添加乙醇燃料對汽油機(jī)起動過程微粒排放的影響*

袁 超，洪 偉，蘇 巖，解方喜，陳 靜

（1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025； 2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130025；3.一汽鑄造有限公司，長春 130062； 4.江西五十鈴發(fā)動機(jī)有限公司，南昌 330100）

前言

汽油缸內(nèi)直噴（gasoline direct injection，GDI）技術(shù)與進(jìn)氣道噴射技術(shù)比較，可以采用較為靈活的噴油控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)降低缸內(nèi)壓縮后的進(jìn)氣溫度，從而減小汽油機(jī)爆震傾向，提高壓縮比。GDI技術(shù)與渦輪增壓技術(shù)相結(jié)合，能夠更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。隨著汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)的日益成熟，越來越多車企也將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到新產(chǎn)品上。

早期的研究表明，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的微粒排放高于進(jìn)氣道噴射式汽油機(jī)，而微粒排放會直接影響人類尤其是兒童的心肺功能［1］。在歐洲測試循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）下進(jìn)行試驗(yàn)，未加裝柴油機(jī)微粒過濾器（diesel particulate filter，DPF）的柴油車、直噴汽油車、進(jìn)氣道噴射（port fuel injection，PFI）汽油車和加裝DPF柴油車排放的顆粒物質(zhì)量濃度分別為21，4.6，0.39和0.13mg／km。GDI汽油車排放的質(zhì)量排放處于柴油車和PFI汽油車之間［2］。直噴汽油機(jī)微粒排放的生成影響因素較多，控制參數(shù)是重要的一項(xiàng)，點(diǎn)火正時、噴油正時會直接影響排氣中微粒的數(shù)量濃度［3-4］。

起動工況時間雖然很短，卻是燃燒過程最為惡劣的階段。PECKHAM M S.等人在NEDC測試循環(huán)下對一臺1.6L的GDI汽油車進(jìn)行了微粒排放的試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冷起動后排放的總微粒數(shù)有50%是在起動后的前200s內(nèi)形成的［5］。WHELAN I等人通過研究GDI汽油機(jī)冷起動下發(fā)動機(jī)工作條件對排放微粒的影響得出，冷起動過程排放的納米微粒濃度要比穩(wěn)態(tài)工況下高2～3個數(shù)量級；排放的微粒總數(shù)與發(fā)動機(jī)機(jī)體的溫度有很大的關(guān)系［6］。起動后的怠速工況微粒排放也會受到控制參數(shù)的影響，點(diǎn)火提前角、噴油正時也存在最佳控制值［7］。

含氧燃料的添加對微粒的排放產(chǎn)生影響較大，CHEN等人在V8直噴汽油機(jī)上進(jìn)行添加乙醇燃料對GDI汽油機(jī)微粒排放的影響研究表明，過量空氣系數(shù)為0.9時，發(fā)動機(jī)燃用添加10%體積乙醇的汽油燃料微粒數(shù)排放減少90%以上，微粒質(zhì)量排放減少了72%［8］。其它研究也發(fā)現(xiàn)，含氧燃料的添加會改善常規(guī)工況下汽油機(jī)的排放［9-10］。

在我國的東北地區(qū)，多數(shù)汽車燃用添加乙醇的燃料，本研究針對起動工況，通過添加不同濃度的乙醇燃料，對汽油機(jī)的起動工況的前40s進(jìn)行研究，旨在找到不同冷卻液溫度下，添加乙醇燃料對起動工況汽油機(jī)微粒排放的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

本次試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)為1.4T GDI汽油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)采用美國TSI公司生產(chǎn)的微粒粒徑譜儀（engine exhaust particulate sizer，EEPS）3090對直噴汽油機(jī)怠速工況微粒粒徑數(shù)量濃度分布進(jìn)行測量。EEPS3090粒徑譜儀能夠檢測粒徑范圍在5.6～560nm的微粒數(shù)量濃度，32個等間距的粒徑通道能夠提供精準(zhǔn)的分辨率，且輔以較高的檢測速度，使儀器在1s內(nèi)可以提供10次微粒粒徑分布。由于直噴汽油機(jī)排氣中微粒濃度高于微粒粒徑譜儀的測量范圍，需要對排氣進(jìn)行稀釋。根據(jù)微粒測量法規(guī)（GB18352.6—2016）和EEPS 3090對取樣溫度的要求，將取樣氣體溫度稀釋到52℃以下。本試驗(yàn)中所采用的稀釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。所使用的稀釋系統(tǒng)能夠充分滿足測量儀器對測量條件的要求，保證微粒粒徑測量的準(zhǔn)確性。

圖1 稀釋系統(tǒng)布置圖

根據(jù)乙醇燃料常用的添加比例，試驗(yàn)采用了3種不同燃料：市售97#純汽油、97#汽油與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%的工業(yè)乙醇配制的乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為10%（E10）和20%的乙醇汽油燃料（E20）。

在環(huán)境溫度為20℃條件下，通過改變冷卻液的起動初始溫度，對汽油機(jī)的起動工況微粒排放進(jìn)行試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)過程中，將冷卻液的初始溫度分別控制在20，40，60和80℃。試驗(yàn)過程中，潤滑油沒有進(jìn)行溫度控制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 起動工況下純汽油燃料的微粒粒徑分布

發(fā)動機(jī)起動后40s的測試時間內(nèi)轉(zhuǎn)速隨冷卻液溫度的變化規(guī)律如圖2所示。由圖可見，轉(zhuǎn)速均是在起動的前幾秒內(nèi)達(dá)到最大值，而后逐漸降低至穩(wěn)定怠速。

圖2 不同冷卻液溫度下轉(zhuǎn)速隨時間的變化

汽油機(jī)顆粒物排放主要分布在兩個區(qū)間，一個為核態(tài)微粒（直徑＜50nm），一個為積聚態(tài)微粒（直徑為50～500nm）［11］。為便于分析冷卻液溫度對微粒排放的影響規(guī)律，本研究將試驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)按總粒數(shù)、核態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒數(shù)目進(jìn)行分析對比。總數(shù)量濃度通過對32個通道數(shù)量濃度進(jìn)行求和；核態(tài)微粒數(shù)量濃度通過對直徑＜50nm的15個通道數(shù)量濃度進(jìn)行求和計算得到；積聚態(tài)微粒通過對50～500nm之間的17個測試通道微粒數(shù)量濃度進(jìn)行求和計算得到。

圖3為不同冷卻液溫度下發(fā)動機(jī)燃用純汽油起動后40s內(nèi)微粒數(shù)濃度隨時間的變化規(guī)律。由圖3可見，冷卻液溫度對微粒排放總數(shù)量濃度的影響比較大。當(dāng)冷卻液溫度在20℃條件下，汽油機(jī)在起動的最開始3s時間內(nèi)微粒的總數(shù)量濃度達(dá)到了最大值，為1.0×1010。隨著發(fā)動機(jī)逐漸進(jìn)入怠速工況，轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定時，微粒排放的數(shù)量濃度開始逐漸減小，趨于下降，到起動的第40s時微粒數(shù)的總濃度為1.1×109，和峰值濃度相比，降低了近一個數(shù)量級。這主要是由于在起動的初始階段，汽油機(jī)的控制策略是為了保證發(fā)動機(jī)的可靠起動，電控程序會對可燃混合氣進(jìn)行加濃控制。偏濃的混合氣因?yàn)槿毖?，會使燃燒不完全，從而生成較高的微粒排放。而且，較低的冷卻液溫度也會使混合氣形成質(zhì)量變差，較低的壁面溫度會導(dǎo)致濕壁效應(yīng)增加，這些都是使微粒生成數(shù)量增加的因素。當(dāng)冷卻液溫度升高至40℃時，起動初始階段的微?？倲?shù)量峰值濃度達(dá)到了8.7×109，與20℃冷起動時的峰值濃度相比有所下降，然后隨時間的逐漸推移，微粒濃度減小至2.0×108。發(fā)動機(jī)在不同冷卻液溫度起動時微?？倲?shù)量濃度隨時間的變化趨勢基本是一致的。只是在低溫條件下起動時，進(jìn)入怠速工況后，微粒排放仍會保持在較高的數(shù)值。

圖3 不同冷卻液溫度下汽油燃料微粒數(shù)濃度變化歷程

圖4 給出了發(fā)動機(jī)在不同冷卻液溫度下起動后40s內(nèi)總的核態(tài)、積聚態(tài)微粒占總微粒數(shù)量濃度的比例。由圖4可以看出，直噴汽油機(jī)起動過程中排放的微粒90%以上的形態(tài)是核態(tài)微粒（＜50nm）。

圖4 不同狀態(tài)微粒濃度占總濃度比例

圖5 給出了發(fā)動機(jī)在起動后40s之內(nèi)不同冷卻液溫度對核態(tài)、積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度影響的變化關(guān)系。由圖5可見，隨著冷卻液溫度的升高，總微粒的數(shù)量濃度變化呈現(xiàn)出下降的趨勢；高于20℃時，總微粒數(shù)量在逐漸減小，同時積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度急劇降低。積聚態(tài)微粒在冷卻液溫度較低條件下及起動初始期較高主要是由于前面所述，在這兩種條件下供給了較濃的混合氣。燃燒缺氧會導(dǎo)致碳煙的生成，促進(jìn)了大粒徑微粒的產(chǎn)生。

圖5 汽油燃料不同狀態(tài)微粒濃度和冷卻液溫度的關(guān)系

2.2 起動工況乙醇汽油混合燃料的微粒粒徑分布

在圖6和圖7中，給出了在不同冷卻液溫度下采用E10和E20兩種燃料微粒數(shù)量濃度的變化歷程。

由圖6和圖7可見，燃用E10和E20兩種乙醇汽油燃料，發(fā)動機(jī)在20℃起動時微粒粒數(shù)峰值分別達(dá)到了6.26×109和8.34×109，分別低于燃用純汽油所排放的微粒數(shù)量濃度。當(dāng)發(fā)動機(jī)在40～80℃冷卻液溫度起動時，在前5s的時間內(nèi)所排放的微粒數(shù)總濃度峰值與各自在20℃冷卻液溫度起動時所達(dá)到的峰值比較接近，起動過程中所排放微粒的變化規(guī)律與燃用純汽油的規(guī)律基本一致。

圖7 不同冷卻液溫度下E20燃料微粒數(shù)量濃度變化

燃用E10和E20兩種燃料，在起動的初始階段，會使積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度相對于汽油燃料降低。這主要由于采用不同比例的乙醇汽油時，對于汽油機(jī)的ECU沒有進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，而乙醇燃料中含有氧，理論空燃比低于純汽油燃料。所以在起動初期相同脈寬的噴油控制，使實(shí)際供給的混合氣濃度偏稀，使微粒排放濃度降低。

進(jìn)入怠速時，隨著乙醇添加數(shù)量的增加，在20℃起動時，微粒數(shù)量濃度會維持在較高濃度時間較長。主要是由于乙醇的汽化潛熱高于汽油，乙醇汽油燃料與純汽油燃料相比，汽化時需要吸收更多的熱量，降低了混合氣的溫度，易導(dǎo)致冷機(jī)起動困難，缸內(nèi)燃燒惡化，從而引起微粒排放濃度居高不下。而當(dāng)冷卻液溫度較高時起動發(fā)動機(jī)，機(jī)體的壁面為乙醇汽油燃料的汽化提供更多的熱量，促進(jìn)了混合氣的形成。從而使微粒的排放趨于降低。另外乙醇自身由于含有氧也促進(jìn)了混合氣的充分燃燒，降低了HC排放，也導(dǎo)致微粒排放減少。

圖8給出了在20和80℃冷卻液溫度下燃用不同摻混比乙醇燃料40s內(nèi)微粒排放總數(shù)量濃度的對比?？梢钥闯?，在汽油燃料中添加乙醇后，對于起動的前40s內(nèi)總的微粒排放數(shù)量濃度得到降低。燃用E20燃料在20和80℃條件下微粒數(shù)量總濃度分別降低了37.8%和64.5%。汽油中添加一定數(shù)量的乙醇，可以改善在起動工況下的核態(tài)微粒排放。

圖8 不同摻混比乙醇燃料在不同冷卻液溫度下微粒濃度

3 結(jié)論

（1）直噴汽油機(jī)使用純汽油作為燃料時，冷卻液溫度在20℃起動排放的微粒數(shù)總濃度在起動之后的3s內(nèi)達(dá)到了最大值1.0×1010，經(jīng)過怠速穩(wěn)定后在第40s時降低至1.1×109；冷卻液溫度在40～80℃時起動微粒排放的數(shù)量濃度變化趨勢與冷起動一致，但絕對數(shù)值隨冷卻液溫度的升高趨于降低。

（2）直噴汽油機(jī)在起動過程中的微粒排放粒徑主要以5-50nm核態(tài)微粒為主，占90%以上，核態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒隨水溫下降趨勢與總微粒數(shù)量的變化趨勢相同；而在40～80℃區(qū)間，核態(tài)微粒的數(shù)量濃度降低的幅值較高。

（3）當(dāng)直噴汽油機(jī)采用E10和E20兩種乙醇汽油燃料時，峰值微粒數(shù)量濃度和40s內(nèi)總的微粒數(shù)量濃度均有所降低。燃用E20燃料在20和80℃條件下微粒數(shù)量總濃度分別降低了37.8%和64.5%。