第36卷第6期吉林大學學報(工學版)Vol, 36 No 62006年l月Journal of Jilin University( Engineering and Technology Edition)2006文章編號:1671-5497(2006)06-0885-04乙醇/柴油發(fā)動機乙醇乙醛排放測試系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用洪偉,呂慶勝,譚滿志,郭英男,艾森林(1.吉林大學汽車工程學院,長春13002:2.車輛排放與節(jié)能重慶市市級重點實驗室,重慶40009摘要:介紹了利用氣相色譜分析技術(shù)分析發(fā)動機尾氣的方法。采用在線直接進樣、袋式采樣和吸收采樣3種采樣方式進行了對比試驗。設(shè)計了冰浴去離子水吸收乙醇和乙醛的兩級采樣系統(tǒng)和氣相色譜分析系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,建立的色譜分析方法可成功對乙醇和乙醛進行有效分離,乙醇和乙醛的檢測限分別為0.19g/mL和0.18μg/mL,滿足試驗要求,實現(xiàn)了對乙醇柴油發(fā)動機排氣中乙醇和乙醛的分離測量。關(guān)鍵詞:動力機械工程;乙醇/柴油發(fā)動機;測試技術(shù);乙醇排放;乙醛排放;氣相色譜中圖分類號:TK411.71文獻標識碼:ADesign and application of measure system for ethanol and acetaldehydeemissions from engine fueled with ethanol/ diesel blendsHong Wei, Lu Qing-sheng, Tan Man-zhi', Guo Ying-nan, Ai Sen-lin(1. college of automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China; 2. Chongging City Key Laboratory of ehicleEmission and Energy, Chongqing 400039, ChinaAbstract: Gas chromatography(GC)technology was used to analyze the ethanol and acetaldehyde in engineexhaust gas. Three sampling methods were compared including direct sampling, bag sampling and absorptionsampling. An analysis system was established which use a gas chromatograph as analyzer and a two-stageabsorption advice as sampling system in which the deionized water in the ice water bath was used to absorb theethanol and acetaldehyde. Ethanol and acetaldehyde are successfully separated and measured by the systemand the detection limits are 0. 19 ug/mL and 0. 18 ug/mL respectively. Separation and measurement of theethanol and acetaldehyde in actual ethanol/diesel engine exhaust are realizedKey words: power machinery and engineering; ethanol/diesel engine; test technology ethanol emission;acetaldehyde emissions; gas chromatography在柴油里摻燒乙醇必定會給燃燒和排放帶來燃燒過程的影響。但常規(guī)排氣分析儀只能測量排響2),并會產(chǎn)生乙醇和有害氣體乙醛3。如中的總碳氫,不能測定排氣中乙醇和乙醛的具果能夠準確地測試乙醇柴油發(fā)動機排氣中乙醇和體含量,因此作者嘗試應(yīng)用色譜技術(shù)“ˉ實現(xiàn)乙乙醛的含量,將有助于了解乙醇的摻燒對排放和醇柴油發(fā)動機排氣中乙醇和乙醛的測量。設(shè)計了收稿日期:2005-12-26基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2001cB209206)作者簡介:洪偉(1963-),男,教授博士生導(dǎo)師研究方向:排放控制E-mail:hong@j.edu.cn吉林大學學報(工學版第36卷冰浴去離子水吸收乙醇和乙醛的兩級采樣系統(tǒng)和之間的相平衡。平衡完成后,關(guān)閉旁通閥打開開氣相色譜分析系統(tǒng),實驗結(jié)果表明,建立的色譜分關(guān)閥和節(jié)流閥,這樣廢氣在排氣背壓和真空泵的析方法可成功對乙醇和乙醛進行有效分離。作用下克服兩級吸收器的阻力流過吸收器A和1乙醇和乙醛采樣系統(tǒng)的設(shè)計B,最后通過泵由流量計排出。吸收器A和B中的多孔玻板由微小的玻璃晶粒燒結(jié)而成,當廢氣1.1采樣方案的選擇經(jīng)過多孔玻板時被分成許多微小的部分,使氣體根據(jù)采樣方式的不同,作者試驗了以下3種和吸收液充分接觸提高吸收效率。吸收器A和B采樣方式。中的吸收液是去離子蒸餾水。發(fā)動機高溫排氣不(1)在線直接進樣把發(fā)動機的尾氣通過一斷通過采樣器這時不但有物質(zhì)交換還有熱能交根導(dǎo)管經(jīng)過進樣裝置直接進入氣相色譜儀進行換,因此必須對吸收器進行冷卻。本系統(tǒng)采用冰色譜分析。此時氣體樣品未經(jīng)過處理,尾氣中物水混合物作為冷卻液。因為冰塊總是漂浮在水面質(zhì)改變較少。但色譜分析是一種組分分離過程,上,可以構(gòu)成自然對流循環(huán)。乙醛的沸點為21并要求用多次進樣分析來減小誤差,需要較長的℃,乙醇的沸點為78℃,本系統(tǒng)的吸收液溫度控時間;另外色譜分析存在檢測限的問題,對于那些制在5℃以下,有較好的吸收效率。濃度較低的物質(zhì),直接進樣檢測精度較低。(2)袋式取樣:利用氣體采樣袋把發(fā)動機廢旁通閥氣收集起來,然后經(jīng)過進樣裝置使樣氣進入到氣開關(guān)閥氣相色譜儀中進行分析。這種采樣方法在大氣分析流量計中應(yīng)用較廣。但在發(fā)動機上應(yīng)用,要求采樣袋本身滲透性要小、對樣氣成分的吸附性要小,采樣袋要能承受較高溫度以防止樣氣成分冷凝,在大負多孔玻板荷采樣時,需要進行稀釋或中間要加上特殊的溫圖1乙醇和乙醛的采樣系統(tǒng)簡圖控裝置。稀釋的方法同樣面臨檢測限問題,加上Fg,1 Sketch of ethanol/ acetaldehyde sampling system套特殊溫控裝置也較復(fù)雜。熱平衡主要是通過節(jié)流閥控制廢氣流量來控3)吸收采樣:利用乙醛、乙醇可以與水任意制的。吸收器內(nèi)可裝入5-10mL吸收液。采用互溶的特性,讓發(fā)動機的排氣通過特定的吸收裝個美國制造的累計流量計,其測量范圍小于8置來吸收排氣中的乙醛和乙醇。相比之下有以下Lmin。方便,容易樣系統(tǒng)溫數(shù):②對樣品干擾小,排氣中不溶于水的低沸點烴2色譜方法的建立類不會被吸收;③樣品容易運輸和保存。乙醛和色譜方法主要是指色譜分析過程中色譜儀的乙醇在水中的穩(wěn)定性比在空氣中高的多低溫選擇、色譜儀進樣方式的選擇、色譜柱的選擇、色(0-5℃)避光條件下可以保存一個月;④色譜分譜儀參數(shù)的設(shè)置、檢測器的選擇等。很多情況下析時的標準樣品容易制備,因為配制液體標準樣分析同種樣品有多種方法,且方法的優(yōu)劣會直接品相對于配制氣體標準樣品要容易得多;⑤可以影響分離度分析效率、檢測限和靈敏度等。通過控制采樣量來控制樣品的濃度,提高測試精作者利用島津GC2010氣相色譜儀對排氣中度。所以本項研究最終選用了這種采樣方案。的乙醇和乙醛進行分析,通過采樣系統(tǒng)采得含有1.2乙醇和乙醛吸收采樣系統(tǒng)的設(shè)計乙醇和乙醛的水溶液樣品,因此進樣就用注射器發(fā)動機排氣在進入吸收器之前的管路都是保進樣,進樣體積選為1μL。采用分流進樣,分流溫的溫度自動控制在100℃以上,主要是為了防比為1。乙醇和乙醛同為極性分子,因此色譜柱發(fā)動機尾氣中的水蒸氣在管路中冷凝吸收乙就需要選用極性的柱子。本實驗選用的是PEG醇和乙醛。吸收采樣裝置的原理圖如圖1所示。20M毛細管柱,規(guī)格為15m(柱長)×0.25mm在采樣之前,關(guān)閉開關(guān)閥打開旁通閥讓廢氣通過(內(nèi)徑)×0.53μm(膜厚)。PEG20M色譜柱的旁路流動一段時間,以便排除吸收器前氣路中上固定相是聚乙二醇,其分子量為20000一個工況留下的廢氣,同時實現(xiàn)氣路管壁和廢氣由于乙醇和乙醛對氫火焰離子化檢測器第6期偉,等:乙醇/柴油發(fā)動機乙醇乙醛排放測試系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用887(FID)都有著較好的響應(yīng)性,所以本實驗選用FID3.2乙醇和乙醛排放測試作為檢測器,溫度設(shè)定為200℃。圖2是按上述利用所設(shè)計的測量系統(tǒng),對一臺增壓中冷四方法使用含有乙醇和乙醛的樣品得到的色譜圖。缸16氣閥乙醇/柴油發(fā)動機的排放進行了測量。其中乙醛的保留時間T( Retain time)為1.584圖3是E0、E5、El0、E15四種燃料,在轉(zhuǎn)速nmin,乙醇的保留時間為2.032min,可以實現(xiàn)乙醇1600r/min下發(fā)動機的乙醛和乙醇排放特性。和乙醛的完全分離。n=1600 rimin口EI5△E10BMEPMPan=1600 r/min圖2乙醇和乙醛標準樣色譜圖--O-EIS△△2ArELFig 2 Chromatograph of ethanol and acetaldehyde3測試系統(tǒng)的實際應(yīng)用3.1色譜儀的標定1.52.0BMEP/MPa色譜方法建立后,為了進行定量分析需要對色譜儀進行標定。標定過程包括:標準樣品溶液圖3B、E5、E10、E5乙醛和乙醇的排放特性的制備,色譜標準曲線的制取檢測限的確定等。Fg,3 Ethanol and acetaldehyde emissions curves for乙醛標準溶液的定量標定采用化學滴定法。乙醇0、E5、E10、E15的標準溶液采用純度很高的色譜分析級乙醇通過稀釋的方法配制4結(jié)束語考慮到實際情況,選擇色譜標準曲線的標定本實驗所建立的色譜分析方法成功地對乙醇方法為多點外標法,即把前面已經(jīng)制取并標定完和乙醛進行了有效分離,乙醇和乙醛的檢測限分畢的乙醛標準溶液與色譜分析級乙醇稀釋混合成別為0.19g/mL和0.18g/mL,滿足試驗的要A、B、C、D、E、F6種混合標準樣品,見表1,分別求,成功實現(xiàn)了對發(fā)動機排氣中乙醇和乙醛的測測量出峰面積。根據(jù)實測的數(shù)據(jù),通過二次多項量。式回歸就可以得到乙醛、乙醇標定曲線。表1色譜儀的標定數(shù)據(jù)(標準樣品濃度和出峰面積)參考文獻:Table 1 Calibration data of chromatograph concentration[1]呂興才,黃震,張武高柴油機燃用柴油醇的性能與of standard sample and area of the peak排放特性的研究[J].內(nèi)燃機學報,2003,21(4):193各種標準樣品ABC198乙醛(μe/mL)00.73251.4632.9264.3897.325Li Xing-cai, Huang Zhen, Zhang Wu"gao. Res乙醛(aea)01675356671871042918874on performance and emissions of diesel enginee fueled乙醇(μg/mL)00.78901.5783.1564.7347.890with diesohol J]. Transactions of CSICE, 2003乙醇(area0132225136330881413017(4):193-198.[2]譚滿志郭英男劉金山,等增壓中冷壓燃式發(fā)動機按照信噪比3:1確定檢測限。信噪比為出峰燃用柴油醇的十三工況排放特性[J].吉林大學學信號高度與短期噪聲毛刺信號高度平均值的比報:工學版,2004,34(3):352356值。最后確定乙醇和乙醛的檢測限分別為0.19Tan Man-zhi, Guo Ying-nan, Liu Jin-shan, et al. ECE嗎/mL和0.18g/mL(約為0.1×10“)。R49 13-mode exhaust emissions from turbo-charged in-吉林大學學報(工學版)第36卷tercooled CI engine fueled with diesohol[ J]. Journal ofand ethers[ C]//SAE Paper 920320Jilin University( Engineering and Technology Edition), [6] Swann S J, Loo J F, Chladek E. Advanced emission2004,34(3):352356.iation methodologies for the auto/oil air quality im[3]EPA 749-F-94-003a. Chemical Summary for Acetaldeprovement research program-IL. 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