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使用添加剂改善乙醇燃料汽车的冷起动
Nelson Ricardo Silva, Joseacute; Ricardo Sodreacute;
摘要
乙醇已被用作汽油的替代燃料，尤其是在巴西汽车市场。这种燃料的化学性质在预热期间给冷起动和操作带来困难。为了最大限度地减少这个问题，迄今为止，乙醇燃料车辆装备有汽油贮存器，它在发动机起动时将汽油以小百分比注入汽缸。由于汽油系统的额外成本，并且获得的结果不完全令人信服，所以这种解决方案并不被视为最终的解决方案。在这项工作中，MTBE（甲基叔丁基醚）已经作为乙醇添加剂进行了测试，以改善其冷起动特性。结果显示发动机在低至-6摄氏度的温度下立即起动。与纯乙醇相比，乙醇-MTBE混合物的碳氢化合物废气，氮氧化合物和醛的排放水平降低，而一氧化碳的排放水平增加。当车辆使用混合燃料运行时，燃料消耗量较低，扭矩几乎不变，并且功率增加。
引言
由于石油燃料价格和市场供应的波动，替代燃料在许多国家越来越成为需求。目前应用的主要替代燃料是含氧化合物（乙醇，乙醚等），植物油，气体燃料（氢气，液化石油气等）和煤炭衍生物。在巴西，从甘蔗生产和供应乙醇的基础设施已使超过500万辆乙醇燃料汽车商业化。
乙醇与汽油相比的一些优点是热效率更高，因为它允许更高的压缩比，沉积物形成和颗粒物排放更少，因为酒精是一种纯物质。乙醇与汽油相比的缺点是燃料消耗量较高，由于热值较低，由于水的存在而引起的腐蚀作用，醛排放较高以及冷起动困难，因为蒸馏仅在高于78℃的温度下发生。
由于乙醇在发动机起动和预热过程中所带来的困难，商用乙醇燃料车辆采用的解决方案将问题最小化，但并未完全解决。在这些条件下采用的改进乙醇燃料车辆的解决方案是采用辅助汽油喷射系统。
汽油喷射系统通过冷却水中的温度传感器识别发动机状态，然后控制通过校准孔口将汽油从贮存器输送到发动机的泵。注入量由泵的活动时间控制，是冷却水温度的函数。该系统有助于冷起动，但是经常出现由于杂质或由汽油氧化形成的泡沫引起的校准孔口堵塞问题以及由于通过热浪排出汽油管道引起的发动机起动不可重复性问题。此外，系统组件的不均匀运行和电池电压变化改变喷射量，对发动机预热期间的动态变化无甚帮助。
为了优化发动机的预热期，进气从排气和离开发动机的冷却水中接收热量。还对发动机的操作特性进行了改进，例如压缩比的优化，火花塞的类型和位置，燃烧室几何形状，起动机的转速，进气门和排气门正时，燃料喷射量和点火正时。
由于乙醇燃料的不便采用的替代解决方案是利用电阻或换热器蒸发器，用于燃烧挥发性较低的燃料的预燃室，以及乙醇和高挥发性碳氢化合物如异戊烷，丁烷，汽油和二甲醚的混合物。还有一些研究利用催化转化器由催化产生的良好的化学特性来改善冷起动时发动机的性能和预热期的驾驶性能，这些催化转化器用于氢和一氧化碳中的醇或二甲醚中的脱水醇。这项工作的目的是调查使用乙醇-MTBE（甲基叔丁基醚）混合物来改善乙醇燃料发动机的冷起动。
文献调查
为了优化冷发动机中的甲醇性能，甲醇和高挥发性烃的混合物已经被使用，特别是异戊烷，丁烷，汽油和二甲醚（DME）。在使用化油器的车辆中，甲醇中含有7.5%二甲醚的混合物允许发动机在低于-18℃的温度下在小于30秒的时间内起动[1-2]。其他研究表明，使用甲醇中含有5.6%二甲醚的混合物时，发动机在-18℃的温度下在3秒内起动[3]。利用二甲醚改善使用甲醇的柴油发动机的冷起动表明，DME的初始燃烧会使空气变暖并为随后用甲醇点燃产生理想的气氛。
异戊烷是用于改善甲醇燃料汽车冷起动的第一种添加剂之一[3]，但由于高成本和低可用性而给应用带来困难。异戊烷在甲醇中的比例为9%至10%，使得发动机在-21.5℃的温度下在不到30秒的时间内起动，并且可以在低至-27℃的温度下，起动时间为60秒[1，4-6]。
在含10%丁烷的甲醇中，发动机可以在带化油器的车辆中以低至-18.5℃温度起动[1]。对于燃料喷射的车辆，甲醇中含有5%丁烷的混合物允许发动机在-28℃时启动[4]。
混合到甲醇中的汽油量越高，发动机起动的最低温度越低[4]。甲醇中含有10%汽油的混合物允许发动机在-25℃下起动[7-8]。含15%汽油的甲醇，最低起始温度为-30℃[4，9-10]。
与单独使用汽油相比，甲基叔丁基醚（MTBE）和汽油的混合物表现出出较低的一氧化碳排放量[11-15]。与单独使用汽油的车辆相比，使用混合燃料的车辆的加速得到的相应较晚[15-16]。
有关航空发动机的MTBE研究显示，相对于汽油，其功率增加约6%。由于其发热量低于汽油[17]，使用该燃料时需要更多的混合物。
实验
排放测试
车辆在20至30℃的室温下进行12至36小时的预处理。之后，车辆被放置在底盘测功机中。该车辆根据NBR6601标准定义的程序进行测试。测试由三个阶段组成。第一阶段对应于发动机的预热阶段，从起动开始持续505秒。第二阶段持续866秒，发动机以恒定速度运转。然后关闭发动机9至11分钟。然后，发动机再次以与第一阶段相同的方式测试505秒。第三阶段用热发动机模拟过渡期。
废气在空气中进行采样和稀释得到恒定的质量流量。根据NBR6601标准进行CO（NDIR），HC（FID），NOx（化学发光）和CO2（NDIR）排放的分析。根据NBR12026标准，通过液相色谱分析醛和酮。
燃料消耗量测试
燃料消耗量测试在底盘测功机上进行，模拟几个城市和道路行驶工况。测量阶段与在排放测试部分描述的一样，再加上第四阶段用于评估道路行驶时的燃料消耗量。最后一个阶段的时间为1530秒，并按照NBR7024标准进行。
发动机性能测试
对燃料、含MTBE添加剂的乙醇和纯乙醇进行了发动机性能测试。点火正时提前至爆震极限或最小扭矩（MBT），以先到者为准。燃料喷射量优化达到MBT。电力测功机用于这些测试。
气候控制室测试
每次MTBE添加剂在乙醇中的比例被修改时，必须在测试前清空燃料箱和燃料管路。该车辆仪表允许对燃料喷射正时和点火正时两者进行修改。气候控制室内的温度根据要进行的测试进行调整。在测试之前，车辆保持在室内最少8小时。
用乙醇中不同量的MTBE添加剂进行测试。在测试期间，室内的温度以2摄氏度的间隔下降，直到发动机无法起动的极限温度。有必要时起动发动机三到四次，以调整每个设定温度的理想燃料量。如果发动机在五秒内未起动，则尝试更丰富的混合气。
结果
冷起动温度限制
进行初始测试以确定发动机起动时添加到乙醇中的MTBE添加剂每种量的温度限制。调查了10%，15%，20%和25%的添加剂量。对每种添加量的MTBE测试20℃，15℃，10℃，5℃，0℃和-6℃的温度。基于获得的结果（图1），在巴西天气条件下，25%的MTBE被定义为理想的乙醇使用，其中温度很少达到-6℃。纯乙醇在低于15℃的温度下不起动发动机。当辅助汽油喷射系统与纯乙醇一起使用时，发动机起动的最低温度为-1℃。
图 1添加到乙醇中的MTBE的量与环境温度的关系
排放和燃料消耗量
对乙醇-MTBE燃料车辆和使用辅助汽油喷射系统的纯乙醇车辆进行测试以测量废气排放和燃料消耗量，以帮助冷启动。图2显示了发动机在两种不同运行条件下的结果。与纯乙醇相比，含有MTBE添加剂的乙醇表现出较低的碳氢化合物排放量（11-26%），较低的氮氧化合物排放量（4-6%）和较低的醛排放量（8-29%）。混合燃料比纯乙醇表现出更高的一氧化碳排放量（73-98%）和更低的燃料消耗量（3-4%）。这是因为对于每种情况，混合燃料的测试混合物强度与纯乙醇相同。由于MTBE的热值高于乙醇的热值，所以第一种的化学当量混合物比最后一种的化学当量混合物稀薄。这意味着乙醇和MTBE添加剂的测试混合物比纯乙醇的测试混合物是更浓的化学当量。但是，通过优化混合燃料的发动机设置，可以使这种燃料的混合物比试验中的稀薄。混合物的优化应在未来的工作中进行。
图 2乙醇-MTBE混合物和纯乙醇的碳氢化合物排放水平的比较
图 3乙醇-MTBE混合物和纯乙醇的氮氧化合物排放水平的比较
功率和扭矩
进行测功机测试以比较乙醇-MTBE燃料车辆与乙醇燃料车辆的性能。图3显示了两个发动机条件下获得的结果。含有MTBE添加剂的乙醇在纯乙醇的最大功率下增加了近1马力，而两种燃料的最大扭矩保持大致相同。
图 4乙醇-MTBE混合物和纯乙醇的醛排放水平比较
图 5乙醇-MTBE混合物和纯乙醇的一氧化碳排放水平比较
图 6乙醇-MTBE混合物和纯乙醇的燃料消耗量的比较
图 7乙醇-MTBE混合物和纯乙醇的功率和扭矩的比较
结论
- 发现含25%MTBE的乙醇适合巴西汽车，允许在低至-6℃的温度下平均2秒内冷起动。在优化发动机运行条件下，这个最低温度甚至可能更低。使用乙醇和MTBE添加剂的车辆的冷起动显示出比目前使用的系统更好的结果。乙醇-MTBE燃料发动机的快速和定期启动可与汽油燃料发动机相媲美。
- 使用乙醇和MTBE添加剂的发动机的性能略好于单独使用乙醇时的性能。混合燃料允许更提前的点火，表现出更高限度的爆震。
- 与纯乙醇相比，乙醇与MTBE添加剂的碳氢化合物，氮氧化物和醛类排放物表现出较低的排放水平。混合燃料中观察到更高水平的一氧化碳排放。这是因为当使用混合燃料时，发动机可以使用更丰富的混合物。可以通过更好地调整发动机设置来降低这些水平。
- 当使用乙醇-MTBE混合物代替纯乙醇时，功率增加约1马力，而扭矩没有变化。混合燃料的燃料消耗量较低。
致谢
作者希望感谢FIAT Automoacute;veis S.A.为这项工作的发展提供支持。
参考文献
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[10] D.P. Gardiner, S.G. Caird and M.F. Bardon, SparkIgnition Engine Cold Star
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