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發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放物甲醛的檢測(cè)與分析

文檔作者：劉丹丹文檔來源：北京聯(lián)合大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月31日
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發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放物甲醛的檢測(cè)與分析
劉丹丹
(北京聯(lián)合大學(xué)北京100020)
摘要通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)得到大量醇類燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放數(shù)據(jù)．結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油和醇燃料時(shí)。排氣中都會(huì)產(chǎn)生醛
類排放物，且隨著混合燃料中的醇含量增加，排氣中醛類排放物也相應(yīng)增加；同一種燃料進(jìn)行測(cè)試時(shí)，甲醛排放隨著功率的增
加呈先增大后減小的趨勢(shì)：雙三元催化器對(duì)甲醛有一定的催化作用。為今后開發(fā)醇類燃料汽車燃燒系統(tǒng)及制訂排放標(biāo)準(zhǔn)提供
科學(xué)的依據(jù)。
關(guān)鍵詞汽油機(jī)醇類燃料非常規(guī)排放物甲醛
中圖分類號(hào)：×502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2010)ol—0070—03
由于甲醇汽油燃料在汽車上的普及應(yīng)用．人們對(duì)燃用甲
醇燃料時(shí)汽車排氣中的未燃甲醇、甲醛及其它非常規(guī)排放物
也日益關(guān)注。的確．甲醛對(duì)人體、動(dòng)物所造成的影響已經(jīng)是一
個(gè)明白無誤的事實(shí)。然而。汽車排放中甲醛的測(cè)試方法、測(cè)試
所能夠使用的儀器、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及排放的量值等人們的掌握遠(yuǎn)
沒有對(duì)甲醛危害性認(rèn)識(shí)的深刻。甚至有人依此而預(yù)測(cè)甲醇汽
油的發(fā)展前途。國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)于甲醇汽油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒
特性也開展過一定的研究．但對(duì)其排放特性尤其是甲醛排放
的研究少之又少。由于甲醛的不穩(wěn)定性等因素．在汽車(內(nèi)燃
機(jī))排氣中的測(cè)量方法目前還沒有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此．非
常有必要開展甲醇汽油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的甲醛檢測(cè)分析
方法的研究．開展發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的研究，以建立相應(yīng)的測(cè)
試方法．編制排放法規(guī)。并研究和提出控制方案。本文廣泛地
參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究成果、文獻(xiàn)。著重從甲醛的生成機(jī)理、
危害性、汽車目前排放現(xiàn)狀以及影響因素方面，客觀地實(shí)驗(yàn)
分析了人們關(guān)心的這一問題。在本文的研究過程中，分別進(jìn)
行了汽油、甲醇汽油、乙醇汽油的甲醛排放實(shí)驗(yàn)，獲得了大量
的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與方法進(jìn)行了研究分析，得出了相
關(guān)的研究結(jié)論．
1 甲醛的基本性能與生成機(jī)理
甲醛(化學(xué)分子式HCHO，分子量：30．03)，是一種無色、
有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體。氣體相對(duì)密度1．067(空氣為1)，
液體相對(duì)密度為O．815(一20℃)，溶點(diǎn)一92℃，沸點(diǎn)一19．5℃，易
溶于水、醇和醚。甲醛在常溫下是氣態(tài)，通常以水溶液形式出
現(xiàn)。其40％的水溶液稱為福爾馬林，此溶液沸點(diǎn)為19℃。在
室溫時(shí)極易揮發(fā)．隨著溫度的上升揮發(fā)速度加快。
醛類存在于碳?xì)淙剂喜糠盅趸漠a(chǎn)物中．主要包括甲醛
(HCHO)，乙醛(CH3CHO)，丙醛(C2H,-CHO)，丙烯醛
(C2H￡HO)，丁醛(C3H，CHO)等。其中主要是甲醛及丙烯醛，
會(huì)使排氣產(chǎn)生臭味和具有較強(qiáng)的刺激性。
一般認(rèn)為．發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中甲醛的排放主要來自氣缸和
排氣系統(tǒng)中未燃HC的部分氧化。其中，排氣管道對(duì)甲醛的
排放有一定的影響。排氣管道中氣體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，
溫度范同大約在1500 K～800 K之間．滯留時(shí)間約幾毫秒。在
較高溫度下．HC和CH20可能完全氧化生成CO和C02；在
溫度較低時(shí)．化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)極低，以至排氣成分沒有明顯
變化。
2甲醛測(cè)試方法研究
甲醛的測(cè)定方法一般分為化學(xué)法和儀器法?；瘜W(xué)法主要
有分光光度法(包括酚試劑比色法、乙酰丙酮比色法、變色酸
比色法、鹽酸副玫瑰苯胺比色法、4一氨基一3一聯(lián)氨一5一巰基一
1．2，4-三氮雜茂(簡(jiǎn)稱AHMT)比色法))。催化動(dòng)力學(xué)光度法
和熒光光度法。儀器法主要包括氣相色譜法、高效液相色譜
法、極譜法、電化學(xué)法等。
在上述甲醛的檢測(cè)方法中。電化學(xué)方法具有很好的前
景．但要克服選擇性、穩(wěn)定性等方面存在的問題。色譜分析法
在甲醛檢測(cè)中的應(yīng)用將隨著其本身的發(fā)展而不斷加強(qiáng)，但其
操作復(fù)雜，成本較高．對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的要求也較高。催化動(dòng)力學(xué)
光度法雖靈敏度高．但需嚴(yán)格控制好催化條件及反應(yīng)時(shí)間。
熒光光度法靈敏度高．但線性范圍窄。易受到其他熒光物質(zhì)
的干擾。分光光度法由于儀器普及，顯色體系多，適用面廣，
短期內(nèi)仍然占有鶯要地位。
而在上述比色法中．變色酸法與乙酰丙酮法的靈敏度相
同．且均需在沸水浴中加熱顯色，乙酰丙酮比色法加熱時(shí)間
為3min．變色酸法加熱時(shí)間較長(zhǎng)些。酚試劑比色法在常溫下
顯色．因而在國(guó)內(nèi)被廣泛模擬用于空氣中甲醛快速檢測(cè)儀器
的制備。
本論文里采用了基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法酚試劑法的便攜式
快速甲醛測(cè)定儀。分別對(duì)汽油、甲醇汽油、乙醇汽油進(jìn)行了甲
醛測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)原理：被測(cè)樣品中的甲醛與酚試劑反應(yīng)生成嗪，嗪
在酸性溶液中被高鐵離子氧化形成藍(lán)綠色化合物，根據(jù)顏色
作者簡(jiǎn)介：劉丹丹(1982一)。女，碩士研究生。北京聯(lián)合大學(xué)助教。研究方向：電控排放震汽車新能源動(dòng)力。
2010．No．1．
萬方數(shù)據(jù)
深淺，比色定量。
總之。甲醛的幾種檢測(cè)方法各有利弊，在實(shí)際工作中要
針對(duì)不同的分析對(duì)象和濃度高低做出恰當(dāng)?shù)倪x擇．同時(shí)研究
靈敏度高、選擇性好并能滿足現(xiàn)場(chǎng)分析的快速檢測(cè)方法將是
甲醛分析研究的發(fā)展方向。
3甲醛的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)
(1)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的建立如圖l。
盈l發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圈
試驗(yàn)用發(fā)
動(dòng)機(jī)為空燃比
閉環(huán)控制發(fā)動(dòng)
機(jī)。閉環(huán)控制，
是指在發(fā)動(dòng)機(jī)
排氣管的三元
催化器上游安
裝氧傳感器．
以檢測(cè)尾氣中氧的濃度并把信號(hào)傳回電控單元(ECU)，ECU
再基于測(cè)定的氧濃度數(shù)值來調(diào)整噴油量值。也就是說ECU
對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油和排放實(shí)施過程監(jiān)測(cè)?！?
實(shí)驗(yàn)用汽油機(jī)是nyer M-TCE發(fā)動(dòng)機(jī)。主要參數(shù)見表l。
(2)甲醛排放實(shí)驗(yàn)檢測(cè)
表1 FlyerM—TCE發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表
型號(hào)M—TcE
形式
排氣量／mL
最大功率／kW／r
最大扭矩／N·m／r
壓縮比
直列3缸，4沖程，多點(diǎn)電噴
796
37．5／15000
68．6／|1600
9．3：l
鞋：
霎|；|
廿6 2
0 4 8 12 16
田。蒜／k甲W2 93 醛排放圈·汽油甲凹
善1：
霎s．
蓄，
睜6．
廣’ ＼
／ 、~ ／
／ 、
＼
功率／kW
圈6 Ei0甲醛排放
甲醇汽油、乙醇汽油、93號(hào)普通汽油等燃料甲醛排放檢
測(cè)分別在圖2～圖7中。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析
從圖中可以看出，隨著燃料中甲醇含量的增加，甲醛排
放總體也呈增加的趨勢(shì)。圖8甲醇汽油、圖9乙醇汽油的甲
醛排放量高于普通93
號(hào)汽油。而且。同一轉(zhuǎn)
速下．隨著節(jié)氣門開
度的增加．甲醛排放
量總體上呈一個(gè)先上
升再下降的趨勢(shì)．節(jié)
氣門開度30％附近甲
醛排放量最大。分析
其原因．在小負(fù)荷時(shí)。
發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)充人的
混合氣數(shù)量較少．燃
燒進(jìn)行得比較完全．
圖8甲醇汽油與93#甲醛排放對(duì)比
田9乙醇汽油與93#甲醛排放對(duì)比
表2醇類燃料甲醛排放最大最小及均值對(duì)比mg／m3
戮翻
昏6．5
4 6 8 10 12 14 16
圈甲|I；耄囂W3 M15 甲醛排放團(tuán)甲醇汽油甲醛排放L=220
2010．NO．1．
甲醛排放減少：大負(fù)荷甲醛排放量的下降主要是因
為溫度的上升．高溫是不利于甲醛的生成。這一點(diǎn)
通過在排放氣系統(tǒng)不同點(diǎn)取樣甲醛排放濃度的結(jié)
果也得到了證實(shí)。
表2為選用的幾種燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)工況范
圍內(nèi)甲醛排放最大值、最小值及平均值對(duì)比，也可
以看出．甲醛的排放隨著燃料中甲醇或乙醇的增加’
而呈一個(gè)逐漸上升的趨勢(shì)。
臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中．甲醛檢測(cè)都是不加三元催化器與
消聲器。排氣管道中溫度很高。甲醛生成量少，而實(shí)
車測(cè)試時(shí)．由于三元催化和消音器的作用，使排氣
管溫度降到適合甲醛生成的狀態(tài)，甲醛排放量反而
升高了。
在相同工況下(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=2600r／min，節(jié)氣
門開度30％)．選取幾個(gè)點(diǎn)分別測(cè)得三元催化器前
與三元催化器后甲醛排放量(mg／m3)，如下表3。
從表3可以看出。三元催化器前采樣甲醛排放
量大約為三元催化器后甲醛排放量的一半，經(jīng)雙三
元催化之后甲醛排放又有所減少，可以推斷甲醛的
排放是燃料部分氧化的產(chǎn)物，因?yàn)槿呋鞯淖?
用是氧化還原．所以HC等排放物經(jīng)1個(gè)三元催化
^；蓋。一罄毒|鏈旺
萬方數(shù)據(jù)
圈lO甲醇汽油對(duì)比圈
圈11乙醇汽油對(duì)比豳
器未能徹底氧化成
C02和H20，反而部
分氧化成甲醛．作為
一種中間產(chǎn)物．再經(jīng)
過第2個(gè)三元催化
器后．經(jīng)過進(jìn)一步的
氧化．甲醛生成量有
所減少。
本文通過對(duì)甲
醇汽油、乙醇汽油燃
料中主要非常規(guī)有
害排放物一一甲醛
進(jìn)行分析和研究．建
立了系統(tǒng)的檢測(cè)手
段．基本滿足醇類燃
料發(fā)動(dòng)機(jī)主要非常
規(guī)排放物全面、快速
裹3三元催化器前后甲醛排放對(duì)比
5結(jié)論
通過本實(shí)驗(yàn)研究．可以得出如下的結(jié)論：
(1)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油和醇類燃料時(shí)，尾氣排放中都存在
甲醛類排放污染物。
(2)發(fā)動(dòng)機(jī)使用醇類與汽油的混合燃料時(shí)，隨著混合燃
料中的醇含量增加，排氣中醛類排放物有所增加。
(3)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油或醇類燃料時(shí)，甲醛排放隨負(fù)荷的
升高呈先增大再減小的趨勢(shì)。
(4)甲醛的生成與排氣管道溫度密切相關(guān)。高溫不利于
甲醛的生成。
(5)單三元催化器對(duì)甲醛的催化效果很小。經(jīng)1個(gè)i元
催化器之后采樣甲醛值升高．雙三元催化后采樣甲醛排放明
顯減少．說明甲醛是一種中間氧化的產(chǎn)物，雙三元催化器對(duì)
于控制甲醛排放非常有效。
(6)甲醛排放控制技術(shù)、測(cè)試方法、測(cè)試儀器設(shè)備及今后
可能出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)體系、限值等是一個(gè)急待研究的課題。
參考文獻(xiàn)
1 張海榮，王梅．甲醛分析儀測(cè)定空氣中甲醛的方法研究．環(huán)境工程，
2003。21(2)

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