葉燕帥，凌華梅，牛彩云，譚艷，李春青

(1.廣西科技大學汽車與交通學院,廣西 柳州 545006;2.廣西機電技師學院,廣西 柳州 545006)

石油資源的匱乏和汽車尾氣污染的日益嚴重，促使乙醇汽油燃料在國內(nèi)外獲得廣泛關注[1-5]。相比乙醇度不低于99．2% 的無水乙醇，乙醇度為95%的含水乙醇在價格上具有顯著的優(yōu)勢。而含水乙醇汽油乳化技術的研究使得含水乙醇汽油的使用成為可能[6]。研究人員對電噴汽油機燃用含水乙醇汽油作了大量的研究，研究表明[7-10]:電噴汽油機改燃含水乙醇汽油后，發(fā)動機的動力性略有下降；燃油消耗率增加 5%～10%，但能耗率會有所改善；CO排放、HC排放均降低，NOx排放在不同研究中有增有減。

在不同的研究文獻中，NOx的變化范圍和趨勢不盡相同，至于造成NOx排放產(chǎn)生差異的主要原因到底是乙醇摻比影響燃燒還是含水乙醇使催化轉化器的轉化效率發(fā)生變化，它們間存在怎樣的影響關系等問題都還不太明確。為探尋含水乙醇汽油對汽油機NOx排放的影響，在1臺四缸電噴發(fā)動機上進行發(fā)動機燃用不同摻比含水乙醇汽油的排放試驗，分析含水乙醇汽油對NOx排放和三元催化轉化器轉化效率的影響。

1 試驗設備與試驗方法

1.1 試驗儀器與燃油

主要試驗設備有CWF250電渦流測功機、FC2210Z油耗儀、AVL4000Light排氣分析儀等，試驗用電噴汽油機的主要參數(shù)見表1。試驗選用的汽油為市售93號汽油，乙醇為體積分數(shù)95%的含水乙醇，應用自主研制的乳化劑以90號汽油為基礎油，按照試驗要求配置性能穩(wěn)定的含水乙醇汽油，含水乙醇和汽油體積比分別為1∶9，2∶8，3∶7，分別記為E10，E20，E30。燃油在-10～40 ℃保持穩(wěn)定不分層。

表1 汽油機主要技術參數(shù)

1.2 試驗臺架與方法

為比較汽油機燃用不同摻比的含水乙醇汽油與93號汽油的性能差異，發(fā)動機臺架試驗過程中不對電控汽油機的結構參數(shù)和控制策略作任何調(diào)整，分別在三元催化轉化器前和催化器后對尾氣進行取樣測試。試驗用測試臺架見圖1。根據(jù)GB 14762—2002《車用點燃式發(fā)動機及裝用點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物限值及測量方法》，選取常用轉速不同負荷工況測定發(fā)動機的常規(guī)排放。

圖1 臺架試驗系統(tǒng)

2 試驗結果與分析

2.1 對怠速排放的影響

圖2示出了發(fā)動機的NOx怠速排放特性，圖中排放值以燃用汽油時催化器前的NOx排放量為100%，使用含水乙醇汽油的排放值為其實際值與使用汽油時排放值的比值。試驗結果表明, 燃用含水乙醇汽油后，NOx排放均得到了改善。隨著含水乙醇摻比的增加，催化器前的NOx排放量降低，與燃用93號汽油相比，燃用E10，E20，E30的NOx排放量分別降低64%，68%，69.5%；經(jīng)過催化轉化器后，燃用E10的NOx排放最低，燃用E20，E30的NOx排放量也低于93號汽油。隨著含水乙醇摻比的增加，催化器對NOx的催化轉化率逐步降低，與93號汽油相比，E10，E20，E30的NOx催化轉化率分別降低19%，24%，34%。

圖2 汽油機NOx怠速排放特性對比

NOx是空氣在燃燒室的高溫條件下，由氮和氧反應所形成的，高溫富氧和高溫持續(xù)時間是生成NOx的重要條件，溫度對于NOx的生成有很大的影響。同時三元催化轉化器催化劑的催化效能也受溫度和尾氣中氧含量的影響。為此，檢測發(fā)動機的排氣溫度并通過氧傳感器檢測過量空氣系數(shù)，對結果進行比較。試驗結果見表2和圖3。隨著含水乙醇摻比的增加，排氣溫度下降，燃用E10，E20，E30的排溫比燃用汽油分別降低5%，8%，10%。隨著乙醇摻比的增加，過量空氣系數(shù)變大。由此可以看出，汽油機在怠速運轉時，其缸內(nèi)溫度較低，乙醇的汽化潛熱高使缸內(nèi)溫度下降，導致排氣溫度下降。因此，隨著含水乙醇摻比的增加，催前NOx排放下降，同時排氣溫度的降低導致催化劑的催化效能下降，催化器對NOx的催化轉化率降低。怠速工況時，發(fā)動機采用開環(huán)控制策略，不根據(jù)過量空氣系數(shù)修正噴油量。在怠速孔開度不變情況下，輸出相同功率時含水乙醇汽油的氧消耗量小，導致實際過量空氣系數(shù)變大，不利于NOx的催化還原。比較燃用E10和93號汽油的過量空氣系數(shù)和排氣溫度，可以看出排氣溫度的影響還是比較明顯的，當然也可能是游離狀態(tài)的氧離子抑制了NOx的還原反應。燃用大摻比的含水乙醇汽油時，由于排氣溫度低、尾氣中的氧含量大，導致三元催化轉化器對NOx排放的催化轉化效率降低。E10含水乙醇汽油的催前NOx排放高，但催化轉化效率高，所以催后的怠速NOx排放量反而比燃用E20和E30的要低。

表2 怠速工況過量空氣系數(shù)

2.2 對多工況排放的影響

在2 000 r/min和3 000 r/min兩個轉速下進行了汽油機燃用不同摻比的含水乙醇汽油與93號汽油的試驗。試驗大部分工況在電控系統(tǒng)閉環(huán)控制策略范圍內(nèi)，發(fā)動機燃用不同燃料時的過量空氣系數(shù)均在1附近，無顯著差異。為便于直觀比較，用平均有效壓力pme表示發(fā)動機負荷。

從圖4和圖5可以看出，與93號汽油相比，汽油機燃用含水乙醇汽油后，催化器前的NOx排放均有變化：在低負荷時，表現(xiàn)出降低NOx排放的效果，E10和E20降低幅度大于E30；中高負荷時，燃用含水乙醇汽油的NOx排放升高，由大到小依次為E20，E30，E10，93號汽油，E20的NOx排放在中高負荷比93號汽油上升6%；大負荷時，E30的NOx排放最高，比93號汽油高7%。催后的排放試驗結果表明：燃用含水乙醇汽油的催化器后NOx排放量要高于93號汽油，在最大負荷工況下，燃用E10，E20，E30催化器后的NOx排放量分別比燃用93號汽油高15%，6%，29%。乙醇摻比對發(fā)動機排氣溫度的影響呈現(xiàn)出小摻比時略有升高，大摻比下降的趨勢，E20的排溫在中低負荷略高于93號汽油。在中低負荷，幾種燃料的NOx催化轉化效率相差不大，E30的催化轉化效率低些。在大負荷時，隨著含水乙醇燃料摻比的增大，NOx催化轉化效率降低；E30的催化轉化率最低，約為93號汽油的92%。兩種轉速下，燃料的NOx排放數(shù)量有差異，但在趨勢性上差異不大。

圖4 n=2 000 r/min時汽油機NOx排放對比

圖5 n=3 000 r/min時汽油機NOx排放對比

分析認為：乙醇汽油的汽化潛熱大，會導致混合氣溫度降低，大摻比的含水乙醇汽油能明顯降低燃燒和排放溫度。乙醇的燃燒速度快，瞬時燃燒溫度高，天津大學楊競的研究發(fā)現(xiàn)E20的燃燒溫度高于汽油[11]。乙醇的加入提高了燃料的氧含量，而更高的燃燒溫度有利于NOx的生成，由此導致含水乙醇燃料的催前NOx排放要高于汽油。增大含水乙醇的摻比，則在汽化潛熱和熱值兩方面因素的共同作用下，燃燒和排氣溫度下降，由此帶來NOx排放的下降。試驗結果中E30的催前NOx排放低于E20。NOx的催化轉化率主要受過量空氣系數(shù)影響，過量空氣系數(shù)大于0.9時，NOx的催化轉化率隨過量空氣系數(shù)的增大而降低[12]。在電控控制策略中，為了同時保持對HC，CO，NOx較高的轉化效率，閉環(huán)控制區(qū)域將過量空氣系數(shù)控制在1.0。怠速和節(jié)氣門全開工況使用開環(huán)控制加濃混合氣，混合氣過量空氣系數(shù)小于1.0。在中低負荷的閉環(huán)控制區(qū)間，乙醇燃料對過量空氣系數(shù)改變不大，乙醇自含氧，在排氣中游離的氧離子不利于NOx的還原，致使NOx轉化效率略有下降。在閉環(huán)控制工況，大摻比乙醇燃料在開環(huán)控制時能顯著增大實際過量空氣系數(shù)，降低催化劑對NOx的轉化效率，由此導致大負荷工況E30的催化轉化率降低幅度最大。

3 結論

a) 燃用含水乙醇汽油燃料后，發(fā)動機的怠速NOx排放均得到了改善；隨著含水乙醇的摻比增加，催化器前的NOx排放量降低，與93號汽油相比，E10，E20，E30的NOx排放量分別降低64%，68%，69.5%；

b) 怠速工況下，E10的催化轉化器后NOx排放最低，E20和E30的催化轉化器后NOx排放量也低于93號好汽油；隨著含水乙醇摻比的增加，催化器對NOx的催化轉化率逐步降低；與93號汽油相比，E10，E20，E30的NOx催化轉化率分別降低19%，24%，34%；

c) 怠速工況下，排氣溫度對NOx的生成和NOx催化轉化率影響作用顯著；大乙醇摻比的混合燃料會導致實際過量空氣系數(shù)增加，也會影響NOx的催化轉化率；

d) 與93號汽油相比，含水乙醇汽油在低負荷時降低NOx生成的效果顯著，催化器前E10和E20的NOx排放降低幅度大于E30；中高負荷時，含水乙醇汽油的NOx排放升高，E20的NOx排放在中高負荷比93號汽油上升6%；大負荷時，E30的NOx排放最高，比93號汽油高7%；

e) 含水乙醇汽油的催化器后的NOx排放量要高于93號汽油，在最大負荷工況下，E10，E20，E30催化器后的NOx排放量分別比93號汽油高15%，6%，29%；

f) 在中低負荷工況，含水乙醇汽油對NOx催化轉化效率影響不大；在大負荷時，隨著含水乙醇燃料摻比的增大，NOx催化轉化效率降低，E30的催化轉化率約為93號汽油的92%。

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