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2001-01-1206
SAE TECHNICAL
PAPER SERIES
转载自: 直喷SI发动机技术 2001
(SP–1584)
汽油中乙醇含量对直喷分层充量火花点燃式发动机污染物特征排放的影响
Haring;kan Sandquist, Maria Karlsson and Ingemar Denbratt
Chalmers University of Technology
SAE 2001 世界大会
密歇根州底特律市
2001年3月5-8日
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2001-01-1206
汽油中乙醇含量对直喷分层充量火花点燃式发动机污染物特征排放的影响
Haring;kan Sandquist, Maria Karlsson and Ingemar Denbratt
Chalmers University of Technology
Copyright copy; 2001 Society of Automotive Engineers, Inc.
摘要
评估汽油中乙醇含量对直接喷射分层充量（DISC）火花点燃式发动机的特定排放的影响。测试的发动机是一种商业的DISC，它具有壁式制导燃烧系统。使用傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪和常规排放测量设备分析排放物。
研究中比较了七种燃料。第一类燃料是烷基化类型，设计为在汽油中含有0，5，10和15%乙醇而不改变蒸发曲线。欧洲排放认证燃料进行了测试，有或没有5%的乙醇，最后对特别混合的高挥发性汽油也进行了测试。测量在部分负荷下进行，其中燃烧处于分层模式。该发动机使用串联式发动机控制单元（ECU），用于调节燃油喷射、点火和废气再循环（EGR）。
商用汽油中低浓度的乙醇并不会显著改变测试的DISC发动机的运行特性。发动机排出的碳氢化合物（HC）排放量实际上没有变化，而当添加5%乙醇时，一氧化碳（CO）排放量减少。含5%乙醇的燃料的尾气管HC，CO和氮氧化物（NOx）排放量实际上几乎没有变化。然而，对于烷基化燃料来说，随着乙醇含量的增加，发动机输出和尾管HC排放增加。当乙醇添加时，仅可测量烷基化燃料的醛排放量轻微增加。分层充电醛排放比均匀充电操作高2-3倍。
引言
1997年，京都召开的国际气候变化会议同意工业化国家在2008年至2012年期间将1990年的温室气体排放量减少5.2%。这已经将注意力转向所有消耗能量活动的节能技术。由于使用矿物燃料，人员和货物的运输有助于全球二氧化碳（CO2）的排放。由于运输中最常见的原动机是内燃机，因此这些制造商正在大力减少燃料消耗和排放。由于京都会议的结果，ACEA（欧洲建筑协会）自愿在2008年之前将二氧化碳排放量削减至140g/km。欧盟议会希望更进一步；它已建议到2010年将二氧化碳排放量削减至90g/km。
尽管可以通过使用由生物物质制成的燃料（例如甲醇或乙醇）可以减少来自SI发动机动力车辆的化石CO2的排放，虽然存在一些缺点。可以使用纯乙醇作为SI发动机燃料，但可能预期冷起动和预热性能差。醇的燃烧可能导致更高的醛排放，这对于健康原因而言是不合需要的。还需要对燃料系统进行较小的修改，因为乙醇和甲醇对几种金属和塑料是有害的。也许最难解决的问题是燃料的可用性。在瑞典，每年使用540万立方米的汽油，最近的调查显示，生物燃料最多可以替代5-15％的汽油。
为了减少燃料消耗和随之而来的二氧化碳排放，几家汽车制造商已经引进了DISC SI发动机。DI技术的其他潜在改进是更高的转矩和功率输出，以及改进的冷启动，预热和瞬态操作。DISC发动机的主要问题是高发动机HC排放，烟尘排放和催化转换器的运行，这是由于排气温度低和排气中含氧量高。 以前的研究讨论了这种DISC发动机HC排放的来源[4]。
为了避免使用纯乙醇的一些固有问题，使用混合汽油和乙醇作为减少化石二氧化碳排放的一种方法;欧盟允许在不通知客户的情况下使用5%的汽油乙醇。将乙醇/汽油与降低的燃料消耗的DISC发动机结合起来，可能是降低化石CO2排放的有效途径。混合可能减少也可能意味着含氧燃料对DISC发动机的HC和碳烟排放产生积极影响; 但是醛类的排放必须进行调查。重新调配的汽油已经被引入以降低SI引擎排放的有毒成分。燃料再配方可包括以下几种措施，包括降低蒸气压、烯烃和芳烃(特别是苯)，并加入含氧成分。最极端的改造可能是使用纯烷基燃料;因此，烷基化汽油作为一种最好的燃料被包括在测试中。结果，燃料研究范围从最好的，烷基化物，到欧洲的排放认证燃料。这项研究涉及添加乙醇对烷基化和商用汽油对商用DISC发动机的物质排放的影响。
实验装置
发动机
测试了一种商用四缸直喷式DISC发动机。该壁式导向燃烧系统的关键部件是：四气门顶盖气缸盖，活塞和高压旋流喷射器。表1显示了发动机规格。从汽车上取下的发动机有一个串联的发动机控制单元，用于调节燃油喷射，点火和EGR。 由于该研究的目的是了解乙醇/汽油混合物如何与现有硬件配合工作，所测试的发动机并未针对任何一种燃料进行优化。没有燃烧模式的循环变化来再生NOx捕集器或保持催化剂活性。由于制动真空发生而导致的燃烧模式的改变被禁用。
表1.发动机数据
排放测量设备
排放测量设备包括用于HC的火焰离子化检测器（FID），用于CO和CO2的非分散红外辐射（NDIR）检测器，用于氮氧化物的氮化物发光分析仪。使用UEGO传感器（Horiba MEXA 110lambda;）独立测量混合物强度。燃油消耗量使用AVL燃油余量进行测量。AVL 408烟度计用于测量烟尘排放量。该烟度计通过纸张排出固定体积的排气并测量黑化。不幸的是，这个程序在低烟气排放方面不是很准确。
据Cheng等人说[1]，FID信号与几组烃的碳原子数目显著成比例，例如，石蜡，环烷烃，烯烃，乙炔和芳族化合物。然而，与醇中OH基团中的氧原子键合的碳原子有助于FID响应仅有一部分碳原子。对于乙醇，FID响应是1.5 -1.7而不是2，这意味着FID测量的未燃乙醇在总HC排放读数中低于15-25％。因此，乙醇燃料汽车的HC排放可能似乎低于实际情况，这也是FTIR仪器与FID结合使用的原因之一。
傅里叶变换红外仪器
本研究选择了由Temet Instrumen- ts OY制造的GASMET FTIR气体分析仪。该设备包括具有8cm-1光谱分辨率的BaF2光学元件，高速液氮冷却半导体检测器和1.1升样品池。所有的测量都是在2.4米的路径长度和180°C的电池温度下进行的。压力保持在大气附近。在取样之前和之后，将元件用高纯度氮气冲洗，其也用作零气体。零点校准至少每24小时进行一次。FTIR仪器与传统的排气系统在同一地点连接排放测量设备。在开始测量之前，FTIR仪器针对多种液体和气体成分进行了校准。流量调节系统（带BROOKS流量调节器的BROSE 5878控制单元）被选定用于气体成分的校准和由Temet Instruments OY制造的用于校准液体的Temet校准器。
测量程序
设计一个运行条件矩阵来调查低负荷和低速运行时的排放，参见表2。注意，运行条件＃1,4和8是相同运行条件（参考负载）的重复。测试开始之前，发动机已被拆除并清除所有沉积物。安装了新的喷油器，发动机经受了5小时的沉积循环，CEC F-20-A-98 [2]。使用高挥发性燃料进行沉积物积聚，参见下表4，因为这种燃料以未堵塞喷射器而闻名。在每次测量之前，发动机在3000rpm 8 bar BMEP（lambda;= 1）下用高挥发性燃料修复1小时。修理完毕后，油和油过滤器被更换，燃料被更换为要测试的燃油。测量会话之前在发动机在运行条件＃1下调节30分钟。在每次负载和速度改变之后，发动机稳定10分钟，然后在催化剂之前和之后测量排放物。用于所有测试的油都是完全的合成5W - 40生物来源的油。
表2.操作条件
燃料
设计了两种燃料范围来研究汽油中乙醇含量对排放的影响。在第一个范围内，目标是保持蒸发特性，同时以5％的梯级将乙醇含量从0％变为15％。 表3中描述了这个烷基化燃料的范围E0-E15。
表3.烷基化燃料的规格
·E50 =在50℃蒸发的体积百分比
表4.商用类型燃料的规格
*估计值。
** T10 = 10％体积蒸发时的温度
第二种燃料的设计目的是看出在欧洲排放认证燃料中添加5%乙醇的影响，见表4。在此范围内增加了一种特殊混合的高挥发性汽油，以观察燃料重新形成对排放的影响。高波动性（HiVol）燃料是从炼油厂混合而成的，当90％的燃料蒸发（T90）时，生产具有低终沸点（FBP）和低温的汽油。 燃料按以下顺序测试；E5，高波动率，E10，E15，Cert5，Cert0，最后是E0。
结果
发动机排放
所有操作条件和燃料的发动机输出制动特定的HC排放如图1所示。参考负载的发动机输出BSHC排放的平均标准偏差为0.78g / kWh。在烷基化物燃料范围内添加乙醇会导致分层充电情况下更高的HC排放量，而且对于某些负载，HC排放量显着更高。之前的研究表明[5]，在这种DISC发动机中挥发性较高的燃料会产生较低的HC；然而，对于这个范围的燃料，蒸发特性是恒定的，所以增加不能用波动效应来解释。此外，向商用燃料的欧洲排放认证燃料中添加5％乙醇，HC排放量保持不变或甚至略有下降。由于燃料中的氧含量增加，这种解释很可能是由于活塞碗区域的挥发性增加和混合较少而造成的。
图2显示了所有操作条件和燃料的烟尘排放情况。烷基化燃料几乎不含芳香烃，不会产生可测量的烟尘量，但商用燃料确实含有芳香烃，已知这些芳烃会促进烟尘排放。对于一些负载，Cert5燃料的烟尘排放量比Cert0
低，但这似乎与负载和速度有关。图3中的BSNOx排放量在乙醇含量方面或多或少没有变化，尽管商用燃料产生的NOx排放量高于烷基化燃料。参考负载的BSNOx排放的平均标准偏差为0.63 g / kWh。 随着乙醇含量的增加，BSCO排放量减少，见图4。 较低的CO排放量的原因可能是减少了活塞碗区域的混合。参考负载的BSCO排放的平均标准偏差为0.55 g / kWh。
所有运行条件和燃料的制动比油耗（BSFC）如图5所示。请注意，y轴的起始功率为250 g / kWh。BSFC对参考负载的平均标准偏差为4.2 g / kWh。正如预期的那样，燃料由于乙醇的热值低于汽油，因此烷基化物范围燃料的乙醇含量随着乙醇含量的增加而增加。对于具有分层充气的Cert5燃料，由于热值低于Cert0
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