柴油轎車燃用不同替代燃料的模態(tài)排放特性*

胡志遠(yuǎn)，孫鵬舉，譚丕強(qiáng)，樓狄明

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

前言

隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增加，加上人們對(duì)再生能源和環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)，有限的“工業(yè)血液－石油”越來(lái)越受到重視。為了保證未來(lái)交通運(yùn)輸和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)，研究開(kāi)發(fā)和使用替代燃料勢(shì)在必行［1］。近年來(lái)，隨著研究的深入，替代燃料的應(yīng)用也進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。目前使用的替代燃料有醇類燃料、液化石油氣(LPG)、天然氣(CNG)、H2、煤制油(CTL)、天然氣制油(GTL)和生物柴油等［2－3］。

燃油品質(zhì)是影響柴油機(jī)壽命、油耗及排放性能的重要因素。目前國(guó)內(nèi)的柴油含硫量相對(duì)較高，不但限制了后處理裝置的應(yīng)用，同時(shí)也在一定程度上影響了柴油機(jī)的性能。研究表明，在柴油中混入一定比例的替代燃料(如生物柴油、F-T合成油等)，不但可以降低石化柴油的消耗，也可在一定程度上改善柴油品質(zhì)，降低柴油機(jī)排放［4－5］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就生物柴油、GTL、醇類、醚類等燃料在穩(wěn)態(tài)工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性和可靠性等方面進(jìn)行了大量的研究，但瞬態(tài)工況研究較少，而瞬態(tài)工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響很大［6－8］。在現(xiàn)代汽車測(cè)試中，通過(guò)模態(tài)測(cè)試，試驗(yàn)人員可以獲得汽車尾氣中各種污染物濃度隨工況變動(dòng)的關(guān)系，為改善車輛的排放性能提供參考［9］。

本文中依據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)》(GB18352.3—2005)研究某國(guó)產(chǎn)柴油轎車分別燃用國(guó)Ⅱ柴油、B10(10%生物柴油與90%國(guó)Ⅱ柴油混合燃料，體積比)、C10(10%煤制油與90%國(guó)Ⅱ柴油混合燃料，體積比)、G10(10%天然氣制油與90%國(guó)Ⅱ柴油混合燃料，體積比)和滬Ⅳ柴油共5種燃料的模態(tài)排放特性。

1 試驗(yàn)樣車及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)燃料

上述5種燃料的主要理化特性如表1所示。

表1 試驗(yàn)燃料的主要理化特性

1.2 試驗(yàn)樣車

試驗(yàn)樣車為國(guó)產(chǎn)某柴油轎車，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

試驗(yàn)按GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)包括SCHENCK汽車底盤測(cè)功機(jī)、Horiba MEX-7400排放分析儀和CVS定容稀釋采樣系統(tǒng)等。

Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)由1部(市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán))和2部(市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán))組成，總耗時(shí)1 180s。1部由4個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)組成，每個(gè)循環(huán)有效時(shí)間為195s，平均車速19km/h，理論行駛距離為1.013km。2部為市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，循環(huán)有效時(shí)間為 400s，平均車速62.6km/h，理論行駛距離6.955km。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)分為3個(gè)階段:第1階段(0～195s)為1個(gè)市區(qū)冷態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán);第2階段(195～780s)為3個(gè)市區(qū)熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán);第3階段(780～1 180s)為市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

由于汽車尾氣在管道中傳遞和試驗(yàn)裝置的響應(yīng)滯后，汽車尾氣排放信號(hào)與試驗(yàn)工況之間存在明顯的延時(shí)，因此分析數(shù)據(jù)前要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)修正［10］。延遲時(shí)間通過(guò)尋找工況變化的特殊點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。這些特殊點(diǎn)有:怠速與加速階段的交界點(diǎn)、加速與等速階段的交界點(diǎn)、等速與減速階段的交界點(diǎn)、減速與怠速階段的交界點(diǎn)等。在這些交界點(diǎn)處，由于汽車的負(fù)荷會(huì)發(fā)生突然的變化導(dǎo)致排放的污染物濃度也會(huì)出現(xiàn)突然變化，根據(jù)汽車工況突變時(shí)間與排氣濃度突變時(shí)間的差值確定延時(shí)時(shí)間，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)修正。

試驗(yàn)結(jié)果表明:試驗(yàn)樣車燃用5種燃料時(shí)，同一排放物(HC、CO、NOx或CO2)的模態(tài)排放特性基本相同。因此，選取國(guó)Ⅱ柴油為基準(zhǔn)燃料，對(duì)試驗(yàn)樣車燃用國(guó)Ⅱ柴油、B10、G10、C10和滬Ⅳ柴油的 HC、CO、NOx和CO2模態(tài)排放特性進(jìn)行分析。

2.1 HC排放

圖1為試驗(yàn)樣車燃用國(guó)Ⅱ柴油的HC排放，圖2為試驗(yàn)樣車燃用5種燃料的HC循環(huán)模態(tài)排放特性。

由圖1可見(jiàn)，HC排放多集中于市區(qū)的第1個(gè)和第2個(gè)循環(huán)，后兩個(gè)市區(qū)循環(huán)和市郊循環(huán)HC排放較少，市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)后期 HC排放略有增加。GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)中，加速工況時(shí)HC排放都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值;勻速、減速和怠速工況的HC排放都較低。這是因?yàn)镠C排放主要來(lái)源于油束中火焰不能傳播的混合氣過(guò)稀區(qū)和不完全燃燒的過(guò)濃區(qū)以及發(fā)生火焰淬熄的油束碰壁激冷區(qū)。在加速工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，轉(zhuǎn)速上升，循環(huán)供油量增大，導(dǎo)致混合氣過(guò)濃，燃燒時(shí)間變短，HC排放增加。市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)后期為一個(gè)急加速和急減速工況，在急減速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷突然減小，轉(zhuǎn)速下降混合氣過(guò)濃，HC排放增加［11］。

由圖2可見(jiàn)，Ⅰ型循環(huán)中國(guó)Ⅱ柴油的HC排放較多，B10、G10、C10次之，滬Ⅳ柴油較低。與國(guó)Ⅱ柴油相比，使用B10、C10、G10、滬Ⅳ柴油都能降低HC排放，降幅分別為12%、33%、19.6%和56%。這主要由于B10為含氧燃料，能夠增加混合氣中的氧含量，同時(shí)B10十六烷值較高，HC排放較低。另外，與國(guó)Ⅱ柴油相比，G10、C10和滬Ⅳ柴油的運(yùn)動(dòng)黏度較低，十六烷值較高，芳香烴含量較少，故HC排放相對(duì)較低。

2.2 CO排放

圖3為試驗(yàn)樣車燃用國(guó)Ⅱ柴油的CO排放，圖4為試驗(yàn)樣車燃用5種燃料時(shí)的CO循環(huán)模態(tài)排放特性。

由圖3可見(jiàn)，CO排放多集中于市區(qū)第1個(gè)循環(huán)的加速工況中，從第2個(gè)市區(qū)循環(huán)開(kāi)始至市郊循環(huán)結(jié)束，CO排放都很低。CO是燃料在燃燒過(guò)程中生成的主要中間產(chǎn)物，產(chǎn)生的主要原因是混合氣局部缺氧、溫度過(guò)低等。在第1個(gè)市區(qū)循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較低，燃料霧化差，且在加速階段，混合氣變濃，局部缺氧，故CO排放增加。

由圖4可見(jiàn)，Ⅰ型循環(huán)中5種燃料的CO排放主要集中在市區(qū)冷態(tài)循環(huán)，分別占總循環(huán)的84%、83.5%、89.3%、92.2%和78.2%。Ⅰ型循環(huán)中，國(guó)Ⅱ柴油CO排放最多，B10、C10、G10次之，滬Ⅳ柴油最低。與國(guó)Ⅱ柴油相比，使用B10、C10、G10、滬Ⅳ柴油的 CO排放分別降低了 6%、22%、56.8%和58.3%。這主要是因?yàn)锽10為含氧燃料，有利于減少CO排放;C10、G10、滬Ⅳ柴油的運(yùn)動(dòng)黏度較低，十六烷值較高，故CO排放較低。

2.3 NOx排放

圖5為試驗(yàn)樣車燃用國(guó)Ⅱ柴油的NOx排放，圖6為試驗(yàn)樣車燃用5種燃料時(shí)的NOx循環(huán)模態(tài)排放特性。

由圖5可見(jiàn)，4個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的NOx排放特性基本相同，市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的NOx排放相對(duì)較高;而且，每一個(gè)加速工況中，NOx排放都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。NOx產(chǎn)生的主要原因是高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間。在加速工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，缸內(nèi)溫度升高，故NOx排放增加。

由圖6可見(jiàn)，Ⅰ型循環(huán)中5種燃料的NOx排放主要集中在市郊循環(huán)，分別占總循環(huán)的67.4%、70.3%、68%、62%和67.6%。與國(guó)Ⅱ柴油相比，B10、C10、G10和滬Ⅳ柴油的NOx排放分別降低了17.8%、15%、17.1%和18.6%。一般情況下，生物燃料含氧，發(fā)動(dòng)機(jī)使用生物燃料后會(huì)增加NOx排放［12］，但由于生物燃料運(yùn)動(dòng)黏度大，混合氣霧化質(zhì)量差，燃燒放熱滯后，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度有所降低，NOx排放降低。與國(guó)Ⅱ柴油相比，C10、G10和滬Ⅳ柴油的運(yùn)動(dòng)黏度小，十六烷值高，混合氣霧化質(zhì)量好，燃燒性能好，滯燃期短，預(yù)混燃燒比例小，故NOx排放降低［13］。

2.4 CO2排放

圖7為試驗(yàn)樣車燃用國(guó)Ⅱ柴油的CO2排放，圖8為試驗(yàn)樣車燃用5種燃料時(shí)的CO2循環(huán)模態(tài)排放特性。

由圖7可見(jiàn)，Ⅰ型循環(huán)中每個(gè)加速工況，CO2排放都明顯增加;勻速時(shí)CO2排放相對(duì)穩(wěn)定。這主要由于加速時(shí)，噴油量變大，CO2排放增加;而勻速時(shí)，噴油量基本恒定，CO2排放穩(wěn)定。

由圖8可見(jiàn)，在Ⅰ型循環(huán)中5種燃料的CO2排放在各循環(huán)趨勢(shì)相同，且主要集中于市郊循環(huán)，分別占總循 環(huán)的 57.3%、57.6%、57%、56.4% 和57.4%。Ⅰ型循環(huán)中，國(guó)Ⅱ柴油CO2排放較多，B10、C10、G10和滬Ⅳ柴油的CO2排放無(wú)明顯差異。與國(guó)Ⅱ柴油相比，使用B10、C10、G10和滬Ⅳ柴油都能降低 CO2排放，降幅分別為13%、10.4%、11.5%和11.4%。CO2排放主要由于燃料中含C所致，國(guó)Ⅱ柴油C含量較高，故CO2排放較高。

3 結(jié)論

(1)GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)中 HC、NOx和CO2在加速工況都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)排放峰值。

(2)GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)中HC排放主要集中在市區(qū)循環(huán)，CO排放主要集中在市區(qū)冷態(tài)循環(huán)，NOx和CO2排放主要集中于市郊循環(huán)，且NOx和CO2在Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)的排放變化趨勢(shì)相同。

(3)與國(guó)Ⅱ柴油相比，使用B10、C10、G10燃料都能降低 HC、CO、NOx和CO2排放。

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