低溫環(huán)境下丁醇汽油發(fā)動機冷起動排放試驗研究

劉文彬，王 輝，安永東，朱榮福

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

近年來，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，與之相關(guān)的能源和環(huán)境問題也備受關(guān)注，從能源方面看，汽油是目前車用發(fā)動機使用最為廣泛的燃料，具有燃燒效率高、熱值大等優(yōu)點，但汽油作為石油產(chǎn)品之一，其發(fā)展必然會受到石油作為有限不可再生資源的影響，因此找到一種替代燃料是一種行之有效的方法。雖然乙醇汽油的出現(xiàn)使這一局面得以緩解，但乙醇主要來源于糧食，且與汽油混合比例不宜過高，因此作為替代能源所起的作用也很有限。丁醇與乙醇相比，來源更為廣泛，不僅可以從糧食中獲得，也可以從木質(zhì)莖類植物和玉米纖維中獲取，在當(dāng)今糧食價格高、糧食安全受到?jīng)_擊的背景下具有重要意義。

從環(huán)境方面看，汽車尾氣是大氣污染的來源之一，控制汽車尾氣排放，是改善空氣質(zhì)量的有效途徑。汽車?yán)淦饎酉啾绕囀褂眠^程雖然時間較短，但研究表明，汽車尾氣中有將近80%的HC和CO都是在冷起動的最初幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生。在工況試驗法中，GB18352.3－2005新增設(shè)了－7℃環(huán)境下低溫冷起動的HC和CO排放量測試，并規(guī)定其排放限值，說明低溫環(huán)境對冷起動的排放有著重要影響。

近年來丁醇汽油雖然已逐漸成為學(xué)者們研究的新熱點，但大多數(shù)學(xué)者的研究側(cè)重于對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性的影響研究，而對于丁醇－汽油的排放特性，尤其是低溫冷起動工況下的排放特性研究較少。本文將依據(jù)法規(guī)要求，對使用丁醇汽油作為燃料的發(fā)動機在－7℃的環(huán)境溫度下的冷起動排放特性進行分析。

1 丁醇汽油理化特性分析

丁醇在組成結(jié)構(gòu)方面，因其與烴類結(jié)構(gòu)類似，使其具有與水相容性較小、腐蝕性低的特點，更利于儲存和運輸。從化學(xué)式可以看出，與乙醇相比，丁醇的含碳量更高，這使得丁醇的熱值更大，接近于汽油的熱值。因此在燃燒過程中的熱效率較高，使其具有良好的燃油經(jīng)濟性。

表1給出了汽油、乙醇、丁醇等燃料的主要理化特性。從表1可以看出:

1）與汽油相比，乙醇、丁醇都含有一定的氧，故相同環(huán)境下更利于燃料的燃燒，進而提高燃料的利用率，改善排放特性；

2）汽油和乙醇的蒸汽壓力都接近13.8kPa，遠(yuǎn)高于丁醇的2.3kPa，較低的蒸汽壓力有利于燃料的儲存和運輸；

3）丁醇燃料辛烷值較大，雖不及乙醇高，但優(yōu)于汽油，因此與汽油混合時可提高燃料的抗爆性。

以上特點說明丁醇具備成為替代能源所要求的基本物理、化學(xué)性質(zhì)。

表1 燃料理化特性

2 試驗方案

試驗燃料分別為汽油和體積分?jǐn)?shù)占20%的丁醇汽油混合燃料（B20）。試驗所用發(fā)動機為DA465Q發(fā)動機，主要參數(shù)如表2所示。采用南華五氣體分析儀對尾氣中的HC和CO進行分析，全部試驗過程都安排在低溫環(huán)境倉中進行。根據(jù)GB18352.3－2005中對發(fā)動機冷起動的規(guī)定，在每次試驗前，將試驗用發(fā)動機臺架置于低溫環(huán)境倉中，保持溫度在－7℃10h以上。試驗起動發(fā)動機后立即對尾氣進行采集，采集時間為120s，并對燃用兩種燃料的發(fā)動機排放特性進行對比分析。

表2 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

－7℃時冷起動過程中HC和CO的排放特性如圖1所示。從圖1可看出，無論是HC還是CO，汽油和B20的排放在低溫冷起動階段都比較高，且有較大的波動。這與工作環(huán)境溫度低，蒸發(fā)困難，燃料燃燒不夠充分有關(guān)。在120s的記錄過程中，汽油和B20排放物的變化趨勢大致相同，但汽油的HC和CO的排放基本都高于B20。

圖1 －7℃冷起動排放特性

3.1 HC排放特性

圖2 為汽油和B20兩種燃料在低溫冷起動時的HC排放特性?？芍诶淦饎忧?0s左右兩種燃料的HC排放達(dá)到最大，分別為953PPM和648PPM，之后又快速下降，達(dá)到20s左右，汽油的排放值為474PPM，B20為400PPM，之后汽油和B20的變化趨勢趨于一致，并隨著時間增大而呈小幅下降趨勢，最后分別穩(wěn)定在380PPM和340 PPM左右。

圖2 －7℃冷起動HC排放特性

從變化趨勢看，兩種燃料幾乎都在第10s附近出現(xiàn)峰值，而后又都快速下降，主要是由于發(fā)動機在低溫冷起動的工況下，環(huán)境溫度較低，ECU的作用是當(dāng)發(fā)動機正常起動時，能控制燃油供給系統(tǒng)多提供一部分燃料，導(dǎo)致混合氣較濃，燃燒不充分。此外，低溫環(huán)境中附著在缸壁上的沉積物也會導(dǎo)致HC排放的增加。

3.2 CO排放特性

冷起動過程中的CO排放特性如圖3所示。與HC的產(chǎn)生原因類似，CO的產(chǎn)生也與環(huán)境溫度和混合氣濃度或混合氣燃燒是否充分有較大關(guān)系。在冷起動初期，混合氣溫度低，濃度大，燃料燃燒不完全，CO的排放量在短時間內(nèi)達(dá)到峰值，汽油的CO排放量大約在17s左右達(dá)到最大，約為6.25%，B20的CO排放最大值約在19s左右出現(xiàn)，值為5.67%，與汽油相比大約下降10%。隨后兩者的CO排放量都開始下降，但在65s之前，B20都略低于汽油的CO排放量，在65s之后，兩者差別不大，基本穩(wěn)定在0.62%～1.0%。

圖3 －7℃冷起動CO排放特性

－7℃時，冷起動發(fā)動機的轉(zhuǎn)速特性如圖4所示。由圖4可知，燃用汽油和B20兩種燃料時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化趨勢基本一致，都是在起動后4s左右達(dá)到各自的峰值，分別為1 596r／min和1 379r／min，然后又迅速下降，當(dāng)兩者的轉(zhuǎn)速在9s左右時穩(wěn)定在900r／min附近。轉(zhuǎn)速的變化趨勢與上述HC和CO的排放變化相符，都是在起動初期很短的時間內(nèi)達(dá)到各自的最大值，之后迅速下降到某一范圍，最后基本穩(wěn)定下來，但轉(zhuǎn)速特性的峰值出現(xiàn)在4s左右，要早于HC和CO達(dá)到峰值的時間，這可能與整個發(fā)動機所處的環(huán)境溫度較低，導(dǎo)熱較慢有關(guān)。

4 結(jié)束語

在發(fā)動機結(jié)構(gòu)和ECU控制不做改動的情況下，通過－7℃時燃用汽油和B20兩種燃料的試驗表明:

1）丁醇燃料具有較為理想的物理、化學(xué)性質(zhì)；

2）燃用B20燃料的發(fā)動機怠速時的轉(zhuǎn)速與燃用汽油的發(fā)動機相比差別不大，在發(fā)動機起動大約10s后兩者基本趨于一致；

圖4 －7℃冷起動轉(zhuǎn)速特性

3）與汽油相比，低溫環(huán)境下燃燒B20燃料的發(fā)動機HC和CO排放量有所降低，排放性能得以改善。

但現(xiàn)階段研究還不足，今后還要在以下方面做調(diào)整:

1）嘗試在保證發(fā)動機具有良好動力性、經(jīng)濟性及排放性能的同時，找到丁醇與汽油混合的最大極限比例；

2）對發(fā)動機的排放進行分析時，采用多組不同比例的燃料，在不同溫度下進行系統(tǒng)分析；

3）通過具體試驗，從燃燒機理方面對發(fā)動機排放特性進行闡述。

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