非常规排放物对生物有严重的健康影响,他们在空气存在就会对部分受影响的人口造成大的健康问题。醇是获得全球认可的内燃机替代燃料/生物燃料，因此深入研究非常规排放时应该对非常规排放物的健康影响进行评估。巴西和美国这样的国家已经使用乙醇汽油替代汽油的车辆，它们都是大型车辆密度较低的国家,且是在城市地区。测量不同的汽油的运输SI引擎的非常规排放的科学研究还没有在公开文献报道过。
在本次研究中，对发动机在不同混合汽油下的常规与非常规的排放进行了实时测量。完成了对甲醇和乙醇混合汽油混合物(M5、M15 E5,和E15)在发动机稳态操作条件下的排放物比较的研究。因此,这项研究对使用生物燃料的常规与非常规排放特性提供了有价值的见解。
2.试验装置
实验用四缸、水冷、多点燃油喷射(MPFI)汽油发动机，额定扭矩为4500 rpm。为了模拟驾驶环境，测试引擎是一个耦合的涡流测功器(Dynomerk ECB80)。规范的测试流程在表2中给出。图1显示的实验设置示意图。
实验进行了甲醇汽油混合(M5,M15)和乙醇混合(E5,E15)SI引擎的各种常规和非常规排放。分别使用原始的废气排放分析仪(Horiba;exsa - 1500)和傅里叶变换红外光谱(红外光谱)排放分析仪(Horiba;mexa - 6000英尺- e)对排放物进行了测试。常规排放有一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2),未燃尽的碳氢化合物(UHC)氮氧化物和氧气。测量CO和CO2使用的是非色散红外(NDIR)排放分析仪。UHC的测量使用的是氢火焰离子化检测(FID)分析仪，氮氧化物的测量使用的是CLD检测器。为了测量非常规气体的排放，红外光谱谱仪使用傅里叶变换红外光谱法获取高分辨率的红外吸收光谱，高速傅里叶变换获得的组合谱。废气采样系统中直接使用排放分析仪。表3和图4显示了两个排放分析仪测量范围和精度。
在这项研究中,燃油喷射是使用PFI技术完成的。随着发动机负荷增加,更多的燃料被注入，但注入的空气质量基本上维持不变,随着引擎负载/扭矩引擎负载/扭矩的增加，燃料和氧气之间的反应程度会降低。确保取得了发动机的稳态条件下时才取得排气样品。为了保证操作引擎的热稳定性，需在至少10分钟前在每个引擎操作点测量。
保持发动机的转速在2500r/min，同时测量在扭矩(0,10 Nm,20Nm,30 Nm,40和50 Nm)时的常规与非常规排放。对常规与非常规排放的原始数据进行分析。尽管仪器可以每秒钟测量显示物种浓度一次（1 Hz)，但为了提高数据的准确性和可重复性需要取100个数据的平均值进行的分析。
3，结果分析
汽油发动机的燃烧过程是一个复杂的放热化学反应,化学能源的化学能转化为热能,最后转化为机械能。在这个过程中,在一毫秒内大量的中间化学产物发生了形成和分解。一些产物在非常低的浓度下产生并排出到环境作为发动机排气的一部分。很多产物都是致癌、致畸和致突变的。发动机排气的常规排放如CO、HC、NOx。这些产物的排放通过全球排放法规规定控制。然而,大量的发动机排放的小浓度物质不受监控,因为他们的浓度低,检测是非常困难的。这些不受控制的产物包括BTEX(苯、甲苯、乙烯和二甲苯),醛类和已知的致癌物质羰基。在本节中,对(M5、M15 E5和E15)汽油相对于基线汽油在不同发动机扭矩和固定的发动机转速(2500 rpm)下的常规和非常规排放进行了报告和讨论。
3.1.常规排放
3.1.1。一氧化碳(CO)和碳氢排放
图2显示了发动机在这些测试燃料下排放的二氧化碳,UHC和CO浓度。这些排放物的浓度(CO2、CO和UHC)是通过废气排放分析仪测量,而排放的水蒸气的浓度由红外光谱排放分析仪测量。用这些测试燃料燃烧的二氧化碳排放几乎恒定。CO是不完全燃烧的产物。这些测试燃料(E15除外)下，随着转矩的增加到30 Nm(，CO有明显的增加趋势。注入的燃料量和引擎加载/扭矩增加时,因为在每个发动机循环空气的质量基本上保持不变,会有更大程度的不完全燃烧,导致更高的排放。对于E15的特殊趋势,CO排放减少最有可能是由于乙醇燃料氧含量高,因为有相对更完整的燃烧。El-Emam和Desoky对汽油和乙醇理论和实验研究还显示乙醇相比汽油，CO,NO的排放较低。在更高的扭矩下,汽油的CO排放最高,而E15最低,尽管区别不是很大。醇类汽油混合物的CO较低是由于相比汽油碳氢比例小。乙醇含有44%碳(汽油含有86%),这就直接转换成在不完全燃烧下的CO。因此低碳燃料会排放较小CO排放[46]。
酒精分子固有的氧气含量有助于改善燃烧,降低碳氢排放。然而,减少碳氢排放的原因需要进一步调查。随着增加发动机扭矩到最大值接近30 Nm观察到测试燃料的碳氢排放减少。随着发动机扭矩的增加,也增加了缸内温度，导致还原碳氢的排放。使用E5,M5,E10燃料的碳氢排放量的减少为8%,16%,14%和10%,,这是Ozsezen M10和Canakci[47]非常规部分排放实验研究和发表的结果。碳氢排放包含各种烃如石蜡、烯烃、芳烃、醛、羧基酸和醇。在这项研究中,碳氢排放测量采用FID技术,测量了未燃尽的碳氢化合物(OHC)的含量但不是相当精确。有些碳氢的排放放在下一节单独讨论。利用红外光谱技术测量碳氢更精确。
水蒸气是一种碳氢化合物，是燃烧的自然产物，它的浓度越高显示燃烧越充分。汽油和E5,从0到50NM时排放的水蒸气浓度稍高。M15排出水蒸气的浓度最低相比其他燃料。这些趋势主要取决于测试燃料较低的氢/碳原子比的。
3.2.非常规排放
3.2.1饱和烃排放
甲烷是在SI发动机排放的一种非常规排放物。它是一种强效温室气体(全球变暖的潜力21)。测试燃料除了E15，增加发动机扭矩时尾气中甲烷浓度减少(图4)。丁基产生。E15的异常可能是因为甲烷可以从甲醇与乙醇在发动机低负荷期在低温燃烧间室产生。在更高的发动机扭矩下,在高温的发动机燃烧室氧化甲烷相对来说更容易。所有测试燃料的乙烷排放没有显著差异(图4 b)。然而,观察E15在较低负荷时的变化是乙烷排放略低。图4 c显示E5和M5相比汽油排出略高的丙烷。进一步增加了混合物的酒精浓度(E15和M15)并显著增加丙烷排放，其中M15最高。燃烧室在高温和高压力条件下,汽油与甲醇混合物(C1)和乙醇(C2)丙烷(C3)的混合物形成增加。丙烷混合物形成相对容易是因为乙醇和甲醇混合更容易。通过减少与增加发动机扭矩，所有测试燃料下观察到丙烷在10 Nm扭矩时最大。所有测试燃料排气中异丁烷浓度随发动机扭矩(40 Nm)增加而增加,然后在更高的发动机扭矩时下降(40 - 50海里)对(图4 d)。异丁烷随酒精含量(包括混合乙醇和甲醇）增加而降低。E5和M5在没有负载时, 相比于基线汽油异丁烷排放量分别减少了4.44%和4.44%,。相比汽油E15在20 Nm扭矩减小幅度最大减少了32.26%。
3.2.2.不饱和烃排放
对所有的燃料进行测试，观察到M15相比其他测试燃料有相对较低的排放。汽油在低转矩时乙烯的排放最高,在50NM(152 ppm)达到一个最小值。相比低混合汽油，高混合汽油乙烯排放更低。裂缝和高碳分离分子数(汽油)导致在燃烧中
生产较低的碳数分子物质。这循序导致这些分子的氧化排放相比乙醇(图5度),混合和甲醇混合减少,所以三丁基更有效。减少的原因和前所述丙烯的减少原理相同。三丁基浓度在汽油烯烃中成比例存在,这可能是其中的一个主要原因减少原因。
3.2.3.芳烃及醛的排放，
E5和M5产生的苯排放较低(图6)与汽油相比，随着甲醇汽油中甲醇含量增加(M15),可以观察到苯排放减少。可能有两个原因使苯排放减少;首先,汽油本身含有一些苯,在与醇类混合之后含量较低,导致整体的苯排放较低;其次,含氧燃料氧化燃烧产生更多的碳氢化合物,于是汽油苯排放可以进一步降低。重要的一点,应该注意的是,不饱和的碳氢化合物在燃料中作为反应物,会形成苯等芳香产物和甲苯。由于甲醇是不饱和碳氢化合物,它对减少芳香产物有一些影响，其作用是减少芳香产物排放[9]。
3.2.4.羧酸和酒精的排放，
汽油的低浓度甲酸排放(图7)中观察到M15排放最低。与乙醇汽油相比甲醇汽油在减少甲酸排放时更有效。甲酸排放不受缸内温度的影响。所有测试下燃料醋酸排放没有变化(图7 b)。甲醇和乙醇排放(图7 c和d)废气浓度随着这些的燃料的增多而增多。一般来说,甲醇排放M5和M15从没有随扭矩增加而增加或者随扭矩降低而降低。更高的力矩和汽油在较高的缸内温度下燃烧减少了甲醇尾气的排放。类似的趋势在乙醇E5和E15排放中也可以观察到(图7 d)。与汽油相比乙醇具有相当高的汽化潜热。这导致测试燃料会排放出较高的乙醇[59]。
4结论
实验研究了中型运输MPFI SI发动机燃烧M15汽油及甲醇汽油(M5,E5,E15)的常规和非常规排放,从这些实验得出重要的结论：
- 醇类汽油很有效地减少了碳氢排放。其中乙醇混合燃料减少碳氢最有效。
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汽油和
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