小型发动机燃用汽油、乙醇和LPG燃料的排放对比

第9卷第3期燃烧科学与技术Vol 9 No. 32003年6月Journal of Combustion Science and TechnologyJun.2003小型发动机燃用汽油、乙醇和LPG燃料的排放对比邓宝清,李理光2,刘巽俊3,刘志敏,王惠萍〔1.吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室,长春130025;2.上海交通大学机械与动力工程学院,上海2000;3.吉林大学汽车工程学院,长春130025)摘要对125mL发动杋燃用汽油、乙醇和液化石油气LPG)时的过量空气系数和点火提前角与排放性能之间的关系进行了试验研究指岀了影响这三种燃料发动机排放性能的敏感参数的合理取值范围.通过对比试验验证了发动机燃烧乙醇可降低NO,排放浓度发动机燃烧LPG时低HC排放的空燃比范围比其它两种发动机空燃比范围广.研究结果可为小型汽油、乙醇和LPG发动机参数匹配提供参考关键词乙醇发动机;汽油机;液化石油气发动机;排放中图分类号TK417文献标识码:A文章编号:00687402003)030247-04Exhaust Emissions from a Small Engine Using Gasoline, Ethanol and LPGIngLIU Xun-jun', LIU Zhi-min, WANG H(1. Key Laboratory of Terrain-Machinery Bionics Engineering of Ministry of Education Jilin University Changchun130025 China 2, College of Machinery and Power Engineering, Shanghai Jiaotong Universityanghai 200030 China 3. College of Automobile Engineering Jilin University Changchun 130025 ChinaAbstract Effects of excess air ratio and ignition timing 0 on CO HC and NO, emissions from a 125 mL engine fueledith gasoline ethanol and liquefied petroleum gas( LPG )were studied experimentally. It is proved that ethanol engineemits less No, thanequivalent gasoline and LPG engine LPG engine emits less HC than equivalent gasoline and ethanolengine. Relatively optimal ranges of g and 0 to lower emissions from gasoline ethanol and LPG engines were proposedwhich is useful to their parameter matching and controlKeywords ethanol engine gasoline engine LPG engine exhaust emission环境保护是当今世界各国普遍关注的重要问题.发动机的有害排放物是大气的主要污染源之一尤其1试验方法与仪器设备是在发达国家和交通发达地区这种危害更为突出燃烧清洁燃料是降低排放的有效方法1.其中试验用发动机是125mL、单缸、四冲程、风冷、气汽油杋改烧醇类燃料和LG是有效措施之—特别是道喷射汽油杋未进行尾气后处理.燃烧乙醇时只将燃烧醇类燃料对降低No更汋显著.电控喷射系统能汽油换成乙醇即可κ燃烧LG时,燃料供给系统是由精确地控制空燃比和点火定时,有效地改善发动机的自行开发的等比例混合器、贮气钢瓶和蒸发调压器动力、经济与排放性能23].本文对电控喷射汽油机、组成汽油机技术参数排量124mL行程49.5mm;乙醇发动机和混合器式LPG发动机的排放性能4进汽缸直径56.5mm压缩比为9最大功率6kW(8500行了对比研究为这三种发动机的参数匹配提供参考.r/min中国煤化工0r/min)试验用测功机是1CNMHG仪是广东佛山生产的日期2002-12-02基金项目国家重大基础研究前期专项资助项目(2002CCA01200)国家技术创新项目国经贸技1998)45号]国家自然科学基金重点资助196-—)男博士讲师dengbaoqingt@2lcn.com.248燃烧科学与技术第9卷第3期FGA4015五气体成分分析仪过量空气系数是利用燃机MBT为40°CA料的分子式和排放物浓度计算的实际过量空气系数而不是仪器的指示值.试验中汽油和乙醇的喷射量汽油,全负荷点火定时的控制是利用自行开发的在线测控系统通汽油,5负荷过计算机输入控制信号完成的燃烧LPG时点火定醇,sP负荷时由在线测控系统控制燃料流量则通过混合器和节G.全负荷1KG.5负流阀控制在线测控系统可分为测量和控制两部分.测量部众三二分通过测量电路测量发动机的转速、曲轴转角、气缸n=70010xm白温度、节气门开度、喷油脉宽和点火角等这些信号是160718911113141516作为判定发动机状态和对发动机进行控制的依据.控制部分是将测得的喷油脉宽和点火角等信号通过适当图1HC排放与过量空气系数的关系的放大、缩小、提前或延迟等处理发送给下位机通过控制电路发送给喷油器和点火线圈以达到对发动机的在线控制6700tmn(全负荷)2试验结果及分析2.1HC排放三三汽油,中8◆乙醇,“08图1是三种燃料发动机不同负荷下最佳点火角乙醇,中115晋[G请“9MBI指在一定条件下使转矩最大的最小点火提前角)时的HC排放体积分数随过量空气系数φ的变化曲线由图1中可以看出当φ在1~1.3之间时三图2HC排放与点火提前角的关系种发动机的HC排放都比较低并且变化量不大.这是分析对比可见从控制HC角度看燃用LPG具有因为燃料与空气混合比适当火焰传播比较稳定,可以使混合气完全燃烧因此HC排放低.当0.85≤Φ。<优势汽油机最差.仅从降低HC排放考虑燃用乙醇与燃用汽油没有明显差别.减小点火提前角都可以降1时LPG发动机HC排放最低乙醇发动机次之汽油机最差.Φ。<0.85时,三种发动机都由于混合气过低三种燃料发动机的HC排放2.2CO排放浓,部分燃料未燃烧而直接排入大气导致HC排放图3是三种燃料发动机CO排放体积分数与过量恶化并出现随φ进一步降低HC排放恶化加速的现象.当φ>1.3时三种发动机的HC排放上升速率很空气系数Φ。的变化曲线.从图3可见在浓混合气时快这是由于混合气过稀燃烧不稳定和失火率增加所三种燃料的CO排放浓度都很大并随混合气浓度的增加CO排放浓度呈线性增加这主要是因为缺氧不LPG燃料低比C排放的空燃比范围比其它两种燃料要完全燃烧造成的,试验表明0的排放浓度与关系宽Φ在0.7~1.4之间都能稳定燃烧图2是三种燃料发动机的HC排放体积分数随点可以看出:相同过量空气系数时,乙醇发动机负荷减火提前角的变化曲线由图2中可以看出随着θ的小CO排放略有提高但幅度不大相同发动机负荷减小不论什么燃料也不论大小发动机的HC排时在浓混合气区过量空气系数相同时乙醇燃料的升高燃不完全的料在排气管中提击氧化反2放都降低这是因为推迟点火使燃烧拖后排气温度中国煤化工追混合气的加浓其差CNMHG0.8时浓度差达应降低了HC排放浓度.小于MBT以后汽油机HC下这是由群定名氧‰科混合气的加浓燃料中的氧对于将CO转化为CO2的贡献率增大的缘故.因降速度最快在理论空燃比70ymi全负荷时汽油机此只要控制中,>1三种燃料发动机都会获得较低MBT为345克数据醇发动机MBT为37° CA LPG发动的CO排放特性在浓混合气区乙醇燃料具有相对较2003年6月邓宝清等小型发动机燃用汽油、乙醇和LPG燃料的排放对比249低的CO排放特性所以燃烧最高温度大幅度下降NO.排放明显降低.从图中还可以看出,对于最高NO.排放对应的φ。值日·汽油,全负荷LPG最大汽油次之乙醇最小LFG,全负荷乙醇全负荷汽油,全负荷乙醇,506负荷汽油,50。负荷醇,全负荷乙醇,50负留x·LFG.全荷50°负荷n-7 oonr/ min图3CO排放与过量空气系数的关系“其07080910111:13141516171819图4是三种燃料发动机在不同混合气浓度下的CO排放体积分数随点火提前角θ的变化曲线.由图可图5NO2排放与过量空气系数Φ的关系见无论混合气浓度如何燃烧哪种燃料CO的排放浓图6是三种燃料发动机不同混合气浓度下的NO度变化不大說明点火定时对CO的排放浓度影响较排放体积分数随点火提前角的变化曲线从图中可小因此混合气浓度是影响CO浓度的关键因素,只以看出三种燃料无论混合气是浓还是稀减小点火提要控制中。>1,三种燃料的发动机都会获得优良的前角都会降低NO,的排放原因是点火提前角减小使CO排放性能得气缸内最高燃烧温度下降从而降低了NO.的排放.从控制NO,排放角度上看LPG发动机应当使φ不在0.9~1.2范围内汽油机不在0.9~1.15范围内而对乙醇发动机此范围可缩小到0.95~1.057ot/min全负荷7000r/min(全负荷)乙醇,中“日8一汽油,中=0871BG.:095乙醇,=097乙醇,中“95430354045505560nCA亡乙醇,垂“1汽油,=7图4CO排放与点火提前角的关系LBG.●,=0972.3NO.排放图5是三种燃料发动机在不同负荷下最佳点火提前角时的NO,排放体积分数与可燃混合气过量空气系图6NO.排放与点火提前的关系数Φ的关系由图可见④在1~1.2时是三种燃料2.4动力性NO.高排放区.相比之下LPG发动机的NO.排放最高图7为三种燃料发动机全负荷转矩变化率随过汽油机次之乙醇发动机最低.其原因是LPG是经过量空气系数Φ的变化曲线由图可见汽油机最大转调压蒸发器气化后的气体因此进气终了温度最高再矩出现在Φ=0.85附近PG和乙醇发动机最大转加上最佳点火提前角大燃烧最高温度高故NO排放矩出现在φ=0.95附近.随着φ的加大汽油机转最高以汽油和乙醇为液体,喷射到进气门口气化吸矩的下降比PG和乙醇发动机转矩下降得快即汽油热使得进气终了温度降低燃烧最高温度降低故NO,发动中国煤化工比其它两种燃料发动机排放下降而且乙醇发动机全负荷的NO排放浓度比更强烈CNMHG降率的条件下LPG和汽油机5σ负荷的NO,排放浓度还低这是因为乙醇乙醇发动机能比汽油杋燃烧更稀的混合气也就是说的气化澘热是汽油的4倍多3加上因理论空燃比不在同样的空燃比变动率下JPG和乙醇发动机的转矩同同样进气量条件下达到同样Φ时乙醇的喷入燃变动量比汽油机小运转更稳定料量比汽夢左右致使进气终了温度下降更多图8为三种燃料发动机全负荷转矩变化率随点250燃烧科学与技术第9卷第3期火提前角θ的变化曲线.由图可见三种发动机的转矩随追点火提前角的变化规律一致在大θ区汽油机转矩3结论对θ最敏感JPG发动机转矩对θ相对迟钝.为维持发动机的动力性点火提前角不宜偏离MBT过远1)过量空气系数φ是影响三种燃料发动机排放性能的敏感参数通过对φ的合理控制能够实现对有害排放物的控制出么仁一2)点火提前角θ对三种燃料发动机的HC和NO口汽油,全负荷◆乙醇,全负何排放性能有明显影响但对CO排放影响很小▲LB.全负荷3)在当今的技术条件下LPG车与汽油车最具竞争力3但是乙醇发动机具有优越的低NO.排放性能=7000t/mn将是未来更严格排放法规下的首选燃料.4)LPG发动机稳定燃烧空燃比范围宽对于降低HC排放和对发动机空燃比的控制有利图7转矩变化率与过量空气系数的关系参考文献[1]邓宝清李理光王惠萍等.混合器式液化石油气小型发动机排放性能研究J]内燃机学报20024)287-2912]陈庆平夏钧.电控喷射技术在摩托车中的应J]浙江水利水电专科学校学报2001132)62-63700r/mm全负荷)[3]黄志甲张旭于桌平等汽车代用燃料发展战略的探试J]中国能源2001831-33一汽油087乙醉,08[4]邓宝清李理光韩永强等.混合器式液化石油气小型发动机性L.0=9能研究J]农业机械学报200233(3)14-1[5]王惠萍邓宝清凤翔等,车用燃气等比例混合罰P]中国专DCA[6]邓宝清刘志敏陈庆海等.电控喷射点燃式发动机信号在线测图8转矩变化率与点火提前角的关系量与控制A]中国内燃机学会測试分会学会论文東C]桂林,中国煤化工CNMHG