含水乙醇汽油对发动机NOx排放的影响

叶燕帅，凌华梅，牛彩云，谭艳，李春青

(1.广西科技大学汽车与交通学院,广西 柳州 545006;2.广西机电技师学院,广西 柳州 545006)

石油资源的匮乏和汽车尾气污染的日益严重，促使乙醇汽油燃料在国内外获得广泛关注[1-5]。相比乙醇度不低于99．2% 的无水乙醇，乙醇度为95%的含水乙醇在价格上具有显著的优势。而含水乙醇汽油乳化技术的研究使得含水乙醇汽油的使用成为可能[6]。研究人员对电喷汽油机燃用含水乙醇汽油作了大量的研究，研究表明[7-10]:电喷汽油机改燃含水乙醇汽油后，发动机的动力性略有下降；燃油消耗率增加 5%～10%，但能耗率会有所改善；CO排放、HC排放均降低，NOx排放在不同研究中有增有减。

在不同的研究文献中，NOx的变化范围和趋势不尽相同，至于造成NOx排放产生差异的主要原因到底是乙醇掺比影响燃烧还是含水乙醇使催化转化器的转化效率发生变化，它们间存在怎样的影响关系等问题都还不太明确。为探寻含水乙醇汽油对汽油机NOx排放的影响，在1台四缸电喷发动机上进行发动机燃用不同掺比含水乙醇汽油的排放试验，分析含水乙醇汽油对NOx排放和三元催化转化器转化效率的影响。

1 试验设备与试验方法

1.1 试验仪器与燃油

主要试验设备有CWF250电涡流测功机、FC2210Z油耗仪、AVL4000Light排气分析仪等，试验用电喷汽油机的主要参数见表1。试验选用的汽油为市售93号汽油，乙醇为体积分数95%的含水乙醇，应用自主研制的乳化剂以90号汽油为基础油，按照试验要求配置性能稳定的含水乙醇汽油，含水乙醇和汽油体积比分别为1∶9，2∶8，3∶7，分别记为E10，E20，E30。燃油在-10～40 ℃保持稳定不分层。

表1 汽油机主要技术参数

1.2 试验台架与方法

为比较汽油机燃用不同掺比的含水乙醇汽油与93号汽油的性能差异，发动机台架试验过程中不对电控汽油机的结构参数和控制策略作任何调整，分别在三元催化转化器前和催化器后对尾气进行取样测试。试验用测试台架见图1。根据GB 14762—2002《车用点燃式发动机及装用点燃式发动机汽车排气污染物限值及测量方法》，选取常用转速不同负荷工况测定发动机的常规排放。

图1 台架试验系统

2 试验结果与分析

2.1 对怠速排放的影响

图2示出了发动机的NOx怠速排放特性，图中排放值以燃用汽油时催化器前的NOx排放量为100%，使用含水乙醇汽油的排放值为其实际值与使用汽油时排放值的比值。试验结果表明, 燃用含水乙醇汽油后，NOx排放均得到了改善。随着含水乙醇掺比的增加，催化器前的NOx排放量降低，与燃用93号汽油相比，燃用E10，E20，E30的NOx排放量分别降低64%，68%，69.5%；经过催化转化器后，燃用E10的NOx排放最低，燃用E20，E30的NOx排放量也低于93号汽油。随着含水乙醇掺比的增加，催化器对NOx的催化转化率逐步降低，与93号汽油相比，E10，E20，E30的NOx催化转化率分别降低19%，24%，34%。

图2 汽油机NOx怠速排放特性对比

NOx是空气在燃烧室的高温条件下，由氮和氧反应所形成的，高温富氧和高温持续时间是生成NOx的重要条件，温度对于NOx的生成有很大的影响。同时三元催化转化器催化剂的催化效能也受温度和尾气中氧含量的影响。为此，检测发动机的排气温度并通过氧传感器检测过量空气系数，对结果进行比较。试验结果见表2和图3。随着含水乙醇掺比的增加，排气温度下降，燃用E10，E20，E30的排温比燃用汽油分别降低5%，8%，10%。随着乙醇掺比的增加，过量空气系数变大。由此可以看出，汽油机在怠速运转时，其缸内温度较低，乙醇的汽化潜热高使缸内温度下降，导致排气温度下降。因此，随着含水乙醇掺比的增加，催前NOx排放下降，同时排气温度的降低导致催化剂的催化效能下降，催化器对NOx的催化转化率降低。怠速工况时，发动机采用开环控制策略，不根据过量空气系数修正喷油量。在怠速孔开度不变情况下，输出相同功率时含水乙醇汽油的氧消耗量小，导致实际过量空气系数变大，不利于NOx的催化还原。比较燃用E10和93号汽油的过量空气系数和排气温度，可以看出排气温度的影响还是比较明显的，当然也可能是游离状态的氧离子抑制了NOx的还原反应。燃用大掺比的含水乙醇汽油时，由于排气温度低、尾气中的氧含量大，导致三元催化转化器对NOx排放的催化转化效率降低。E10含水乙醇汽油的催前NOx排放高，但催化转化效率高，所以催后的怠速NOx排放量反而比燃用E20和E30的要低。

表2 怠速工况过量空气系数

2.2 对多工况排放的影响

在2 000 r/min和3 000 r/min两个转速下进行了汽油机燃用不同掺比的含水乙醇汽油与93号汽油的试验。试验大部分工况在电控系统闭环控制策略范围内，发动机燃用不同燃料时的过量空气系数均在1附近，无显著差异。为便于直观比较，用平均有效压力pme表示发动机负荷。

从图4和图5可以看出，与93号汽油相比，汽油机燃用含水乙醇汽油后，催化器前的NOx排放均有变化：在低负荷时，表现出降低NOx排放的效果，E10和E20降低幅度大于E30；中高负荷时，燃用含水乙醇汽油的NOx排放升高，由大到小依次为E20，E30，E10，93号汽油，E20的NOx排放在中高负荷比93号汽油上升6%；大负荷时，E30的NOx排放最高，比93号汽油高7%。催后的排放试验结果表明：燃用含水乙醇汽油的催化器后NOx排放量要高于93号汽油，在最大负荷工况下，燃用E10，E20，E30催化器后的NOx排放量分别比燃用93号汽油高15%，6%，29%。乙醇掺比对发动机排气温度的影响呈现出小掺比时略有升高，大掺比下降的趋势，E20的排温在中低负荷略高于93号汽油。在中低负荷，几种燃料的NOx催化转化效率相差不大，E30的催化转化效率低些。在大负荷时，随着含水乙醇燃料掺比的增大，NOx催化转化效率降低；E30的催化转化率最低，约为93号汽油的92%。两种转速下，燃料的NOx排放数量有差异，但在趋势性上差异不大。

图4 n=2 000 r/min时汽油机NOx排放对比

图5 n=3 000 r/min时汽油机NOx排放对比

分析认为：乙醇汽油的汽化潜热大，会导致混合气温度降低，大掺比的含水乙醇汽油能明显降低燃烧和排放温度。乙醇的燃烧速度快，瞬时燃烧温度高，天津大学杨竞的研究发现E20的燃烧温度高于汽油[11]。乙醇的加入提高了燃料的氧含量，而更高的燃烧温度有利于NOx的生成，由此导致含水乙醇燃料的催前NOx排放要高于汽油。增大含水乙醇的掺比，则在汽化潜热和热值两方面因素的共同作用下，燃烧和排气温度下降，由此带来NOx排放的下降。试验结果中E30的催前NOx排放低于E20。NOx的催化转化率主要受过量空气系数影响，过量空气系数大于0.9时，NOx的催化转化率随过量空气系数的增大而降低[12]。在电控控制策略中，为了同时保持对HC，CO，NOx较高的转化效率，闭环控制区域将过量空气系数控制在1.0。怠速和节气门全开工况使用开环控制加浓混合气，混合气过量空气系数小于1.0。在中低负荷的闭环控制区间，乙醇燃料对过量空气系数改变不大，乙醇自含氧，在排气中游离的氧离子不利于NOx的还原，致使NOx转化效率略有下降。在闭环控制工况，大掺比乙醇燃料在开环控制时能显著增大实际过量空气系数，降低催化剂对NOx的转化效率，由此导致大负荷工况E30的催化转化率降低幅度最大。

3 结论

a) 燃用含水乙醇汽油燃料后，发动机的怠速NOx排放均得到了改善；随着含水乙醇的掺比增加，催化器前的NOx排放量降低，与93号汽油相比，E10，E20，E30的NOx排放量分别降低64%，68%，69.5%；

b) 怠速工况下，E10的催化转化器后NOx排放最低，E20和E30的催化转化器后NOx排放量也低于93号好汽油；随着含水乙醇掺比的增加，催化器对NOx的催化转化率逐步降低；与93号汽油相比，E10，E20，E30的NOx催化转化率分别降低19%，24%，34%；

c) 怠速工况下，排气温度对NOx的生成和NOx催化转化率影响作用显著；大乙醇掺比的混合燃料会导致实际过量空气系数增加，也会影响NOx的催化转化率；

d) 与93号汽油相比，含水乙醇汽油在低负荷时降低NOx生成的效果显著，催化器前E10和E20的NOx排放降低幅度大于E30；中高负荷时，含水乙醇汽油的NOx排放升高，E20的NOx排放在中高负荷比93号汽油上升6%；大负荷时，E30的NOx排放最高，比93号汽油高7%；

e) 含水乙醇汽油的催化器后的NOx排放量要高于93号汽油，在最大负荷工况下，E10，E20，E30催化器后的NOx排放量分别比93号汽油高15%，6%，29%；

f) 在中低负荷工况，含水乙醇汽油对NOx催化转化效率影响不大；在大负荷时，随着含水乙醇燃料掺比的增大，NOx催化转化效率降低，E30的催化转化率约为93号汽油的92%。

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