基準柴油與市售柴油對船用柴油機排放影響

張繼俊

摘 要：船用柴油機按GB15097-2016中恒速五工況（D2循環(huán)）用基準柴油與市售柴油分別進行排放測試，對比在10%、25%、50%、75%和100%負荷下，柴油機CO、HC、NOx和PM排放變化趨勢及差異，研究分析了測試用油對排放量的影響，為柴油機排放測試選擇用油提供參考。

關鍵詞：柴油機;排放;基準油;市售油

中圖分類號：U664? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0097-03

環(huán)保部制定了GB15097-2016船舶發(fā)動機排放標準，約束了船舶內燃機污染物排放。該標準對碳氫HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOx和顆粒PM都有排放限值要求，其中要求型式試驗使用基準柴油或市售燃料。本次試驗分別利用基準柴油和市售柴油進行排放測試，對比并分析其測試結果。

基準柴油和市售柴油主要區(qū)別在于十六烷值不同，其中GB15097-2016規(guī)定基準油的十六烷值在46～50之間，而現(xiàn)在市售0#柴油十六烷普遍在52～56之間。國內外都有研究十六烷值的差異對排放的影響[1～5]。增大十六烷值，有些資料顯示能減少CO、HC、NOx，增加PM 的排放量[1、2];有些資料顯示對CO、HC、NOx、PM的排放量沒有明顯影響[2～4]。總之，各種機型在各種工況下得出的結論不盡相同，但絕大多數(shù)認為增加十六烷值會減少HC、NOx，增加PM排放量。本次對比試驗選擇在耐久試驗最后一次測試時，在發(fā)動機達到低磨合穩(wěn)定狀態(tài)下進行，盡量反映出發(fā)動機在實際使用過程中燃用不同燃油對排放的真實影響。

1試驗設備和燃料及研究方法

試驗用柴油機為直列4缸機;單缸排量：1.0535L，功率：55 kW，轉速：1500 r/min，壓縮比：17，缸徑：108mm，行程：115mm。

試驗臺架示意圖見圖1。采用奧地利AVL生產的DynoDur 160/4.1‐10測功機進行扭矩、轉速等的控制。氣體分析儀采用AVL五組氣體分析儀。顆粒采樣設備采用SPC472全流采樣系統(tǒng)，測試試驗使用的濾紙為碳氯化合物涂層的玻璃纖維濾紙（DOP）。

按GB15097-2016中恒速五工況即D2循環(huán)，分別燃用基準柴油和市售柴油進行排放測試，對比因燃油不同引起的排放變化。實驗用基準柴油和市售柴油主要參數(shù)見表1。

2 排放測試結果及分析

2.1一氧化碳CO

2.1.1 CO排放量隨負荷變化趨勢

在75%負荷時CO排放量在五個負荷點中最少。當過量空氣系數(shù)繼續(xù)減小（負荷增大）時，因為氧不足造成燃燒不充分從而使CO生成量加大。當過量空氣系數(shù)升高（負荷減?。r，CO的排放量會隨過量空氣系數(shù)升高而上升，因為燃燒溫度降低不利于CO氧化成CO2從而導致CO排放量上升。

2.1.2 燃油對CO排放影響

從圖3中可以看出在50%、75%、100%負荷時燃用基準柴油和市售柴油產生的CO排放量幾乎相同，說明在上述工況下十六烷值對CO排放量幾乎沒有影響。但在25%負荷時基準柴油產生的CO排放量高于市售柴油產生的CO排放量。在10%負荷時市售柴油產生的CO排放量高于基準柴油產生的CO排放量。

2.2碳氫 HC

2.2.1 HC排放量隨負荷變化趨勢

圖4顯示HC排放量隨負荷增減的變化。在10%負荷時，過量空氣系數(shù)最大，缸內溫度過低不利于反應進行，超稀限混合氣量增加，最終導致在10%負荷時HC排放量最大。當工作負荷加大時，缸內溫度升高，反應速度加快，燃燒更充分，HC排放量減少。所以當負荷從10%增加到50%負荷過程中，HC排放量隨負荷增加而減少。從50%增加到75%負荷時HC排放量無明顯變化，當增加負荷到100%負荷時，過量空氣系數(shù)進一步減小，雖然總體上仍是富氧燃燒，但局部會出現(xiàn)混合氣過濃產生不完全燃燒碳氫，使HC排放量增加。

2.2.2燃油對HC排放影響

從圖中5可以看出在10%和25%負荷時燃用基準柴油產生的HC排放量高于燃用市售柴油產生的HC排放量，差距隨負荷增大而減小。因為基準柴油較市售柴油十六烷值低，滯燃期長，其未燃HC和裂解HC增多，引起HC的排放量增加。在50%額定負荷時，兩種油產生的HC排放量幾乎相同;在75%和100%額定負荷時，市售柴油產生的HC排放量反而大于基準柴油產生的HC排放量，差距隨負荷增大而增加，整體變化趨勢一致。

2.3氮氧化物NOx

2.3.1 NOx排放量隨負荷變化趨勢

圖6顯示NOx排放量隨負荷增減的變化。因為柴油機的過量空氣系數(shù)始終大于1，當負荷增大時缸內燃燒溫度升高，所以NOx生成量也隨之增多。

2.3.2 燃油對NOx排放影響

從圖7中可以看出在10%、25%負荷時燃用基準柴油產生的NOx排放量略高于燃用市售柴油產生的NOx排放量，差距隨負荷增大而減小。十六烷值低的基準柴油，著火性能差，滯燃期長，預混燃燒占比增加，著火后缸內溫度和壓力急劇增高;導致NOx生成量增加。在50%額定負荷時，兩種油產生的排放量幾乎相同;在75%和100%負荷時基準柴油產生的NOx排放量反而小于市售柴油產生的NOx排放量，差距隨負荷增大而增加，整體變化趨勢一致。

2.4 顆粒PM

燃用基準柴油產生的顆粒物質量為1.876mg;燃用市售油產生的顆粒物質量為1.927mg?？梢钥闯?，基準柴油產生的顆粒物小于市售柴油產生的顆粒物。市售柴油十六烷值高，會使滯燃期變短，更快生成過氧化物。另外市售柴油粘度相對較高，會使霧化性能變差，加之滯燃期較短，預混燃燒占比相對較小，著火時與空氣混合均勻程度不如基準柴油的程度，烷烴分解生成游離碳后形成碳煙的程度加劇，最終導致顆粒物生成量的增加。

3 加權方式與最終比排放值

根據(jù)GB15097-2016，每種試驗循環(huán)的最終氣體比排放量是將各工況的值通過加權計算得出。其中恒速工況有五工況（D2）和四工況（E2）兩種循環(huán)，其負荷與加權系數(shù)關系見表2。

本次試驗按D2循環(huán)進行，最終燃用基準柴油和市售柴油的氣體比排放量見表3;如將排放測試數(shù)據(jù)按E2循環(huán)加權計算，最終氣體比排放量見表4。

通過表3和表4對比可以看出：按D2循環(huán)計算基準柴油產生的CO、HC和NOx比排放值均高于市售柴油，但按E2循環(huán)計算市售柴油產生的HC比排放量高于基準柴油。說明由于所取工況號和各工況加權系數(shù)不同，導致用相同氣體排放數(shù)據(jù)計算得出的最終比排放量的大小關系也不完全一樣。

4 結論

通過燃用兩種不同燃油來對比柴油機污染物排放量的試驗，結論如下：

（1）燃用市售柴油和基準柴油產生CO、HC和NOx的排放量隨負荷變化而增減的規(guī)律完相同。

（2）此柴油機在50%負荷時，燃用市售柴油和基準柴油產生的CO、HC和NOx排放幾乎相同。當負荷增加時HC和NOx排放差異值擴大，CO差異值幾乎不變;當負荷減小時，CO、HC和NOx差異值均擴大。

（3）此柴油機燃用市售柴油較基準柴油在10%負荷時CO排放量增多，在75%和100%負荷時HC排放量增多;在100%負荷時NOx排放量增多。這些與現(xiàn)在大多數(shù)研究結果不同，可能與兩種燃油中芳烴含量有關，還需進一步研究。

（4）此次試驗測出兩種油產生各氣體污染物的數(shù)據(jù)，按不同循環(huán)計算得出的比排放量，會因各循環(huán)的工況數(shù)和加權系數(shù)不同影響其最終比排放量大小關系不一致。

參考文獻：

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