譚丕強(qiáng)，周 舟，胡志遠(yuǎn)，樓狄明

(同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804)

前言

生物柴油是以動(dòng)、植物油脂為原料，用甲醇或乙醇在催化劑的作用下經(jīng)脂交換制成的含氧燃料。它具有較高的十六烷值和閃點(diǎn)，潤(rùn)滑性好、黏度高、不含芳香烴和硫含量低等特點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)生物柴油的排放研究大多是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下測(cè)出的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油后，排放特性有所改善［1－7］。然而汽車(chē)在實(shí)際的行駛過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到起動(dòng)、加速、減速和停車(chē)等情況，這會(huì)造成某些有害排放物如HC急劇增加［8－9］，使環(huán)境污染更加嚴(yán)重。因此，對(duì)燃用生物柴油的汽車(chē)進(jìn)行瞬態(tài)工況排放研究具有重要意義。

本文中以一輛帕薩特柴油轎車(chē)為樣車(chē)，燃用純柴油、純生物柴油和不同摻混比例生物柴油的混合燃料，研究了柴油轎車(chē)在NEDC循環(huán)下CO、HC、PM和NOx的排放特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)樣車(chē)為一輛帕薩特TDI 1.9L柴油轎車(chē)，該車(chē)裝有尾氣氧化催化轉(zhuǎn)化器(diesel oxidation catalytic converter，DOC)。NEDC循環(huán)包括代表城市工況的ECE15行駛循環(huán)和代表城郊高速路的EUDC行駛循環(huán)。其中，ECE15包括4個(gè)同樣的市區(qū)循環(huán)單元，每個(gè)市區(qū)循環(huán)單元包含15個(gè)工況，總計(jì)運(yùn)行時(shí)間780s。ECE15行駛循環(huán)的 CO、HC、NOx和 PM排放量是由4個(gè)市區(qū)循環(huán)單元的排放量平均求得。EUDC由一個(gè)市郊循環(huán)單元組成，包含13個(gè)工況，運(yùn)行時(shí)間為400s。

試驗(yàn)所用的設(shè)備為德國(guó)SCHENCK公司的排放轉(zhuǎn)鼓，日本HORIBA公司的CVS采樣系統(tǒng)、MEXA-7000排放氣體分析儀、CHAM-1000電子天平系統(tǒng)和上海佐竹公司的－10℃ ～+45℃排放環(huán)境艙等相關(guān)設(shè)備，測(cè)量的排放對(duì)象包括HC、CO、NOx和PM。

本試驗(yàn)所用的6種燃料包括純柴油B0、純生物柴油B100、柴油中滲混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飲廢油制成，這6種燃料的基本理化特性見(jiàn)表1。

表1 6種燃料的基本理化特性

由表1可以看出，該生物柴油的十六烷值、密度和黏度均高于柴油，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，主要性能指標(biāo)滿(mǎn)足柴油機(jī)的使用要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 柴油轎車(chē)ECE15和EUDC循環(huán)的排放

2.1.1 CO排放

圖1為該柴油轎車(chē)在ECE15循環(huán)和EUDC循環(huán)下的CO排放。由圖1可見(jiàn)，該車(chē)燃用6種燃料ECE15循環(huán)的CO排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于EUDC循環(huán)的CO排放量，大約占整個(gè)NEDC循環(huán)CO排放總量的90%～95%，平均比例約為93%。CO形成原因包括3個(gè)方面:①過(guò)濃混合氣導(dǎo)致缺氧，使得CO不能充分燃燒生成CO2;②過(guò)稀混合氣導(dǎo)致反應(yīng)不穩(wěn)定，使CO不能繼續(xù)燃燒生成CO2;③火焰遇到低溫或壁面猝熄。在ECE15循環(huán)下，由于冷起動(dòng)的原因，前期缸內(nèi)溫度過(guò)低，氧化反應(yīng)不完全;此外，冷起動(dòng)時(shí)的DOC沒(méi)有達(dá)到合適的溫度，在CO通過(guò)DOC時(shí)沒(méi)有被進(jìn)一步氧化，造成CO排放較高。因此，控制ECE15第一個(gè)市區(qū)循環(huán)單元的冷起動(dòng)排放對(duì)改善整個(gè)循環(huán)的CO排放具有重要意義。在ECE15循環(huán)下存在較多的加速和怠速工況，混合氣過(guò)濃也造成較多的CO排放。

2.1.2 HC排放

圖2為該柴油轎車(chē)在ECE15循環(huán)和EUDC循環(huán)下的HC排放。

由圖2可知，HC的排放特性與CO類(lèi)似，大部分都集中在ECE15循環(huán)。燃用這6種燃料ECE15循環(huán)的HC排放量大約占整個(gè)NEDC循環(huán)HC排放總量的85%～90%，平均比例約為87%。對(duì)于柴油機(jī)而言，當(dāng)混合氣過(guò)濃、過(guò)稀，或燃燒溫度較低時(shí)，都容易產(chǎn)生HC的排放。在ECE15循環(huán)下，存在更多的加速工況，加速會(huì)導(dǎo)致混合氣過(guò)濃，當(dāng)混合氣濃至局部空氣過(guò)量系數(shù)小于1.1時(shí)，會(huì)引起HC排放突然劇增［10］。此外，在ECE15循環(huán)的怠速工況，循環(huán)供油量小，噴油壓力低，霧化和混合的情況不好，再加上排氣溫度低，極稀混合氣區(qū)的燃料沒(méi)有燃燒，殘留在排氣之中，引起HC的排放量升高。與CO類(lèi)似，控制ECE15第一個(gè)市區(qū)循環(huán)單元的冷起動(dòng)排放對(duì)改善整個(gè)循環(huán)的HC排放也具有重要意義。在EUDC行駛循環(huán)下，由于速度較高，負(fù)荷較大，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較高，霧化較好，燃燒質(zhì)量高，故HC排放較低。

2.1.3 NOx排放

圖3為該柴油轎車(chē)在ECE15循環(huán)和EUDC循環(huán)下的NOx排放。

由圖3可知，EUDC行駛循環(huán)下的NOx排放量比ECE15行駛循環(huán)高12% ～16%，平均高出約14%。NOx是在高溫富氧的條件下產(chǎn)生的，高溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，NOx的排放量就越高，轎車(chē)行駛在EUDC循環(huán)下，持續(xù)的高負(fù)荷產(chǎn)生了高溫的條件，導(dǎo)致NOx的排放量較高;此外，NOx的排放同尾氣流量正相關(guān)，高速時(shí)的尾氣流量較高導(dǎo)致 NOx排放量升高。

2.1.4 PM排放

圖4為該柴油轎車(chē)在ECE15循環(huán)和EUDC循環(huán)下的PM排放。

由圖4可知，ECE15行駛循環(huán)下的PM排放總量高于EUDC循環(huán)，燃用6種燃料ECE15循環(huán)的PM排放量大約占整個(gè)NEDC循環(huán)PM排放總量的60%～70%，平均比例約為65%。顆粒PM排放由燃燒時(shí)生成的碳煙、可溶有機(jī)組分SOF和硫酸鹽微粒等組成。碳煙是由烴類(lèi)燃料在高溫缺氧的條件下裂解生成的，而PM的質(zhì)量主要取決于碳煙的質(zhì)量。在ECE15循環(huán)下，車(chē)輛存在較多的加速工況，這時(shí)柴油機(jī)的空燃比較低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高溫缺氧，產(chǎn)生較多碳煙。

2.2 不同比例生物柴油的整車(chē)排放量

2.2.1 CO排放

圖5為不同比例生物柴油NEDC循環(huán)下的CO排放量。

由圖5可知，無(wú)論在哪種循環(huán)下，CO排放量隨著生物柴油摻混比例的增加而持續(xù)降低。與純柴油B0 相比，柴油轎車(chē) NEDC 循環(huán)下 B5、B10、B20、B50、B100的 CO降幅分別為10%、13%、17%、19%和23%。在整個(gè)NEDC循環(huán)下，柴油轎車(chē)的CO排放主要是在冷起動(dòng)時(shí)的幾十秒內(nèi)產(chǎn)生的，此時(shí)缸內(nèi)溫度較低。因此，ECE15循環(huán)的CO排放與整個(gè)NEDC循環(huán)的CO排放特性類(lèi)似，隨著生物柴油含量的加大，CO排放量逐漸降低。因此，控制ECE15循環(huán)的CO排放對(duì)于降低柴油轎車(chē)NEDC循環(huán)的CO排放非常關(guān)鍵。EUDC循環(huán)下6種燃料所產(chǎn)生CO排放量相差不多，總量都較少，在0.02g/km以下，因?yàn)樵贓UDC循環(huán)下，發(fā)動(dòng)機(jī)在高速、高負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度高，有利于CO進(jìn)一步氧化生成CO2。

2.2.2 HC排放

圖6為不同比例生物柴油在NEDC循環(huán)下的HC排放量。

由圖6可知，隨著生物柴油摻混比例的增加，各循環(huán)下柴油轎車(chē)HC排放量大都持續(xù)降低。與純柴油B0相比，柴油轎車(chē) NEDC循環(huán)下 B5、B10、B20、B50和 B100的 HC降幅分別為7%、12%、15%、21%和43%。在ECE15循環(huán)下的趨勢(shì)相同。因此，控制ECE15循環(huán)的HC排放對(duì)于降低柴油轎車(chē)NEDC循環(huán)的HC排放非常關(guān)鍵。而在EUDC循環(huán)下，HC排放量的波動(dòng)較小。HC排放幾乎與著火滯后期的大小成正比［10］，生物柴油不含芳香烴，十六烷值高，使滯燃期縮短，降低了HC初始生成量，同時(shí)其本身含氧，有利于后期的HC氧化，從而導(dǎo)致HC排放的降低。

2.2.3 NOx排放

圖7為不同比例生物柴油在NEDC循環(huán)下的NOx排放量。各循環(huán)下隨著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燃料產(chǎn)生的NOx排放均略低于純柴油B0，但是下降幅度不超過(guò)5%。燃用B50和B100產(chǎn)生的NOx排放比純柴油B0增加7%～12%。與柴油相比，生物柴油的十六烷值高，燃用高配比生物柴油的B50和B100燃料時(shí)，滯燃期縮短，缸內(nèi)溫度升高，有利于NOx的形成;此外，氣缸內(nèi)局部區(qū)域氧氣量少時(shí)，生物柴油的分子內(nèi)氧對(duì)形成NOx的作用明顯［11］，因此B50和 B100的NOx排放相對(duì)B0較高。而對(duì)于B5、B10和B20，由于其生物柴油的含量較低，氧含量和芳烴的影響并不明顯。由此可見(jiàn)，采用低配比生物柴油的混合燃料(B5、B10、B20)對(duì)NOx排放的影響不大。

2.2.4 PM排放

圖8為不同比例生物柴油在NEDC循環(huán)下的PM排放量。

由圖8可知，在各循環(huán)下燃用生物柴油后，PM排放量均下降。隨著生物柴油配比的增加，PM排放量的下降幅度增大。與純柴油B0相比，NEDC循環(huán)下B5、B10、B20、B50和 B100的 PM 降幅分別為10%、13%、17%、19%和23%。由于生物柴油不含芳香烴，減少了燃燒過(guò)程中的高溫裂解組分，從而抑制了碳煙的生成［12］。柴油機(jī)油氣混合時(shí)，噴霧中間部分的燃料由于缺少氧氣，在高溫條件下裂解生成碳煙，而生物柴油含有分子內(nèi)氧，改善了缸內(nèi)局部混合氣過(guò)濃區(qū)域的燃燒，因此也有助于減少碳煙的生成。同時(shí)，由于硫酸鹽和硫酸微粒也是PM的成分之一，因此生物柴油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低也是PM排放下降的重要原因之一。

3 結(jié)論

以一輛帕薩特柴油轎車(chē)為試驗(yàn)樣車(chē)，研究NEDC循環(huán)下燃用純柴油B0、摻混不同比例生物柴油的B5、B10、B20與B50混合燃料和純生物柴油B100的CO、HC、NOx和PM的排放特性，結(jié)論如下。

(1)柴油轎車(chē)CO、HC和PM排放主要集中在ECE15城市行駛循環(huán)，燃用這6種燃料的CO、HC和PM排放量占整個(gè)NEDC循環(huán)排放總量的比例分別約為93%、87%、65%;而EUDC城郊行駛循環(huán)下各燃料產(chǎn)生的NOx排放量比ECE15循環(huán)均有所增加，平均約增加14%。

(2)CO和HC的排放特性類(lèi)似，其排放量均隨生物柴油摻混比例的增大而降低。在ECE15城市行駛循環(huán)和整個(gè)NEDC循環(huán)下，CO和HC的排放隨生物柴油摻混比例的變化趨勢(shì)類(lèi)似，而在EUDC城郊行駛循環(huán)下各燃料產(chǎn)生的排放量較低且相差不大。因此，控制ECE15循環(huán)的CO和HC排放對(duì)于降低柴油轎車(chē)NEDC循環(huán)的CO和HC排放非常關(guān)鍵。

(3)隨燃料中生物柴油含量的增加，NOx的排放量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

(4)無(wú)論是在ECE15城市行駛循環(huán)、EUDC城郊行駛循環(huán)，還是在整個(gè)NEDC循環(huán)下，PM的排放量隨著生物柴油摻混比例的增加而逐漸降低。

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