添加乙醇燃料對汽油機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，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.吉林大學汽車工程學院，長春 130025；3.一汽鑄造有限公司，長春 130062； 4.江西五十鈴發動機有限公司，南昌 330100）

前言

汽油缸內直噴（gasoline direct injection，GDI）技術與進氣道噴射技術比較，可以采用較為靈活的噴油控制方式，能夠實現降低缸內壓縮后的進氣溫度，從而減小汽油機爆震傾向，提高壓縮比。GDI技術與渦輪增壓技術相結合，能夠更好地實現節能減排。隨著汽油缸內直噴技術的日益成熟，越來越多車企也將這項技術應用到新產品上。

早期的研究表明，缸內直噴汽油機的微粒排放高于進氣道噴射式汽油機，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（new European driving cycle，NEDC）下進行試驗，未加裝柴油機微粒過濾器（diesel particulate filter，DPF）的柴油車、直噴汽油車、進氣道噴射（port fuel injection，PFI）汽油車和加裝DPF柴油車排放的顆粒物質量濃度分別為21，4.6，0.39和0.13mg／km。GDI汽油車排放的質量排放處于柴油車和PFI汽油車之間［2］。直噴汽油機微粒排放的生成影響因素較多，控制參數是重要的一項，點火正時、噴油正時會直接影響排氣中微粒的數量濃度［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測試循環下對一臺1.6L的GDI汽油車進行了微粒排放的試驗研究，結果發現冷起動后排放的總微粒數有50%是在起動后的前200s內形成的［5］。WHELAN I等人通過研究GDI汽油機冷起動下發動機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態工況下高2～3個數量級；排放的微?？倲蹬c發動機機體的溫度有很大的關系［6］。起動后的怠速工況微粒排放也會受到控制參數的影響，點火提前角、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生影響較大，CHEN等人在V8直噴汽油機上進行添加乙醇燃料對GDI汽油機微粒排放的影響研究表明，過量空氣系數為0.9時，發動機燃用添加10%體積乙醇的汽油燃料微粒數排放減少90%以上，微粒質量排放減少了72%［8］。其它研究也發現，含氧燃料的添加會改善常規工況下汽油機的排放［9-10］。

在我國的東北地區，多數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，對汽油機的起動工況的前40s進行研究，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微粒排放的影響規律。

1 試驗設備與方法

本次試驗所用發動機為1.4T GDI汽油機，主要技術參數如表1所示。

試驗采用美國TSI公司生產的微粒粒徑譜儀（engine exhaust particulate sizer，EEPS）3090對直噴汽油機怠速工況微粒粒徑數量濃度分布進行測量。EEPS3090粒徑譜儀能夠檢測粒徑范圍在5.6～560nm的微粒數量濃度，32個等間距的粒徑通道能夠提供精準的分辨率，且輔以較高的檢測速度，使儀器在1s內可以提供10次微粒粒徑分布。由于直噴汽油機排氣中微粒濃度高于微粒粒徑譜儀的測量范圍，需要對排氣進行稀釋。根據微粒測量法規（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。本試驗中所采用的稀釋系統結構原理如圖1所示。所使用的稀釋系統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確性。

圖1 稀釋系統布置圖

根據乙醇燃料常用的添加比例，試驗采用了3種不同燃料：市售97#純汽油、97#汽油與質量分數為99.7%的工業乙醇配制的乙醇體積分數分別為10%（E10）和20%的乙醇汽油燃料（E20）。

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

2 試驗結果與分析

2.1 起動工況下純汽油燃料的微粒粒徑分布

發動機起動后40s的測試時間內轉速隨冷卻液溫度的變化規律如圖2所示。由圖可見，轉速均是在起動的前幾秒內達到最大值，而后逐漸降低至穩定怠速。

圖2 不同冷卻液溫度下轉速隨時間的變化

汽油機顆粒物排放主要分布在兩個區間，一個為核態微粒（直徑＜50nm），一個為積聚態微粒（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律，本研究將試驗測量的數據按總粒數、核態微粒和積聚態微粒數目進行分析對比?？倲盗繚舛韧ㄟ^對32個通道數量濃度進行求和；核態微粒數量濃度通過對直徑＜50nm的15個通道數量濃度進行求和計算得到；積聚態微粒通過對50～500nm之間的17個測試通道微粒數量濃度進行求和計算得到。

圖3為不同冷卻液溫度下發動機燃用純汽油起動后40s內微粒數濃度隨時間的變化規律。由圖3可見，冷卻液溫度對微粒排放總數量濃度的影響比較大。當冷卻液溫度在20℃條件下，汽油機在起動的最開始3s時間內微粒的總數量濃度達到了最大值，為1.0×1010。隨著發動機逐漸進入怠速工況，轉速趨于穩定時，微粒排放的數量濃度開始逐漸減小，趨于下降，到起動的第40s時微粒數的總濃度為1.1×109，和峰值濃度相比，降低了近一個數量級。這主要是由于在起動的初始階段，汽油機的控制策略是為了保證發動機的可靠起動，電控程序會對可燃混合氣進行加濃控制。偏濃的混合氣因為缺氧，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量變差，較低的壁面溫度會導致濕壁效應增加，這些都是使微粒生成數量增加的因素。當冷卻液溫度升高至40℃時，起動初始階段的微?？倲盗糠逯禎舛冗_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。發動機在不同冷卻液溫度起動時微?？倲盗繚舛入S時間的變化趨勢基本是一致的。只是在低溫條件下起動時，進入怠速工況后，微粒排放仍會保持在較高的數值。

圖3 不同冷卻液溫度下汽油燃料微粒數濃度變化歷程

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

圖4 不同狀態微粒濃度占總濃度比例

圖5 給出了發動機在起動后40s之內不同冷卻液溫度對核態、積聚態微粒數量濃度影響的變化關系。由圖5可見，隨著冷卻液溫度的升高，總微粒的數量濃度變化呈現出下降的趨勢；高于20℃時，總微粒數量在逐漸減小，同時積聚態微粒數量濃度急劇降低。積聚態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。燃燒缺氧會導致碳煙的生成，促進了大粒徑微粒的產生。

圖5 汽油燃料不同狀態微粒濃度和冷卻液溫度的關系

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，發動機在20℃起動時微粒粒數峰值分別達到了6.26×109和8.34×109，分別低于燃用純汽油所排放的微粒數量濃度。當發動機在40～80℃冷卻液溫度起動時，在前5s的時間內所排放的微粒數總濃度峰值與各自在20℃冷卻液溫度起動時所達到的峰值比較接近，起動過程中所排放微粒的變化規律與燃用純汽油的規律基本一致。

圖7 不同冷卻液溫度下E20燃料微粒數量濃度變化

燃用E10和E20兩種燃料，在起動的初始階段，會使積聚態微粒數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，對于汽油機的ECU沒有進行相關參數的調整，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，使實際供給的混合氣濃度偏稀，使微粒排放濃度降低。

進入怠速時，隨著乙醇添加數量的增加，在20℃起動時，微粒數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，易導致冷機起動困難，缸內燃燒惡化，從而引起微粒排放濃度居高不下。而當冷卻液溫度較高時起動發動機，機體的壁面為乙醇汽油燃料的汽化提供更多的熱量，促進了混合氣的形成。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了混合氣的充分燃燒，降低了HC排放，也導致微粒排放減少。

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內微粒排放總數量濃度的對比。可以看出，在汽油燃料中添加乙醇后，對于起動的前40s內總的微粒排放數量濃度得到降低。燃用E20燃料在20和80℃條件下微粒數量總濃度分別降低了37.8%和64.5%。汽油中添加一定數量的乙醇，可以改善在起動工況下的核態微粒排放。

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 結論

（1）直噴汽油機使用純汽油作為燃料時，冷卻液溫度在20℃起動排放的微粒數總濃度在起動之后的3s內達到了最大值1.0×1010，經過怠速穩定后在第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量濃度變化趨勢與冷起動一致，但絕對數值隨冷卻液溫度的升高趨于降低。

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

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