第30卷第3期2009年6月内 燃 机 工 程Chinese Internal Combustion Eng ine Eng ineeringVo l.30No.3Jun.2009收稿日期:2008-05-28作者简介:陈伟芳(1973-),男,工程师,主要研究方向为发动机试验,E -mail:chenweifang@s 。
文章编号:1000-0925(2009)03-0027-03300046M15甲醇汽油对发动机排放的影响陈伟芳(上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804)Effect of M15Methanol Gasoline on Engine EmissionsCHEN We-i fang(Technolog y Center of SAIC M otor Corpo ration Lim ited,Shang hai 201804,China)Abstract:Using the test platform of AFJ gasoline engine and Santana 3000vehicle produced by ShanghaiVolksw agen Factory,the emission characteristics of engine and vehicle were investigated w hen the eng ine was fuelled with M15methanol gasoline.Test results show that the M15methanol gasoline can remarkably reduce regulated e -missions such as H C and CO.Furthermore,different formulas of M15methanol gasoline also have a slightly differ -ence effect on emission.How ever,M15methanol gasoline will increase the aging degree of exhaust catalyst system.摘要:以上海大众汽车厂生产的AFJ 型汽油机和桑塔纳3000型轿车为试验平台,通过发动机台架试验和整车道路耐久试验,研究了使用M15甲醇汽油燃料对发动机和整车排放特性的影响。
试验结果表明:M15甲醇汽油可显著降低H C 、CO 排放量,而且不同配方的M15甲醇汽油对排放的影响也略有差异;M15甲醇汽油会加剧尾气三元催化系统的老化程度。
关键词:内燃机;发动机;汽车;甲醇汽油;排放Key words:IC eng ine;engine;vehicle;methanol gasoline;emission中图分类号:T K 464文献标识码:A0 概述甲醇以天然气、煤炭和多种有机物作为原料制取,因而来源广泛。
近年来,随着植物制取甲醇技术的发展,甲醇成为可再生能源之一。
甲醇在标准状态下是无色澄清液体,有刺激性气味,可溶于水,也可混溶于醇、醚等多种有机溶剂。
作为燃料使用具有辛烷值高、抗爆性好、含氧量高等特点,是良好的汽车替代燃料。
甲醇的理化特性比较接近汽油(表1),可以作为点燃式发动机的替代燃料。
由于甲醇分子中含有50%的氧,从理论上而言使燃烧更充分,具有比汽油更低的有害排放,但是甲醇燃料燃烧后会产生甲醛、乙醛等非常规有害排放物,特别是甲醛排放对人体危害较大,这也是甲醇燃料必须解决的重要问题。
此外,甲醇或甲醇汽油的燃烧产物中含有未燃甲醇和甲酸,对尾气三元催化系统产生一定的影响。
本文研究立足于使用范围最广的M 15甲醇汽油,通过对比发动机台架试验和整车道路耐久试验过程中的常规排放物变化,系统分析M15甲醇汽油对发动机和整车排放的影响。
表1 几种车用燃料的理化特性汽油甲醇M 15甲醇汽油化学组成C 5~C 14CH 3OH )分子量)32)C/(质量)%84.937.577.79H /(质量)%15.112.514.71O/(质量)%050.07.5液态比重(20e )/(kg #L -1)0.74~0.790.795)低热值/(M J #k g -1)42.519.7)沸点/e20~26064.5)蒸发潜热/(kJ #k g -1)3141110435研究法辛烷值70~105106~108106理论空燃比14.86.4513.6内 燃 机 工 程2009年第3期1 试验方法试验用M15甲醇汽油,经上海市石油化工产品质量监督检验站检验,符合山西省地方标准(DB14/T92)2002)的要求。
试验采用上海大众汽车厂生产的AFJ 型四冲程、直列4缸、强制水冷火花点燃式发动机,其主要技术参数见表2。
试验样车是上海大众汽车厂桑塔纳3000型轿车。
发动机台架试验在上海内燃机研究所进行,整车道路耐久试验在上海大众汽车厂进行。
整车道路试验过程中每间隔一定行驶里程进行整车排放检测。
排放测试设备为ECDM -48L -2WD 转鼓试验台和M EXA -7500DEGR 排气分析系统。
表2 AFJ 型1.8L 汽油机主要参数项目参数缸径@行程/mm 86@82压缩比915排量/L 11781标定功率/kW 74(5200r/min)最大扭矩/(N #m)155(3800r/m in)试验发动机带空气滤清器、散热器、汽车排气连接管、消声器、三元催化器尾管。
排气温度、K 仪的测点在排气总管法兰后、三元催化器前。
试验中发动机进气恒温控制在(25?1)e 范围。
发动机试验按照GB/T 18297)20015汽车发动机性能试验方法6进行,整车试验按照上海大众汽车厂的SWP 试验规范进行。
2 试验结果与分析2.1 不同掺烧比例的甲醇汽油对发动机排放的影响图1为4种燃料在发动机外特性上的排放情况。
由图1可看出,在90#汽油中掺混不同比例的甲醇,对排放的影响是明显不同的。
相对汽油而言,几种燃料都能够降低CO 排放,其中M5的效果最好;M 15在降低H C 排放方面效果最好;除M 10的NO x 排放比较高以外,其他2种燃料的N O x 排放基本与汽油相当。
这主要是由于甲醇是短链的含氧燃料,更易于燃烧完全,而且部分甲醇高温裂解生成CO 2和H 2,在一定程度上改善了燃烧室内的燃烧状况,减少了CO 、H C 和NO x 的生成。
在转速高于5000r/min 时,发动机的热负荷增加,排气温度升高,NO x 排放增加。
M 10在该区域产生的NO x 排放明显区别于M5和M 15大幅度升高。
这是因为M 5的空燃比略低于汽油,相对于汽油呈现一定的富氧状态,造成NO x 排放相对汽油增加;M15虽然更加强化了这种趋势,但是由于甲醇含量的增加,燃料的汽化潜热也增加,在一定程度上降低了可燃混合气的温度,改变了燃烧室内的高温、富氧状况,在另一方面抑制了NO x 的生成;而甲醇含量介于两者之间的M 10,强化高温、富氧的趋势明显,造成NO x 排放相对较高。
基于上述情况,采用M15甲醇汽油较佳。
图1 3种甲醇汽油相对汽油的排放对比2.2 不同配方M15甲醇汽油对发动机排放的影响图2为3种不同配方M 15甲醇汽油的相对排放对比。
由图2可见,这3种甲醇汽油都能有效降低H C 、CO 和NO x 排放,从数据趋势综合评估可知,M 15-1#燃料的综合效果较好。
这是由于几种配方中的添加剂种类和数量差异造成的,甲醇汽油中通常为解决分层问题而添加了低碳醇类物质,为抑制甲醇对金属件的腐蚀添加少量的腐蚀抑制剂,这两类物质均对发动机的常规排放产生一定的影响。
通常低碳醇类物质含量越高,产生的H C 就越多,对发动机的润滑损害也越严重。
因此,配制甲醇汽油时,在满足助溶要求的前提下,应尽量减小添加剂的比例。
图2 3种M 15甲醇汽油相对排放对比#28#2009年第3期内 燃 机 工 程2.3 调整喷油量后的M15-1#甲醇汽油机的排放图3为原机、M 15-1#甲醇汽油和调整了喷油脉宽的M 15-1#甲醇汽油的排放对比。
M15-1#甲醇汽油的低热值比汽油低7%,导致发动机动力性下降。
为解决这个问题,试验中调整了喷油脉宽以增加喷油量,改变总热值低的情况,恢复发动机动力性。
在增加喷油脉宽后,相同工况点的H C 和CO 排放均比调整前有所提高。
这是因为原机在外特性上各工况点的空燃比基本控制在0.86~0.93之间,过量的燃油必然导致燃烧不完全,H C 和CO 排放增加。
而使用M15-1#甲醇汽油时,在相同的工况点上空燃比约增加0.03左右,空燃比的变化使可燃混合气中的含氧量增加,而且甲醇燃料本身也含50%的氧,必然使燃烧更完全,使H C 和CO排放下降;而增加喷油脉宽后,发动机的空燃比基本恢复到原机水平,燃料燃烧不完全的趋势增加,H C 和CO 排放水平相对上升。
图3 M 15-1#甲醇汽油与原机排放对比2.4 M15-1#甲醇燃料对整车排放的影响表3为整车道路耐久试验过程中不同行驶里程的整车排放检测数据。
这些数据表明使用M 15-1#甲醇汽油作为燃料的桑塔纳3000型轿车的排放达到国-Ó排放标准,而且在行驶到6万km 时仍能达到该标准。
当行驶到10万km 时,整车排放中的TH C+NO x 已经接近限值,CO 已经超标。
而使用汽油作为燃料的整车完成10万km 道路耐久试验后,常规排放物仅达到限值的70%左右。
该情况说明使用M 15-1#甲醇汽油后,发动机的燃烧状况恶化,三元催化转化器的老化加剧。
为确定具体因素,整车更换新三元催化系统后再进行整车排放检测,结果表明整车排放状况良好。
这说明发动机的燃烧状况正常,导致排放超标的原因是三元催化转化器的老化。
也就是说,使用M 15-1#甲醇汽油,在一定程度上使三元催化转化器的老化速度加快。
原因是在相同工况下燃用M 15-1#甲醇汽油的排气温度比汽油高,尤其在高速段比较明显。
按照SWP 规范进行的整车耐久道路试验,高速工况所占比重较大,发动机热负荷高,排气经常处于高温状态。
因此燃用M 15-1#甲醇汽油,相应的排气温度会更高,使三元催化转化器的老化加剧。
表3 整车道路耐久试验排放g /kmHCCO NO x 国-Ó排放限值012001300115磨合后0111110101086万km 01120118010910万km 011921250115更新催化器0110110101083 结论(1)在不调整除喷油量以外的标定参数的情况下,使用M 15甲醇汽油可有效降低汽车尾气常规排放物中CO 和H C 的排放,NO x 排放水平基本与原机相当。