低温环境下丁醇汽油发动机冷起动排放试验研究

刘文彬，王 辉，安永东，朱荣福

（黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨150050）

近年来，随着汽车工业的不断发展，与之相关的能源和环境问题也备受关注，从能源方面看，汽油是目前车用发动机使用最为广泛的燃料，具有燃烧效率高、热值大等优点，但汽油作为石油产品之一，其发展必然会受到石油作为有限不可再生资源的影响，因此找到一种替代燃料是一种行之有效的方法。虽然乙醇汽油的出现使这一局面得以缓解，但乙醇主要来源于粮食，且与汽油混合比例不宜过高，因此作为替代能源所起的作用也很有限。丁醇与乙醇相比，来源更为广泛，不仅可以从粮食中获得，也可以从木质茎类植物和玉米纤维中获取，在当今粮食价格高、粮食安全受到冲击的背景下具有重要意义。

从环境方面看，汽车尾气是大气污染的来源之一，控制汽车尾气排放，是改善空气质量的有效途径。汽车冷起动相比汽车使用过程虽然时间较短，但研究表明，汽车尾气中有将近80%的HC和CO都是在冷起动的最初几分钟内产生。在工况试验法中，GB18352.3－2005新增设了－7℃环境下低温冷起动的HC和CO排放量测试，并规定其排放限值，说明低温环境对冷起动的排放有着重要影响。

近年来丁醇汽油虽然已逐渐成为学者们研究的新热点，但大多数学者的研究侧重于对发动机的动力性和经济性的影响研究，而对于丁醇－汽油的排放特性，尤其是低温冷起动工况下的排放特性研究较少。本文将依据法规要求，对使用丁醇汽油作为燃料的发动机在－7℃的环境温度下的冷起动排放特性进行分析。

1 丁醇汽油理化特性分析

丁醇在组成结构方面，因其与烃类结构类似，使其具有与水相容性较小、腐蚀性低的特点，更利于储存和运输。从化学式可以看出，与乙醇相比，丁醇的含碳量更高，这使得丁醇的热值更大，接近于汽油的热值。因此在燃烧过程中的热效率较高，使其具有良好的燃油经济性。

表1给出了汽油、乙醇、丁醇等燃料的主要理化特性。从表1可以看出:

1）与汽油相比，乙醇、丁醇都含有一定的氧，故相同环境下更利于燃料的燃烧，进而提高燃料的利用率，改善排放特性；

2）汽油和乙醇的蒸汽压力都接近13.8kPa，远高于丁醇的2.3kPa，较低的蒸汽压力有利于燃料的储存和运输；

3）丁醇燃料辛烷值较大，虽不及乙醇高，但优于汽油，因此与汽油混合时可提高燃料的抗爆性。

以上特点说明丁醇具备成为替代能源所要求的基本物理、化学性质。

表1 燃料理化特性

2 试验方案

试验燃料分别为汽油和体积分数占20%的丁醇汽油混合燃料（B20）。试验所用发动机为DA465Q发动机，主要参数如表2所示。采用南华五气体分析仪对尾气中的HC和CO进行分析，全部试验过程都安排在低温环境仓中进行。根据GB18352.3－2005中对发动机冷起动的规定，在每次试验前，将试验用发动机台架置于低温环境仓中，保持温度在－7℃10h以上。试验起动发动机后立即对尾气进行采集，采集时间为120s，并对燃用两种燃料的发动机排放特性进行对比分析。

表2 发动机主要技术参数

3 试验结果与分析

－7℃时冷起动过程中HC和CO的排放特性如图1所示。从图1可看出，无论是HC还是CO，汽油和B20的排放在低温冷起动阶段都比较高，且有较大的波动。这与工作环境温度低，蒸发困难，燃料燃烧不够充分有关。在120s的记录过程中，汽油和B20排放物的变化趋势大致相同，但汽油的HC和CO的排放基本都高于B20。

图1 －7℃冷起动排放特性

3.1 HC排放特性

图2 为汽油和B20两种燃料在低温冷起动时的HC排放特性。可知在冷起动前10s左右两种燃料的HC排放达到最大，分别为953PPM和648PPM，之后又快速下降，达到20s左右，汽油的排放值为474PPM，B20为400PPM，之后汽油和B20的变化趋势趋于一致，并随着时间增大而呈小幅下降趋势，最后分别稳定在380PPM和340 PPM左右。

图2 －7℃冷起动HC排放特性

从变化趋势看，两种燃料几乎都在第10s附近出现峰值，而后又都快速下降，主要是由于发动机在低温冷起动的工况下，环境温度较低，ECU的作用是当发动机正常起动时，能控制燃油供给系统多提供一部分燃料，导致混合气较浓，燃烧不充分。此外，低温环境中附着在缸壁上的沉积物也会导致HC排放的增加。

3.2 CO排放特性

冷起动过程中的CO排放特性如图3所示。与HC的产生原因类似，CO的产生也与环境温度和混合气浓度或混合气燃烧是否充分有较大关系。在冷起动初期，混合气温度低，浓度大，燃料燃烧不完全，CO的排放量在短时间内达到峰值，汽油的CO排放量大约在17s左右达到最大，约为6.25%，B20的CO排放最大值约在19s左右出现，值为5.67%，与汽油相比大约下降10%。随后两者的CO排放量都开始下降，但在65s之前，B20都略低于汽油的CO排放量，在65s之后，两者差别不大，基本稳定在0.62%～1.0%。

图3 －7℃冷起动CO排放特性

－7℃时，冷起动发动机的转速特性如图4所示。由图4可知，燃用汽油和B20两种燃料时，发动机的转速变化趋势基本一致，都是在起动后4s左右达到各自的峰值，分别为1 596r／min和1 379r／min，然后又迅速下降，当两者的转速在9s左右时稳定在900r／min附近。转速的变化趋势与上述HC和CO的排放变化相符，都是在起动初期很短的时间内达到各自的最大值，之后迅速下降到某一范围，最后基本稳定下来，但转速特性的峰值出现在4s左右，要早于HC和CO达到峰值的时间，这可能与整个发动机所处的环境温度较低，导热较慢有关。

4 结束语

在发动机结构和ECU控制不做改动的情况下，通过－7℃时燃用汽油和B20两种燃料的试验表明:

1）丁醇燃料具有较为理想的物理、化学性质；

2）燃用B20燃料的发动机怠速时的转速与燃用汽油的发动机相比差别不大，在发动机起动大约10s后两者基本趋于一致；

图4 －7℃冷起动转速特性

3）与汽油相比，低温环境下燃烧B20燃料的发动机HC和CO排放量有所降低，排放性能得以改善。

但现阶段研究还不足，今后还要在以下方面做调整:

1）尝试在保证发动机具有良好动力性、经济性及排放性能的同时，找到丁醇与汽油混合的最大极限比例；

2）对发动机的排放进行分析时，采用多组不同比例的燃料，在不同温度下进行系统分析；

3）通过具体试验，从燃烧机理方面对发动机排放特性进行阐述。

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