（动力机械及工程专业论文）增氧剂对电喷汽油机性能及排放的影响.pdf

摘要 甲 基叔丁 基醚( m e t h y l t e rt i a r y b u t y l e t h e r , m t b e ) 是一种应用较广泛的 汽油 增 氧剂，它可以有效地提高汽油辛烷值，增加汽油的含氧量，减少汽油机污染物排放。 但是， 近几年，因其对人体及环境的负面影响， 在美国有被禁用的趋势，!州此，有必 要寻找甲基叔丁 基醚的替代品。 乙醇( e t h a n o l a n h y d r o u s , e a ) 和碳酸一甲酷( d i m e t h y l c a r b o n a t e , d mc )是性能优良的含氧燃料，在汽油机上开展这几种增氧剂的研究和 评价，对于今后推广使用新一代增氧剂具有重要意义。 本文在 h l 4 9 5 1 q电 控燃油喷射汽油机卜研究了 这三 种汽油增氧剂对发动机性能 和排放的影响规律。 试验以9 0 # 无铅汽油为基础油， 配制了mt b e含量为5 %, 。 %、 1 5 %, 2 0 % v / v四种比例的混合燃料 一 ( 简记为 m 5 , m1 0 , m1 5 , m2 0 ) ;乙醇/ 汽油的 调配参照 mt b e / 汽油混合燃料中的氧含量，配制出相应氧含量的乙醇/ 汽油混合燃料 ( ti 己 为 e 5 , e l o , e 1 5 , e 2 0 ) , d mc / 汽油混合燃料的调配与此相同 ( 以 d 5 , d 1 0 , d 1 5 , d 2 0表示) 。 试验结果表明，在发动机燃油和燃烧系统不作变动的情况下， 汽 油机掺烧三种增氧剂后， 动力性有所降低。 汽油机燃用增氧剂添加量较小的m5 , e 5 和d 5 组燃油时，比油耗与燃用基础油时相比基本没有变化，但随着增氧剂掺烧比例 的增加，比油耗上升。在这三种类型的混合燃料中， 汽油机掺烧d mc时动力性下降 幅度相对较大。 对电喷汽油机常规排放成分测量分析表明，汽油机掺烧三种增氧剂后，c o排放 改善效果不明显，而 t h c和 n o x排放量会有不同程度的降低。三效催化转化器对 c o和t h c转化效率达到9 0 % 以上，而对n o x 的转化效率相对低一些。 采用气相色谱法检测发动机排气中的甲醛、 乙 醛、 苯等非常规排放物成分。6 先 确定了这几种成分在 f f a p和 h p - 5 毛细管柱上的最佳色谱分离条件，然后根据得到 的测试条件对发动机排气进行了检测， 通过分析检测到的大量试验数据， 验证了该 检 测方法的可靠性， 为实现发动机非常规排放物的快速检测莫定了 基础。 检测结果表明， 汽油机掺烧三种增氧剂后，催化前苯的排放有所降低，其中燃用e 2 0 和m2 0 时，排 气中苯含量分别降低约4 0 9a 和5 0 % 0 汽油机掺烧乙醇对甲醛排放也 有改善作用， 相反 掺烧mt b e和d mc时却使排气中甲 醛浓度增加。 对于乙醛， 随着汽油机掺烧二种增 氧剂比例的增加， 排气中的乙醛浓度也相应增加。 汽油机掺烧三种增氧剂后， 排气中 都能检测到相应的未燃增氧剂成分 三效催化转化器对苯、 甲 醛和d mc的转化效率 较高， 其中苯的转化效率约为7 0 % ， 而催化后未检测出甲 醛和d mc :催化器对乙醛、 乙醇和mt b e的转化效率相对较低。 关键词:汽油机，增氧剂，经济性，排放特性，气相色谱法，非常规排放物 ab s t r a c t m e t h y l t e rt i a r y b u t y l e t h e r ( m t b e ) , w i d e ly u s e d a s o x y g e n a t e t o u n l e a d e d g a s o l i n e , c a n i n c r e as e t h e o c t a n e n u m b e r a n d o x y g e n c o n t e n t o f g a s o l i n e , a n d h e n c e r e d u c e e x h a u s t p o l l u t a n t s o f g a s o l i n e e n g i n e . h o w e v e r , d u e t o t h e s i d e - e f f e c t t o e n v i r o n m e n t a n d h u m a n h e a l t h , mt b e w i l l b e b a n n e d i n u n i t e d s t a t e s a n d r e p l a c e d b y o t h e r l e s s h a r m f u l o x y g e n a t e s . s o , i t i s n e c e s s a r y t o fi n d t h e s u b s t i t u t e o f mt b e . e t h a n o l a n h y d r o u s ( e a ) a n d d i m e t h y l c a r b o n a t e ( d mc ) h a v e g o o d p e r f o r m a n c e a s o x y g e n a t e t o g a s o l i n e . t h e r e f o r e , i n o r d e r t o c h o o s e t h e n e w g e n e r a t i o n o f o x y g e n a t e a n d s p r e a d t h e i r f u t u r e a p p l i c a t i o n o n g a s o l i n e e n g i n e , i t i s v e r y v a l u a b l e t o s c i e n t i fi c a l l y e v a l u a t e t h e e ff e c t s o 1 t h e s e t h r e e k i n d s o f o x y g e n a t e s o n g a s o l i n e e n g i n e . i n t h i s t h e s i s , t h e i n v e s t i g a t i o n w a s o p e r a t e d o n a h l 4 9 5 1 q e f i e n g i n e t o r e s e a r c h t h e e ff e c t s o f t h r e e k i n d s o f o x y g e n a t e s o n t h e e n g i n e p e r f o r m a n c e a n d e m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c . t h e s t a n d a r d 9 0 # u n l e a d e d g aso l i n e w a s u s e d a s a r e f e r e n c e a n d b a s e f u e l f o r t h e p r e p a r a t i o n o f o x y g e n a t e s / g a s o l i n e b l e n d s . mt b e w a s b l e n d e d w i t h b a s e g a s o l i n e f u e l i n f o u r r a t i o s ( 5 . 1 0 , 1 5 , a n d 2 0 v o l % ) . t h e n , e a / g a s o l i n e b l e n d s a n d d mc / g a s o l i n e b l e n d s w e r e c o n c o c t e d a c c o r d i n g t o t h e o x y g e n c o n t e n t o f mt b e / g a s o l i n e b l e n d s , r e s p e c t i v e l y ( n a m e l y e 5 , e 1 0 , e 1 5 , e 2 0 , d 5 , d 1 0 , d 1 5 a n d d 2 0 ) . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t w i t h o u t a n y a d j u s t m e n t , t h e o u t p u t p o w e r o f g as o l i n e e n g i n e i s r e d u c e d u s i n g o x y g e n a t e d f u e l c o m p a r e d w i t h u s i n g 9 0 # u n l e a d e d g a s o l i n e . t h e r e i s n o s i g n i f i c a n t c h a n g e o n t h e b r a k e s p e c i f i c f u e l c o n s u m p t i o n ( b s f c ) a m o n g e 5 , m5 , d 5 a n d b a s e g a s o l i n e , b u t t h e b s f c i n c r e as e s w i t h m o r e a d d i t iv e s i n t h e b a s e f u e l . o n t h e w h o l e , t h e e n g i n e o p e r a t e d w i t h d mc / g a s o l i n e b l e n d s h a s t h e w o r s t p o w e r p e r f o r m a n c e . c o , t h c , a n d n o x e m i s s i o n s o f e f i e n g i n e w e r e m e a s u r e d . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t g e n e r a l l y t h c a n d n o x e m i s s i o n s d e c r e a s e , b u t t h e r e a r e n o o b v i o u s e f f e c t s o n t h e c o e m i s s i o n f o r a l l b l e n d e d f u e l s . t h r e e - w a y c a t a l y s t s a r e s o e f f e c t i v e t o r e d u c e c o a n d t h c e m i s s i o n s t h a t t h e c a t a l y t i c c o n v e r s i o n r a t e a r e o v e r 9 0 %, w h i l e t h e n o x c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y i s l o w e r t h a n t h a t o f c o a n d t h c t h e g a s c h r o m a t o g r a p h y w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e c o n t e n t s o f u n r e g u l a t e d e m i s s i o n s , s u c h a s f o r m a ld e h y d e , a c e t a l d e h y d e , a n d b e n z e n e , a n d s o o n . f i r s t , t h e o p t i m a l s e p a r a t i n g c o n d i t i o n o f t h e s e u n r e g u l a t e d e m i s s i o n s i n t h e f f a p a n d h p - 5 c a p i l l a r y c o l u m n w a s a t t a i n e d . t h e n , t h e m e t h o d w as p r o v e d o n t h e e f i e n g i n e a n d c o n fi r m e d it s f e a s i b i l it y . t h e e x p e r i m e n t i n d ic a t e s t h a t o x y g e n a t e d f u e l s c a n r e d u c e b e n z e n e e m i s s io n s , w h i c h i s m o r e o b v i o u s w h e n e a / g as o l i n e a n d mt b e / g a s o l i n e b l e n d s a r e u s e d . t h e b e n z e n e e m i s s i o n s a r e d e c r e a s e d b y 4 0 % a n d 5 0 % w i t h e 2 0 a n d m 2 0 r e s p e c t i v e l y . f u r th e r , e a / g a s o li n e b l e n d s c a n r e d u c e f o r m a l d e h y d e e m i s s i o n , b u t t h e o p p o s i t e t r e n d w as f o u n d f o r m t b e / g as o l i n e a n d d mc / g a s o l i n e b l e n d s . a s f o r o x y g e n a t e d f u e l s , t h e a c e t a l d e h y d e e m i s s i o n i n c r e a s e s c o n t i n u o u s l y w i t h m o r e a d d i t i v e s i n g a s o l i n e f u e l . mo r e o v e r , s o m e u n b u r n e d e a , mt b e a n d d mc e m i s s i o n s i n t h e e x h a u s t g a s c a n b e d e t e c t e d . t h r e e - w a y c a t a l y s t s a r e e f f e c t i v e t o r e d u c e b e n z e n e , f o r m a l d e h y d e a n d d mc e m i s s i o n s , t h e c a t a l y t i c c o n v e r s i o n r a t e o f b e n z e n e r e a c h a b o u t 7 0 %, a n d t h e f o r m a l d e h y d e a n d d mc a ft e r c a t a l y t i c c o n v e r t e r c a n n o t b e d e t e c t e d . t h e c a t a l y t i c c o n v e r s i o n e f fi c i e n c y t o a c e t a l d e h y d e e t h a n o l a n d mt b e a r e l o we r . k e y w o r d s : g a s o l i n e e n g i n e , o x y g e n a t e s , b r a k e s p e c i f i c f u e l c o n s u m p t i o n , e m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c , g a s c h r o m a t o g r a p h y , u n r e g u l a t e d e m i s s i o n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是木人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己 经发表或撰写过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 进达生- 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 准a鹏 签 字 日 期 : a 0 0 年6 月 i s 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解玉建大生 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 特 授 权 适 ; 生 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ， 并 采 用 影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 涂a 签 字 日 期 : , . 吟年 月 8 日 导师签名: 采贫忽 签 字 。 期 : 2 ,w 午 年6 月 / s日 第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1汽油增氧剂的国内外发展概况 内 燃机的使用己有一百多年的历史， 它的诞生使人类更轻便的利用能源产生动力 成为可能， 使人类社会得以快速发展。 可是，内燃机作为汽车的“ 心脏” ， 在给人类 带来现代物质文明的同时， 也对人类赖以 生存的环境产生了巨大的影响。 数量众多的 汽车燃油消耗不仅使石油能源面临枯竭，而且其燃烧产物也己成为环境的主要污染 源。因此研究和开发低能耗、低排放的内燃机已成为重要课题。 迄今为止， 人们已开发和应用了多种内燃机节能和降低有害排放技术， 如内燃机 增压技术、 排气再循环 ( e x h a u s t g a s r e - c ir c u la t io n ) 技术、内燃机结构改造等，同时 国际上对低污染、 低能耗燃料的研究也十分活跃，如:醇类燃料、二甲醚 ( d me )、 含氧混合燃料等这些新型燃料的开发应用， 都是为了寻求解决石油短缺和环境污染的 出路由于燃油增氧剂可改变燃油的某些性质， 使之有利于改善燃烧， 以 达到降低内 燃机尾气有害 物的 排放量与节能目 的 川 ， 又 不用增加装置或改 变内 燃机结 构， 因 此被 认为是一种最简捷的措施， 近年来被逐渐广泛应用。 汽油增氧剂是含氧的碳氢化合物 物理性质与类似的烃类相差不大， 与汽油的混溶性好， 近年来使用较多的一般为醚类 和醇类。 汽油中 加入有机含氧化合物后燃油品 质的改善主要表现为z 1 : ( 1 ) 替代有 损环境和催化剂的烷基铅化物，提高汽油的辛烷值; ( 2 )使燃料完全燃烧，减少尾 气中 c o和烃的含量; ( 3 ) 减少燃料中芳烃和烯烃的含量。含氧化合物可以使烯烃 转化，避免光化学反应，减少臭氧的形成。 汽车尾气的危害程度受汽油成分的直接影响。 由易挥发、 易爆的低沸点的石油馏 分组成的汽油主要成分为辛烷， 为 提高 汽油的 抗爆性， 过去人们通常添加一定量的四 乙基铅， 因此根据添加剂是否含有铅， 将汽油分为含铅汽油和无铅汽油两大类 众所 周知， 含铅汽油的汽车尾气中含有铅， 它是一种有毒有害重金属， 扩散到大气中能随 呼吸道 进入人体， 影响 儿童的 智力发 育3 1 。 国际 上，自 8 0 年代起， 美国 和西欧 逐步 禁 止在汽油中加铅， 这导致了世界范围内汽油配方的改变。 自1 9 7 9 年美国环保局批准将 甲基叔丁基醚 ( m t b e ) 作为无铅汽油增氧剂使用以来，它在美国已 广泛应用， 基于 环保要求的美国研究出的新配方汽油已 影响世界各国。 mt b e代替四乙 基铅成为汽油增氧剂后， 人们曾极力赞扬它为清洁空气作出的贡 献。在美国和欧洲市场，mt b e相对于其他增氧剂占优势地位。但是近年来，随着 mt b e使用量的不断增加， mt b e对地下水及环境的影响引起人们的极大关注。 研究 发现尽管汽车使用催化转化器后， 尾气排放污染被明显的降低， 但是也会导致大气中 第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1汽油增氧剂的国内外发展概况 内 燃机的使用己有一百多年的历史， 它的诞生使人类更轻便的利用能源产生动力 成为可能， 使人类社会得以快速发展。 可是，内燃机作为汽车的“ 心脏” ， 在给人类 带来现代物质文明的同时， 也对人类赖以 生存的环境产生了巨大的影响。 数量众多的 汽车燃油消耗不仅使石油能源面临枯竭，而且其燃烧产物也己成为环境的主要污染 源。因此研究和开发低能耗、低排放的内燃机已成为重要课题。 迄今为止， 人们已开发和应用了多种内燃机节能和降低有害排放技术， 如内燃机 增压技术、 排气再循环 ( e x h a u s t g a s r e - c ir c u la t io n ) 技术、内燃机结构改造等，同时 国际上对低污染、 低能耗燃料的研究也十分活跃，如:醇类燃料、二甲醚 ( d me )、 含氧混合燃料等这些新型燃料的开发应用， 都是为了寻求解决石油短缺和环境污染的 出路由于燃油增氧剂可改变燃油的某些性质， 使之有利于改善燃烧， 以 达到降低内 燃机尾气有害 物的 排放量与节能目 的 川 ， 又 不用增加装置或改 变内 燃机结 构， 因 此被 认为是一种最简捷的措施， 近年来被逐渐广泛应用。 汽油增氧剂是含氧的碳氢化合物 物理性质与类似的烃类相差不大， 与汽油的混溶性好， 近年来使用较多的一般为醚类 和醇类。 汽油中 加入有机含氧化合物后燃油品 质的改善主要表现为z 1 : ( 1 ) 替代有 损环境和催化剂的烷基铅化物，提高汽油的辛烷值; ( 2 )使燃料完全燃烧，减少尾 气中 c o和烃的含量; ( 3 ) 减少燃料中芳烃和烯烃的含量。含氧化合物可以使烯烃 转化，避免光化学反应，减少臭氧的形成。 汽车尾气的危害程度受汽油成分的直接影响。 由易挥发、 易爆的低沸点的石油馏 分组成的汽油主要成分为辛烷， 为 提高 汽油的 抗爆性， 过去人们通常添加一定量的四 乙基铅， 因此根据添加剂是否含有铅， 将汽油分为含铅汽油和无铅汽油两大类 众所 周知， 含铅汽油的汽车尾气中含有铅， 它是一种有毒有害重金属， 扩散到大气中能随 呼吸道 进入人体， 影响 儿童的 智力发 育3 1 。 国际 上，自 8 0 年代起， 美国 和西欧 逐步 禁 止在汽油中加铅， 这导致了世界范围内汽油配方的改变。 自1 9 7 9 年美国环保局批准将 甲基叔丁基醚 ( m t b e ) 作为无铅汽油增氧剂使用以来，它在美国已 广泛应用， 基于 环保要求的美国研究出的新配方汽油已 影响世界各国。 mt b e代替四乙 基铅成为汽油增氧剂后， 人们曾极力赞扬它为清洁空气作出的贡 献。在美国和欧洲市场，mt b e相对于其他增氧剂占优势地位。但是近年来，随着 mt b e使用量的不断增加， mt b e对地下水及环境的影响引起人们的极大关注。 研究 发现尽管汽车使用催化转化器后， 尾气排放污染被明显的降低， 但是也会导致大气中 第一章 绪论 m t b e含量的增加，因为当燃用含 mt b e的汽油时，催化转化器对尾气中的 mt b e 催化作用较低。另外，在一些使用 mt b e添加剂的地区，像阿拉斯加，曾经发生过 m t b e 损害刺激居民 眼睛和 肺功能的 事 件4 1 。 美国 参议院 环境委员 会2 0 0 0 年9月7 日 批准通过立法在汽油中 禁止使用含氧化合物m t b e ， 在规定四年内 完全实行5 1在 我国，随着机动车辆的增加和无铅汽油的使用，排放于大气中的 mt b e也会不断积 累， 对环境和水资源的污染应提早引起人们的注意， 尤其在我国已 经加入wt o之后， 全面与国际接轨，因此在积极进行m t b e 生产和研究的同时，必须研究替代产品s 美国石油炼制厂商为了 寻找优良的增氧剂替代m t b e ,他们进行了大量的研究， 其 中乙醇和碳酸二甲酷 ( d mc )最受关注。 乙醇是一种含氧燃料， 和汽油混合可以改善发动机的燃烧特性和排放特性。乙醇 的辛烷值非常高， 而且也不需要其他较大分子的醇类作共溶剂， 它可使成品油的辛烷 值提高2 - 3 ， 这由基础油的烃类类型和辛烷值决定， 这就意味着， 在汽油中加入 1 0 % 的乙 醇可使调和汽油升级， 经济价值可 观门 。 另 外， 乙 醇经 气缸高 温燃烧后， 主要 排 放二氧化碳和水， 对人体不产生危害。由于乙醇的上述特性，目前美国和巴西己经成 功的把乙醇作为汽油增氧剂来广泛应用。美国生产销售 e - 1 0( 含乙醇 1 0 %)等乙醇 汽油已有 2 0 余年历史，并且用于乙醇汽油的乙醇量逐年增加。 我国石油贮量有限，1 9 9 3年起我国己成为石油净进口国，2 0 0 1年我国耗原油 2 亿吨， 进口6 5 0 0万吨，进口油占国内 耗油 3 2 . 5 0k ，己 超国际安全警戒线 3 0 % ，今后 十年我国 将成为世界第二大石油消费国 $ 1 。 与石油这种不 可再生资源相比， 乙 醇可以 从玉米、 小麦、薯类等生物质制取， 我国是农业大国， 每年粮食储备充足， 生产燃料 乙醇是粮食转化的重要途径， 既可发展农业， 增加农民收入和增产积极性， 又可减少 污染及石油进口量;同时， 若以农林废弃物为原料生产乙醇， 不仅可以缓解我国石油 紧缺的矛盾， 又可有效解决玉米等粮食作物和秸秆等农林废弃物的转化， 促进农业生 产的良性 循环。 所以， 我国乙 醇 汽油的 开发和应用势在必 行9 - t2 1 碳酸二甲 酷 ( d i m e t h y l c a r b o n a t e , 简称d m c ) 是近年来受到国内 外广泛关注的环 保型绿色化工产品， d m c 的 结构式为 ( c h 3 0 ) 2 c o， 含有甲 基c h 3、甲 氧基c h 3 0一、 拨基一 c o一、拨基甲 氧基c h 3 0一 c o一 等官能团 ， 因而具有良 好的反应特性p 3 1 :另 外， 1 9 9 2年d m c 在欧洲通过了非毒性化学品( n o n t o x i c s u b s t a n c e )的注册登记， 属十 无毒化工产品， 是一种重要的有机合成原料及中间体，它可以作为优良的汽油增氧剂 代替 m t b e ，引起了世界各国的 普遍重视 1 a . 1 5 d mc 和mt b e 相比，d mc 的含氧量高，为5 3 . 3 %, mt b e 为1 8 . 2 %，汽油中达到 同样氧含量时，d mc 的体积添加量只有mt b e 的4 0 % 左右:对于催化汽油，具有相 同的调和效应， 可以获得与mt b e 相近的调和效果。 加入d mc 后， 对汽油的饱和蒸汽 压、冰点和水溶性影响均不大 1 6 - 1 8 根据上述d mc 作汽油添加剂理化性质的调和规 第一章 绪论 律研究，表明它作为汽油添加剂具有良 好的前景 1 . 2汽油增氧剂在发动机上的应用研究 石油炼制厂商在研究汽油和增氧剂物理化学性质的同时， 汽车和内燃机工作者也 从未停止过新配方燃油对汽车发动机动力性、经济性及排放特性的孜孜不倦的研究。 mt b e 是目前应用最广泛最重要的汽油增氧剂，自 从上个世纪7 0 年代， 美国开始 使用m t b e 代替铅来提高汽油的辛烷值以来， 世界上许多学者都对它在发动机 卜 的应 用进行了研究。 1 9 8 8 年，s t u m p 等人通过一 辆通用汽车公 司生 产的c o r s i c a 汽车， 研究 对比了 汽车燃用四种不同 添加剂燃油， 在进气温度为4 0 c . 2 4 c 、 和3 2 0 c 时的 排放规律 ” 实验结果表明，添加m t b e增氧剂的燃油使得汽车尾气中的t h c , c o和n o x 都有 所降低。 o s m a n等人于 1 9 9 3 年使用一台4 缸 o p e l的化油器发动机进行了试验， 在大量 的运行工况下，研究在无铅汽油中加入m t b e对 h c , c o , c 仇排放的影响。 研究 的结果是使用m t b e添加剂会导致h c和c o排放的降低， 而且 会获得较好的发动机 运 行 性 能 20 1 但是，1 9 9 0 年g r o s j e a n等人的试验，1 9 9 2 年h o e k m a n的 试验，以 及 1 9 %年 a n d e r s o n等人的试验都表明，汽油中添加 mt b e后，随着添加量的增加，尾气中甲 醛、乙 醛的 含量也明 显增加2 1 1 1 9 9 9年，希腊学者 s .p o u lo p o u l o s和 c .p h i l i p p o p o u l o s研究了汽油中添加 0 - 1 1 % m t b e 对汽油 机排放的 影响 2 2 1 。 具体分 析了 尾气中的c o , h c和m t b e 变化 规律。 试验表明， mt b e汽油只在高负荷时降低c o和h c的排放量， 在发动机冷启 动时， mt b e , c o和h c的排放量随着汽油中m t b e 添加量的增加而增加。 为了更全面的评价mt b e对汽车尾气及大气环境的影响， 2 0 0 0 年，加州 白 克利 大学，对 mt b e 一 汽油混合燃料的燃烧特性以及对排放的影响进行了详尽的实验室研 究和汽车路试研究，结果表明，虽然 mt b e汽油能够部分的降低一氧化碳和总碳氢 的排放，但是在发动机冷启动，燃油较浓的工况下，未燃碳氢中 mt b e的含量明显 增加。 mt b e 汽油尾气中最主要的成分是异丁烯， 而异丁烯对催化转化器有很大的损 害作用。尾气中甲醛含量也随着汽油中mt b e添加量的增加而增加。进而，考虑到 油罐泄漏 m t b e对地下水及地表水造成的污染，以及燃油飞溅和未燃燃油直接排入 大气造成的污染，可以 得出结论， 汽油以m t b e为 增氧剂得不偿失2 3 1 乙醇作为燃料在汽车上的应用更早， 在十九世纪 8 0 年代和 9 0 年代， 亨利福特在 汽车业发展的 最初阶 段， 就把乙 醇作为 福特汽车的 代用 燃料2 4 1 卜 个世纪8 0 年 代， h a m d a n和 j u b r a n 在 a t d 3 4发动机上进行了不同掺混比乙醇汽油的性能试验，乙醇 第一章 绪论 律研究，表明它作为汽油添加剂具有良 好的前景 1 . 2汽油增氧剂在发动机上的应用研究 石油炼制厂商在研究汽油和增氧剂物理化学性质的同时， 汽车和内燃机工作者也 从未停止过新配方燃油对汽车发动机动力性、经济性及排放特性的孜孜不倦的研究。 mt b e 是目前应用最广泛最重要的汽油增氧剂，自 从上个世纪7 0 年代， 美国开始 使用m t b e 代替铅来提高汽油的辛烷值以来， 世界上许多学者都对它在发动机 卜 的应 用进行了研究。 1 9 8 8 年，s t u m p 等人通过一 辆通用汽车公 司生 产的c o r s i c a 汽车， 研究 对比了 汽车燃用四种不同 添加剂燃油， 在进气温度为4 0 c . 2 4 c 、 和3 2 0 c 时的 排放规律 ” 实验结果表明，添加m t b e增氧剂的燃油使得汽车尾气中的t h c , c o和n o x 都有 所降低。 o s m a n等人于 1 9 9 3 年使用一台4 缸 o p e l的化油器发动机进行了试验， 在大量 的运行工况下，研究在无铅汽油中加入m t b e对 h c , c o , c 仇排放的影响。 研究 的结果是使用m t b e添加剂会导致h c和c o排放的降低， 而且 会获得较好的发动机 运 行 性 能 20 1 但是，1 9 9 0 年g r o s j e a n等人的试验，1 9 9 2 年h o e k m a n的 试验，以 及 1 9 %年 a n d e r s o n等人的试验都表明，汽油中添加 mt b e后，随着添加量的增加，尾气中甲 醛、乙 醛的 含量也明 显增加2 1 1 1 9 9 9年，希腊学者 s .p o u lo p o u l o s和 c .p h i l i p p o p o u l o s研究了汽油中添加 0 - 1 1 % m t b e 对汽油 机排放的 影响 2 2 1 。 具体分 析了 尾气中的c o , h c和m t b e 变化 规律。 试验表明， mt b e汽油只在高负荷时降低c o和h c的排放量， 在发动机冷启 动时， mt b e , c o和h c的排放量随着汽油中m t b e 添加量的增加而增加。 为了更全面的评价mt b e对汽车尾气及大气环境的影响， 2 0 0 0 年，加州 白 克利 大学，对 mt b e 一 汽油混合燃料的燃烧特性以及对排放的影响进行了详尽的实验室研 究和汽车路试研究，结果表明，虽然 mt b e汽油能够部分的降低一氧化碳和总碳氢 的排放，但是在发动机冷启动，燃油较浓的工况下，未燃碳氢中 mt b e的含量明显 增加。 mt b e 汽油尾气中最主要的成分是异丁烯， 而异丁烯对催化转化器有很大的损 害作用。尾气中甲醛含量也随着汽油中mt b e添加量的增加而增加。进而，考虑到 油罐泄漏 m t b e对地下水及地表水造成的污染，以及燃油飞溅和未燃燃油直接排入 大气造成的污染，可以 得出结论， 汽油以m t b e为 增氧剂得不偿失2 3 1 乙醇作为燃料在汽车上的应用更早， 在十九世纪 8 0 年代和 9 0 年代， 亨利福特在 汽车业发展的 最初阶 段， 就把乙 醇作为 福特汽车的 代用 燃料2 4 1 卜 个世纪8 0 年 代， h a m d a n和 j u b r a n 在 a t d 3 4发动机上进行了不同掺混比乙醇汽油的性能试验，乙醇 第一章 绪论 的最大添加量为 1 5 %。试验结果表明，汽油中添加 5 %乙醇时发动机性能达到最佳， 低速时燃油热效率提高了4 %， 高速时 燃油热效率提高了2 0 % . e l - k a s s a b y研究了乙 醇一 汽油混合燃料对火花点火发动机性能的影响，乙 醇最大 的添加量为4 0 %。结果显示燃用乙醇一 汽油时发动机功率提高，乙醇含量为 1 0 %时发 动机性能得到最大改善2 6 1 乙醇增氧剂对发动机排放的影响也有很多学者进行了试验研究。b a t a 和 r o a n , 检测了汽油机尾气中 c o , c 0 2 和未燃 h c的含量，在化学计量比稀燃区附近 c o含 量降 低了4 0 - 5 0 % ， 并 且， c o 含 量 随 着乙 醇 添加量的 增 加而 降 低2 1 o t a lj a a r d 等学 者 在单缸四冲程火花点火发动机上研究了乙醇增氧剂对排放和发动 机性能的影响。 他们 得出结论， 汽油增氧剂在化学计量空燃比时可以明显降低尾气中c o , h c和n o x 的 含量2 8 1 约月 一 学者m.a l - h a s a n 使用丰田t e r c e l - 3 a型化油器式发动机进行了乙醇一 无错 汽油混合燃料对发动机性能和排放的影响。 结果显示， 乙醇增氧剂汽油提高了发动机 有效功率，降低了比油耗和化学计量空燃比， c o和h c排放得到改善，然而c o : 排 放量 升高。乙 醇含量为2 0 % 时 汽油 机性能达到 最佳2 9 1 国内对乙醇一 汽油的研究也方兴未艾，浙江大学顾洁等人对摩托车用汽油机燃用 乙醇一 汽油燃料进行了研究，结果表明，当汽油机燃用 1 0 % 和1 5 % ( 体积含量)的乙 醇汽油时， 在不改变化油器量孔和点火定时的情况下， 发动机功率有所降低， 但下降 不 超过1 1 % , h c 和c o排放比 燃用纯 汽油时的 低3 0 清华大学 何邦全、 王建听等学 者研究了不同掺混比的乙醇一 汽油燃料在多点电喷汽油机上应用时的排放性能。研究 结果 表明 3 1 : 在汽油机参数未 作 任何调 整的 情况下， 在试验的 掺混比 范围内， 随 着乙 醇一 汽油混合燃料中乙醇含量的增加， t h c排放改善了3 0 %, c o排放在大负荷时有 所改善， n o x在中小负荷时改善较明显。乙醇一 汽油混合燃料的燃油消耗率与燃烧汽 油时相比有所增加。 d mc作为汽油增氧剂能提高汽油辛烷值和含氧量，该技术现在还处于实验室阶 段， 离 工业化应用还有一 段距离3 2 1国内 外有关它对发 动机性能的 影响 报道较少 现 在国内有些学者研究了d mc作为柴油增氧剂在柴油机上的应用， 西安交通大学周龙 保教授进行了d mc降低直喷式柴油机碳烟和n o x 排放的试验研究，结果表明13 3 1 在发动机燃烧系统不做变动的条件下，随着 d mc在柴油中添加比例的增大， 排气烟 度逐步下降， 热效率提高， 发动机功率基本不变。七 海交通大学黄震、张光德等学者 也对d m c 作为 柴油增氧剂 进行了 研究 3 4 1 ， 表明d m c 可以 降 低碳烟和n o x 。 目 前 国 内外对d mc 在汽油机上的应用研究较少， 但它作为汽油增氧剂具有广阔的应用前景， 因此本课题从发动机燃油的“ 绿色化” 角度考虑， 结合全球汽油增氧剂发展多样化的 趋势，把d mc汽油与m t b e汽油、 e a汽油在汽油机上进行了对比实验。并且，考 虑到过去国内外对三种增氧剂在汽油机 匕 的应用多是以化油器式汽油机为研究对象， 第一章 绪论 而现在电喷汽油机正以优越的性能取代化油器式汽油机成为车用发动机的主流， 所以 本文选用电喷式汽油机作为研究对象，具有实际意义。 1 . 3 本文的研究内容及意义 综上所述， 随着国民经济的发展， 我国的车辆数量迅速增多， 车辆尾气造成的空 气污染已日趋严重， 据统计， 大气污染中的6 0 % - - 7 0 %是车辆排放的有害物质。为此， 采用燃油增氧剂改变燃油的某些性质， 使之改善燃烧， 达到降低尾气有害物的排放量 与节能的目的，具有极大的现实意义。 本文是在国家自 然科学基金项目 前期研究的基础上( 前期主要研究考察了三种增 氧剂的毒理特性以及理化特性)，深入考察了三种汽油增氧剂分别按不同配比掺入 9 0 # 无铅汽油后对电喷汽油机动力性、 经济性及排放特性的影响规律， 详尽的进行了增 氧剂汽油混合燃料的对比 试验。试验以9 0 # 无铅汽油为基础油， 配制了m t b e含量 ( v / v)为5 %, 1 0 %, 1 5 %, 2 0 %等四利 ， 比例的混合燃f = i- ( 分别用 m5 , m1 0 , m1 5 , m2 0 表示)。乙醇汽油的调配参照m5 , m1 0 , m1 5 , m 2 0 混合油中的氧含量，配制 出相应氧含量的乙醇混合汽油 ( 分别记为e 5 , e 1 0 , e 1 5 , e 2 0 )。碳酸二甲酚一 汽油 的调配也以m5 , m1 0 , m1 5 , m 2 0的氧含量为参照，配制出相应氧含量的混合汽油 ( 分别以d 5 , d 1 0 , d 1 5 , d 2 0 表示)。 具体研究内容如下: ( 1 ) 用山 西榆次 新天地发动机制造有限 公司生 产的h l 4 9 5 1 q电 喷汽油 机进行了 台架试验。 考察了汽油机在节气门位置全开的情况下燃烧不同配比增氧剂燃料的外特 性，以此来进行增氧剂对汽油机动力性影响的对比试验。 ( 2 )在发动机台架上考察了 汽油机掺烧不同配比增氧剂汽油混合燃料后， 燃油 消耗率的变化规律。试验选择了三个转速:低速 1 6 0 0 r / m i n 、中速 2 6 0 0 r / m i n和高速 3 4 0 0 r / m in ， 分别测出不同转速下的负荷特性曲 线， 来考察比 较增氧剂对汽油机燃油经 济性的影响。 ( 3 )考察三种汽油增氧剂对发动机常规排放物的影响规律。试验测试了低速、 中速和高速时的不同负荷点的一氧化碳( c o ) , 碳氢化合物( t h c ) , 氮氧化物( n o x ) 的排放含量，并且进行了三效催化转化器转化前和转化后的排放对比。 ( 4 )确定气相色谱仪检测发动机尾气成分时的最佳分析条件，然后采用该力法 评价分析汽油增氧剂对发动机非常规排放物的影响规律。 本试验检测了发动机尾气中 苯、甲醛、乙醛、及未燃乙醇、未燃 mt b e 、未燃d mc等非常规排放物的含量，并 目 _ 考察了催化器转化后非常规排放物的变化规律。 第一章 绪论 而现在电喷汽油机正以优越的性能取代化油器式汽油机成为车用发动机的主流， 所以 本文选用电喷式汽油机作为研究对象，具有实际意义。 1 . 3 本文的研究内容及意义 综上所述， 随着国民经济的发展， 我国的车辆数量迅速增多， 车辆尾气造成的空 气污染已日趋严重， 据统计， 大气污染中的6 0 % - 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