掺醇燃料发动机尾气中甲醛检测方法及其排放特性的研究

摘要

随着石油资源的日益减少，甲醇作为汽车的代用燃料，在我国有着广泛的应用前景。但是，甲醇燃料存在的问题是甲醛排放，甲醛是甲醇不完全燃烧的产物，对人体健康和大气环境存在危害。那么，准确检测发动机掺烧甲醇时尾气中的甲醛含量，研究甲醛的生成机理，对控制甲醛排放、推广甲醇燃料、缓解能源危机有很重要的意义。 由于甲醇的十六烷值低，在压燃式发动机上应用困难，针对此问题，本课题组提出了柴油/甲醇组合燃烧理论（diesel/methanol compound combustion，DMCC），对甲醇以压燃方式工作提供了可行的应用途径。为了大力推广DMCC燃烧模式，需要全面了解该燃烧模式的排放情况，HC、CO、NOx等常规排放物的检测已经做了大量研究，目前需要对甲醛等非常规排放物进行检测。 本研究就是基于上述基础开展的，根据掺烧甲醇燃料时发动机尾气HC多，成分复杂等特点，对甲醛检测方法进行了建立。该检测方法采用2，4-二硝基苯肼的酸性饱和溶液作为吸收液，吸收尾气中的醛类化合物，然后用二硫化碳萃取，利用气相色谱仪进行分析。该方法具有高度特异性，经过在发动机尾气检测中大量试用研究，确定该方法适合检测发动机掺烧甲醇燃料时的甲醛排放。 该检测方法使用SP3420气相色谱仪，FID检测器，固定相1.5％OV-101/CW.D（80～100目）、2m×6mm的玻璃填充柱。气相色谱条件：柱温180℃，汽化室温度270℃，检测器温度270℃；载气流速（N2）为30mL/min，氢气30mL/min，空气300mL/min；进样量：5μL。该法采用外标法定量，在12.5～250μg/mL的范围内呈现良好的线性关系；方法的检测限为0.45μg/mL，最低检出浓度为0.6mg/m3；样品平行测定标准偏差在4.8％以内，在已知浓度的样品中加入甲醛标准溶液，甲醛回收率为97.2％～99.2％。该方法适合检测掺醇燃料发动机尾气中的甲醛浓度。 利用该检测方法分别对压燃式和点燃式发动机燃用掺甲醇燃料时尾气中的甲醛排放进行检测。 对DMCC尾气中的甲醛进行检测，检测结果表明： ①与原机相比，DMCC燃烧模式甲醛排放显著增加，当甲醇掺烧比为25％时，甲醛排放在60×10-4以内，大约是原机的10倍，随着甲醇掺烧比的增加，甲醛排放逐渐增加； ②当发动机转速相同，甲醇掺烧比相同时，低负荷时甲醛排放最高，中负荷时甲醛排放最低，随着负荷的增加，甲醛排放又逐渐升高； ③氧化催化转化器对甲醛的净化效果不明显，甚至可以使甲醛排放增加，其转化效果与排气温度密切相关，当温度较低和较高时，可以使甲醛减少，当温度为300℃～410℃时，催化后甲醛排放反而增加； ④本研究采用两种甲醇喷射方式进行对比：连续喷射和顺序喷射。检测结果表明，采用顺序喷射方式后，甲醛排放比连续喷射降低5.0～32.5％，在低负荷下甲醛排放降低幅度较大。 此外，本研究还在点燃式发动机上进行了实验，实验使用了M0、M10、M20、M30四种油料，对四种燃料的甲醛排放进行检测，结果表明：与M0相比，汽油-甲醇燃料甲醛排放增加2～3倍，在M30大负荷和全负荷时，甲醛排放剧增，几乎达到M0的7倍，但是经过催化处理后，甲醛接近零排放，对大气环境不造成危害。在点燃式发动机上，三效催化转化器对甲醛排放有良好的净化效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1能源

1.1.2环境

1.1.3替代燃料的使用

1.2甲醇的特性

1.2.1甲醇的化学特性

1.2.2甲醇的毒性

1.2.4甲醇对生态环境的影响

1.2.5甲醇的安全性

1.2.6甲醇的腐蚀性

1.2.7甲醇燃料的排放

1.3甲醛的性质

1.3.1甲醛的物理性质

1.3.2甲醛的化学性质

1.3.3甲醛的危害

1.4本研究问题的提出、主要研究内容、方法及意义

1.4.1问题的提出

1.4.2方法及意义

1.4.3主要研究内容

第二章文献综述

2.1大气中甲醛的检测方法

2.1.1光谱法

2.1.2分光光度法

2.1.3色谱法

2.1.4小结

2.2汽车尾气中醛类排放检测的现状

2.2.1国外研究现状

2.2.2国内研究现状

2.2.3小结

2.3本研究检测方法的选择

2.3.1液相色谱法

2.3.2气相色谱法

2.4本章小结

第三章内燃机尾气中甲醛检测方法的建立

3.1色谱分析知识

3.1.1色谱的工作原理

3.1.2气相色谱的工作流程

3.1.3定性分析

3.1.4定量分析

3.2检测器的选择

3.3色谱柱的选择

3.4采样方法的确定

3.4.1溶液吸收法

3.4.2填充柱采样法

3.4.3低温冷凝采样法

3.5色谱仪参数的选择

3.5.1 柱温的选择

3.5.2进样量的选择

3.5.3气体流速的选择

3.5.4色谱参数的设置

3.6本章小结

第四章样品的采集与分析

4.1主要仪器与试剂

4.2样品的采集

4.2.1吸附装置

4.2.2采样流速

4.2.3加热装置

4.3样品的制备

4.4样品的分析

4.4.1标准曲线

4.4.2样品分析过程

4.5方法可靠性分析

4.6实际检测结果

4.7本章小结

第五章DMCC尾气甲醛排放特性的研究

5.1试验装置及燃料

5.1.1试验设备

5.1.2燃料性质

5.2实验方法与数据处理

5.2.1实验方法

5.2.2数据处理

5.3检测结果

5.3.1排气温度对比

5.3.2原机与DMCC燃烧方式甲醛排放对比

5.3.3负荷对甲醛排放的影响

5.3.4不同油料甲醛排放的对比

5.4催化转化器和喷射方式对甲醛排放的影响

5.4.1催化转化器对甲醛排放的影响

5.4.2尾气温度对催化转化器转化效率的影响

5.4.3喷射方式对甲醛排放的影响

5.5本章小结

第六章 汽油/甲醇发动机甲醛排放特性的研究

6.1试验设备及燃料

6.1.1试验设备

6.1.2燃料性质

6.2试验方法

6.3甲醛检测结果

6.4甲醛的生成机理

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1工作总结

7.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢