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(lái)，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(wèn)題也備受關(guān)注，從能源方面看，汽油是目前車用發(fā)動(dòng)機(jī)使用最為廣泛的燃料，具有燃燒效率高、熱值大等優(yōu)點(diǎn)，但汽油作為石油產(chǎn)品之一，其發(fā)展必然會(huì)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(lái)源于糧食，且與汽油混合比例不宜過(guò)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(lái)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(jià)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(lái)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?dòng)相比汽車使用過(guò)程雖然時(shí)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(dòng)的最初幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生。在工況試驗(yàn)法中，GB18352.3－2005新增設(shè)了－7℃環(huán)境下低溫冷起動(dòng)的HC和CO排放量測(cè)試，并規(guī)定其排放限值，說(shuō)明低溫環(huán)境對(duì)冷起動(dòng)的排放有著重要影響。

近年來(lái)丁醇汽油雖然已逐漸成為學(xué)者們研究的新熱點(diǎn)，但大多數(shù)學(xué)者的研究側(cè)重于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響研究，而對(duì)于丁醇－汽油的排放特性，尤其是低溫冷起動(dòng)工況下的排放特性研究較少。本文將依據(jù)法規(guī)要求，對(duì)使用丁醇汽油作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在－7℃的環(huán)境溫度下的冷起動(dòng)排放特性進(jìn)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(diǎn)，更利于儲(chǔ)存和運(yùn)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(guò)程中的熱效率較高，使其具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(chǔ)存和運(yùn)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(shí)可提高燃料的抗爆性。

以上特點(diǎn)說(shuō)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(yàn)方案

試驗(yàn)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(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為DA465Q發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)如表2所示。采用南華五氣體分析儀對(duì)尾氣中的HC和CO進(jìn)行分析，全部試驗(yàn)過(guò)程都安排在低溫環(huán)境倉(cāng)中進(jìn)行。根據(jù)GB18352.3－2005中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的規(guī)定，在每次試驗(yàn)前，將試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架置于低溫環(huán)境倉(cāng)中，保持溫度在－7℃10h以上。試驗(yàn)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后立即對(duì)尾氣進(jìn)行采集，采集時(shí)間為120s，并對(duì)燃用兩種燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

－7℃時(shí)冷起動(dòng)過(guò)程中HC和CO的排放特性如圖1所示。從圖1可看出，無(wú)論是HC還是CO，汽油和B20的排放在低溫冷起動(dòng)階段都比較高，且有較大的波動(dòng)。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(guò)程中，汽油和B20排放物的變化趨勢(shì)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(dòng)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(dòng)時(shí)的HC排放特性。可知在冷起動(dòng)前10s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(shì)趨于一致，并隨著時(shí)間增大而呈小幅下降趨勢(shì)，最后分別穩(wěn)定在380PPM和340 PPM左右。

圖2 －7℃冷起動(dòng)HC排放特性

從變化趨勢(shì)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(dòng)機(jī)在低溫冷起動(dòng)的工況下，環(huán)境溫度較低，ECU的作用是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)時(shí)，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(huì)導(dǎo)致HC排放的增加。

3.2 CO排放特性

冷起動(dòng)過(guò)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(dòng)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(shí)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(kāi)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(dòng)CO排放特性

－7℃時(shí)，冷起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)基本一致，都是在起動(dòng)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(shí)穩(wěn)定在900r／min附近。轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)與上述HC和CO的排放變化相符，都是在起動(dòng)初期很短的時(shí)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(lái)，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(shí)間，這可能與整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)所處的環(huán)境溫度較低，導(dǎo)熱較慢有關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和ECU控制不做改動(dòng)的情況下，通過(guò)－7℃時(shí)燃用汽油和B20兩種燃料的試驗(yàn)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(dòng)機(jī)怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速與燃用汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)相比差別不大，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)大約10s后兩者基本趨于一致；

圖4 －7℃冷起動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)具有良好動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能的同時(shí)，找到丁醇與汽油混合的最大極限比例；

2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放進(jìn)行分析時(shí)，采用多組不同比例的燃料，在不同溫度下進(jìn)行系統(tǒng)分析；

3）通過(guò)具體試驗(yàn)，從燃燒機(jī)理方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性進(jìn)行闡述。

［1］ 莊幸，姜克雋.生物燃料在我國(guó)公路交通中替代油品潛力分析［R］.北京:國(guó)家發(fā)改委能源研究所報(bào)告，2008.

［2］ 馮飛.替代燃料、生物燃料、燃?xì)馄嚨募夹g(shù)特征及其發(fā)展前景［R］.北京:國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心調(diào)查研究報(bào)告，2007.

［3］ 石美玉，朱榮福，齊曉杰，等.燃用丁醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2015，17（1）:120－123.

［4］ 李克，王寶林，韓志玉，等.汽油機(jī)燃用丁醇－汽油調(diào)和燃料的可行性試驗(yàn)研究［J］.汽車工程.2009，31（9）:820－823.

［5］ 楊靖，李克，楊小龍，等.丁醇－汽油混合燃料燃燒放熱規(guī)律的研究［J］.汽車工程，2009，31（10）:911－914.

［6］ Haroldo Chacon.生物丁醇的性能優(yōu)勢(shì)及技術(shù)進(jìn)展［J］.石化技術(shù)與應(yīng)用，2012，30（3）:254－259.

［7］ 齊鵬，儲(chǔ)江偉，朱榮福.柴油機(jī)燃用生物柴油顆粒SOF排放實(shí)驗(yàn)研究［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2014，16（3）:122－124.

［8］ Chen R H ，Chiang L B ，Chen C N ，etal.Cold－start emissions of an SI enging using ethanol－gasoline blended fuel［J］.Agricultural Use and Repair，2009（4）:45－47.