添加乙醇燃料对汽油机起动过程微粒排放的影响*

2019-01-29解方喜

汽车工程 2018年12期

袁超，洪伟，苏岩，解方喜，陈静

（1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.吉林大学汽车工程学院，长春 130025；3.一汽铸造有限公司，长春 130062； 4.江西五十铃发动机有限公司，南昌 330100）

前言

汽油缸内直喷（gasoline direct injection，GDI）技术与进气道喷射技术比较，可以采用较为灵活的喷油控制方式，能够实现降低缸内压缩后的进气温度，从而减小汽油机爆震倾向，提高压缩比。GDI技术与涡轮增压技术相结合，能够更好地实现节能减排。随着汽油缸内直喷技术的日益成熟，越来越多车企也将这项技术应用到新产品上。

早期的研究表明，缸内直喷汽油机的微粒排放高于进气道喷射式汽油机，而微粒排放会直接影响人类尤其是儿童的心肺功能［1］。在欧洲测试循环（new European driving cycle，NEDC）下进行试验，未加装柴油机微粒过滤器（diesel particulate filter，DPF）的柴油车、直喷汽油车、进气道喷射（port fuel injection，PFI）汽油车和加装DPF柴油车排放的颗粒物质量浓度分别为21，4.6，0.39和0.13mg／km。GDI汽油车排放的质量排放处于柴油车和PFI汽油车之间［2］。直喷汽油机微粒排放的生成影响因素较多，控制参数是重要的一项，点火正时、喷油正时会直接影响排气中微粒的数量浓度［3-4］。

起动工况时间虽然很短，却是燃烧过程最为恶劣的阶段。PECKHAM M S.等人在NEDC测试循环下对一台1.6L的GDI汽油车进行了微粒排放的试验研究，结果发现冷起动后排放的总微粒数有50%是在起动后的前200s内形成的［5］。WHELAN I等人通过研究GDI汽油机冷起动下发动机工作条件对排放微粒的影响得出，冷起动过程排放的纳米微粒浓度要比稳态工况下高2～3个数量级；排放的微粒总数与发动机机体的温度有很大的关系［6］。起动后的怠速工况微粒排放也会受到控制参数的影响，点火提前角、喷油正时也存在最佳控制值［7］。

含氧燃料的添加对微粒的排放产生影响较大，CHEN等人在V8直喷汽油机上进行添加乙醇燃料对GDI汽油机微粒排放的影响研究表明，过量空气系数为0.9时，发动机燃用添加10%体积乙醇的汽油燃料微粒数排放减少90%以上，微粒质量排放减少了72%［8］。其它研究也发现，含氧燃料的添加会改善常规工况下汽油机的排放［9-10］。

在我国的东北地区，多数汽车燃用添加乙醇的燃料，本研究针对起动工况，通过添加不同浓度的乙醇燃料，对汽油机的起动工况的前40s进行研究，旨在找到不同冷却液温度下，添加乙醇燃料对起动工况汽油机微粒排放的影响规律。

1 试验设备与方法

本次试验所用发动机为1.4T GDI汽油机，主要技术参数如表1所示。

试验采用美国TSI公司生产的微粒粒径谱仪（engine exhaust particulate sizer，EEPS）3090对直喷汽油机怠速工况微粒粒径数量浓度分布进行测量。EEPS3090粒径谱仪能够检测粒径范围在5.6～560nm的微粒数量浓度，32个等间距的粒径通道能够提供精准的分辨率，且辅以较高的检测速度，使仪器在1s内可以提供10次微粒粒径分布。由于直喷汽油机排气中微粒浓度高于微粒粒径谱仪的测量范围，需要对排气进行稀释。根据微粒测量法规（GB18352.6—2016）和EEPS 3090对取样温度的要求，将取样气体温度稀释到52℃以下。本试验中所采用的稀释系统结构原理如图1所示。所使用的稀释系统能够充分满足测量仪器对测量条件的要求，保证微粒粒径测量的准确性。

图1 稀释系统布置图

根据乙醇燃料常用的添加比例，试验采用了3种不同燃料：市售97#纯汽油、97#汽油与质量分数为99.7%的工业乙醇配制的乙醇体积分数分别为10%（E10）和20%的乙醇汽油燃料（E20）。

在环境温度为20℃条件下，通过改变冷却液的起动初始温度，对汽油机的起动工况微粒排放进行试验研究。在试验过程中，将冷却液的初始温度分别控制在20，40，60和80℃。试验过程中，润滑油没有进行温度控制。

2 试验结果与分析

2.1 起动工况下纯汽油燃料的微粒粒径分布

发动机起动后40s的测试时间内转速随冷却液温度的变化规律如图2所示。由图可见，转速均是在起动的前几秒内达到最大值，而后逐渐降低至稳定怠速。

图2 不同冷却液温度下转速随时间的变化

汽油机颗粒物排放主要分布在两个区间，一个为核态微粒（直径＜50nm），一个为积聚态微粒（直径为50～500nm）［11］。为便于分析冷却液温度对微粒排放的影响规律，本研究将试验测量的数据按总粒数、核态微粒和积聚态微粒数目进行分析对比。总数量浓度通过对32个通道数量浓度进行求和；核态微粒数量浓度通过对直径＜50nm的15个通道数量浓度进行求和计算得到；积聚态微粒通过对50～500nm之间的17个测试通道微粒数量浓度进行求和计算得到。

图3为不同冷却液温度下发动机燃用纯汽油起动后40s内微粒数浓度随时间的变化规律。由图3可见，冷却液温度对微粒排放总数量浓度的影响比较大。当冷却液温度在20℃条件下，汽油机在起动的最开始3s时间内微粒的总数量浓度达到了最大值，为1.0×1010。随着发动机逐渐进入怠速工况，转速趋于稳定时，微粒排放的数量浓度开始逐渐减小，趋于下降，到起动的第40s时微粒数的总浓度为1.1×109，和峰值浓度相比，降低了近一个数量级。这主要是由于在起动的初始阶段，汽油机的控制策略是为了保证发动机的可靠起动，电控程序会对可燃混合气进行加浓控制。偏浓的混合气因为缺氧，会使燃烧不完全，从而生成较高的微粒排放。而且，较低的冷却液温度也会使混合气形成质量变差，较低的壁面温度会导致湿壁效应增加，这些都是使微粒生成数量增加的因素。当冷却液温度升高至40℃时，起动初始阶段的微粒总数量峰值浓度达到了8.7×109，与20℃冷起动时的峰值浓度相比有所下降，然后随时间的逐渐推移，微粒浓度减小至2.0×108。发动机在不同冷却液温度起动时微粒总数量浓度随时间的变化趋势基本是一致的。只是在低温条件下起动时，进入怠速工况后，微粒排放仍会保持在较高的数值。

图3 不同冷却液温度下汽油燃料微粒数浓度变化历程

图4 给出了发动机在不同冷却液温度下起动后40s内总的核态、积聚态微粒占总微粒数量浓度的比例。由图4可以看出，直喷汽油机起动过程中排放的微粒90%以上的形态是核态微粒（＜50nm）。

图4 不同状态微粒浓度占总浓度比例

图5 给出了发动机在起动后40s之内不同冷却液温度对核态、积聚态微粒数量浓度影响的变化关系。由图5可见，随着冷却液温度的升高，总微粒的数量浓度变化呈现出下降的趋势；高于20℃时，总微粒数量在逐渐减小，同时积聚态微粒数量浓度急剧降低。积聚态微粒在冷却液温度较低条件下及起动初始期较高主要是由于前面所述，在这两种条件下供给了较浓的混合气。燃烧缺氧会导致碳烟的生成，促进了大粒径微粒的产生。

图5 汽油燃料不同状态微粒浓度和冷却液温度的关系

2.2 起动工况乙醇汽油混合燃料的微粒粒径分布

在图6和图7中，给出了在不同冷却液温度下采用E10和E20两种燃料微粒数量浓度的变化历程。

由图6和图7可见，燃用E10和E20两种乙醇汽油燃料，发动机在20℃起动时微粒粒数峰值分别达到了6.26×109和8.34×109，分别低于燃用纯汽油所排放的微粒数量浓度。当发动机在40～80℃冷却液温度起动时，在前5s的时间内所排放的微粒数总浓度峰值与各自在20℃冷却液温度起动时所达到的峰值比较接近，起动过程中所排放微粒的变化规律与燃用纯汽油的规律基本一致。

图7 不同冷却液温度下E20燃料微粒数量浓度变化

燃用E10和E20两种燃料，在起动的初始阶段，会使积聚态微粒数量浓度相对于汽油燃料降低。这主要由于采用不同比例的乙醇汽油时，对于汽油机的ECU没有进行相关参数的调整，而乙醇燃料中含有氧，理论空燃比低于纯汽油燃料。所以在起动初期相同脉宽的喷油控制，使实际供给的混合气浓度偏稀，使微粒排放浓度降低。

进入怠速时，随着乙醇添加数量的增加，在20℃起动时，微粒数量浓度会维持在较高浓度时间较长。主要是由于乙醇的汽化潜热高于汽油，乙醇汽油燃料与纯汽油燃料相比，汽化时需要吸收更多的热量，降低了混合气的温度，易导致冷机起动困难，缸内燃烧恶化，从而引起微粒排放浓度居高不下。而当冷却液温度较高时起动发动机，机体的壁面为乙醇汽油燃料的汽化提供更多的热量，促进了混合气的形成。从而使微粒的排放趋于降低。另外乙醇自身由于含有氧也促进了混合气的充分燃烧，降低了HC排放，也导致微粒排放减少。

图8给出了在20和80℃冷却液温度下燃用不同掺混比乙醇燃料40s内微粒排放总数量浓度的对比。可以看出，在汽油燃料中添加乙醇后，对于起动的前40s内总的微粒排放数量浓度得到降低。燃用E20燃料在20和80℃条件下微粒数量总浓度分别降低了37.8%和64.5%。汽油中添加一定数量的乙醇，可以改善在起动工况下的核态微粒排放。