柴油轿车燃用生物柴油的排放特性*

谭丕强，周 舟，胡志远，楼狄明

(同济大学汽车学院，上海 201804)

前言

生物柴油是以动、植物油脂为原料，用甲醇或乙醇在催化剂的作用下经脂交换制成的含氧燃料。它具有较高的十六烷值和闪点，润滑性好、黏度高、不含芳香烃和硫含量低等特点。长期以来，国内外针对生物柴油的排放研究大多是根据发动机稳态工况下测出的排放数据进行分析，结果显示发动机燃用生物柴油后，排放特性有所改善［1－7］。然而汽车在实际的行驶过程中经常会遇到起动、加速、减速和停车等情况，这会造成某些有害排放物如HC急剧增加［8－9］，使环境污染更加严重。因此，对燃用生物柴油的汽车进行瞬态工况排放研究具有重要意义。

本文中以一辆帕萨特柴油轿车为样车，燃用纯柴油、纯生物柴油和不同掺混比例生物柴油的混合燃料，研究了柴油轿车在NEDC循环下CO、HC、PM和NOx的排放特性。

1 试验设备与方案

试验样车为一辆帕萨特TDI 1.9L柴油轿车，该车装有尾气氧化催化转化器(diesel oxidation catalytic converter，DOC)。NEDC循环包括代表城市工况的ECE15行驶循环和代表城郊高速路的EUDC行驶循环。其中，ECE15包括4个同样的市区循环单元，每个市区循环单元包含15个工况，总计运行时间780s。ECE15行驶循环的 CO、HC、NOx和 PM排放量是由4个市区循环单元的排放量平均求得。EUDC由一个市郊循环单元组成，包含13个工况，运行时间为400s。

试验所用的设备为德国SCHENCK公司的排放转鼓，日本HORIBA公司的CVS采样系统、MEXA-7000排放气体分析仪、CHAM-1000电子天平系统和上海佐竹公司的－10℃ ～+45℃排放环境舱等相关设备，测量的排放对象包括HC、CO、NOx和PM。

本试验所用的6种燃料包括纯柴油B0、纯生物柴油B100、柴油中渗混5%、10%、20%和50%生物柴油的B5、B10、B20和B50混合燃料，其中生物柴油是由餐饮废油制成，这6种燃料的基本理化特性见表1。

表1 6种燃料的基本理化特性

由表1可以看出，该生物柴油的十六烷值、密度和黏度均高于柴油，硫质量分数较低，主要性能指标满足柴油机的使用要求。

2 试验结果和分析

2.1 柴油轿车ECE15和EUDC循环的排放

2.1.1 CO排放

图1为该柴油轿车在ECE15循环和EUDC循环下的CO排放。由图1可见，该车燃用6种燃料ECE15循环的CO排放量远远高于EUDC循环的CO排放量，大约占整个NEDC循环CO排放总量的90%～95%，平均比例约为93%。CO形成原因包括3个方面:①过浓混合气导致缺氧，使得CO不能充分燃烧生成CO2;②过稀混合气导致反应不稳定，使CO不能继续燃烧生成CO2;③火焰遇到低温或壁面猝熄。在ECE15循环下，由于冷起动的原因，前期缸内温度过低，氧化反应不完全;此外，冷起动时的DOC没有达到合适的温度，在CO通过DOC时没有被进一步氧化，造成CO排放较高。因此，控制ECE15第一个市区循环单元的冷起动排放对改善整个循环的CO排放具有重要意义。在ECE15循环下存在较多的加速和怠速工况，混合气过浓也造成较多的CO排放。

2.1.2 HC排放

图2为该柴油轿车在ECE15循环和EUDC循环下的HC排放。

由图2可知，HC的排放特性与CO类似，大部分都集中在ECE15循环。燃用这6种燃料ECE15循环的HC排放量大约占整个NEDC循环HC排放总量的85%～90%，平均比例约为87%。对于柴油机而言，当混合气过浓、过稀，或燃烧温度较低时，都容易产生HC的排放。在ECE15循环下，存在更多的加速工况，加速会导致混合气过浓，当混合气浓至局部空气过量系数小于1.1时，会引起HC排放突然剧增［10］。此外，在ECE15循环的怠速工况，循环供油量小，喷油压力低，雾化和混合的情况不好，再加上排气温度低，极稀混合气区的燃料没有燃烧，残留在排气之中，引起HC的排放量升高。与CO类似，控制ECE15第一个市区循环单元的冷起动排放对改善整个循环的HC排放也具有重要意义。在EUDC行驶循环下，由于速度较高，负荷较大，发动机缸内温度较高，雾化较好，燃烧质量高，故HC排放较低。

2.1.3 NOx排放

图3为该柴油轿车在ECE15循环和EUDC循环下的NOx排放。

由图3可知，EUDC行驶循环下的NOx排放量比ECE15行驶循环高12% ～16%，平均高出约14%。NOx是在高温富氧的条件下产生的，高温持续时间越长，NOx的排放量就越高，轿车行驶在EUDC循环下，持续的高负荷产生了高温的条件，导致NOx的排放量较高;此外，NOx的排放同尾气流量正相关，高速时的尾气流量较高导致 NOx排放量升高。

2.1.4 PM排放

图4为该柴油轿车在ECE15循环和EUDC循环下的PM排放。

由图4可知，ECE15行驶循环下的PM排放总量高于EUDC循环，燃用6种燃料ECE15循环的PM排放量大约占整个NEDC循环PM排放总量的60%～70%，平均比例约为65%。颗粒PM排放由燃烧时生成的碳烟、可溶有机组分SOF和硫酸盐微粒等组成。碳烟是由烃类燃料在高温缺氧的条件下裂解生成的，而PM的质量主要取决于碳烟的质量。在ECE15循环下，车辆存在较多的加速工况，这时柴油机的空燃比较低，导致发动机高温缺氧，产生较多碳烟。

2.2 不同比例生物柴油的整车排放量

2.2.1 CO排放

图5为不同比例生物柴油NEDC循环下的CO排放量。

由图5可知，无论在哪种循环下，CO排放量随着生物柴油掺混比例的增加而持续降低。与纯柴油B0 相比，柴油轿车 NEDC 循环下 B5、B10、B20、B50、B100的 CO降幅分别为10%、13%、17%、19%和23%。在整个NEDC循环下，柴油轿车的CO排放主要是在冷起动时的几十秒内产生的，此时缸内温度较低。因此，ECE15循环的CO排放与整个NEDC循环的CO排放特性类似，随着生物柴油含量的加大，CO排放量逐渐降低。因此，控制ECE15循环的CO排放对于降低柴油轿车NEDC循环的CO排放非常关键。EUDC循环下6种燃料所产生CO排放量相差不多，总量都较少，在0.02g/km以下，因为在EUDC循环下，发动机在高速、高负荷的状态下运转，温度高，有利于CO进一步氧化生成CO2。

2.2.2 HC排放

图6为不同比例生物柴油在NEDC循环下的HC排放量。

由图6可知，随着生物柴油掺混比例的增加，各循环下柴油轿车HC排放量大都持续降低。与纯柴油B0相比，柴油轿车 NEDC循环下 B5、B10、B20、B50和 B100的 HC降幅分别为7%、12%、15%、21%和43%。在ECE15循环下的趋势相同。因此，控制ECE15循环的HC排放对于降低柴油轿车NEDC循环的HC排放非常关键。而在EUDC循环下，HC排放量的波动较小。HC排放几乎与着火滞后期的大小成正比［10］，生物柴油不含芳香烃，十六烷值高，使滞燃期缩短，降低了HC初始生成量，同时其本身含氧，有利于后期的HC氧化，从而导致HC排放的降低。

2.2.3 NOx排放

图7为不同比例生物柴油在NEDC循环下的NOx排放量。各循环下随着燃料中生物柴油含量的增加，NOx排放量均先降低后增加。燃用低配比生物柴油B5、B10和B20燃料产生的NOx排放均略低于纯柴油B0，但是下降幅度不超过5%。燃用B50和B100产生的NOx排放比纯柴油B0增加7%～12%。与柴油相比，生物柴油的十六烷值高，燃用高配比生物柴油的B50和B100燃料时，滞燃期缩短，缸内温度升高，有利于NOx的形成;此外，气缸内局部区域氧气量少时，生物柴油的分子内氧对形成NOx的作用明显［11］，因此B50和 B100的NOx排放相对B0较高。而对于B5、B10和B20，由于其生物柴油的含量较低，氧含量和芳烃的影响并不明显。由此可见，采用低配比生物柴油的混合燃料(B5、B10、B20)对NOx排放的影响不大。

2.2.4 PM排放

图8为不同比例生物柴油在NEDC循环下的PM排放量。

由图8可知，在各循环下燃用生物柴油后，PM排放量均下降。随着生物柴油配比的增加，PM排放量的下降幅度增大。与纯柴油B0相比，NEDC循环下B5、B10、B20、B50和 B100的 PM 降幅分别为10%、13%、17%、19%和23%。由于生物柴油不含芳香烃，减少了燃烧过程中的高温裂解组分，从而抑制了碳烟的生成［12］。柴油机油气混合时，喷雾中间部分的燃料由于缺少氧气，在高温条件下裂解生成碳烟，而生物柴油含有分子内氧，改善了缸内局部混合气过浓区域的燃烧，因此也有助于减少碳烟的生成。同时，由于硫酸盐和硫酸微粒也是PM的成分之一，因此生物柴油硫质量分数低也是PM排放下降的重要原因之一。

3 结论

以一辆帕萨特柴油轿车为试验样车，研究NEDC循环下燃用纯柴油B0、掺混不同比例生物柴油的B5、B10、B20与B50混合燃料和纯生物柴油B100的CO、HC、NOx和PM的排放特性，结论如下。

(1)柴油轿车CO、HC和PM排放主要集中在ECE15城市行驶循环，燃用这6种燃料的CO、HC和PM排放量占整个NEDC循环排放总量的比例分别约为93%、87%、65%;而EUDC城郊行驶循环下各燃料产生的NOx排放量比ECE15循环均有所增加，平均约增加14%。

(2)CO和HC的排放特性类似，其排放量均随生物柴油掺混比例的增大而降低。在ECE15城市行驶循环和整个NEDC循环下，CO和HC的排放随生物柴油掺混比例的变化趋势类似，而在EUDC城郊行驶循环下各燃料产生的排放量较低且相差不大。因此，控制ECE15循环的CO和HC排放对于降低柴油轿车NEDC循环的CO和HC排放非常关键。

(3)随燃料中生物柴油含量的增加，NOx的排放量呈现先降低后增加的趋势。

(4)无论是在ECE15城市行驶循环、EUDC城郊行驶循环，还是在整个NEDC循环下，PM的排放量随着生物柴油掺混比例的增加而逐渐降低。

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