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共同关注:汽油清净剂、引擎设计对车辆排放的影响

发布时间:2011-02-03

    目前,世界各国制定了严格的排放法规,大大推动了汽车排放控制技术的发展,同时,对燃油质量和清净性提出了更高的要求。清净性能差燃料会影响引擎的正常工作状态,导致出现尾气排放恶化、油耗大、引擎寿命缩短等现象。引起上述现象的主要原因是引擎运转中产生的沉积物。沉积物主要部位是:

· 燃料系统(化油器和燃油喷嘴)
· 进气阀(IVD)
· 燃烧室(CCD)

  几乎所有引擎在上述部位均会产生沉积物。影响这些沉积物产生的引擎设计因素包括:
· 燃料喷嘴设计,及其在运转时的位置和温度分布
· 进气阀温度
· 进气阀及其阀座上空气流动状况
· 进气阀和排气阀开启时的重叠现象
· 燃烧室设计

  使用燃油添加剂可以有效地控制沉积物产生。在五十年代,发展了用于控制化油器沉积物的第一代汽油清净剂。随后,在七十年代发展了用于控制油路沉积物的所谓"第二代添加剂"。在八十年代中期,随着电喷技术的逐渐应用,在美国出现了由喷嘴堵塞引起的严重的行车问题。使用化油器类型的清净剂可以控制喷嘴上的沉积物,但会引起进气阀上沉积物的增加。同时,对于某些电喷车,过量的进气阀沉积物会引起驾驶出现问题。为解决上述问题,人们开发了用于减少燃油系统沉积物、同时负作用非常小的新一代改进型汽油清净剂。 毫无疑问,引擎的燃油系统和进气阀沉积物会影响车辆的排放、驱动性和燃油经济性。实际上,燃料供应商一直用含添加剂燃料作为竞争的买点。使用添加剂的优势相对集中,在1994年的"AUTO/PROCESS"上有综述(van beckhoven ,1995 ).和不含添加剂的燃料相比,主要优势是:

参数 CO HC NOx 燃料经济性
使用添加剂的益处 10~15% 3~15% +5%~-5% 2~4%

  虽然控制燃油系统沉积物是众望所归,并得到石油公司的支持,但发展一个系统来管制它们,却是非常困难的。很明显,燃料的性质决定了其在引擎等设备上产生沉积物的多少。但是,由于沉积物和燃料组成之间的关系非常复杂,所以不能将实验室内简单的评价实验结果直接作为油品调和的依据。在美国已经建立了一套复杂的授权证书系统,由燃料生产商对燃料/添加剂混合物进行台架评定,并按照美国环保局的要求,保留存货记录,确保添加剂添加量的一致性。和润滑油批准程序类似,这是一个烦琐的过程,但是目前唯一可行的法定方式。但是,根据美国的经验,该项法规容易导致油品供应商按照最低剂量添加清净剂,对发展新型性能更佳的添加剂不利。

  最近,人们开始关心燃烧室沉积物(CCD)。一般来说,使用添加剂有增加CCD的趋势。CCD增加的副作用是增加NOx的排放量,并可能导致活塞和缸头的摩擦。但是,由于减少了缸壁的散热(意味着更高的热效率),CCD可以改进HC、CO和CO2的排放,并提高燃油的经济性。CCD的影响,如表1 所示,在不同的引擎上表现也不尽相同。

表1:CCD对车辆性能的影响

CO
尾气管
THC
尾气管
Nox
尾气管
CO2
尾气管
燃料经济性 动力 驱动性 ORI CCDI
CCD 增加/减少 增加/减少 增加 减少 减少 轻微增加 不变 增加 在少量引擎中发生
典型值 -50-0% -30-20% 0-50% 2-10% 2-10% 0-3% 1-10
参考文献 1,4,5,7 1,4,5,7 1,4,5,6,7 1,5,9 1,5,9 1,5 ,11 1 1 1

参考文献:

1:Kalghatgi 1995 5:barnes and Stepenson,1996 7:harpster al,1995 11:Cornetti,1971
4:Woodyard,1995 6:Studzinski,1993 9:Yonekawa et al, 1982

  上述表格仅比较了"脏"引擎(有CCD产生)和"干净"引擎的情况。有时,界于两者之间的中等水平的CCD甚至更环保一些,特别是在NOx排放这一项上。最近的在一个日本引擎上进行类似欧洲M102E的研究(Barnes,1998)表明:一个"低CCD燃料"可产生861毫克/每缸燃烧室沉积物,而一个"高CCD燃料"可产生1309毫克/每缸燃烧室沉积物,相应地, NOx排放分别增加35%和37%。

  基于CCD的重要性,人们希望能够用"未洗胶"(Unwashed Gum, UWG), 或者用热重分析仪(TGA)的分析方法来预测CCD的大小。但是,和IVD的情况类似,无法在实验结果、燃料性质和CCD量之间建立关联。实验已经证明了在"未洗胶"和CCD之间没有明显的联系。限制"未洗胶"只能限制添加剂的使用量,因为其是实验中形成"未洗胶"的主要来源之一。在燃料热稳定性和CCD之间有不很明显的关联关系。最近的研究(Clarke和Haddock,1997)已经证明,仅使用热重分析数据,不能很好地预测添加剂对CCD的作用。图19表明,无论是燃料,还是添加剂方面,CCD大小和"未洗胶"的热重残留曲线之间关联性很差。

  显然,和喷嘴沉积物和IVD类似,任何对CCD的评定必须基于台架实验,虽然目前精度有待提高。在欧洲、美国和日本,上述台架实验仍在建立之中,但是,在考虑CCD控制必要性之前,一定要明白控制CCD量的益处和缺点.

  最新一代直喷汽油发动机对燃油喷嘴和CCD的沉积物控制提出了新的挑战,和直喷柴油机类似,燃油喷嘴的温度较高,因此更容易沉积物的累计和生焦。因为该类型发动机对喷嘴的喷射和燃料/空气混合工况更加敏感,微量的沉积物可能对排放有明显的负面影响。因此,需要开发新型汽油清净剂。先前的研究也表明该类型引擎产生CCD和IVD的量更大(Macduff et al. 1999)。

  小结

  汽油发动机燃料系统沉积物(FID和IVD)虽然量很小,但对车辆排放和行车经济性有明显地影响。添加全配方清净剂可以清除上述沉积物。汽油引擎中CCD增加会导致 NOx 排放增加,但有助于降低油耗、减少二氧化碳排放。对CO和HC的影响是有正有负。因为只能用长周期的台架实验才能了解最终的结果,所以,不能用该实验作为调油的依据。控制燃料构成从而减少引擎产生沉积物是非常困难的。建立快速的实验方法一直也没有成功。如果需要控制引擎的沉积物,可能最好的方式是采用美国重整汽油等得到认可的机理。但是,任何有关的法规都容易造成生产商不愿意提高燃料质量,并只采用最小剂量的添加剂。

 
 
信息来源:aftonchemical
 
 
 

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