PDF《EME》

LPG与汽油燃料微粒排放的时效特性研究 * 李理光

1 王振锁

2 肖宗成

2 王惠萍

2 邓宝清

2 刘巽俊

2 (1, 上海交通大学 2, 吉林大学) 【摘要】 本文介绍了应用液化石油气(LPG)和汽油燃料时微粒排放时效特性的对比研究.

试验在一台四行程、 水冷 125ml 点燃式单缸电喷发动机上进行.试验结果表明,对于两种燃料,随着沉降时间的增加,微粒排放的粒 数不但大幅度下降,其粒度分布规律也发生了明显的变化;

LPG 和汽油燃料排出的小粒径部分微粒在空气中存在 时间短, 在排出后

15 分钟左右即可大部分挥发或凝聚形成大粒径粒子, 而挥发消失的颗粒物比率 LPG 大于汽油;

80%以上的大粒径部分(≥0.237um)粒子是在沉降过程中形成的;

在测试条件下,汽油燃料微粒排放的大粒径 部分粒子比 LPG 燃料容易沉降或挥发, 随沉降时间的延长, LPG 与汽油微粒排放物的粒度分布特性趋于同一水平. 关键词: LPG 汽油 微粒排放 时效特性 Effect of Time on Characteristics of Particulate Emissions for LPG and Gasoline Fuels Li Liguang,1 Wang Zhensuo2 , Xiao Zongcheng2 , Wang Huiping Deng Baoqing2 , Liu Xunjun2 (1, Shanghai Jiaotong University 2, Jilin University) Abstract: This paper presents the experimental studies of effect of time on particulate characteristics in a SI engine with LPG and gasoline fuel respectively. Experiments are carried out in a single cylinder, four-stroke, water-cooled, 125cc engine with electronic fuel injection. Test results show that: for the two fuels, both the particulate number and size distributions are changed markedly with the time changing, especially on the decrease of the total number. Most of he smaller particulates disappear in

15 minutes due to volatilization or agglomeration. The ratio of volatilized particulates of LPG is bigger than that of gasoline. More than 80% larger particulates are agglomerated during the sedimentating and this part of the particulates for gasoline is easier to sedimentate or volatilize than that of LPG at the test conditions. The particulate characteristics of LPG and gasoline appear nearly the same level of size distribution after enough sedimentited time. Key words: LPG, Gasoline, Particulate Characteristics, Effect of Time 引言 在美国、 欧洲等地方的流行病学研究表明, 人们的健康问题同空气中微粒的多少有关 [1-3], 因此作为空气中微粒主要来源之一的机动车微粒排放一直受到人们的关注. 以往人们对机动车微 粒的研究多集中在微粒排放的质量上,在各种测试循环下采集微粒排放,然后测量微粒的质量, 即使分析微粒的粒度分布, 也只是发动机运行过程中从风洞中直接采集, 很少研究涉及到微粒在 大气中的时效过程[4-7].而车辆排出对人们健康产生影响的微粒,应与能在空气中较长时间存 在的部分有较密切联系.N. J. Khatri 等人应用布朗运动对柴油机微粒的沉降进行了分析[8], 而对于点燃式发动机有关该方面的研究在国内外的研究文献中尚未见报道. 最近随着车用清洁代用燃料的广泛应用, 人们对代用燃料车辆的微粒排放也倍加关注. 在关 于天然气(CNG 或LNG)和液化石油气(LPG)的颗粒物排放研究方面,有关 LPG 的颗粒排放特性

145 EME 研究尚未见国内外研究报告, 有关天然气方面的研究文献也甚少, 这使得对气体燃料的可吸入颗 粒物排放与传统燃料相比是优或劣成为急待解答的问题. 基于此, 本文应用 LPG 和汽油两种燃料, 研究了点燃式发动机微粒排放的时效过程, 分析了不同沉降时刻排放微粒的粒度分布特性及其原 因,并对两种燃料的试验结果进行了对比.

1 试验方案 1.1 试验发动机 本试验采用的发动机为四冲程、水冷 125ml 单缸发动机,自主开发了电控单元,可以进行 LPG 气体喷射和汽油喷射的任意更换,采用进气管喷射,其主要参数如下: 标定功率 最大扭矩 气缸直径 活塞行程 压缩比 配气机构 6.5kW(7500r/min) 9Nm(6000r/min) 52.4mm 57.8mm 10.5 顶置凸轮轴 1.2 燃料成分 试验用汽油为 90#无铅汽油,试验用 LPG 是在市场上购买的车用液化气,其成分如下: 丙烷 异丁烷 丁烷

2 甲基-丙稀 2-丁烯 49% 21% 15% 8% 5% 1.3 主要测试仪器 试验中分析微粒排放的仪器是

3030 型电子气溶胶粒度分布分析仪(EAA), 该仪器是为测量粒径为 0.0032~1um 粒 子的粒度分布而设计的,仪器照片见图 1.CO2 标定采用佛山生产的五组分废气 测量仪, 发动机台架使用南峰生产的电涡 流测功机. 图13030 型电子气溶胶粒度分析仪图片 1.4 试样稀释方法 试验中使用装满环境空气的塑料袋按一定稀释比充入尾气, 再进行试样经一定时间沉降时的 粒度特性的时效分析, 并利用直接稀释风洞取样方法进行粒度分析的方法与时效分析结果进行粒 度特性随时间的变化对比.采用 CO2 浓度来标定取样的稀释比.采样袋体积约

500 升,对试样进 行粒度分析时,壁面粘附造成的微粒浓度减少予以忽略.利用塑料袋采集空气时,为了避免由于 压气机而造成的微粒的影响, 利用室外的微风充气. 稀释比的确定原则是保证在不同负荷工况下, 采样气体的颗粒物浓度满足粒度分布分析仪的测量范围,变化范围为 4~18:1.

2 试验结果及分析

146 EME 图2~6 是对 LPG 和汽油两种燃料进行的微粒排放时效试验与环境空气中微粒的时效试验的 对比,发动机运行工况为 60%负荷率,3000r/min,过量空气系数控制在 1.0,测试和稀释所用 气体为室外空气. 2.1 粒数粒度分布时效试验结果分析 t /(min) 0.0133um 0.0237um 0.0422um 0.075um 0.133um 0.237um 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.01 0.10 1.00 Dp /(um) N/logD p /(10

7 /cm

3 ) 图2粒数粒度分布随测试时刻的变化对比 (60%负荷率,3000r/min,Lambda =1.0 )

15 18

21 27

32 37

47 57

67 97

127 157 直接采样 0.237um 0.133um 0.075um 0.0422um 0.75um 0.422um

0 1

2 3

4 5

6 0.01 0.10 1.00 Dp /(um) S/logD p /(10

5 um

2 /cm

3 )

15 18 (a) LPG t /(min) 0.237um 0.133um 0.0422um 0.075um 0.0237um 0.0133um 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.01 0.10 1.00 Dp /(um) N/logD p /(10

7 /cm

3 )

13 17

21 25

30 35

47 57

67 127 直接采样 (b) 汽油 (c) 空气 t /(min) 0.0133um 0.0237um 0.0422um 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 0.01 0.10 1.00 Dp /(um) N/logD p /(10

5 /cm

3 )

2 5

8 13

18 21

77 167 图3表面积粒度分布随测试时刻的变化对比 (60%负荷率,3000r/min,Lambda =1.0) (c) 空气 (a) LPG

21 27

32 37

47 57

67 97

127 157 t /(min) 直接采样 0.237um 0.133um 0.0422um 0.075um 0.75um 0.422um

0 1

2 3

4 5

6 0.01 0.10 1.00 Dp /(um) S/logD p /(10

5 um

2 /cm

3 )

13 17 (b) 汽油

21 25

30 35

47 57

67 127 t /(min) 直接采样 0.237um 0.133um 0.0422um 0.075um 0.75um 0.422um 0.0237um

0 1

2 3

4 5

6 0.01 0.10 1.00 Dp /(um) S/logD p /(10

2 um

2 /cm

3 )

2 5

8 13

18 21

77 167 t /(min)

147 EME 图2所示为三种微粒来源的粒数粒度分布随时间变化的对比图, 其中(a)、 (b)两图中虚线所 表示的曲线均为通过稀释风洞直接采样所得的试验结果, 其余曲线则是用采样袋稀释后以不同的 沉降时刻进行采样. 对于两种燃料来说,随着沉降时间的增加,微粒的粒数不但大幅度下降,其粒度分布规律也 发生了明显的变化,特别是 LPG 燃料,直接采样时的粒数粒度分布为典型的双峰分布,但沉降至 第16 分钟测试时第一个峰已经消失,并且第二个峰的峰值位置逐渐超大粒径方向移动,如图中 各曲线峰值连线所示,直到

67 分钟时移到 0.133um 后保持不变.汽油燃料微粒排放的粒数粒度 分布规律随时间的变化较缓慢一些,直接采样时为单峰分布,但是在第

13 分钟测试时出现了位 于0.1um 左右的第二个峰,在第

47 分钟采样时,第一个峰消失,其峰值位置位移也没有 LPG 燃 料明显,其微粒分布的第二个峰值一直保持在 0.1um 左右,直到

127 分钟时移到 0.133um.由此 可见,LPG 燃料微粒排放的小粒径部分粒子在排出最初几分钟内下降速度大于汽油机.从大粒径 部分的增幅来看, 汽油燃料要大于 LPG 燃料, 因此 LPG 燃料的小粒径部分的粒子挥发消失的比例 大于汽油燃料. 除去直接采样的数据, 对于 LPG 和汽油燃料的微粒排放, 小粒径部分(0.01~0.0422um)粒子 随时间的变化有波动,但总体趋势还是下降,例如 LPG 燃料的第

27 分钟以后和汽油燃料的

47 分钟以后的测试结果都较最初测试有明显的下降. 分析其原因有两方面, 一是小粒径粒子动态平 衡的波动性大, 另一方面是由测试仪器在测试小尺寸粒子时的精度有限造成的. 而在中等粒径和 大粒径范围(0.075~1.0um)内粒子下降规律较明显一些. 以LPG 为燃料时,粒径位于 0.0237um 和0.0422um 两处的粒子在

127 分钟测试结果较第

16 分钟测试时分别下降了 98.........