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甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)排放特性的對(duì)比研究

文檔作者：尹超高俊華堯命發(fā) 文檔來源： 1．天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2．中國汽車技術(shù)研究中心			點(diǎn) 擊數(shù)：
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2011年(第33卷)第9期
汽車工程
Automotive Engineering
2011154
甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)排放特性的對(duì)比研究
尹超 ，高俊華 ，堯命發(fā)
(1．天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072； 2．中國汽車技術(shù)研究中心，天津300162)
[摘要] 將一臺(tái)電控多點(diǎn)噴射式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改造為燃用甲醇燃料的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，并對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與原汽油發(fā)
動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)排放特性進(jìn)行了對(duì)比研究，分別檢測了三效催化轉(zhuǎn)化器后的常規(guī)污染物(CO、THC、NO )和非常規(guī)污染
物(甲醛、乙醛、甲醇、乙醇、氨)的排放。結(jié)果表明，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)3種常規(guī)污染物的排放都明顯低于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，但非
常規(guī)污染物甲醛和乙醛的排放高于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；裝用三效催化轉(zhuǎn)化器使二者的氨排放都增高，前者增高的幅度更大。
關(guān)鍵詞：甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)；汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；瞬態(tài)排放；常規(guī)排放；非常規(guī)排放
A Comparative Study on the Transient Emission Characteristics of
Methanol Engine and Gasoline Engine
Yin Cha'o
． Gao Junhua &amp;amp; Yao M ingfa
1．Tianfin University，State Key Laboratory of Inter-Combustion Engine， 0 n 300072；
2．China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300162
[Abstract] An electronically—controlled multi—point injection gasoline engine is refitted into a methanol en—
gine，and a study is conducted to compare the transient emission characteristics of two types of engine．Both conven—
tional emissions(CO、THC and NO )and unconventional emissions(formaldehyde，aldehyde，methanol，ethanol
and ammonia)of two types of engine after three—way catalytic convertor are measured respectively．The results show
that，three conventional emissions of methanol engine are much lower than that of gasoline engine，whereas its form -
aldehyde and aldehyde emissions are higher than gasoline engine，and the use of three-way catalytic convertor re—
sults in high ammonia emission in both engines，in particular，the increase margin of the form er is relatively higher．
Keywords：methanol engine； gasoline engine； transient emission；conventional em ission；unconventional
endssion
日Ij吾
甲醇蒸發(fā)熱值高，適用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，在汽油
機(jī)上使用甲醇燃料不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做大的變動(dòng)? 。
此外，甲醇制造原料豐富、生產(chǎn)工藝成熟，其存儲(chǔ)、分
配與使用都和傳統(tǒng)的汽、柴油相差無幾 。 。針對(duì)
我國“貧油、少氣、富煤”的能源資源結(jié)構(gòu)，從能源安
全和節(jié)能方面考慮，開發(fā)和推廣煤基甲醇燃料作為
汽油的替代燃料極具可行性和必要性 。
當(dāng)前，甲醇作為代用燃料的研究熱點(diǎn)之一是其
排放特性。雖然國內(nèi)還沒有專門針對(duì)甲醇燃料制定
排放法規(guī)，但已有研究表明，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)排放
(CO、THC、NO )通常要低于汽油機(jī) ，但非常規(guī)
污染物未燃甲醇、甲醛、乙醇和乙醛等，其排放量通
常高于汽油機(jī)，對(duì)環(huán)境和人類健康的危害不容忽
視 。此外，為滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，點(diǎn)燃式發(fā)
動(dòng)機(jī)通常安裝了三效催化轉(zhuǎn)化器，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)
和非常規(guī)污染物都能起到減排作用，但在濃燃條件
下會(huì)導(dǎo)致NH 排放的增加 ，大氣中NH 濃度的增
加會(huì)導(dǎo)致河流中銨根離子的增多，從而帶來水藻瘋
長和魚類死亡等危害 。因此，開展甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)醛
類、醇類和NH 等非常規(guī)排放的研究非常必要。
本文中對(duì)安裝了相同三效催化轉(zhuǎn)化器的某型號(hào)
原稿收到日期為2011年1月20日，修改稿收到日期為2011年2月19日。
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汽車工程 2011年(第33卷)第9期
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和基于該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)改裝的甲醇發(fā)動(dòng)
機(jī)，按照GB14762-2008規(guī)定的重型汽油機(jī)瞬態(tài)循
環(huán)進(jìn)行排放試驗(yàn) ，對(duì)催化器后的常規(guī)污染物
(CO、THC、NO )和非常規(guī)污染物(甲醛、乙醛、甲
醇、乙醇以及NH )進(jìn)行了檢測，對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽
油發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)排放特性進(jìn)行了全面的對(duì)比分析，
探明了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在排放方面相比于傳統(tǒng)汽油機(jī)的
優(yōu)缺點(diǎn)，以便為甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)提供依據(jù)。
1 試驗(yàn)臺(tái)架和儀器設(shè)備
1．1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架
圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布置框圖。為在汽油發(fā)
動(dòng)機(jī)上燃用甲醇燃料，而又不降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，
通過改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)提高了原汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮
比，并重新確定噴油策略。表1為改裝的甲醇發(fā)動(dòng)
機(jī)和原汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。
臺(tái)架控制臺(tái)
測功機(jī))-1 圈
隔 呸
排
氣
管
道
韭堂塑 堡坌塹
瓦
圖I 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布置框圖
表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)
項(xiàng)目 汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)
發(fā)動(dòng)機(jī)型式 直列6缸、自然吸氣、水冷、電控多點(diǎn)噴射
缸徑×行程 101．6mm×114．3mm
壓縮比 7．4 10
額定功率 115kW 120kW
轉(zhuǎn)速 3 000r·min一
1．2 試驗(yàn)用燃油和催化器參數(shù)
試驗(yàn)用甲醇為燕山石化公司生產(chǎn)的高純度工業(yè)
用甲醇，標(biāo)稱純度為99．9％ 。經(jīng)檢測，20℃ 時(shí)甲醇
密度為0．792，g／cm ，低熱值為19．9MJ／kg。試驗(yàn)用
汽油是市售的93#國Ⅳ 標(biāo)準(zhǔn)油。經(jīng)檢測，20℃ 時(shí)汽
油密度為0．738g／cm ，低熱值為43．5MJ／kg。甲醇
發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了規(guī)格相同的三效催化
轉(zhuǎn)化器。
1．3 排放測試系統(tǒng)
采用AVLi60常規(guī)氣體分析儀對(duì)排氣中常規(guī)污
染物CO、THC和NO 進(jìn)行檢測，測量頻率為10Hz。
采用Hofiba FTIR對(duì)非常規(guī)污染物甲醛、乙醛、甲醇、
乙醇以及NH 進(jìn)行測量，測量頻率為1Hz。
2 試驗(yàn)方法
為考察試驗(yàn)結(jié)果的一致性，對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽
油發(fā)動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行3次瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)三效催化
轉(zhuǎn)化器后的常規(guī)和非常規(guī)排放物進(jìn)行采樣分析。圖
2為重型汽油機(jī)瞬態(tài)循環(huán) m ，該循環(huán)歷時(shí)1 830s，逐
秒變換工況。
時(shí)間／s
圖2 重型汽油機(jī)瞬態(tài)循環(huán)
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3．1 常規(guī)排放對(duì)比
圖3、圖4和圖5分別為甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)
機(jī)3次瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)CO、THC和NO 比排放對(duì)比
情況。由圖可見：兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)3次試驗(yàn)結(jié)果存在一
定波動(dòng)，這是由于3次試驗(yàn)都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油策略
進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以優(yōu)化排放；甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)CO、
≥
島
蓑
0
0
試驗(yàn)次數(shù)
圖3 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)CO的比排放
∞ ∞ ∞ ∞ 加0 ∞ 舳∞ ∞ 加O ∞
辱聿 o／o／ 辯
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尹超，等：甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)排放特性的對(duì)比研究 ·755·
THC和NO 比排放都明顯低于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，這是由
于甲醇含氧量高，減少了尾氣中CO和THC的排放，
同時(shí)甲醇的汽化潛熱大，導(dǎo)致氣缸內(nèi)燃燒溫度較低，
抑制了NO 的生成；此外，催化轉(zhuǎn)化器的存在也促進(jìn)
了未燃碳?xì)浠衔锏倪M(jìn)一步氧化。
￡
≥
尊
意
U
舌
≥
邑
罄
0
Z
圖4 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)THC的比排放
試驗(yàn)次數(shù)
圖5 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)NO 的比排放
3．2 非常規(guī)排放
對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)各自3次瞬態(tài)試驗(yàn)
的結(jié)果取平均值，得到各種非常規(guī)污染物瞬態(tài)循環(huán)
試驗(yàn)的平均排放曲線。
3．2．1 醛類排放對(duì)比
圖6和圖7分別為瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)甲醛和乙醛
的排放曲線。由圖可見：從總體分布情況來看，甲醇
發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛和乙醛排放水平都要高于汽油發(fā)動(dòng)
機(jī)，這是由于甲醇比汽油需要更大的蒸發(fā)熱，在缸內(nèi)
0 400 800 1 200 I 600
采樣點(diǎn)數(shù)
圖6 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)甲醛排放曲線
燃燒過程中會(huì)有未燃甲醇?xì)埩簦诟變?nèi)高溫燃燒時(shí)
不適宜甲醛和乙醛的生成，當(dāng)未燃甲醇進(jìn)入排氣系
統(tǒng)時(shí)，其在排氣管中會(huì)氧化生成甲醛和乙醛；但由于
催化器的存在，二者在整個(gè)試驗(yàn)過程中的排放水平
都控制在4×10 以下。
6
4
韞2
0
6
4
詛2
O
0 400 800 1 200 l 600
采樣點(diǎn)數(shù)
圖7 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)乙醛排放曲線
3．2．2 醇類排放對(duì)比
圖8和圖9分別為瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)甲醇和乙醇
的排放曲線。由圖可見，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)
催化器后的甲醇和乙醇排放都基本為0，原因如下：
2
壘
玨0
- 2
2
魚
蘊(yùn)0
． 2
0 400 800 1 200 1 600
采樣點(diǎn)數(shù)
圖8 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)甲醇排放曲線
1
醯0
一l
1
魚
玨0
一1
0 400 800 l 200 1 600
采樣點(diǎn)數(shù)
圖9 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)乙醇排放曲線
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汽車工程 2011年(第33卷)第9期
醇類在催化器內(nèi)氧化為CO 和水可以不經(jīng)過醛類這
個(gè)階段，而且這個(gè)階段比經(jīng)過醛類再氧化為CO，和
水進(jìn)行的更徹底；即使醇類先氧化為醛類，但是醛類
以自由基形式存在，其進(jìn)一步氧化所需要的活化能
比穩(wěn)態(tài)的醛類低 。可見，帶有三效催化轉(zhuǎn)化器的
甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)不存在未燃甲醇排放過高的問題。
3．2．3 NH 排放對(duì)比
圖10為瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)NH 的排放曲線。由
圖可見，裝有三效催化轉(zhuǎn)化器的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油
發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工況下NH，水平都較高：一方面，這是
由于本試驗(yàn)進(jìn)行的是瞬態(tài)循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)工況的瞬態(tài)
變化可能導(dǎo)致進(jìn)氣和燃料混合變差，燃燒不完全，從
而給催化器帶來缺氧環(huán)境，通常三效催化轉(zhuǎn)化器缺
氧時(shí)，排氣中NO 在催化劑的作用下會(huì)轉(zhuǎn)化為
NH E 8-9]；另一方面，在高負(fù)荷時(shí)，為了滿足轉(zhuǎn)矩輸
出的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)通常進(jìn)入開環(huán)工作區(qū)域，此時(shí)混合
氣加濃，空燃比減小，催化器缺氧，NO 在催化劑的
作用下被還原為NH 。
0 400 800 1 200 1 600
采樣點(diǎn)數(shù)
圖1O 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)N 排放曲線
此外，由圖可見，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)NH，排放水平大部
分工況下都高于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，這是由于甲醇燃燒時(shí)
需要更多的蒸發(fā)熱，其與空氣的混合效果相對(duì)于汽
油較差，過多的未燃碳?xì)浠衔镞M(jìn)入催化器會(huì)導(dǎo)致
催化器缺氧，從而造成甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分工況下
NH 排放水平更高。
4 結(jié)論
(1)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)現(xiàn)更高功率輸出的情況
下，其瞬態(tài)試驗(yàn)的常規(guī)污染物CO、THC和NO 的排
放依然明顯好于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。
(2)瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)污染物甲
醛和乙醛排放量高于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。
(3)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醇和乙醇排
放量都基本為零，帶有三效催化轉(zhuǎn)化器的甲醇發(fā)動(dòng)
機(jī)不存在未燃甲醇排放過高的問題。
(4)裝有三效催化轉(zhuǎn)化器的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油
發(fā)動(dòng)機(jī)NH 排放量都很大，而且前者排放水平更高。
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