电喷汽油机怠速排放特性研究

电喷汽油机怠速排放特性研究（精选3篇）

电喷汽油机怠速排放特性研究 篇1

电喷汽油机怠速排放特性研究

通过对电喷汽油机的暖机过程和稳定怠速工况的.排放试验,分析了空燃比、冷却液温度、转速、负荷和点火提前角等参数对怠速排放特性的影响.试验表明:空燃比越大,CO的排放量越小,HC的排放量也随着空燃比的增大而减小,但当过量空气系数λ超过1.2时,HC排放反而会随着空燃比的增大而有所增加;冷却液的温度越低,HC和CO的排放量越大;当怠速转速增加时,HC和CO的排放量明显降低;推迟点火提前角会使HC的排放量减小;怠速工况时NOx的排放量较少,但会随着负荷而变化.

作 者：高照亮 赵祥君 GAO Zhaoliang ZHAO Xiangjun 作者单位：高照亮,GAO Zhaoliang(浙江水利水电专科学校,杭州,310018)

赵祥君,ZHAO Xiangjun(军事交通学院,汽车工程系,天津,300161)

刊 名：军事交通学院学报英文刊名：JOURNAL OF ACADEMY OF MILITARY TRANSPORTATION年，卷(期)：12(1)分类号：U467.48关键词：汽油机 怠速 排放

电喷汽油机怠速排放特性研究 篇2

能源和环境目前是全世界关注的热点问题。研究表明［１－３］, 使用替代燃料能有效降低汽车尾气污染物的排放。大力发展替代能源, 既是维护我国石油安全的重要组成部分, 又是支撑我国未来能源可持续发展战略的选择之一。

丁醇是一种含氧的醇类燃料。近年来, 丁醇作为发动机的替代燃料以其特有的优势得到广泛关注［４－６］。研究表明:掺混低比例的丁醇时, 发动机的动力性基本保持不变［７］, CO、NOｘ等污染物排放降低［８－１０］。

研究表明:细颗粒物除了对人体健康有严重危害外, 也是导致大气能见度降低和全球气候变化等环境问题的重要因素［１１－１２］。目前, 国内外学者对机动车尾气颗粒物的相关研究工作主要集中于柴油机, 而汽油机尾气颗粒物由于质量浓度较小而较少被关注。然而, 城市地区汽油车的数量远远多于柴油车, 由汽油车尾气颗粒物产生的环境污染贡献率并不可忽视。近年来的原机台架试验和道路试验研究表明:汽油车尾气排放对于大气颗粒物污染的贡献率可能被低估［１３］。

本文以一台未作任何结构参数调整的车用电控进气道多点喷射汽油机为试验样机, 研究该机燃用不同比例丁醇-汽油混合燃料时超细颗粒排放的数量浓度、质量浓度和粒径分布特性, 考察丁醇-汽油混合燃料对超细颗粒排放的影响。

1 试验装置及燃料

1.1 试验样机及设备

试验样机为一台水冷、直列四缸四冲程、电控燃油进气道喷射自然吸气式车用汽油机。总排量为1.5L, 缸径和行程分别为75mm和84.8mm, 压缩比为10.5, 标定功率78kW (5000r/min) , 最大转矩为165N·m (3000r/min) 。

试验设备主要包括AVL-PUMA全自动内燃机高动态测试台架系统和EEPS-3090 颗粒测试仪。EEPS-3090颗粒粒径测试仪采集颗粒共设32个粒径通道, 粒径通道的最小值和最大值分别6.04nm和523.30nm, 只有粒径不大于粒径通道的粒子才能通过该通道。本文除了5nm<Dｐ<50nm的颗粒称为核模态颗粒外, 其余颗粒均按聚积态颗粒处理。

1.2 试验燃料

试验燃料为市售93＃汽油 (简称G100) 、正丁醇 (简称Bu100) , 以及汽油与正丁醇的混合燃料, 混合燃料中正丁醇所占体积比分别为10%、15%、20%、50%、85%, 分别简称为Bu10、Bu15、Bu20、Bu50 和Bu85。试验燃料的理化指标如表1所示。

由表1可见, 与G100比较, 丁醇-汽油混合燃料具有密度高、辛烷值高、10% 和50% 馏出温度高、90%馏出温度低等特点。低比例丁醇-汽油混合燃料的理化指标与汽油基本相近。

2 试验结果及分析

2.1 丁醇对汽油机超细颗粒数量浓度排放的影响

图1 为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100丁醇-汽油混合燃料在外特性和负荷特性下超细颗粒排放总数量浓度的试验结果。

由图1 (a) 可见, 外特性下, 随着转速升高, 燃用丁醇-汽油混合燃料时的颗粒排放总数量浓度变化规律与纯汽油相同:随着转速增加, 总颗粒数量浓度都先增加后减少, 在最大转矩转速3000r/min附近时达到峰值。在3000r/min时, G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85和Bu100的超细颗粒总数量浓度排放相对1000r/min时分别增加了4、13、11、10、11、13和12倍, 相对5000r/min也分别增加了3、5、10、15、82、81和44倍, 增幅明显。

这主要是因为电喷汽油机在接近怠速1000r/min时采用闭环控制将折算过量空气系数控制在稍大于或者接近1附近, 混合气较稀;而在高速全负荷时采用开环控制将过量空气系数控制在小于1, 使混合气较浓。在转速大于2000r/min时, 过量空气系数较小, 混合气过浓, 超细颗粒的排放量增加［１４］, 当转速继续升高时, 即高速稳态工况下, 进气能量增大, 缸内湍流强度增大, 使缸内混合气更加均匀, 减少了局部高温缺氧的可能性, 有利于抑制燃烧过程中初级碳颗粒和HC化合物等物质的生成, 减少了核模态颗粒物的生成量［１５］, 使超细颗粒总数量浓度排放减少。

由图1 (b) 和图1 (c) 可见:负荷特性下, 当负荷低于50%时, 该机燃用丁醇-汽油混合燃料的超细颗粒物排放总数量浓度较低;当负荷超过50%时, 排放急剧增加。标定转速5000r/min对应的25%、50%、75%及100%负荷时, Bu100的超细颗粒排放总数量浓度相对10%负荷时分别增加了0.65、1.8、4 和7倍, 而G100颗粒排放总数量浓度基本上保持不变;在最大转矩转速3000r/min时, Bu100的超细颗粒排放总数量浓度相对10%负荷时分别增加了2.3、26、90和193倍, G100的颗粒排放总数量浓度分别增加了0.12、111、239和419倍。其原因是电喷控制策略在大负荷时采用开环控制, 使过量空气系数较小, 混合气较浓, 且燃烧室温度也随之升高, 燃油分子在高温缺氧条件下发生氧化和热裂解反应速率增大, 导致了超细颗粒总数量浓度排放的增大［１６］。

分析外特性和负荷特性试验下各工况的超细颗粒物排放总数量浓度可知, 随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇掺混比例的增加, 超细颗粒物排放总数量浓度增加, 且在电喷采用开环控制下较高转速的高负荷时, 增加幅度最明显。其中最大扭矩转速3000r/min时, 与纯汽油比较, 燃用Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85和Bu100的超细颗粒物排放总数量浓度在10%负荷时与G100相差不大, 而在100%负荷时相对G100上升分别达81%、90%、105%、138%、195%和205%。这是因为闭环控制喷油脉宽是按照纯汽油标定的, 而丁醇的密度较大, 相同体积流量所对应的丁醇-汽油混合燃料的质量流量会有所增加, 使得丁醇-汽油混合燃料的折算过量空气系数相对汽油变小, 混合气浓度更高, 且随着丁醇含量的提高, 密度增加, 混合气更浓。同时, 与纯汽油比较, 丁醇较大的黏度也会导致油束贯穿距离增大, 造成燃料碰壁并沿着管壁流动的可能性增大。这些原因都会使得丁醇-汽油混合燃料的超细颗粒排放增加。

2.2 丁醇对汽油机超细颗粒排放质量浓度的影响

图2 为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100燃料外特性和负荷特性试验下的超细颗粒排放总质量浓度。

由图2 (b) 和图2 (c) 可见, 负荷特性下, 丁醇-汽油混合燃料及纯汽油的超细颗粒质量浓度排放变化规律与数量浓度排放变化规律也基本相同:当负荷低于50%时, 该机燃用丁醇-汽油混合燃料的超细颗粒物质量浓度排放较低;当负荷超过50%时, 该机燃用丁醇-汽油混合燃料的超细颗粒物质量浓度排放急剧增大。标定转速5000r/min对应的25%、50%、75%及100%负荷时, Bu100的超细颗粒数量浓度排放相对10% 负荷时分别增加了0.71、0.46、2.9 和4.8倍, 而G100对应分别增加了0.35、0.35、1.9和4倍;最大转矩转速3000r/min时, Bu100的超细颗分别增加了7.3、25.5、206和603倍, G100对应分别增加了12.6、23、351和1162倍。

同样, 随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇掺混比例的增加, 超细颗粒物质量浓度排放与数量浓度排放规律相似, 也在增加, 且在电喷采用开环控制的较高转速的大负荷时增加幅度最明显。

2.3 丁醇对汽油机超细颗粒粒径分布的影响

图3 为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100燃料在外特性试验下的超细颗粒粒径分布。图4为对应的核膜态颗粒排放数量浓度所占比例。

由图3和图4 可见, 外特性下, 随着转速的增加, 燃用丁醇汽油混合燃料和纯汽油时核膜态颗粒排放数量浓度所占比例在低速和高速时都比较高, 在接近最大转矩转速3000r/min时相对低。与纯汽油相比, 随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇比例的升高, 聚集态颗粒排放略有减少或维持不变;核模态颗粒排放较大幅度增加;在接近怠速的低速工况和高速工况时, 核膜态颗粒所占比例随丁醇掺混比例增加更加明显。由此可见, 燃用丁醇-汽油混合燃料超细颗粒排放数量浓度增加主要是核膜态颗粒排放的增加。这是因为, 在接近怠速的1000r/min时, 缸内温度较低, 丁醇-汽油混合燃料10%和50%馏出温度高、汽化潜热大的效应放大, 使得进气行程有一部分混合燃料来不及蒸发, 而在压缩行程中陆续蒸发, 这样将造成混合燃料与空气及残余废气混合的不均匀因素增加, 导致局部过浓或过稀, 失火的可能性增加, 废气中HC及大分子有机物增加, 这些未燃油及其未完全燃烧的烃类会形成高分子有机化合物, 进一步生成核膜态碳烟颗粒物。而在高速高负荷工况时, 燃烧室温度升高, 燃油发生深度氧化和热裂解的几率增大, 进一步脱氢形成原子级的碳粒子, 再逐渐凝聚形成不溶性的基本碳烟粒子的速率增大［１６］, 而循环作用周期短, 聚并作用时间短, 较小粒径颗粒排放数量就会增加。而丁醇-汽油混合燃料混合气的折算过量空气系数相对纯汽油更小, 高温缺氧区域增大, 一次碳烟颗粒生成增加, 造成较小粒径颗粒排放数量增加。

图5和图6分别为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100 燃料在标定转速5000r/min和最大转矩转速3000r/min对应负荷特性试验下超细颗粒粒径分布。

由图5和图6可见, 标定转速和最大扭矩转速对应负荷特性下, 该机燃用丁醇-汽油混合燃料和纯汽油时, 随着发动机负荷的增加, 表现出相同的规律:排气颗粒数量浓度增大;核膜态颗粒所占比例逐渐减小;核膜态颗粒峰值逐渐消失, 颗粒数量浓度分布从不明显的双峰对数向单峰对数形态转移。

与纯汽油比较, 随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇混合比例的增加, 丁醇-汽油混合燃料的颗粒数量浓度排放增大, 其中核模态颗粒数量浓度排放增加最明显。同样可以得出结论:该机燃用丁醇-汽油混合燃料的超细颗粒排放数量浓度增大主要是因为核模态颗粒排放数量浓度增加。

3 结论

(1) 与纯汽油比较, 随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的升高, 该机燃用丁醇-汽油混合燃料的超细颗粒物排放总数量浓度和总质量浓度增加。

(2) 外特性下当接近最大扭矩转速3000r/min时, 以及负荷特性下当负荷超过50%时, 超细颗粒物排放的总数量浓度和总质量浓度急剧增大。

电喷汽油机怠速排放特性研究 篇3

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)



大型低速共轨电喷船用柴油机排放特性分析

王忠诚， 许乐平， 周培林， 周俊峰， 赵睿， 周大平

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

为研究船舶柴油机的防污染问题，依据《MARPOL 1973/78》附则VI对船舶柴油机排放物的最新要求，对船用某大型低速二冲程十字头共轨电喷柴油机进行排放测试，分析排放物(THC，NOx，CO2，CO和O2)随负荷变化的排放特性，得出按推进特性运行时THC，NOx，CO2，CO和O2的排放规律.结果表明：该型柴油机在各负荷下运行时，缸内燃烧过程充分；按经济理念设计的降速运行可获得经济效益；与传统柴油机相比，该型柴油机在NOx和CO2排放上明显改善.

环境保护； MARPOL 1973/78； 电喷柴油机； 排放特性

0 引 言

柴油机由于热效率高、安全可靠而广泛应用在船上.随着航运业的不断发展，柴油机装船量不断扩大，所产生的废气总量相当巨大.据EYRING等[1]统计，以柴油为动力的船舶每年向大气排放氮氧化物(NOx)约650万t、硫氧化物(SOx)约600万t、颗粒物(PM)约170万t.根据欧盟的调查，欧洲的机动车排放正逐年下降，但船舶排放却在继续上升，依据现行法规，到2020年，SO2，NOx和PM2.5将分别增长42%，47%和56%.[2]研究表明，船舶对大气的污染已经不容忽视，特别是在港口、海峡和一些航线密集、船舶流量大的海区，船舶排放的尾气甚至成为该地区的主要污染源，全球2/3以上的船舶发动机排气都产生在距海岸400 n mile的范围内.因此，每年全球大约有64 000人死于与船舶污染有关的疾病.[3]可见，船舶柴油机所排放的尾气，已经严重影响到人类的健康.

1 船舶排放要求

为减少船舶尾气污染，世界各地陆续出台各种公约和法规，比较典型的当属国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)通过的国际防止船舶造成污染公约《MARPOL 1973/78》，该公约明确规定船用柴油机各种排放物的排放标准.一些国家为保护地区内环境，也已出台相应的排放法规，如美国排放法规规定：在规定区域内，或使用满足排放标准的柴油机，或租用陆上岸电来满足船舶动力的要求，对不满足排放标准的柴油机不允许使用；欧盟也已出台限制柴油机排放的相应政策.[4-5]

1.1 NOx排放要求

NOx不仅破坏环境，还会刺激人的呼吸系统，形成酸雨等.为减少NOx排放，IMO在《MARPOL 1973/78》附则VI中对船舶NOx的排放标准作了明确规定[6]，见表1.

表1 IMO对船用柴油机NOx的排放标准

从表1可以看到：2016年以后NOx的排放限值为2000—2011年排放限值的五分之一左右，可见未来对柴油机NOx排放的要求更为严格.

1.2 碳排放要求

碳排放问题最早于1997年提出，此后IMO的海上环境保护委员会对船舶CO2排放问题进行专门的研究，并在2011年7月召开的第62次会议上通过新船能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI)和船舶能效管理计划(Ship Energy Efficiency Management Plan, SEEMP)两项船舶能效指标[7-8]，并纳入《MARPOL 1973/78》附则Ⅵ中强制实施.

我国是航运大国，航运企业有自己的减排目标.国家交通运输部在“十二五”发展规划中明确规定：到2020年我国营运船舶CO2排放量比现有情况下降16%.

2 试验设备和测试程序

2.1 电喷柴油机

试验采用MAN公司生产的大型低速二冲程、十字头、增压、可倒转、共轨、电喷柴油机，型号为6S35ME-B，其基本参数见表2(1 bar=100 kPa).

表2 柴油机基本参数

2.2 测试设备

尾气测试设备较多，有TESTO，HORIBA，AVL等.作为大型船舶尾气的测试设备，本试验采用HORIBA MEXA-1500DS型气体分析仪，其中：THC浓度检测采用加热氢火焰离子检测器，NOx浓度检测采用加热化学发光分析仪，CO2和CO浓度检测采用不发光红外分析仪，O2浓度检测采用顺磁性测氧仪.有效功率测试采用QC-100水力测功器：在146.6 r/min时最大吸收功率为4 300 kW，最大制动力矩不低于280 kN·m；在43 r/min时最低吸收功率为98.5 kW；最低稳定转速条件为在43 r/min时，空载功率小于90 kW；扭矩测试精度为±0.002 N·m；转速测量误差为±1 r/min.油耗测试采用EPC-50B油耗测量仪.

2.3 测试程序

各国对船用柴油机排放物都有不同的测试方法，目前国际上比较公认的是ISO/DIS8178测量标准.该标准规定了NOx，CO等的测量方法、原理及程序，如确定颗粒时，收集的排放物为用干净空气稀释的废气，其温度≤52 ℃，燃料含硫量≤0.8%时有效.[9-11]测试按推进特性工况进行，采用E3试验循环模式，即取点为100%额定功率，91%额定功率，80%额定功率和 63%额定功率.试验过程中，柴油机在各工况下稳定运行30 min，取其平均值作为排放参数.

3 测试结果分析

柴油机连续运转4 h，测试结果见表3.传统柴油机(MAN8L60DF)排放特性[12]见表4.

表4 MAN8L60DF测试结果

3.1 THC浓度变化趋势及分析

从表3可以看出，按推进特性运行时，THC浓度随着负荷的增加呈先抑后扬的趋势，变化幅度较小，最大差值只有32.3×10-6，说明该电喷柴油机在整个负荷变化范围内缸内工质燃烧完全.在25%负荷时，影响THC 形成的主要因素是燃油与空气混合均匀性.此时燃油与空气混合均匀性相对较差，THC浓度最大.随着负荷增加，柴油机的进气量和压缩压力也增加，燃油与空气混合均匀，在50%负荷和转速112.7 r/min时，THC体积分数最小.随着负荷继续增加，影响THC形成的主要因素变成喷油定时，电喷柴油机在喷油定时的控制上非常准确，因此随着循环供油量的不断增大，THC体积分数只有小幅上升，当负荷达到100%，THC体积分数仅达到243.5×10-6.

3.2 NOx排放变化特性及分析

船舶柴油机尾气中NOx主要由空气中的氮气与氧气反应产生，主要发生在燃烧初期，而影响NOx形成的主要因素有空燃比、温度、喷油定时和燃烧反应时间，因此柴油机气缸内的空气量、燃烧温度、喷油提前角和燃烧反应时间决定NOx的生成量.

在整个测试过程中，NOx浓度的变化趋势是先减少后增加，见表3.在25%负荷时最大，在50%负荷时最小，最大差值为203×10-6.其原因在于：柴油机在25%负荷时，空燃比最小，为48.48，有利于NOx生成；在50%负荷时，空燃比最大，为56.79，NOx生成量最小；在75%负荷时，空燃比为54.39，NOx生成量增加；在100%负荷时，影响NOx生成的主要因素是温度，此时缸内压缩压强达到160 bar左右(见图1)，压缩温度升高，循环供油量增大，最有利于生成NOx.

3.3 CO2和CO排放趋势分析

从表3可以看出，CO2体积分数的变化规律类似反抛物线， 而CO体积分数的变化规律类似抛物线形状，说明两者在燃烧过程中发生相互转化.柴油机在25%负荷和100%负荷时，CO2体积分数分别为4.326%和4.233%，CO体积分数分别为105.0×10-6和76.5×10-6，说明柴油机缸内燃烧更充分.在50%负荷和75%负荷时，CO2体积分数分别为3.683%和3.850%，CO体积分数分别为118.8×10-6和102.7×10-6，燃烧效果稍差，这是因为在柴油机增加负荷过程中，过量空气系数α相对于其他工况下较小，缸内燃烧不完全，CO体积分数增加，但增幅甚微.当达到100%负荷时，过量空气系数α达到最大，压缩压力升高，燃烧充分，CO体积分数降低， CO2体积分数又一次升高，说明燃烧充分.

3.4 O2变化趋势分析

从表3可以看出，O2浓度几乎没有变化，说明在整个负荷变化范围内，空气的供给充足，循环供油量的增加未导致氧气供给不足的现象.

3.5 平均压缩压强和爆炸压强变化趋势

柴油机在不同负荷下各缸示功图见图1.从图1可以看出：平均压缩压强随负荷的增加从62 bar左右上升到160 bar左右，增幅达到近100 bar.平均爆炸压强随着负荷的增加从78 bar左右升高到170 bar左右.柴油机在100%负荷时，平均压缩压强达到160 bar左右，平均爆炸压强达到170 bar左右，两者仅差10 bar.柴油机在110%负荷时，平均压缩压强大于平均爆炸压强.可见船用柴油机增压系统优越于其他增压系统.

图1 柴油机在不同负荷下的示功图

4 结 论

(1)从排放物(见表3)体积分数的最高与最低差值(THC为32.3×10-6，NOx为203×10-6，CO2为0.643%，CO为42.3×10-6，O2为0.798%)看，该型柴油机在各负荷下运行，缸内燃烧过程充分.(2)该型柴油机在50%负荷，转速为112.7 r/min，功率为1 785.0 kW时，排放物数量最低，说明该型柴油机是按经济理念设计的，这为当前经济形势不好的情况下船舶降速运行提供条件.(3)与传统柴油机排放特性(见表4)相比，该型柴油机在NOx和CO2排放上明显改善.

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(编辑 赵勉)

Emission characteristic analysis of large-scale low-speed common-rail marine diesel engines with electronic fuel injection

WANG Zhongcheng, XU Leping, ZHOU Peilin, ZHOU Junfeng,ZHAO Rui, ZHOU Daping

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China)

To prevent the pollution from marine diesel engines, the emission test of a large-scale low-speed two-stroke crosshead common-rail diesel engine with electronic fuel injection is conducted according to the latest emission requirement of marine diesel engines in MARPOL 1973/78 Annex VI. Emission characteristics of THC, NOx, CO2, CO and O2with different engine loads are analyzed, and their emission rules are obtained under the propulsion characteristic condition. The results show that, this type of diesel engines is of a full in-cylinder combustion process under different loading conditions, a higher economic benefit can be achieved at low steaming that is designed according to economical idea, and the NOxand CO2emissions of this type of diesel engine reduce significantly compared with those of traditional marine diesel engines.

environmental protection; MARPOL 1973/78; electronic fuel injection diesel engine; emission characteristic

10.13340/j.jsmu.2015.02.013

1672-9498(2015)02-0070-04

2014-06-09

2014-12-02

王忠诚(1979—)，男，辽宁铁岭人，讲师，博士研究生，研究方向为现代轮机管理与安全技术、排放测试， (E-mail)wangzhongchengwzc@163.com； 许乐平(1957—)，男，江苏南京人，教授，博导，博士，研究方向为现代轮机管理与安全技术、排放测试，(E-mail)lpxu@shmtu.edu.cn

U664.121.1；TK421.5

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