用乙醇/汽油混合物燃料的四冲程摩托车的性能和排放外文翻译资料

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用乙醇/汽油混合物燃料的四冲程摩托车的性能和排放

Maria Antonietta Costagliola a, Maria Vittoria Prati a, Salvatore Florio b, Pietro Scorletti b, Daniele Terna b, Paolo Iodice c, Dario Buono c, Adolfo Senatore c

a Istituto Motori, National Research Council, viale Marconi, 4, 80125 Napoli, Italy

b ENI S.p.A. – Ramp;M Division, via F. Maritano, 26, 20097 San Donato Milanese (MI), Italy

c University of Naples Federico II, Department of Industrial Engineering, viale Claudio, 80125 Napoli, Italy

重点

高达30％v的生物乙醇/汽油混合物可增加燃油喷射时间。

生物乙醇的主要氧含量包括CO和PN减排。

THC和PM排放物不受燃料中生物乙醇含量的影响。

致癌苯占所有试验燃料总挥发物的2-5％。

摘要

本研究的目的是探讨生物乙醇-汽油对排放的影响和一四冲程摩托车发动机燃烧研究。乙醇被称为火花点火发动机的替代燃料，适合与汽油混合，提高氧气含量减少不完全燃烧产物的排放。在针对一款燃料为商用汽油和乙醇/汽油混合物（30%乙醇5%范围内）的欧3大型摩托车的研究中。对可调和不可调的排放物和燃料消耗在底盘测功机上进行量化的试验。燃烧分析，实现了获取气缸内的压力循环，突出发动机控制单元的自动调整并保证使用相同的参数的几个测试燃料，与燃料喷射除外随着乙醇比例的增加。一氧化碳与微粒的显著减少与燃料乙醇含量有关。挥发性有机化合物，主要是烷烃和芳烃，基本上不受到燃料乙醇含量的影响。致癌苯的排放范围在2%和5%之间。

关键词：摩托车排放，生物乙醇/汽油混合物，挥发性有机化合物，微粒

1.介绍

近年来，为了不提高空气质量水平对人类健康和环境造成的负面影响，道路交通排放受到了严格限制，以及对能源供应安全进行了推广，鼓励了对可持续生物燃料的研究。在运输上生物燃料越来越多地代替石油燃料成为一项重要政策战略，用于控制欧洲能源消耗并提高能源效率。欧盟旨在2020年前实现每个成员国的基础运输能源中可再生燃料所占份额最低限度为10%[1]。在不同的可再生燃料中，生物乙醇由于其化学和物理性质使其易于于汽油混合，在世界范围被广泛用作汽车燃料。其实，欧盟立法规定，生物乙醇在汽油中的最高含量为10%。在汽油中生物乙醇百分比如此低，SI发动机不需要任何修改。SI发动机的许多优点都与生物乙醇的运用有关。首先，由于其氧含量，不完全燃烧产物会减少，蒸汽压力降低，层流火焰传播速度高，蒸发潜热更高[2,3]。另一个重要方面是使用生物乙醇燃料可以减少温室气体（GHG）的排放。每单位体积的碳含量越低，由于净效应，导致乙醇燃烧产生的二氧化碳排放量越少，这是运输中的主要温室气体[4]。主要缺点是生物乙醇的蒸汽压力较低，使发动机冷启动困难。此外许多研究已经显示出氮氧化物和羰基化合物排放的增加都来自生物乙醇/汽油混合燃料[5-7]。

因为这种可再生燃料可以减少污染物的排放，同时减少化石燃料的消耗，许多研究人员最近研究了这些燃料对内燃机性能和污染物排放的影响。

本文旨在深化在大排量摩托车中使用生物乙醇/汽油燃料混合物所产生的影响的知识。这个问题源于需要评估在用作南欧主要城市的交通工具时对两轮车的城市空气质量的影响[8,9]。在意大利，两轮车在总客机车队中的份额约为25％[10,11]。以前在两轮车上进行的研究证实，通过在汽油中加入高达20％v的乙醇，可使一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放量减少[12]和氮氧化物（NOx）排放量增加[13,14]; 此外，与无铅汽油相比，发现用乙醇汽油燃料的摩托车发动机增加了乙烯和乙醛排放的形成[15-20]。

这一研究领域内，实验活动是在埃尼集团研究中心San Donato Milanese的支持下，由国家研究委员会（IM-CNR）的Istituto Motori与那不勒斯费德里克二世大学工业工程系共同参与的，为了研究生物乙醇添加汽油燃料在欧3摩托车燃烧过程的影响。被测试的车辆是代表的新型在售摩托车，安装越来越复杂的设备，用于提高燃烧效率，以及减少燃料消耗和排气污染物。

用于研究的燃料含有高达30％的生物乙醇，以监测发动机控制单元管理的EN228目前允许的10％以上氧含量的监测信号。主要研究集中在燃料组成对气缸内燃烧过程的影响以及可调和不可调污染物的排放。其中，通过底盘测功机测量挥发性有机物和颗粒物。

2.材料和方法

2.1车辆

测试中使用的车辆是符合欧3立法排放标准的四冲程摩托车。发动机排量为999.6毫升（孔/行程78 / 52.3毫米，压缩比为13：1），最大功率为132.5kW（12,500转/分），最大扭矩为115 Nm（10,000转/分）。等效惯性为280 kg，对应于26.4 N的滚动阻力和0.024 N/（km/h）²的空气阻力系数。为了减少污染，三元催化剂与lambda;传感器一起使用。通过电子燃油喷射器实现空气/燃料比的精确调节，允许控制燃料供给，并提高冷瞬态中的催化剂效率。

2.2燃料

本研究采用五种试验燃料。首先，摩托车用商业汽油（E0），被认为是与生物乙醇/汽油混合物进行比较的基础燃料。相反，混合物是从无氧汽油（G0）开始制备的。以这种方式，获得每种共混物的已知乙醇含量。G0组合物允许乙醇混合物符合2009 / 30EC指令规定的蒸气压限制。由葡萄酒加工过程中生产的葡萄果渣生产的生物乙醇由I.M.A.提供。srl（意大利特拉帕尼）。车辆用四种混合物燃料：G5（乙醇/ G0 5/95％v），G10（乙醇/ G0 10/90％v），G20（乙醇/ G20 / 80％v）和G30（乙醇/ / 70％v）。主要燃料特性如表1所示[21]。

2.3试验装置

摩托车在两轮车底盘测功机（AVL Zollner 20＂- 单辊）上进行了测试，模拟车辆惯性和道路负载阻力。驾驶员的协助显示了循环速度跟踪，公差为plusmn;1km /h。位于两轮车前面的变速鼓风机用于在测试期间冷却车辆。在试验过程中，用临界流文丘里管（AVL CFV-CVS）装置通过恒定体积取样将环境净化空气稀释废气。稀释的废气通过稀释通道达到稳定的流动条件。将稀释废气的一部分从稀释通道的下游取样，以通过废气分析系统连续测量一氧化碳（CO），未燃烧的烃（HC），氮氧化物（NOx）和二氧化碳（CO 2）的浓度（AVL AMA 4000）;同时，在测试期间在样品袋中测量平均值。此外，在稀释的废气流中测量颗粒物质（PM）和颗粒数（PN）。PM在过滤器（Pall T60A20）上取样并通过重量分析测量，而通过冷凝颗粒计数器（CPC-TSI PTruck）测量直径在20nm和1lm之间的总PN。在实验活动中表征了一些挥发性有机化合物（VOC）。特别地，通过GC-FID分析体积的稀释排气，用于测量C1至C6，烯烃和炔烃（C2至C4）和芳族化合物（苯，甲苯，乙苯和二甲苯）的烷烃。在量化化合物中，苯和1,3-丁二烯由于其对人类的致癌性而受到了特别的关注[22]。

为了分析内燃机的燃烧过程，使用压力传感器（AVL压电传感器）测量不同稳态条件下的压力循环。它安装在专用的火花塞适配器（AVL的Z121U3CPRT）中，并使用AVL Indimicro / Indicom系统对信号进行处理。此外，摩托车配备了ECU诊断工具（Texa的Navigator TXT），用于获取发动机参数，如喷射时间，发动机转速，冷却液温度和点火提前。

2.4驾驶循环

对于每种燃料，摩托车在以下瞬态和稳态驱动循环（DC）中进行了测试：

EC(欧盟)类型批准行驶周期（ECE EUDC）。

全球摩托车排放测试周期（WMTC）。

Artemis Urban Cold。

恒速20〜120公里/小时（逐步增加10公里/小时）。

瞬态DCs从冷启动（发动机关闭至少6小时直流起动前）进行。ECE EUDC由城市（ECE）和额外的城市部分（EUDC）组成。城市部分分为两个阶段：冷（ECE_a，包括两个基本模块）和热（ECE_b，包括四个基本模块）。WMTC条例2006/72 / EC指令规定，对于最大速度高于140公里/小时的摩托车，必须执行三个阶段（冷WMTC_1，WMTC_2和WMTC_3）。Artemis Urban Cold在欧盟Artemis框架内被提出，以研究冷启动对废气排放的影响[23]。它包括15个重复的基本模块。 在此实验中，与Artemis Urban Cold有关的测量分三部分进行，每个部分包括五个基本模块。主要运动特性于表2中反映。

3.结果和讨论

3.1燃烧分析和发动机工况

通过分析缸内压力特性和主机参数对燃烧过程进行了深入的分析。研究缸内压力以了解改变燃料混合物时的燃烧，同时分析发动机参数，以研究如何在商业汽油中工作的商业ECU适应燃料变化时的各种参数。

为了在测试的燃料中获得可比数据，该分析在“恒定速度循环”期间进行。 在下图中，仅报告了120公里/小时的结果，但是对于所有的车速都可以进行相同的分析。

图1表示压力信号作为曲柄角度的函数，在用E0，G5，G10，G20和G30执行的120 km / h稳态测试中进行测量。通过平均100次连续循环获得指示图，作为触发器和源时钟，将其用作原始摩托车拾音器的信号，使每发动机循环获得72个点。

不同燃料之间的压力行为非常相似：只有稍微降低最大压力峰值可以看出，但在压缩和燃烧阶段压力梯度没有显着差异。

从一些车载诊断（OBD）参数的分析可以看出，燃料中生物乙醇的使用对喷射时间有很大的影响。 随着乙醇百分比的增加，它上升（图2）。注射时间与混合物的乙醇百分数的增加是由于比热降低，这也是燃料消耗增加的原因[24]。

关于点火提前，没有发现相关趋势，反映了当燃油变化时发动机ECU不改变该参数。 换句话说，乙醇可以以高比例（lt;30％）与汽油混合使用，无需修改任何发动机和ECU参数。

3.2.一氧化碳和未燃碳氢化合物

如图3和图4所示，对于E0，G10，G20和G30，ECE EUDC和WMTC驱动周期中测量的CO和HC排放量报告。相对标准偏差的平均排放量，表示为每公里行驶的排放量，用于所有阶段和整个行驶周期。

冷热排放之间存在显着差异。在冷启动期间，发动机和催化转化器不处于其最佳运行条件：考虑到空燃混合物中富含汽油含量，催化转化器不能达到起燃温度时，摩托车排出较高浓度的CO和未燃燃料。

CO排放受燃料中乙醇百分比的影响。当从G10移动到G30时观察到其减少，因为乙醇分子中的氧含量减轻一氧化碳的氧化（图3）。 在G20和G30的情况下，由于改进了这些乙醇 - 汽油混合物中在燃料贫乏条件下的燃烧过程，CO显着减少。

值得注意的是，随着驾驶周期的平均速度增加，所有测试燃料的CO排放量都会减少。 实际上，最低排放量是在高速行驶阶段（EUDC和WMTC_3）中记录的。

对于使用混合燃料（G10，G20，G30）测量的HC，重要的是要强调当将醇用作汽油中的配混组分时，排放的所有“碳氢化合物”的FID测量可能包括那些醇，即使，在定义上它们不是碳氢化合物;因此，FID读数有被高估的风险。HC排放因子随燃料乙醇百分比的增加而下降有两个原因。首先，在燃烧过程中释放出大量的氧。第二，随着乙醇含量的增加，共混燃料的RVP在乙醇添加量约为15％时增加到最大值，然后以较高百分比降低[25]。G20混合燃料的高挥发性改善燃料蒸发，从而减少未燃燃料的形成。因此，未燃烧的乙醇 - 汽油混合物的火焰后氧化形成的HC也降低了[26]。G30表现出的HC排放水平低于G10和G20，因为其较低的挥发性，在较高的乙醇百分比（大于 20％）下降低。此外，当发动机运行在确定的极限时，在燃烧室中可能会发生不完全燃烧：对于未燃燃料导致HC排放增加，失火可能变得更加频繁[27]。可能，尽管测试车辆的特征在于精确的混合燃料喷射系统，混合物的乙醇含量高，但燃料供应水平根据燃烧条件不能立即调整;这也导致G30混合燃料的不完全燃烧和更高的HC排放[28]。

3.3 二氧化碳和燃料消耗

在图 5中，表示了平均二氧化碳排放因子

二氧化碳排放因子的变化应与CO排放量的变化相反，因为混合燃料中较高的氧含量可改善燃烧过程，并应增加CO2排放; 相反，由于汽油 - 乙醇混合物含有比无铅汽油E0更少的碳原子，因此导致较低的二氧化碳排放。两种效应相互竞争，结果表明，与无铅汽油E0相比，二氧化碳排放量略低，与一氧化碳排放量基本无

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