柴油添加劑的污染排放及動力性能評價

李 穎 王占生 楊忠平 李春曉 王薏涵 陳 曦

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司;2.北京中油愛索節能環保技術有限公司)

0 引 言

汽柴油是城市交通、生產建設和運輸不可或缺的動力來源，而汽柴油燃燒排放的二次氣溶膠是誘發霧霾天氣的最主要來源之一，其中柴油在燃燒過程中二次氣溶膠排放量明顯大于汽油，對霧霾天氣的誘發貢獻更突出[1]。為了改善空氣質量，2019年起在全國范圍內開始逐步實施國六排放標準。國六排放標準較國V排放標準污染物排放限值大幅降低，對國六油品性能提出更高要求。國六汽柴油在減少產生污染物質的同時相應減少了燃油中的主要燃燒組分，烯芳烴總量由75%降到50%，導致燃油在發動機內燃燒的溫度和速度等發生變化，實際使用中表現為油耗增加。如何進一步提高發動機燃油燃燒性能，在符合國六排放標準的同時獲得更低的油耗和較好的動力性能，是關系民生的重要問題。

生態環境部發布的《中國機動車環境管理年報》[2]的統計數據顯示，截至2018年1月1日，國Ⅲ標準的柴油車1 012.1萬輛，占柴油貨車總量的51.7%；國Ⅳ標準的柴油車802.4萬輛，占41.0%；國Ⅴ及以上標準的柴油車106.2萬輛，占5.4%，我國路上在運柴油車大多仍為國Ⅳ及以前排放標準。另一方面，自2019年1月1日起，我國全面停售國Ⅴ及以前水平的汽柴油，開始銷售國六階段車用汽柴油。因此，當前以及未來一段時間內，“老機燒新油”的現象將不可避免，評估路上在運柴油車的污染排放情況具有十分重要的意義。

提高柴油發動機燃料的燃燒質量以減少尾氣污染的方法很多，目前，使用柴油添加劑是最有效和最經濟的方法之一。使用柴油添加劑既不用改動發動機結構，也不用增加設備，就可以提高燃油的燃燒性能，減少有害物質排放[3]。常規柴油添加劑可以達到促進燃燒、清除沉積物、降低尾氣排放等效果[4]，少數柴油添加劑已在改善發動機動力性能、降低油耗等方面有所突破。

本文以某型號柴油添加劑為例，選擇國Ⅴ標準的中型車用柴油機，燃用國六標準的車用柴油開展臺架試驗，研究柴油添加劑對發動機經濟性、動力性和排放的影響。

1 試驗方案

柴油機臺架試驗委托中國汽車技術研究中心(北京卡達克汽車檢測技術中心有限公司)進行，發動機型號：4J28TC3，額定功率81 kW。發動機通過聯軸器與電力測功機相連，通過測功機測量發動機的轉速、扭矩和功率，同時借助流量計測量燃油與空氣流量。在發動機排氣管上安裝采樣裝置，分別使用氣體分析儀、顆粒采集儀等設備測量發動機排氣中的CO、THC、NOX和PM。其中，使用不分光紅外(NDIR)測量CO濃度，氫火焰離子(FID)測量THC，化學發光(CLD)測量NOX，使用部分流等比例稀釋配合濾膜采集顆粒物，通過精密天平稱重計算顆粒質量PM，使用冷凝粒子計數器測量顆粒數目PN。

對于柴油機的動力性和經濟性，分別通過速度特性試驗與負荷特性試驗考察。速度特性需保持油門位置不變，通過改變測功機扭矩使發動機在不同轉速下運轉；負荷特性需保持發動機轉速不變，通過改變油門位置使發動機在不同功率下運轉。

參照GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》中柴油機排氣污染物測量方法，分別使用穩態測試循環(ESC)和瞬態測試循環(ETC)開展研究。ESC循環需測量13個規定工況點的柴油機排放，加權平均后計算得到單位排放，如圖1所示。

圖1 穩態測試循環(ESC)原理

ETC循環需按照規定轉速、扭矩連續運行1 800 s，如圖2所示。試驗中以至少1 Hz的頻率測量柴油機排放濃度，以完整試驗的累積值計算得到單位排放。

圖2 瞬態測試循環(ETC)原理

考慮到后處理裝置對柴油機減排的關鍵影響，且添加劑對后處理裝置的影響尚不明確，試驗中在后處理前后均測量氣態污染物，以便更全面評估添加劑的作用。但由于濾膜采集顆粒物的方法不能獲得瞬態數據，僅在后處理裝置后測量顆粒排放。

2 結果分析

2.1 控制排氣污染物排放

穩態、瞬態測試排放結果分別見表1、表2，控制排氣污染物排放結果平均變化率見表3。

表1 穩態測試排放結果 g/(kW·h)

表2 瞬態測試排放結果 g/(kW·h)

表3 控制排氣污染物排放結果平均變化率 %

通過試驗數據可知，基準油即國六標準柴油，在國Ⅴ標準柴油發動機上燃燒，排氣污染物限值達到排放標準。

加入兩種柴油添加劑的油品ETC排放結果都達標；加入1號柴油添加劑的油品ESC排放結果NOX項目超標；加入2號柴油添加劑的控制排氣污染物排放結果平均變化率顯示，CO、THC和NOX排放數值有明顯下降，說明2號柴油添加劑對CO、THC和NOX有較好的抑制作用。

總體而言，柴油添加劑能夠降低柴油機排放的CO和THC等不完全燃燒產物，但對NOX和PM存在負面影響。從原理上分析，加入柴油添加劑后促進CO、THC數值降低，說明燃料充分燃燒了；因充分燃燒，升高了缸內溫度，柴油機內局部富氧區域可能產生比原來更多的NOX；而柴油機內局部缺氧區域則可能產生比原來更多的PM。

相關研究表明，在平均車速較低的城市工況下，NOX排放往往能達到限值的2～3倍左右，遠遠高于排放限值。其原因是城市行駛多為低速、低功率工況，排氣溫度較低，而現有選擇性催化還原系統(Selective Catalyst Reduction，SCR)在溫度低于280℃時轉化效率會嚴重降低，在低于200℃時會停止工作，從而造成實際NOX排放嚴重超標[5]。

2.2 動力性——總功率增加率

通過對比加劑前后發動機最大扭矩和功率的變化，評估添加劑對柴油機動力性的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 發動機最大扭矩和功率曲線

由圖3可見，加劑后柴油機的扭矩和功率都得到了提升。其中2號劑的扭矩提升幅度更為明顯。

1號劑在不同轉速下，總功率增加率如表4所示。2號劑在不同轉速下，總功率增加率如表5所示。

表4 1號劑總功率變化

表5 2號劑總功率變化

由以上數據可知，1號劑的動力性略有增加，增幅不明顯；2號劑的動力性，在2 000，2 600，2 800 r/min時總功率增加率≥2%，增幅較明顯。

2.3 燃油經濟性——臺架節油率

油耗率，或稱比油耗(BSFC)是衡量柴油機油耗水平的關鍵參數，通常由負荷特性試驗測得。圖4(a)是轉速為1 940 r/min時不同扭矩時柴油機的油耗率，圖4(b)是轉速為2 400 r/min時不同扭矩時柴油機的油耗率。

圖4 發動機比油耗曲線

由圖4可見，添加劑使柴油機在較低扭矩時的油耗率略微降低，且在50～100 Nm的范圍內具有較為明顯的節油效果。其中1號劑在中低轉速時節油效果較好；2號劑在中高轉速時節油效果較好。實際車輛行駛時，柴油機大多數時間都在中等轉速運行，因此添加劑可在車輛常用工況下降低油耗。

為簡明清晰說明添加劑的效果，首先定義尾氣主要成分變化率，由試驗數據按式(1)計算：

(1)

變化率為負值，說明加劑后某成分減少；變化率為正值，說明加劑后某成分增加。

圖5、圖6分別為CO2和CO的變化率。圖中冷暖色代表不同水平的變化率，具體數值參見圖右側的標尺。黑色圓點為典型車輛在市區行駛時發動機轉速扭矩的統計值。

圖5 CO2變化率

圖6 CO變化率

由圖5可見，在車輛常用工況分布的范圍內，加劑后CO2排放量均有不同程度的下降。由圖6可見，加劑后CO在常用工況范圍內顯著降低，降幅約為100%～150%，說明加劑后燃燒更加充分，具有節油減排的效果。由于CO2排放量跟油耗正相關，因此說明加劑后在市區工況運行時可獲得0.5%～2%的節油效果。

2.4 噴嘴清潔度——空氣流量損失率

噴油器是柴油機中制造精度要求最高的零部件，其流通性能是影響柴油機各項指標的關鍵因素，通過小尺寸噴孔和高噴射壓力的配合，得到細小的液滴以期加速油氣混合。噴孔處因溫度較低，殘留的柴油發生緩慢氧化，易出現沉積物，造成噴孔流通性能降低，柴油霧化不良，最終表現為柴油機的各項性能下降。為了評價燃料，特別是添加劑對噴嘴結焦的抑制作用，需使用標準柴油機在發動機臺架上開展試驗，在柴油機試驗前后測量噴嘴針閥在不同升程時的氣體流動損失，以確定燃油的結焦傾向或添加劑的抗結焦作用。

本試驗委托中石化石油化工科學研究院進行，發動機型號：PSA XUD9 A/L非直噴柴油發動機。試驗柴油：基準油DF-3。

試驗前將清潔的經過流量測量的噴嘴安裝在發動機上，試驗在4個階段循環工況下運行10 h 3 min，試驗結束后再次測量噴嘴空氣流量。試驗前、后噴嘴空氣流量的變化即反映了試驗后噴嘴的結焦程度。測得數據見表6。

表6 空氣流量損失率

通過試驗結果可知，加入1號柴油添加劑，柴油機的噴嘴空氣流量損失率在59.69%～77.11%；加入2號柴油添加劑，柴油機的噴嘴空氣流量損失率在17.73%～35.38%。流量損失平均值越小，噴嘴的結焦程度越低。加入2號劑的流量損失最低，說明柴油添加劑有較好的抑制噴嘴結焦堵塞的作用。

3 結 論

1)選擇滿足國Ⅴ排放標準的中型車用柴油機，燃用國六標準的車用柴油開展臺架試驗，反映了“老機燒新油”的現象，研究結果表明“老機燒新油”可以達到現有排放限值要求，符合國家對機動車污染物排放的環保要求。

2)本項目試驗結果顯示柴油添加劑對不同污染物排放數值的影響不同，添加劑能夠降低柴油機排放的CO和THC等不完全燃燒產物，但對NOX和PM存在負面影響，從原理上分析，加入柴油添加劑后促進CO、THC數值降低，說明燃料充分燃燒了，因充分燃燒，升高了缸內溫度，柴油機內局部富氧區域可能產生比原來更多的NOX；而柴油機內局部缺氧區域則可能產生比原來更多的PM。試驗結果表明，加入本項目試驗用柴油添加劑的機動車污染物排放數值總體符合當前GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》排放標準。

3)加入柴油添加劑可顯著降低柴油機噴嘴沉積物，有較好的抑制噴嘴結焦堵塞的性能，有利于抑制柴油機的性能老化。

4)柴油添加劑有較明顯的提升動力性能和降低油耗的效果。