第36卷第6期吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)Vol, 36 No 62006年l月Journal of Jilin University( Engineering and Technology Edition)2006文章編號(hào):1671-5497(2006)06-0885-04乙醇/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)乙醇乙醛排放測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用洪偉,呂慶勝,譚滿志,郭英男,艾森林(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,長(zhǎng)春13002:2.車輛排放與節(jié)能重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)尾氣的方法。采用在線直接進(jìn)樣、袋式采樣和吸收采樣3種采樣方式進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了冰浴去離子水吸收乙醇和乙醛的兩級(jí)采樣系統(tǒng)和氣相色譜分析系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,建立的色譜分析方法可成功對(duì)乙醇和乙醛進(jìn)行有效分離,乙醇和乙醛的檢測(cè)限分別為0.19g/mL和0.18μg/mL,滿足試驗(yàn)要求,實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙醇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中乙醇和乙醛的分離測(cè)量。關(guān)鍵詞:動(dòng)力機(jī)械工程;乙醇/柴油發(fā)動(dòng)機(jī);測(cè)試技術(shù);乙醇排放;乙醛排放;氣相色譜中圖分類號(hào):TK411.71文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huì)給燃燒和排放帶來(lái)燃燒過(guò)程的影響。但常規(guī)排氣分析儀只能測(cè)量排響2),并會(huì)產(chǎn)生乙醇和有害氣體乙醛3。如中的總碳?xì)?不能測(cè)定排氣中乙醇和乙醛的具果能夠準(zhǔn)確地測(cè)試乙醇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)乙乙醛的含量,將有助于了解乙醇的摻燒對(duì)排放和醇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中乙醇和乙醛的測(cè)量。設(shè)計(jì)了收稿日期:2005-12-26基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2001cB209206)作者簡(jiǎn)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(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第36卷冰浴去離子水吸收乙醇和乙醛的兩級(jí)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(kāi)開(kāi)氣相色譜分析系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)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(duì)乙醇和乙醛進(jìn)行有效分離。作用下克服兩級(jí)吸收器的阻力流過(guò)吸收器A和1乙醇和乙醛采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)B,最后通過(guò)泵由流量計(jì)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(dāng)廢氣1.1采樣方案的選擇經(jīng)過(guò)多孔玻板時(shí)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(yàn)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(dòng)機(jī)高溫排氣不(1)在線直接進(jìn)樣把發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣通過(guò)一斷通過(guò)采樣器這時(shí)不但有物質(zhì)交換還有熱能交根導(dǎo)管經(jīng)過(guò)進(jìn)樣裝置直接進(jìn)入氣相色譜儀進(jìn)行換,因此必須對(duì)吸收器進(jìn)行冷卻。本系統(tǒng)采用冰色譜分析。此時(shí)氣體樣品未經(jīng)過(guò)處理,尾氣中物水混合物作為冷卻液。因?yàn)楸鶋K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(guò)程,上,可以構(gòu)成自然對(duì)流循環(huán)。乙醛的沸點(diǎn)為21并要求用多次進(jìn)樣分析來(lái)減小誤差,需要較長(zhǎng)的℃,乙醇的沸點(diǎn)為78℃,本系統(tǒng)的吸收液溫度控時(shí)間;另外色譜分析存在檢測(cè)限的問(wèn)題,對(duì)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(jìn)樣檢測(cè)精度較低。(2)袋式取樣:利用氣體采樣袋把發(fā)動(dòng)機(jī)廢旁通閥氣收集起來(lái),然后經(jīng)過(guò)進(jìn)樣裝置使樣氣進(jìn)入到氣開(kāi)關(guān)閥氣相色譜儀中進(jìn)行分析。這種采樣方法在大氣分析流量計(jì)中應(yīng)用較廣。但在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用,要求采樣袋本身滲透性要小、對(duì)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(fù)多孔玻板荷采樣時(shí),需要進(jìn)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(jiǎn)圖控裝置。稀釋的方法同樣面臨檢測(cè)限問(wèn)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(guò)節(jié)流閥控制廢氣流量來(lái)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(dòng)機(jī)的排氣通過(guò)特定的吸收裝個(gè)美國(guó)制造的累計(jì)流量計(jì),其測(cè)量范圍小于8置來(lái)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?cái)?shù):②對(duì)樣品干擾小,排氣中不溶于水的低沸點(diǎn)烴2色譜方法的建立類不會(huì)被吸收;③樣品容易運(yùn)輸和保存。乙醛和色譜方法主要是指色譜分析過(guò)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(jìn)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(gè)月;④色譜分譜儀參數(shù)的設(shè)置、檢測(cè)器的選擇等。很多情況下析時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)樣品容易制備,因?yàn)榕渲埔后w標(biāo)準(zhǔn)樣分析同種樣品有多種方法,且方法的優(yōu)劣會(huì)直接品相對(duì)于配制氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品要容易得多;⑤可以影響分離度分析效率、檢測(cè)限和靈敏度等。通過(guò)控制采樣量來(lái)控制樣品的濃度,提高測(cè)試精作者利用島津GC2010氣相色譜儀對(duì)排氣中度。所以本項(xiàng)研究最終選用了這種采樣方案。的乙醇和乙醛進(jìn)行分析,通過(guò)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(jì)乙醇和乙醛的水溶液樣品,因此進(jìn)樣就用注射器發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在進(jìn)入吸收器之前的管路都是保進(jìn)樣,進(jìn)樣體積選為1μL。采用分流進(jìn)樣,分流溫的溫度自動(dòng)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(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)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(xì)管柱,規(guī)格為15m(柱長(zhǎng))×0.25mm在采樣之前,關(guān)閉開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)旁通閥讓廢氣通過(guò)(內(nèi)徑)×0.53μm(膜厚)。PEG20M色譜柱的旁路流動(dòng)一段時(shí)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(gè)工況留下的廢氣,同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣路管壁和廢氣由于乙醇和乙醛對(duì)氫火焰離子化檢測(cè)器第6期偉,等:乙醇/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)乙醇乙醛排放測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用887(FID)都有著較好的響應(yīng)性,所以本實(shí)驗(yàn)選用FID3.2乙醇和乙醛排放測(cè)試作為檢測(cè)器,溫度設(shè)定為200℃。圖2是按上述利用所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng),對(duì)一臺(tái)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(dòng)機(jī)的排放進(jìn)行了測(cè)量。其中乙醛的保留時(shí)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(shí)間為2.032min,可以實(shí)現(xiàn)乙醇1600r/min下發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)樣色譜圖--O-EIS△△2ArELFig 2 Chromatograph of ethanol and acetaldehyde3測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用3.1色譜儀的標(biāo)定1.52.0BMEP/MPa色譜方法建立后,為了進(jìn)行定量分析需要對(duì)色譜儀進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程包括:標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線的制取檢測(cè)限的確定等。Fg,3 Ethanol and acetaldehyde emissions curves for乙醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的定量標(biāo)定采用化學(xué)滴定法。乙醇0、E5、E10、E15的標(biāo)準(zhǔn)溶液采用純度很高的色譜分析級(jí)乙醇通過(guò)稀釋的方法配制4結(jié)束語(yǔ)考慮到實(shí)際情況,選擇色譜標(biāo)準(zhǔn)曲線的標(biāo)定本實(shí)驗(yàn)所建立的色譜分析方法成功地對(duì)乙醇方法為多點(diǎn)外標(biāo)法,即把前面已經(jīng)制取并標(biāo)定完和乙醛進(jìn)行了有效分離,乙醇和乙醛的檢測(cè)限分畢的乙醛標(biāo)準(zhǔn)溶液與色譜分析級(jí)乙醇稀釋混合成別為0.19g/mL和0.18g/mL,滿足試驗(yàn)的要A、B、C、D、E、F6種混合標(biāo)準(zhǔn)樣品,見(jiàn)表1,分別求,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中乙醇和乙醛的測(cè)測(cè)量出峰面積。根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù),通過(guò)二次多項(xiàng)量。式回歸就可以得到乙醛、乙醇標(biāo)定曲線。表1色譜儀的標(biāo)定數(shù)據(jù)(標(biāo)準(zhǔn)樣品濃度和出峰面積)參考文獻(xiàn):Table 1 Calibration data of chromatograph concentration[1]呂興才,黃震,張武高柴油機(jī)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(jī)學(xué)報(bào),2003,21(4):193各種標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)按照信噪比3:1確定檢測(cè)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(xué)學(xué)信號(hào)高度與短期噪聲毛刺信號(hào)高度平均值的比報(bào):工學(xué)版,2004,34(3):352356值。最后確定乙醇和乙醛的檢測(cè)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(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)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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