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摘要：本文对电控喷射125mL 汽油机和乙醇发动机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。指出了影响乙醇发动机排放的这些敏感参数的合理取值范围，可作为乙醇发动机参数匹配的参考。验证了发动机燃烧乙醇燃料可降低NOX 排放浓度的事实，并提出了一种解决冷起动的方法。
关键词：乙醇发动机 汽油机 排放性能 电控喷射
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发动机排放的一种有效方法[1][2]。其中，汽油机改烧醇类燃料是有效措施之－，特别是对降低NOX更为显著。电控喷射系统能精确地控制空燃比和点火提前角参数，有效地改善发动机的动力、经济与排放性能[3][4]。本文根据实际需要针对电控喷射乙醇发动机的排放与性能进行了比较全面的研究，为乙醇发动机的参数匹配提供理论依据。
1 试验方法与仪器设备
试验用发动机是125mL 四冲程单缸风冷进气道喷射汽油机。燃烧乙醇时将汽油取出，加入乙醇即可使用（燃用的乙醇为99.8％的工业乙醇）。汽油机技术参数见表1。试验用主要测试仪表见表2。试验中燃料喷射量、点火提前角和喷油提前角是利用自行开发设计的在线测控系统，通过计算机输入控制信号完成的。 （图片） 在线测控系统可分为测量和控制两部分。测量部分通过测量电路，测量发动机的转速、曲轴转角、气缸温度、节气门开度、喷油脉宽和点火提前角等，这些信号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提前角等信号通过适当的放大、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[5]。
2 试验结果及分析
2.1 HC 排放
图1 是乙醇发动机和汽油发动机在不同负荷下最佳点火提前角时的HC 排放体积分数ΦH C 随过量空气系数Φa 的变化曲线（图标中E 代表乙醇，G 代表汽油，以下各图相同）。由图1 中可以看出，当Φa=0.9～1.3 之间时，乙醇发动机的HC 排放变化比汽油机小，并且变化量不大。这是因为燃料与空气混合比适当，火焰传播比较稳定，可以使混合气能够更完全地燃烧，因此HC 排放低。当Φa<1 时，乙醇发动机的HC排放比汽油机低。Φa<0.85 时，两种发动机都存在由于混合气过浓，一部分燃料无法参与燃烧而直接排入大气导致HC 排放恶化，并随Φa 进一步降低HC 排放恶化加速的现象。当Φa>1.3 时，两种发动机的HC排放上升速率很快（汽油机比乙醇发动机更快些），这是因为混合气过稀，燃烧不稳定和失火率增加所致。（图片）
图1 HC 排放与过量空气系数的关系 图2 HC 排放与点火提前角的关系 图2 是乙醇发动机和汽油发动机的HC 排放体积分数ΦHC 随点火提前角θ的变化曲线。由图2 中可以看出，随着点火提前角的减小，不同燃料、不同过量空气系数的发动机的HC 排放都降低。这是因为，推迟点火使燃烧拖后，排气温度升高，燃烧不彻底的燃料在排气管中继续进行氧化反应，降低了HC 排放浓度。当小于最佳点火提前角（7000r/min 时，汽油机最佳点火提前角为34℃A，乙醇发动机最佳点火提前角为38℃A 左右）以后，汽油机HC 下降速度比乙醇发动机快。
从分析对比可见，乙醇发动机比汽油机具有更宽的稳定低HC 排放的空燃比范围。从降低HC 排放出发燃用乙醇更容易匹配空燃比，控制Φa 的范围应当是0.85～1.3；汽油机Φa 范围应当是0.95～1.3。但仅从最低HC 排放考虑，燃用乙醇与燃用汽油相比没有优势。减小点火提前角，可以降低发动机的HC 排放。
2.2 CO 排放
图3 是两种燃料发动机CO 排放体积分数φC O 与过量空气系数Φa 的变化曲线。可见，在浓混合气时CO 的浓度大，并且随着混合气的浓度增加两种发动机的CO 排放浓度均直线增加，这主要是因为缺氧而不完全燃烧造成的。试验表明CO 的浓度与发动机的负荷没有关系，和燃料关系不大，仅与Φa 关系显著。只要控制Φa>1，乙醇发动机和汽油机都会获得较低的CO 排放特性。（图片） （图片）
图3 CO 排放与过量空气系数的关系 图4 CO 排放与点火提前角的关系 图4 是两种燃料发动机不同混合气浓度下的CO 排放体积分数φCO 随点火提前角θ的变化曲线。从中可见无论混合气浓度如何，还是燃烧何种燃料， CO 的排放浓度变化不大。说明点火提前角对CO 的排放浓度影响较小。
因此，混合气浓度是影响CO 浓度的关键因素，只要控制Φa 大于1，两种燃料的发动机都会获得优良的CO 排放性能。
2.3 NOX排放
图5 是乙醇发动机和汽油机在不同负荷下最佳点火提前角时的NOx 排放体积分数φNOx 与过量空气系数Φa 的变化曲线。可见，当混合气的浓度Φa 在1.05 附近时，汽油机的NOx 的排较高，30％负荷以上的NOx 排放浓度都超过2.5×10-3，并且比乙醇发动机全负荷的NOx 排放浓度高。（图片）
图5 NOx 排放与过量空气系数的关系 图6 NOx 排放与点火提前角的关系 乙醇发动机NOx 排放浓度高峰出现在Φa 为0.95～1.05 之间，排放最高峰值小于2.7×10-3，并且，随着负荷的降低排放物的峰值下降较快，且向浓混合气方向偏移。乙醇发动机50％负荷的 NOx 峰值比汽油机30％负荷燃烧Φa＝0.85 的浓混合气或Φa＝1.15 的稀混合气时的NOx 的排放还要低，并且是汽油机30％负荷峰值的1/3。可见乙醇发动机NOx 排放低的优势十分明显。
图6 是两种燃料发动机不同混合气浓度下的NOx 排放体积分数φNOx 随点火提前角θ的变化曲线。从图中可以看出，两种燃料无论混合气浓还是稀，减小点火提前角都会降低NOx 的排放。原因是点火提前角减小，使得气缸内最高燃烧温度下降，从而降低了NOx 的排放。
从控制NOx 排放角度上看，汽油机应当使Φa 不在0.9～1.15 范围内，而对乙醇发动机此范围可缩小到0.95～1.05。
2.4 动力性
图7 为乙醇发动机和汽油机全负荷转矩变化率ΦTtq 随过量空气系数Φa 的变化曲线。从图中可见，汽油机最大转矩的出现在Φa=0.85 附近；乙醇发动机最大转矩出现在Φa=0.95 附近。随着Φa 的加大，汽油机的转矩下降比乙醇发动机转矩下降的快。这说明保证同等转矩下降率的条件下，乙醇发动机可以比汽油机燃烧更稀的混合气，也就是说在同样的空燃比波动率下，乙醇发动机的转矩波动量比汽油机小，运转更稳定。（图片）
图7 转矩变化率与量空气系数φa 的关系 图8 转矩变化率与相对点火提前角的关系 图8 为乙醇发动机和汽油机全负荷转矩变化率ΦTtq 随点火提前角θ的变化曲线。从图中可见，两种发动机的转矩随点火提前角的变化规律一致，但汽油机对θ更敏感些。为维持发动机的动力性，点火提前角不宜偏离最佳点火提前角过远。
台架试验发现，乙醇发动机的加减速性能与汽油机基本一致，加减速的排放性能需要在整车转鼓试验台上进一步研究；冷起动性能不如汽油机，需要进一步研究与优化。冷起动技术是乙醇发动机实用技术的关键技术之一，目前，我们在对乙醇发动机冷起动时是利用自行开发的喷嘴前布置的起动加热装置先加热15 秒后起动，其起动性能基本满足实验室使用要求；另外，喷嘴和油泵等抗乙醇的腐蚀和润滑问题也是乙醇发动机实用技术的一个主要问题，研究中通过对乙醇中参入一定量的柴油即可以解决润滑问题，也适当延长了喷嘴的使用寿命。
3 结论
(1) 过量空气系数φa 是影响乙醇发动机和汽油机排放性能的敏感参数，通过对φa 的合理控制能够实现对有害排放物的控制，乙醇发动机的过量空气系数φa 应当控制在1～1.2 之间，左端（1～1.1）使动力性最优，右端（1.1～1.2）使排放改善；
(2) 火提前角θ对乙醇发动机和汽油机的HC 和NOx 排放性能有明显影响，但对CO 排放影响很小；
(3) 量空气系数φa 和点火提前角θ是影响两种发动机转矩的敏感参数，对这两个参数应当合理控制；
(4) 同比条件下乙醇发动机的NOx 排放明显低于汽油机。
参考文献
1 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能研究[J]．农业机械学报．2002，3（3）: 14～16
2 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2002 20 (4): 287～291
3 陈庆平，夏钧. 电控喷射技术在摩托车中的应用.浙江水利水电专科学校学报[J].2001，13（2）：61～62
4 刘长平. 我国摩托车发动机的发展现状与展望（J）. 湖南农机. 2001，4:18～19
5 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量与控制（C）.（中国内燃机学会测试分会2002.11 广西桂林，20020501，1～4）
5/16/2005
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