, 姚春德1
, 吴涛阳1, 王辉1, 李壮壮1, 闫俊杰21. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072;
2. 丰田汽车研发中心(中国)有限公司北京分公司, 北京 100020
收稿日期: 2019-06-25; 修回日期: 2019-09-14; 录用日期: 2019-09-14
基金项目: 国家自然科学基金重点项目（No.51676134）
作者简介: 瞿国凡(1994-), 男, E-mail:936576321@qq.com
通讯作者（责任作者）: 姚春德, E-mail:arcdyao@tju.edu.cn
摘要：在一台满足国Ⅴ排放标准的双喷射（气口喷射+缸内直喷）汽油机上开展了燃用E10乙醇汽油（乙醇体积比为10%）对发动机非常规排放特性影响的试验研究.使用傅里叶变换红外分析仪（FTIR）测量了饱和烃、不饱和烃、芳香烃及醇、醛等非常规污染物排放量，对比分析了双喷射模式时各工况下E0和E10两种燃料的非常规排放水平.结果表明，双喷射模式下，加入乙醇有效降低了乙烯、1，3-丁二烯、苯和甲苯的排放量，但会导致乙醛排放升高.双喷射模式下，随着负荷增加，两种燃料下的1，3-丁二烯和甲苯排放呈现先升高后降低的趋势，乙烯、甲醛和苯排放则先降低后升高.乙醇能抑制1，3-丁二烯、乙烯生成，抑制效果为PFI模式优于双喷射模式，GDI模式抑制量最低.PFI和GDI模式下E10的甲醛排放均显著升高，但双喷射模式有效抑制了甲醛排放的增加.
关键词：双喷射汽油机乙醇汽油非常规排放特性
Comparative experiment research on unregulated exhaust emission characteristics of alcohol-gasoline and gasoline
QU Guofan1
, YAO Chunde1, WU Taoyang1, WANG Hui1, LI Zhuangzhuang1, YAN Junjie21. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072;
2. Toyota Motor Engineering & Manufacturing(China) Co., Ltd. Beijing Branch, Beijing 100020
Received 25 June 2019; received in revised from 14 September 2019; accepted 14 September 2019
Abstract: Basing on the dual-injection system engine which had achieved China V emission standard,investigations on unregulated exhaust emission characteristics of the engine fueled with ethanol-gasoline(contains 10% by volume of ethanol,E10) are carried out. By using Fourier Transform Infrared (FTIR),the unregulated emission characteristics of alkanes,olefin,aldehydes,alcohol and aromatics was studied under different injection strategies comprehensively. Comparative experiment research on unregulated exhaust emission characteristics of alcohol-gasoline and gasoline are carried out. The results show that,in PFI+GDI mode,the addition of ethanol can effectively reduce the emissions of ethylene,1,3-butadiene,benzene and toluene,but it lead to an increase in acetaldehyde emissions. With the increase of load,1,3-butadiene and toluene emissions increase at first and then decrease,while ethylene,formaldehyde and benzene emissions decrease at first and then increase. Ethanol inhibits the emission of 1,3-butadiene and ethylene,and the inhibition effect in PFI mode is better than PFI+GDI mode,the GDI mode has the lowest inhibition. The formaldehyde emission of E10 is significantly increased,but the PFI+GDI mode effectively reduce the increase of formaldehyde emission.
Keywords: dual-injection system engineethanol gasolineunregulatedexhaust emission characteristics
1 引言(Introduction)推广乙醇燃料是我国发展替代能源、降低石油依存度、改善环境的重要举措.自21世纪初我国开展在汽油中加入10%的乙醇实施酒精汽油的政策以来, 2017年又由15个部委联合发文要在2020年实现乙醇汽油在全国的覆盖, 具体工作已在多个省市展开(瞿国华, 2019;姚春德, 2019), 其中, 天津于2018年全面推广E10汽油的使用.乙醇是一种可再生能源, 且醇+油模式兼具高性能、低排放等优点, 因而被国内外****广泛研究和应用.同时, 乙醇属低碳醇, 其优越的燃烧特性(Zhang et al., 2009), 以及辛烷值高、含氧量高、来源广、可再生等优势, 使其在内燃机上有着广阔的应用前景(Hao et al., 2017;瞿国华, 2019).但大量研究表明, 在发动机上燃用醇油二元燃料时, 虽然燃油消耗率和排放物中的THC、CO、NOx及颗粒等成分均有所降低(王春杰等, 2004;刘圣华等, 2006), 但未燃醇醛等非常规排放量出现升高趋势(张凡等, 2013).
为了提高汽油机的燃烧效率, 缸内直喷(GDI)已成为当前的一种发展趋势.但GDI发动机往往会生成较多的颗粒物, 导致其颗粒物排放在数量和质量上都较PFI发动机排放的多, 且颗粒物粒径小, 危害更大(方铁钢等, 2017).气口喷射(PFI)的燃烧效率一般低于缸内直喷(GDI), 但PFI发动机的颗粒排放量通常低于GDI发动机.因此, 将两者结合形成的双喷射系统即GDI+PFI模式, 旨在结合二者的优点, 同时降低颗粒物及NOx、THC和CO的排放.范明强等(2018)采用GDI+PFI组合喷射方式, 配以可变气门升程、可变进气歧管等先进技术, 使其排放指标符合欧六法规要求, 在保证油耗及低排放的同时极大地提升了发动机的功率.Daniel等(2012)对比分析了缸内直喷混合燃料和双喷射同比例燃料时的微粒排放性能, 发现与GDI模式相比, 双喷射模式会增加核膜态微粒排放, 但微粒的质量和粒径会降低.
双燃料系统下的双喷射发动机能够有效降低常规排放, 但对于双喷射汽油机燃用醇类二元燃料的非常规排放问题, 国内外****尚未深入研究, 对于不同喷射模式下的乙醇汽油燃料非常规排放的全面研究也未见报道.这些微量的非常规挥发性气体对环境及人类健康具有不可忽视的危害(刘胜学等, 2007;孙维生, 2002;王林等, 2003), 且这些问题必然会随着醇类燃料的大规模推广而变得更加严峻.相对于常规排放限值而言, 在掺醇发动机上的非常规排放污染物已经不容忽视, 这些因素在一定程度上也制约着掺醇燃料的推广(Zhang et al., 2013).本研究基于FTIR设备, 以E10汽油作为燃料, 研究固定工况(1500 r·min-1, 60 Nm)时不同喷射模式(PFI、GDI、PFI+GDI)下的排放特性, 以及双喷射模式(PFI+GDI)下不同负荷的排放特性, 测量的排放污染物包括饱和烷烃、不饱和烯烃、芳香烃及醇、醛等, 旨在深入了解乙醇汽油双喷汽油机的非常规排放特性, 以期为将来制定燃醇发动机非常规排放法规提供一定的依据.
2 实验装置与方法(Experiment and methods)试验所用发动机型号为Toyota D-4S 6AR-FSE, 是一台排量为2.0 L的自然吸气四缸双喷射系统汽油机, 试验中未对原机喷射策略做任何修改, 其主要参数如表 1所示.该发动机在缸盖处和进气歧管壁上各装有一个喷嘴, 由ECU控制喷油策略, 实现混合气浓度及分层控制, 由此控制喷射模式的转变, 兼具经济性和抑制爆震效果.实验发动机台架系统如图 1所示, 该发动机原机可满足国Ⅴ排放法规要求.实验使用了奕科机电技术有限公司生产的测控系统和测功机, 可实现对发动机工况的实时监测与控制.非常规排放的实时测量由傅里叶变换红外分析仪(FTIR)完成, 型号为Horiba MEXA-6000 FT, 其原理是根据Lambert-Beer定律中吸光率和气体浓度的关系, 通过吸收光谱来确定不同气体组分的浓度.其测量范围与精度如表 2所示, 在TWC前采样, 频率为1 Hz, 在发动机工况稳定后10 s开始数据采集与记录工作, 30 s后完成测量, 并取平均值.本次实验所用燃料为E10汽油及E0标准油, 所用燃油参数如表 3所示.
表 1(Table 1)
| 表 1 实验发动机主要性能参数 Table 1 Technical parameters of engine | ||||||||||||||||||
表 1 实验发动机主要性能参数 Table 1 Technical parameters of engine
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图 1(Fig. 1)
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| 图 1 双喷射汽油机台架系统示意图 (1.测控系统；2.主控电脑；3.燃烧分析仪；4.电荷放大器；5.进气压力传感器；6.限压阀；7.甲醇泵；8.甲醇油耗仪；9.甲醇滤清器；10.甲醇箱；11.空气滤清器；12.进气温度传感器；13. EGR冷却器；14. EGR阀；15.排气温度传感器；16. TWC；17. Horiba MEXA- 6000 FT；18.火花塞；19.水力测功机；20.缸内直喷喷油器；21.歧管喷油器) Fig. 1Schematic of experimental setup |
表 2(Table 2)
| 表 2 FTIR测量范围及精度 Table 2 Unregulated emission species, range and accuracy for FTIR | ||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 FTIR测量范围及精度 Table 2 Unregulated emission species, range and accuracy for FTIR
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表 3(Table 3)
| 表 3 试验用基准汽油(E0)和乙醇汽油(E10)的物理参数 Table 3 Parameters of E0 and E10 in test | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 试验用基准汽油(E0)和乙醇汽油(E10)的物理参数 Table 3 Parameters of E0 and E10 in test
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为研究不同工喷射策略下乙醇对发动机非常规排放的影响, 将实验分为两部分：第一部分探究E0和E10两种燃料在3种不同喷射策略下的非常规排放特性.水温是控制发动机喷射模式的关键, 发动机根据冷却水温确定喷射模式.对固定工况1500 r·min-1、60 Nm而言, 在冷却水温为60 ℃时应用PFI模式, 水温在85 ℃时应用PFI+GDI模式, 在95 ℃时应用GDI模式, 试验中双喷射策略时直喷比例约为50%.第二部分探究双喷射模式下不同负荷时的非常规排放特性.选取高速公路工况对应的3000 r·min-1转速下5个负荷(BMEP=0.19、0.38、0.57、0.75、0.94 MPa), 具体工况点如表 4所示.使用E10汽油前需要将油箱及管路中的燃油清除, 启动后待发动机稳定运行15 min后开始试验与数据记录, 以消除管路中残存的燃料.
表 4(Table 4)
| 表 4 实验工况点 Table 4 Test conditions of research | ||||||||||||||||||||||||||||||
表 4 实验工况点 Table 4 Test conditions of research
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3 结果与分析(Results and discussion)3.1 不同喷射模式下的非常规污染物排放特性图 2展示了基准汽油(E0)与乙醇汽油(E10)在3种不同喷射模式下, 1500 r·min-1、60 Nm工况时9种非常规排放物(饱和烷烃C2H6、C3H8, 不饱和烯烃C2H4、1, 3-C4H6, 醇醛CH3OH、HCHO、CH3CHO, 芳香烃C6H6、C7H8)的排放水平.从图 2可以看出, 3种模式下, 与基准汽油相比, 10%体积乙醇的加入均导致除甲醛、乙醛和乙烷外其余6种污染物排放量的降低.其中, PFI模式下, 甲苯和丙烷排放量分别从335、153 ppm降低至260、128 ppm, 乙烯和1, 3-丁二烯排放量分别从76、20 ppm降低至56、8 ppm；甲醛排放激增, 由近零排放增加至60 ppm.GDI模式下, 甲苯和丙烷排放量降低同样显著, 分别从267、128 ppm降低至195、101 ppm, 分别降低了26.9%和20.6%；甲醛排放同样激增, 但增加幅度弱于PFI模式.双喷射模式下, 甲苯和丙烷排放分别降低了9.9%和7.1%, 乙烷排放量由47 ppm上升至58 ppm；甲醛排放依然有所增加, 但增加幅度较小.与基准汽油相比, 3种模式下E10汽油的污染物排放水平整体下降可以归结为乙醇氧含量高, 蒸发潜热大, 喷入的乙醇降低了混合气温度, 使得充量系数增加, 燃料燃烧更加充分, 排放普遍降低.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 不同模式下E0和E10的非常规排放 Fig. 2Unregulated emission of E0 and E10 under three different strategy |
3种模式下加入乙醇均导致烯烃排放下降, 但GDI模式下1, 3-丁二烯和乙烯排放量的降低效应弱于PFI模式, 乙醇在PFI模式下抑制烯烃生成的效果优于GDI模式.分析认为, 因为1, 3-丁二烯一般容易产生于空燃比较大的区域, 高温和高压有利于促进其氧化(Takada et al., 2003)；而在燃用汽油的PFI模式中, 水温较低, 生成的1, 3-丁二烯不能及时氧化, 因而排放高于GDI模式；添加乙醇后, PFI模式相较于GDI模式, 由于乙醇蒸发潜热大, 降低了进气歧管中混合气温度, 使得充量系数增加, 缸内空燃比增大, 但同样, 氧气增多使得燃烧更加充分, 更高的温度氧化了生成的1, 3-丁二烯, 因而排放大大减少, 其排放低于GDI模式.而3种模式下甲醛排放均显著增加, 乙醛排放略有增加, 也是由于乙醇的加入.一般认为, 甲醛主要生成于缸内和排气管路中HC氧化过程(栾天, 2011), 乙醇加入会降低混合气温度, 从而使局部未燃HC增多, 前驱物增多使得甲醛含量增加, 加之排气温度较低, 而排气温度不足以氧化甲醛, 因而排放大大增加.PFI模式下因乙醇的加入而增加的甲醛排放量最多, GDI模式次之, 双喷射模式增加量最少, 双喷射模式能够抑制E10汽油甲醛排放的增加.
与PFI模式相比, GDI模式整体有更低的排放量, 分析认为, 较低水温下的进气歧管喷射导致了燃油雾化效果不佳, 而缸内直喷模式可以有效提高燃油雾化效果, 使得燃烧更加完全；此外, 冷却水温也从65 ℃提高到95 ℃, 同样也促进了缸内燃料的雾化效果, 促进燃烧更加完全, 因而排放出现整体降低趋势.
对于基准汽油而言, 双喷射模式下1, 3-丁二烯、乙烯、乙醛、丙烷和甲苯排放量介于PFI模式和GDI模式之间, 随着乙醇的加入, 1, 3-丁二烯、乙烯和甲苯的排放量依然介于PFI模式和GDI模式之间, 而乙醛和丙烷的排放量则高于PFI模式和GDI模式.乙醇抑制PFI和GDI模式下甲苯、苯、丙烷排放的效果要优于双喷射模式, E0在双喷射模式下的苯排放低于PFI模式和GDI模式, 而双喷射模式下E10的苯排放高于PFI模式和GDI模式.
3.2 双喷射模式下运行工况对非常规排放的影响3.2.1 1, 3-丁二烯、乙烯排放量图 3展示了双喷射模式下不同工况时乙烯、1, 3-丁二烯的排放情况.可以看出, 乙醇的加入使得1, 3-丁二烯的排放量降低.根据Hajbadei(2013)的研究, 1, 3-丁二烯主要来自于燃油中的烯烃, 而乙醇的加入减少了汽油的绝对量, 从而减少了烯烃的量值, 导致1, 3丁二烯排放的降低, 这也证实了Agarwal等(2015)的研究：对于不同燃料相同质量的能量输出, 乙醇可提供更多的氧, 提高了氧化燃烧的程度, 汽油中添加乙醇会降低1, 3-丁二烯的排放.随着负荷的增加, E0和E10燃油的1, 3-C4H6排放整体呈现下降的趋势, 由60 Nm时的23和15 ppm分别下降到150 Nm时的17和9 ppm；在冷却水温85 ℃、60 Nm负荷、3000 r·min-1转速下排放达到较大值(23 ppm和15 ppm), 随着负荷增大、转速降低, 其排放量随之降低, 当转速降低到1000 r·min-1时排放出现上升的现象.分析认为, 低温条件下容易生成1, 3-C4H6(Takada et al., 2003), 负荷增加, 缸内温度上升, 1, 3-C4H6氧化速率提高, 同时高温抑制了1, 3-C4H6的生成, 使得1, 3-C4H6呈现出先升高后降低的趋势；转速为1000 r·min-1时, 1, 3-C4H6排放较高, 这是因为转速过低导致缸内温度过低, 使得1, 3-C4H6生成容易；当转速增加, 缸内温度上升, 1, 3-C4H6生成困难, 但循环时间缩短, 使得1, 3-C4H6在缸内停留时间减少, 反应时间相对减少(Takada et al., 2003), 氧化不充分, 使得1, 3-C4H6排放随着转速的增加而增加.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 运行工况对乙烯、1, 3-丁二烯排放的影响 Fig. 3Emission characteristics of ethylene and 1, 3-butadiene |
乙烯的排放水平较高, 在30 Nm、3000 r·min-1时分别达到123 ppm和116 ppm(60 Nm)；随着负荷的提高, 乙烯排放出现下降趋势, 90 Nm时达到最低值(80 ppm和67 ppm)；当负荷进一步提高, 排放水平上升, 变为112 ppm和115 ppm(150 Nm)；转速降低, 乙烯排放随之下降, 变为68 ppm和61 ppm(1500 r·min-1).分析认为, 在燃烧过程中, 汽油中高碳分子离解出低碳分子, 在有乙醇存在的情况下这些低碳分子被氧化, 从而导致乙烯排放的降低(Agarwal et al., 2015).
3.2.2 甲醛、乙醛非常规排放图 4展示了双喷射模式下不同工况时甲醛和乙醛的排放情况.可以看出, 随着负荷增加(60~150 Nm)、转速的提高, 甲醛排放整体呈上升的趋势, 但在30 Nm小负荷时, 甲醛排放较高, 分别达到了64 ppm和53 ppm.分析认为, 甲醛的生成主要在未燃碳氢氧化过程中(栾天, 2011), 乙醇比碳氢更容易氧化(Abian et al., 2008), 竞争作用导致乙醇汽油的甲醛排放略低于纯汽油.负荷的增加使混合气加浓, 氧浓度降低, 燃烧不充分, HC排放增加, 因而甲醛排放呈上升趋势.在小负荷时, 缸内温度较低, 壁面淬熄作用使得未燃HC数量增多, 甲醛排放也增高；转速提高, 循环时间减少, 前期生成的甲醛不能被氧化, 使得甲醛排放出现增高现象.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 甲醛、乙醛排放特性 Fig. 4Emission characteristics of formaldehyde and acetaldehyde |
E10的乙醛排放高于E0, 这与Schifter等(2011)和Karavalakis等(2012)的研究一致, 汽油添加醇类燃料会导致更高的乙醛排放.当负荷上升时, 乙醛排放基本保持在34 ppm和45 ppm, 在150 Nm大负荷时出现下降趋势；转速的上升没有引起乙醛排放的明显变化, 保持在36 ppm和43 ppm左右.分析认为, 乙醇的不完全氧化对生成乙醛的贡献大于汽油燃烧产生的中间产物乙醛的贡献(何邦全等, 2002;董素荣等, 2006;祁东辉等, 2006), 乙醇的加入因此导致了乙醛排放的上升；乙醛主要在低温低氧环境中生成, 因为低温低氧环境抑制了乙醛的氧化消耗过程(Yanowitz et al., 2013), 在中小负荷, 乙醛变化较小是因为燃料消耗量的增加和燃烧温度的升高产生的影响相互抵消, 而在大负荷条件下, 温度升高将前期生成的乙醛氧化, 导致排放量出现下降.
3.2.3 苯、甲苯非常规排放图 5展示了双喷射下不同工况时苯和甲苯的排放情况.可以看出, E0的苯和甲苯排放高于E10, 添加乙醇导致苯和甲苯排放的降低.有研究表明, 苯和甲苯的产生主要来源于未完全燃烧的燃油分子的预合成和结构重组(Correa et al., 2006), 而基础燃油中的不饱和烃是芳香烃的前驱体(Inal et al., 2002;Zhao et al., 2011), 乙醇的加入降低了燃油中的不饱和烃成分, 从而减少了苯及甲苯的排放.此外, 因为醇自身含氧, 醇的加入对于多数芳香烃有明显的抑制作用(Gerasimov et al., 2012;许汉君, 2012).
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 苯、甲苯排放特性 Fig. 5Emission characteristics of benzene and toluene |
苯排放保持在较低水平, 各负荷、转速下均未超过25 ppm；负荷增加, 苯排放呈现出先降低后增加的趋势, 中等负荷下(90 Nm), 苯排放较低, 分别只有11 ppm和5 ppm；在60 Nm扭矩下, 最大排放值不超过10 ppm；转速变化对苯的排放影响不大, 变化幅度在5 ppm以内.分析认为, 这是由于苯的氧化与生成共同作用下的结果：小负荷下, 由于缸内温度较低, 使得燃料燃烧不完全；而大负荷时, 缸内混合气变浓, 氧浓度变低, 使得燃烧不充分, 芳香烃前驱物生成较多, 使得苯排放物的生成量增多.
甲苯排放则明显高于其他排放物, 排放值甚至超过250 ppm和220 ppm(90 Nm)；随着负荷的增加甲苯排放呈现先增加后降低的趋势, 由173 ppm和131 ppm(30 Nm)分别增加到257 ppm和221 ppm(90 Nm), 接着又降低到137 ppm和59 ppm(150 Nm)；随着转速增加, 甲苯的排放下降, 由295 ppm和253 ppm(1000 r·min-1)分别降低到241 ppm和221 ppm(3000 r·min-1).分析认为, 负荷增加导致乙醇汽油混合气质量的增加, 使得芳香烃前驱物绝对值增加, 继而导致甲苯排放物增加；当缸内温度继续上升, 燃料中芳烃化合物裂解, 已生成的甲苯开始氧化, 使得甲苯排放降低；转速增加导致缸内温度上升, 使得生成的甲苯被氧化, 因而甲苯排放随转速的增加呈下降的趋势.
4 结论(Conclusions)1) 乙醇能够抑制3种工作模式的1, 3-丁二烯和乙烯生成, 在PFI模式下抑制烯烃生成的效果优于双喷射模式, GDI模式的抑制量最低；E10的乙烯和1, 3-丁二烯排放量在PFI模式下最低, 双喷射模式次之, GDI模式最高.
2) PFI、GDI和双喷射3种工作模式下, 加入乙醇可以降低除醛以外的非常规污染物排放量, 其中, 对甲苯、丙烷、乙烯、1, 3-丁二烯排放的降低较为显著；乙醇的加入使甲醛排放量显著升高, 但双喷射模式能够有效抑制甲醛排放的增加, 其增加量最低；乙醇的加入使3种模式下乙醛排放略有增加.
3) 双喷射模式下E0的1, 3-丁二烯、乙醛、乙烯、丙烷和甲苯非常规排放处于GDI模式与PFI模式之间, 加入乙醇会导致双喷射模式下乙醛和丙烷排放高于PFI模式和GDI模式.
4) 双喷射模式下, 加入乙醇能有效降低乙烯、1, 3-丁二烯、苯和甲苯的排放量, 但会导致乙醛排放升高.随着负荷的增加, E10的非常规排放物1, 3-丁二烯和甲苯排放呈现出先升高后降低的趋势, 乙烯、甲醛和苯排放则先降低后升高, 乙醛排放在中小负荷下变化较小, 在大负荷时, 乙醛排放大幅下降.
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