汽油混合燃料燃燒特性及點(diǎn)火提前角對醇、醛排放的影響

汽油混合燃料燃燒特性及點(diǎn)火提前角對醇、醛排放的影響

當(dāng)向甲醇燃燒時(shí)，傳統(tǒng)的噴射發(fā)動(dòng)機(jī)將降低傳統(tǒng)的排氣量，以確保原機(jī)的功率，并且這些排放量也容易達(dá)到排放要求。然而，對于未燃燒的甲醇和乙醇，有一種新的污染，尤其是在裝甲方面。國內(nèi)外科學(xué)家對甲醇燃料葉片的排放規(guī)律進(jìn)行了研究，但由于傳統(tǒng)的檢測方法不同，只獲得了一些排放規(guī)律。采用jl368q3監(jiān)測方法，對甲醇和醛排放的不同場景進(jìn)行了全面研究，并得出了甲醇和醛排放的萬有特性圖。同時(shí)，還研究了各條件下甲醇和乙烷排放的影響，如丁點(diǎn)的預(yù)角。1發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)排放的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為JL368Q3型電噴汽油機(jī),缸徑68mm,行程72mm,排氣總量0.796L,壓縮比為9.4.為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)未燃醇、醛等非法規(guī)有害氣體的排放特性,實(shí)驗(yàn)中用市售93#汽油和優(yōu)等工業(yè)甲醇(純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于等于99.5%)配制了M10燃料.考慮到甲醇容易吸收空氣中的水分而導(dǎo)致燃料分層,實(shí)驗(yàn)中所有M10燃料均在現(xiàn)場調(diào)配,也未加入任何助溶劑.實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角通過分電器進(jìn)行調(diào)整,在原點(diǎn)火提前角上止點(diǎn)前8°(曲軸轉(zhuǎn)角)的基礎(chǔ)上分別提前和推遲了3°,而發(fā)動(dòng)機(jī)其他參數(shù)保持不變.發(fā)動(dòng)機(jī)HC和NOx的排放采用HORIBA7100DEGR汽車尾氣分析儀進(jìn)行檢測.對于甲醇和甲醛的排放,采用5L聚氟乙丙烯(FEP)采樣袋從排氣管采集,之后經(jīng)烘箱加熱至80℃再用Gs-OxyPLOT毛細(xì)柱和脈沖放電氦離子化檢測器(日本島津GC-2010型氣相色譜儀)進(jìn)行檢測.2結(jié)果分析2.1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和排氣溫度對甲醇排放的影響在燃燒過程中,所有有機(jī)物均可通過甲基CH3和羥基OH或甲氧基CH3O和游離氫原子H結(jié)合生成甲醇.在燃燒過程中,甲醇為中間產(chǎn)物,其數(shù)量較少且很快氧化為CO,因而實(shí)驗(yàn)中未檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用汽油時(shí)的甲醇排放.對于M10發(fā)動(dòng)機(jī),檢測到的甲醇排放也僅為未燃燒且躲過后氧化的那部分燃料甲醇.因此,甲醇的排放量除了與循環(huán)噴醇量有關(guān)之外,還與缸內(nèi)溫度和廢氣在高溫環(huán)境下的停留時(shí)間有關(guān).如圖1所示,M10發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醇排放量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和排氣溫度的提高而下降.在低速小負(fù)荷時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高將導(dǎo)致廢氣停留時(shí)間縮短,所以低速小負(fù)荷對甲醇排放的影響不明顯.如圖2所示,甲醇排放主要隨排氣溫度的升高而下降.在中高負(fù)荷時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高將導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高和廢氣停留時(shí)間縮短,這2種因素將共同影響甲醇排放,該排放隨著轉(zhuǎn)速的提高而下降.當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3500r/min、排氣溫度為803K時(shí),在缸內(nèi)和排氣管中未燃甲醇被氧化,所以在排氣管中未檢測到甲醇排放.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放的影響甲醛是HC氧化過程中的一個(gè)重要的中間產(chǎn)物,發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放來自于碳?xì)溲趸傻募兹┖图兹┳陨淼难趸?雖然甲醛的生成和消耗是同時(shí)進(jìn)行的,并隨著碳?xì)溲趸^程的不斷進(jìn)行,生成和消耗速率都會(huì)先增后降,但二者并不同步,它們之間存在著一個(gè)速率差,最終使得生成在前消耗在后.所以,從凈生成率來看,可以認(rèn)為甲醛的氧化和消耗是2個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)階段(生成期和消耗期),而且在恒溫條件下,這2個(gè)階段耗時(shí)基本相當(dāng).在發(fā)動(dòng)機(jī)中,排氣管溫度是逐漸降低的,由此甲醛的生成期和消耗期被延長,消耗期延長將導(dǎo)致消耗速率急劇下降,直至凍結(jié).當(dāng)溫度高于1200K時(shí),氧化反應(yīng)速率加快,生成的甲醛被迅速氧化,因而不會(huì)造成甲醛排放.發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放主要是由碳?xì)湓谂艢夤苤薪?jīng)氧化生成的.由于碳?xì)涞难趸M(jìn)程受到了氣體溫度和反應(yīng)時(shí)間的影響,所以在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中甲醛的濃度也會(huì)受排氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響.隨著轉(zhuǎn)速的提高,在生成期形成的甲醛消耗時(shí)間逐漸縮短,因而甲醛殘余量增加.由圖3、圖4可以看出,汽油機(jī)和M10發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放均隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加.隨著轉(zhuǎn)矩T的加大,排氣溫度升高,甲醛的消耗進(jìn)程加快,因而汽油機(jī)的甲醛排放隨轉(zhuǎn)矩增大而降低.高負(fù)荷時(shí)的排放量增加是由混合氣加濃、當(dāng)量空燃比降低造成的.如圖3b所示,在中高速低負(fù)荷、節(jié)氣門全開和最高轉(zhuǎn)速等3種極限工況下,汽油機(jī)的甲醛排放量較高.由于M10發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣中存在甲醇,使得甲醛排放隨轉(zhuǎn)矩變化的規(guī)律并不明顯,僅隨轉(zhuǎn)速增大而增加,并在額定轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最大值,如圖4b所示.為了比較汽油機(jī)和M10發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放水平,本文將相同工況下二者排放之比設(shè)為k=CM10/CGas,其中CM10和CGas分別為2種發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放的濃度.如圖5所示,低負(fù)荷時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較低,排氣中HC和甲醇的后氧化作用較弱,甲醛排放主要是燃料不完全所致,因而汽油機(jī)的甲醛排放在小負(fù)荷時(shí)較為接近甚至大于M10發(fā)動(dòng)機(jī).由于2種燃料的甲醛排放隨轉(zhuǎn)矩變化的規(guī)律有所不同,這樣k在中等轉(zhuǎn)矩時(shí)最大,最高達(dá)到4.5.隨著轉(zhuǎn)速的提高,M10發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放逐漸接近汽油機(jī),k從4.5逐漸減小至1.2.3提前點(diǎn)火和延遲點(diǎn)火甲醇排放是由未燃燒甲醇所致,其受缸內(nèi)溫度影響顯著.隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前,燃燒等容度增加,缸內(nèi)最大燃燒壓力和最高溫度均有所提高并提前,因而M10發(fā)動(dòng)機(jī)在NOx排放增加的同時(shí)甲醇排放降低,如圖6所示.這說明甲醇和NOx均對缸內(nèi)最高溫度具有高度的依賴性,但是高溫有利于生成NOx,從而加速甲醇的消耗.甲醛和HC排放受排氣溫度的影響較大.提前點(diǎn)火則使得在膨脹和排氣過程中降低已燃?xì)怏w的溫度,這不利于HC氧化和甲醛的氧化消耗.過度推遲點(diǎn)火則會(huì)延長混合氣燃燒的時(shí)間,進(jìn)而導(dǎo)致放熱率減小.過度降低最高燃燒溫度也會(huì)降低膨脹過程中的溫度,同樣不利于HC和甲醛的氧化消耗,因此甲醛和HC的排放規(guī)律相似,如圖7所示.所以,推遲和提前點(diǎn)火都會(huì)增加HC排放量.3發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放(1)M10發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醇排放源自未燃燒的燃料甲醇,其與缸內(nèi)最高溫度有關(guān),并隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和排氣溫度的提高而降低,在低速小負(fù)荷時(shí)受排氣溫度的影響尤為明顯.(2)甲醛是HC和甲醇氧化的中間產(chǎn)物,發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放受排氣溫度和轉(zhuǎn)速的影響較大.隨著轉(zhuǎn)速的提高,發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放量增加;隨著轉(zhuǎn)矩的加大,汽油機(jī)甲醛排放量降低,而在汽油中摻混甲醇后的甲醛排放隨轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律并不明顯.低負(fù)荷時(shí),M10發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)的甲醛排放量相當(dāng),中高負(fù)荷時(shí),M10發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放量是汽