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）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

環保部制定了GB15097-2016船舶發動機排放標準，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別在于十六烷值不同，其中GB15097-2016規定基準油的十六烷值在46～50之間，而現在市售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，在發動機達到低磨合穩定狀態下進行，盡量反映出發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，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，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。當過量空氣系數繼續減小（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。當過量空氣系數升高（負荷減小）時，CO的排放量會隨過量空氣系數升高而上升，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，過量空氣系數進一步減小，雖然總體上仍是富氧燃燒，但局部會出現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。可以看出，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GB15097-2016，每種試驗循環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，其負荷與加權系數關系見表2。

本次試驗按D2循環進行，最終燃用基準柴油和市售柴油的氣體比排放量見表3;如將排放測試數據按E2循環加權計算，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不同，導致用相同氣體排放數據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。這些與現在大多數研究結果不同，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據，按不同循環計算得出的比排放量，會因各循環的工況數和加權系數不同影響其最終比排放量大小關系不一致。

參考文獻：

[1] 周松，肖又洪，朱元清.內燃機排放與污染物控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010

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