柴油轿车燃用不同替代燃料的模态排放特性*

2012-07-19胡志远孙鹏举谭丕强楼狄明

汽车工程 2012年1期

胡志远，孙鹏举，谭丕强，楼狄明

(同济大学汽车学院，上海 201804)

前言

随着我国汽车保有量的不断增加，加上人们对再生能源和环境保护的认识，有限的“工业血液－石油”越来越受到重视。为了保证未来交通运输和国民经济的良性循环，研究开发和使用替代燃料势在必行［1］。近年来，随着研究的深入，替代燃料的应用也进入了一个新时期。目前使用的替代燃料有醇类燃料、液化石油气(LPG)、天然气(CNG)、H2、煤制油(CTL)、天然气制油(GTL)和生物柴油等［2－3］。

燃油品质是影响柴油机寿命、油耗及排放性能的重要因素。目前国内的柴油含硫量相对较高，不但限制了后处理装置的应用，同时也在一定程度上影响了柴油机的性能。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质，降低柴油机排放［4－5］。

近年来，国内外学者就生物柴油、GTL、醇类、醚类等燃料在稳态工况下对发动机的动力性、经济性、排放性和可靠性等方面进行了大量的研究，但瞬态工况研究较少，而瞬态工况对发动机排放的影响很大［6－8］。在现代汽车测试中，通过模态测试，试验人员可以获得汽车尾气中各种污染物浓度随工况变动的关系，为改善车辆的排放性能提供参考［9］。

本文中依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》(GB18352.3—2005)研究某国产柴油轿车分别燃用国Ⅱ柴油、B10(10%生物柴油与90%国Ⅱ柴油混合燃料，体积比)、C10(10%煤制油与90%国Ⅱ柴油混合燃料，体积比)、G10(10%天然气制油与90%国Ⅱ柴油混合燃料，体积比)和沪Ⅳ柴油共5种燃料的模态排放特性。

1 试验样车及试验方案

1.1 试验燃料

上述5种燃料的主要理化特性如表1所示。

表1 试验燃料的主要理化特性

1.2 试验样车

试验样车为国产某柴油轿车，其主要技术参数如表2所示。

表2 试验样车主要技术参数

1.3 试验系统及方法

试验按GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环进行。试验系统包括SCHENCK汽车底盘测功机、Horiba MEX-7400排放分析仪和CVS定容稀释采样系统等。

Ⅰ型试验循环由1部(市区运转循环)和2部(市郊运转循环)组成，总耗时1 180s。1部由4个市区运转循环组成，每个循环有效时间为195s，平均车速19km/h，理论行驶距离为1.013km。2部为市郊运转循环，循环有效时间为 400s，平均车速62.6km/h，理论行驶距离6.955km。

2 试验结果与分析

将GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环分为3个阶段:第1阶段(0～195s)为1个市区冷态运转循环;第2阶段(195～780s)为3个市区热态运转循环;第3阶段(780～1 180s)为市郊运转循环，对试验结果进行分析。

由于汽车尾气在管道中传递和试验装置的响应滞后，汽车尾气排放信号与试验工况之间存在明显的延时，因此分析数据前要对数据进行延时修正［10］。延迟时间通过寻找工况变化的特殊点为基准进行测定。这些特殊点有:怠速与加速阶段的交界点、加速与等速阶段的交界点、等速与减速阶段的交界点、减速与怠速阶段的交界点等。在这些交界点处，由于汽车的负荷会发生突然的变化导致排放的污染物浓度也会出现突然变化，根据汽车工况突变时间与排气浓度突变时间的差值确定延时时间，对试验数据进行延时修正。

试验结果表明:试验样车燃用5种燃料时，同一排放物(HC、CO、NOx或CO2)的模态排放特性基本相同。因此，选取国Ⅱ柴油为基准燃料，对试验样车燃用国Ⅱ柴油、B10、G10、C10和沪Ⅳ柴油的 HC、CO、NOx和CO2模态排放特性进行分析。

2.1 HC排放

图1为试验样车燃用国Ⅱ柴油的HC排放，图2为试验样车燃用5种燃料的HC循环模态排放特性。

由图1可见，HC排放多集中于市区的第1个和第2个循环，后两个市区循环和市郊循环HC排放较少，市郊运转循环后期 HC排放略有增加。GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环中，加速工况时HC排放都会出现一个明显的峰值;匀速、减速和怠速工况的HC排放都较低。这是因为HC排放主要来源于油束中火焰不能传播的混合气过稀区和不完全燃烧的过浓区以及发生火焰淬熄的油束碰壁激冷区。在加速工况中，发动机负荷增大，转速上升，循环供油量增大，导致混合气过浓，燃烧时间变短，HC排放增加。市郊运转循环后期为一个急加速和急减速工况，在急减速工况下，发动机负荷突然减小，转速下降混合气过浓，HC排放增加［11］。

由图2可见，Ⅰ型循环中国Ⅱ柴油的HC排放较多，B10、G10、C10次之，沪Ⅳ柴油较低。与国Ⅱ柴油相比，使用B10、C10、G10、沪Ⅳ柴油都能降低HC排放，降幅分别为12%、33%、19.6%和56%。这主要由于B10为含氧燃料，能够增加混合气中的氧含量，同时B10十六烷值较高，HC排放较低。另外，与国Ⅱ柴油相比，G10、C10和沪Ⅳ柴油的运动黏度较低，十六烷值较高，芳香烃含量较少，故HC排放相对较低。

2.2 CO排放

图3为试验样车燃用国Ⅱ柴油的CO排放，图4为试验样车燃用5种燃料时的CO循环模态排放特性。

由图3可见，CO排放多集中于市区第1个循环的加速工况中，从第2个市区循环开始至市郊循环结束，CO排放都很低。CO是燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，产生的主要原因是混合气局部缺氧、温度过低等。在第1个市区循环中，发动机缸内温度较低，燃料雾化差，且在加速阶段，混合气变浓，局部缺氧，故CO排放增加。

由图4可见，Ⅰ型循环中5种燃料的CO排放主要集中在市区冷态循环，分别占总循环的84%、83.5%、89.3%、92.2%和78.2%。Ⅰ型循环中，国Ⅱ柴油CO排放最多，B10、C10、G10次之，沪Ⅳ柴油最低。与国Ⅱ柴油相比，使用B10、C10、G10、沪Ⅳ柴油的 CO排放分别降低了 6%、22%、56.8%和58.3%。这主要是因为B10为含氧燃料，有利于减少CO排放;C10、G10、沪Ⅳ柴油的运动黏度较低，十六烷值较高，故CO排放较低。

2.3 NOx排放

图5为试验样车燃用国Ⅱ柴油的NOx排放，图6为试验样车燃用5种燃料时的NOx循环模态排放特性。

由图5可见，4个市区运转循环的NOx排放特性基本相同，市郊运转循环的NOx排放相对较高;而且，每一个加速工况中，NOx排放都会出现一个峰值。NOx产生的主要原因是高温、富氧和高温持续时间。在加速工况时发动机负荷增大，缸内温度升高，故NOx排放增加。

由图6可见，Ⅰ型循环中5种燃料的NOx排放主要集中在市郊循环，分别占总循环的67.4%、70.3%、68%、62%和67.6%。与国Ⅱ柴油相比，B10、C10、G10和沪Ⅳ柴油的NOx排放分别降低了17.8%、15%、17.1%和18.6%。一般情况下，生物燃料含氧，发动机使用生物燃料后会增加NOx排放［12］，但由于生物燃料运动黏度大，混合气雾化质量差，燃烧放热滞后，导致缸内温度有所降低，NOx排放降低。与国Ⅱ柴油相比，C10、G10和沪Ⅳ柴油的运动黏度小，十六烷值高，混合气雾化质量好，燃烧性能好，滞燃期短，预混燃烧比例小，故NOx排放降低［13］。

2.4 CO2排放

图7为试验样车燃用国Ⅱ柴油的CO2排放，图8为试验样车燃用5种燃料时的CO2循环模态排放特性。

由图7可见，Ⅰ型循环中每个加速工况，CO2排放都明显增加;匀速时CO2排放相对稳定。这主要由于加速时，喷油量变大，CO2排放增加;而匀速时，喷油量基本恒定，CO2排放稳定。

由图8可见，在Ⅰ型循环中5种燃料的CO2排放在各循环趋势相同，且主要集中于市郊循环，分别占总循环的 57.3%、57.6%、57%、56.4% 和57.4%。Ⅰ型循环中，国Ⅱ柴油CO2排放较多，B10、C10、G10和沪Ⅳ柴油的CO2排放无明显差异。与国Ⅱ柴油相比，使用B10、C10、G10和沪Ⅳ柴油都能降低 CO2排放，降幅分别为13%、10.4%、11.5%和11.4%。CO2排放主要由于燃料中含C所致，国Ⅱ柴油C含量较高，故CO2排放较高。