柴油轿车燃用混合燃料道路颗粒物排放测试*

姚 笛，楼狄明，胡志远，谭丕强，冯 谦

(1．同济大学汽车学院，上海 201804;2．上海大众汽车有限公司，上海 201805)

前言

颗粒物是柴油车的主要排气污染物之一。它不仅影响大气能见度，同时还附着了多种有毒致癌有机物，对环境和人类健康有害［1－2］。

使用清洁替代燃料是改善柴油车颗粒物排放的有效途径之一。生物柴油、丁醇、天然气制油和煤制油等清洁替代燃料可按照一定比例与纯柴油混合使用，对柴油车的颗粒物排放特性会产生不同程度的影响。生物柴油的影响主要表现为颗粒物细化和颗粒物质量减小［3－6］;丁醇可改善缸内局部缺氧，降低碳烟颗粒排放［7－10］;天然气制油和煤制油具有同时抑制颗粒物数量和质量排放的作用［11－14］。

汽车排放法规的日益严格对排放控制和检测手段提出了更高的要求。欧盟已开始对轻型乘用车的颗粒物质量和数量排放进行全面限制。检测和分析柴油车燃用混合燃料时排气颗粒物粒径分布、数量和质量排放规律对于研究和发展清洁能源柴油车具有重大意义。

本文中在一辆柴油轿车上分别燃用生物柴油、丁醇、天然气制油和煤制油与纯石化柴油混合制成的4种混合燃料，对比纯柴油，开展了实际道路颗粒物排放特性车载测试试验研究。分析了不同运行工况、不同燃料对车辆颗粒物排放特性的影响。

1 试验方法

1.1 试验车辆

试验车辆采用帕萨特1.9L TDI柴油轿车，发动机为水冷直列四缸8气门、电控泵喷嘴、直喷涡轮增压柴油机，配备废气再循环 EGR和催化氧化器DOC，最大功率为96kW。

1.2 试验燃料

试验燃料为生物柴油、丁醇、天然气制油、煤制油均以10%体积混合比分别与纯柴油混合制成的4种混合燃料，简称 BD10、Bu10、G10和 C10;纯柴油作为试验基准燃料，简称D100。其中，纯柴油为国Ⅳ标准0#低硫柴油，生物柴油原料为餐饮废油，天然气制油和煤制油均为壳牌公司生产。试验燃料的主要理化特性如表1所示。

表1 试验燃料主要理化特性指标

1.3 试验装置

试验装置主要包括颗粒物测试系统、排气流量计、GPS系统和主控计算机等部分。颗粒物测试系统采用TSI-EEPS 3090颗粒物粒径分析仪和旋转盘稀释器，以10Hz频率对排气管中的颗粒物进行部分流量稀释采样，稀释比为500，稀释温度为80℃，分析颗粒粒径分布、数密度和质量密度。排气流量由HORIBA-OBS 2200车载排放测试系统中的流量计测量。试验车辆行驶轨迹、里程、车速和加速度等运行数据由车载GPS系统采集。

1.4 试验方案

在上海市选取一段实际道路作为试验路线，包含了市区道路、郊区道路和高速公路，全程约78km。试验车辆分别燃用每种混合燃料进行一次全程道路车载排放测试试验。每次试验前均进行车辆预热，尽量保持试验时间段一致，驾驶习惯一致，车速和道路条件等因素近似。

分析试验数据时，根据车辆启停和排放变化峰值进行运行工况数据和排放数据对齐。根据GPS记录的行驶轨迹筛选出不同运行工况下的试验数据。结合颗粒物排放、排气流量和车辆运行等数据，计算得到试验车辆在不同运行工况下的排气颗粒物数量排放率和质量排放率。

综合考虑试验车辆发动机与变速器匹配的特点、驾驶习惯和道路路况等因素，将车速划分为怠速、0～20、20～50、50～80和 80km/h以上，共5个典型车速区间。在上述车速区间内，分析研究车速、加速度和比功率(VSP)等参数对试验车辆颗粒物排放特性的影响规律，对比试验车辆燃用不同试验燃料时颗粒物排放特性的差异。

2 试验结果与分析

2.1 不同车速下的颗粒物排放特性

2.1.1 颗粒物粒径分布

试验车辆分别燃用5种试验燃料，在不同车速区间内的颗粒物粒径分布规律，如图1～图5所示。

由图可见，试验车辆燃用5种试验燃料时的颗粒物粒径分布规律均呈现为包含核模态峰和聚集态峰的双峰对数分布。其中，核模态颗粒物数量峰值对应的粒径为10nm左右，聚集态颗粒物数量峰值对应的粒径为80～150nm。各试验燃料对应的聚集态颗粒物数量峰值大多高于其核模态颗粒物数量峰值，随着车速区间的升高，各试验燃料对应的颗粒物数量整体升高，核模态颗粒物数量峰值随车速升高更明显。由此可见，聚集态颗粒物对颗粒物总体数量和质量排放具有较大影响;而随着车速的升高，核模态颗粒物占总颗粒物数量的比例升高。核模态颗粒物主要来源于燃料中硫生成的硫酸盐、半挥发性硫酸以及半挥发性HC有机物。试验车辆排气系统中的催化氧化器DOC可氧化消除HC等有机成分颗粒物，但同时也会促进排气中的SO2向核模态硫酸小颗粒转化，引起二次核模态颗粒物增多，且随着排气温度的升高，上述作用会更加明显。根据图1～图5所示的颗粒物粒径分布规律可以推断:在排气温度较低的怠速和中低车速区间内，HC等有机成分可能为核模态颗粒物的主要来源，硫化物其次;在排气温度较高的中高车速区间内，核模态颗粒物中硫化物成分会逐渐增多。

各混合燃料对应的颗粒物粒径分布规律存在一定差异。D100呈现10nm核模态峰和150nm聚集态峰的双峰对数分布。相比其它4种混合燃料，D100在各车速区间内均具有最高的聚集态颗粒物数量峰值和最大的峰值粒径，且聚集态峰值随车速的升高幅度更明显。

含氧燃料BD10和Bu10均呈现10nm核模态峰和80nm聚集态峰的双峰对数分布。相比其它3种混合燃料，BD10和Bu10的核模态峰值随车速的升高幅度更明显，聚集态峰值较低并左移，说明BD10和Bu10引起了排气颗粒物粒径细小化，核模态颗粒物增多而聚集态颗粒物减少。BD10对应的颗粒物数量级整体高于Bu10。

混有F-T合成燃料的G10和C10呈现10nm核模态峰和100～150nm聚集态峰的双峰对数分布。与D100相比，G10和C10对应的聚集态峰在低车速区间左移，在高车速区间聚集态峰值降低。G10对粒径细小的核模态颗粒物抑制作用明显。

引起不同混合燃料之间粒径分布规律差异的主要因素是燃料的理化特性。D100和C10的芳烃含量较高，在燃烧过程中生成了较多的大粒径碳团，引起聚集态峰值偏高，粒径偏大。BD10的硫含量较高，在高温排气和DOC催化作用下生成了大量硫酸小颗粒，其核模态峰值在高车速区间大幅升高。BD10和Bu10的含氧特性有助于对颗粒物的氧化作用，一方面可抑制碳团颗粒物长大，使聚集态峰值降低并左移，另一方面则引起细小颗粒物增多，使核模态峰值升高。G10具有极低的硫和芳烃含量，使核模态和聚集态颗粒物同时得到抑制。

2.1.2 颗粒物数量和质量排放率

图6和图7为试验车辆分别燃用5种混合燃料时，颗粒物数量排放率随车速的变化规律。图8和图9为试验车辆分别燃用5种混合燃料时，颗粒物质量排放率随车速的变化规律。

由图6～图9可见，试验车辆燃用5种混合燃料对应的颗粒物数量排放率和质量排放率随车速的变化趋势基本一致:随着车速的升高，单位时间内颗粒物排放率均呈现升高的变化趋势，单位里程内颗粒物排放率均呈现降低的变化趋势。从车辆实际使用的角度考虑，将平均车速维持在20～80km/h区间可以在高效利用燃料的同时降低颗粒物排放率。车速低于20km/h时，单位里程内颗粒物排放率显著升高;车速超过80km/h时则会引起单位时间内大量颗粒物的集中排放。

试验中4种混合燃料对应的颗粒物数量排放率和质量排放率整体均低于纯柴油D100。颗粒物数量排放率由高至低依次为 D100、C10、BD10、G10、Bu10。颗粒物质量排放率由高至低依次为D100、C10、G10、BD10、Bu10。含氧燃料 BD10 和 Bu10 在聚集态颗粒物排放控制方面具有优势，故颗粒物质量排放率较低;BD10由于硫含量较高，大量核模态硫化物颗粒引起颗粒物数量排放率升高。与C10相比，杂质较少的G10对颗粒物数量和质量排放率控制效果更好。

2.2 不同加速度和VSP下的颗粒物排放特性

图10和图11为试验车辆分别燃用5种混合燃料时，在不同车速区间内，颗粒物数量排放率和颗粒物质量排放率随加速度变化的规律。

由图可见，随着车速区间升高，试验车辆的最大加速度值减小，试验车辆燃用5种混合燃料对应的颗粒物数量排放率和质量排放率随加速度的变化趋势基本一致:当加速时，绝大多数情况下，随加速度的升高，单位时间内颗粒物数量排放率和质量排放率均呈现升高的变化趋势;当匀速和减速时，颗粒物排放率水平较低，并在一定范围内波动。

图12和图13为试验车辆分别燃用5种混合燃料时，颗粒物数量排放率和颗粒物质量排放率随比功率(VSP)值变化的规律。

VSP(vehicle specific power)定义为车辆发动机每牵引1t质量所输出的功率，单位为kW/t，是流动源排放模型的一个重要参数。其计算公式［15］为

式中:v为车速，m/s;a为加速度，m/s2;g为道路坡度。本文中选用的试验路线为平原路况，VSP值受坡度因素影响较小，分析时取g=0。因此VSP值主要取决于车辆的车速和加速度联合作用的影响，它综合反映了车辆运行时负荷的变化情况。

由图12和图13可见，试验车辆燃用5种混合燃料对应的颗粒物数量排放率和质量排放率随VSP值的变化趋势基本一致:当VSP值为正时，车辆处于加速或匀速行驶工况，颗粒物数量排放率和质量排放率均随VSP值的升高而升高;当VSP值为零时，车辆处于怠速工况，颗粒物排放量极低，趋势线出现凹点;当VSP值为负时，车辆处于减速工况，颗粒物排放率在一个较低的水平波动。

采用加速度或VSP考察各混合燃料在试验车辆不同负荷工况下的颗粒物排放规律对比情况，得到的结果基本一致。如图10～图13所示，各混合燃料对应的颗粒物数量排放率由高至低依次为D100、C10、BD10、G10、Bu10，颗粒物质量排放率由高至低依次为 D100、C10、G10、BD10、Bu10。4 种混合燃料对应的颗粒物排放率整体均低于纯柴油D100，在车辆高负荷(车速区间、加速度或VSP值)工况下，混合燃料相比纯柴油的颗粒物排放的优势更加明显。

2.3 全程颗粒物排放率

图14为试验车辆分别燃用5种混合燃料时，试验路线全程内，单位里程颗粒物数量排放率和颗粒物质量排放率。

由图14可见，试验车辆燃用各混合燃料的全程颗粒物数量排放率由高至低依次为D100(8.73×1014个/km)、C10(8.57 ×1014个/km)、BD10(7.58 ×1014个/km)、G10(6.40 ×1014个/km)、Bu10(6.17 ×1014个/km)，混合燃料分别比纯柴油降低了1.89%、13.23%、26.72%和29.28%。全程颗粒物质量排放率为由高至低依次为 D100(0.114g/km)、C10(0.101g/km)、G10(0.095g/km)、BD10(0.085g/km)、Bu10(0.079g/km)，混合燃料分别比纯柴油降低了11.41%、17.16%、25.93%和30.61%。与纯柴油相比，4种混合燃料均不同程度地改善了试验车辆的颗粒物排放性能。

3 结论

(1)与纯柴油D100相比，含氧燃料BD10、Bu10会引起试验车辆排气中的核模态颗粒物数量增多，聚集态颗粒物数量减少，颗粒物粒径细小化;混合燃料G10和C10可同时降低试验车辆排气中的核模态和聚集态颗粒物数量，G10对核模态颗粒物抑制作用明显。

(2)在试验车辆不同工况下，混合燃料BD10、Bu10、G10和C10对应的颗粒物数量排放率和质量排放率整体均低于纯柴油D100。混合燃料的颗粒物排放优势在车辆高负荷工况下较明显。

(3)各混合燃料对应的全程颗粒物数量排放率由高至低依次为 D100、C10、BD10、G10、Bu10，混合燃料分别比纯柴油D100降低了1.89%、13.23%、26.72%、29.28%;全程颗粒物质量排放率由高至低依次为 D100、C10、G10、BD10、Bu10，混合燃料分别比纯柴油D100降低了11.41%、17.16%、25.93%、30.61%。混合燃料均不同程度地改善了试验车辆的颗粒物排放性能，说明采用清洁优质的混合燃料具有优化车辆颗粒物排放特性的作用。

［1］ Geller Michael D，Leonidas Ntziachristos，Athanasios Mamakos，et al．Physicochemical and Redox Characteristics of Particulate Matter(PM)Emitted from Gasoline and Diesel Passenger Cars［J］．Atmospheric Environment，2006，40(36):6988－7004．

［2］ Giechaskiel B，Alfoldy B，Drossinos Y．A Metric for Health Effects Studies of Diesel Exhaust Particles［J］．Aerosol Science，2009，40(8):639－651．

［3］ George Karavalakis，George Deves，Georgios Fontaras，et al．The Impact of Soy-based Biodiesel on PAH，Nitro-PAH and Oxy-PAH Emissions from a Passenger Car Operated Over Regulated and Nonregulated Driving Cycles［J］．Fuel，2010，89(12):3876 －3883．

［4］ Tinsdale M，Price P，Chen R．The Impact of Biodiesel on Particle Number，Size and Mass Emissions from a Euro4 Diesel Vehicle［J］．SAE Int．J．Engines，2010，3(1):597 －608．

［5］ Yao Di，Lou Diming，Hu Zhiyuan，et al．Experimental Investigation on Particle Number and Size Distribution of a Common Rail Diesel Engine Fueling with Alternative Blended Diesel Fuels［C］．SAE Paper 2011－01－0620．

［6］ 谭丕强，楼狄明，胡志远．发动机燃用生物柴油的核态颗粒排放［J］．工程热物理学报，2010，31(7):1231－1234．

［7］ Rakopoulos C D，Dimaratos A M，Giakoumis E G，et al．Investigating the Emissions During Acceleration of a Turbocharged Diesel Engine Operating with Bio-Diesel or N-Butanol Diesel Fuel Blends［J］．Energy，2010，35(12):5173 －5184．

［8］ Frank Lujaji，Akos Bereczky，Makame Mbarawa．Performance E-valuation of Fuel Blends Containing Croton Oil，Butanol，and Diesel in a Compression Ignition Engine［J］．Energy Fuels，2010，24(8):4490－4496．

［9］ 张全长，尧命发，郑尊清，等．正丁醇对柴油机低温燃烧和排放的影响［J］．燃烧科学与技术，2010，16(4):363－368．

［10］ Miers S，Carlson R，McConnell S，et al．Drive Cycle Analysis of Butanol/Diesel Blends in a Light-Duty Vehicle［C］．SAE Paper 2008－01－2381．

［11］ Gilla S S，Tsolakis A，Dearna K D，et al．Combustion Characteristics and Emissions of Fischer–Tropsch Diesel Fuels in IC Engines［J］．Progress in Energy and Combustion Science Online，2010:1－21．

［12］ Alleman Teresa L ，Eudy Leslie．Fuel Property，Emission Test，and Operability Results from a Fleet of Class 6 Vehicles Operating on Gas-to-Liquid Fuel and Catalyzed Diesel Particle Filters［C］．SAE Paper 2004－01－2959．

［13］ 胡志远，程亮，李文书，等．柴油轿车燃用煤制油的排放特性［J］．汽车技术，2011，428(8):7－9．

［14］ 李新令，黄震，王嘉松．GTL燃料发动机排气颗粒数密度和粒径分布的试验研究［J］．燃烧科学与技术，2007，13(5):448－454．

［15］ Jose Luis Jimenez Palacios．Understanding and Quantifying Motor Vehicle Emissions with Vehicle Specific Power and TILDAS Remote Sensing［D］．Cambridge:Massachusetts Institute of Technology，1999．