張繼俊

摘 要：船用柴油機(jī)按GB15097-2016中恒速五工況（D2循環(huán)）用基準(zhǔn)柴油與市售柴油分別進(jìn)行排放測試，對比在10%、25%、50%、75%和100%負(fù)荷下，柴油機(jī)CO、HC、NOx和PM排放變化趨勢及差異，研究分析了測試用油對排放量的影響，為柴油機(jī)排放測試選擇用油提供參考。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);排放;基準(zhǔn)油;市售油

中圖分類號：U664? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0097-03

環(huán)保部制定了GB15097-2016船舶發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，約束了船舶內(nèi)燃機(jī)污染物排放。該標(biāo)準(zhǔn)對碳?xì)銱C、一氧化碳CO、氮氧化物NOx和顆粒PM都有排放限值要求，其中要求型式試驗(yàn)使用基準(zhǔn)柴油或市售燃料。本次試驗(yàn)分別利用基準(zhǔn)柴油和市售柴油進(jìn)行排放測試，對比并分析其測試結(jié)果。

基準(zhǔn)柴油和市售柴油主要區(qū)別在于十六烷值不同，其中GB15097-2016規(guī)定基準(zhǔn)油的十六烷值在46～50之間，而現(xiàn)在市售0#柴油十六烷普遍在52～56之間。國內(nèi)外都有研究十六烷值的差異對排放的影響[1～5]。增大十六烷值，有些資料顯示能減少CO、HC、NOx，增加PM 的排放量[1、2];有些資料顯示對CO、HC、NOx、PM的排放量沒有明顯影響[2～4]。總之，各種機(jī)型在各種工況下得出的結(jié)論不盡相同，但絕大多數(shù)認(rèn)為增加十六烷值會減少HC、NOx，增加PM排放量。本次對比試驗(yàn)選擇在耐久試驗(yàn)最后一次測試時，在發(fā)動機(jī)達(dá)到低磨合穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行，盡量反映出發(fā)動機(jī)在實(shí)際使用過程中燃用不同燃油對排放的真實(shí)影響。

1試驗(yàn)設(shè)備和燃料及研究方法

試驗(yàn)用柴油機(jī)為直列4缸機(jī);單缸排量：1.0535L，功率：55 kW，轉(zhuǎn)速：1500 r/min，壓縮比：17，缸徑：108mm，行程：115mm。

試驗(yàn)臺架示意圖見圖1。采用奧地利AVL生產(chǎn)的DynoDur 160/4.1‐10測功機(jī)進(jìn)行扭矩、轉(zhuǎn)速等的控制。氣體分析儀采用AVL五組氣體分析儀。顆粒采樣設(shè)備采用SPC472全流采樣系統(tǒng)，測試試驗(yàn)使用的濾紙為碳氯化合物涂層的玻璃纖維濾紙（DOP）。

按GB15097-2016中恒速五工況即D2循環(huán)，分別燃用基準(zhǔn)柴油和市售柴油進(jìn)行排放測試，對比因燃油不同引起的排放變化。實(shí)驗(yàn)用基準(zhǔn)柴油和市售柴油主要參數(shù)見表1。

2 排放測試結(jié)果及分析

2.1一氧化碳CO

2.1.1 CO排放量隨負(fù)荷變化趨勢

在75%負(fù)荷時CO排放量在五個負(fù)荷點(diǎn)中最少。當(dāng)過量空氣系數(shù)繼續(xù)減?。ㄘ?fù)荷增大）時，因?yàn)檠醪蛔阍斐扇紵怀浞謴亩笴O生成量加大。當(dāng)過量空氣系數(shù)升高（負(fù)荷減?。r，CO的排放量會隨過量空氣系數(shù)升高而上升，因?yàn)槿紵郎囟冉档筒焕贑O氧化成CO2從而導(dǎo)致CO排放量上升。

2.1.2 燃油對CO排放影響

從圖3中可以看出在50%、75%、100%負(fù)荷時燃用基準(zhǔn)柴油和市售柴油產(chǎn)生的CO排放量幾乎相同，說明在上述工況下十六烷值對CO排放量幾乎沒有影響。但在25%負(fù)荷時基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的CO排放量高于市售柴油產(chǎn)生的CO排放量。在10%負(fù)荷時市售柴油產(chǎn)生的CO排放量高于基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的CO排放量。

2.2碳?xì)?HC

2.2.1 HC排放量隨負(fù)荷變化趨勢

圖4顯示HC排放量隨負(fù)荷增減的變化。在10%負(fù)荷時，過量空氣系數(shù)最大，缸內(nèi)溫度過低不利于反應(yīng)進(jìn)行，超稀限混合氣量增加，最終導(dǎo)致在10%負(fù)荷時HC排放量最大。當(dāng)工作負(fù)荷加大時，缸內(nèi)溫度升高，反應(yīng)速度加快，燃燒更充分，HC排放量減少。所以當(dāng)負(fù)荷從10%增加到50%負(fù)荷過程中，HC排放量隨負(fù)荷增加而減少。從50%增加到75%負(fù)荷時HC排放量無明顯變化，當(dāng)增加負(fù)荷到100%負(fù)荷時，過量空氣系數(shù)進(jìn)一步減小，雖然總體上仍是富氧燃燒，但局部會出現(xiàn)混合氣過濃產(chǎn)生不完全燃燒碳?xì)?，使HC排放量增加。

2.2.2燃油對HC排放影響

從圖中5可以看出在10%和25%負(fù)荷時燃用基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的HC排放量高于燃用市售柴油產(chǎn)生的HC排放量，差距隨負(fù)荷增大而減小。因?yàn)榛鶞?zhǔn)柴油較市售柴油十六烷值低，滯燃期長，其未燃HC和裂解HC增多，引起HC的排放量增加。在50%額定負(fù)荷時，兩種油產(chǎn)生的HC排放量幾乎相同;在75%和100%額定負(fù)荷時，市售柴油產(chǎn)生的HC排放量反而大于基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的HC排放量，差距隨負(fù)荷增大而增加，整體變化趨勢一致。

2.3氮氧化物NOx

2.3.1 NOx排放量隨負(fù)荷變化趨勢

圖6顯示NOx排放量隨負(fù)荷增減的變化。因?yàn)椴裼蜋C(jī)的過量空氣系數(shù)始終大于1，當(dāng)負(fù)荷增大時缸內(nèi)燃燒溫度升高，所以NOx生成量也隨之增多。

2.3.2 燃油對NOx排放影響

從圖7中可以看出在10%、25%負(fù)荷時燃用基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的NOx排放量略高于燃用市售柴油產(chǎn)生的NOx排放量，差距隨負(fù)荷增大而減小。十六烷值低的基準(zhǔn)柴油，著火性能差，滯燃期長，預(yù)混燃燒占比增加，著火后缸內(nèi)溫度和壓力急劇增高;導(dǎo)致NOx生成量增加。在50%額定負(fù)荷時，兩種油產(chǎn)生的排放量幾乎相同;在75%和100%負(fù)荷時基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的NOx排放量反而小于市售柴油產(chǎn)生的NOx排放量，差距隨負(fù)荷增大而增加，整體變化趨勢一致。

2.4 顆粒PM

燃用基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量為1.876mg;燃用市售油產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量為1.927mg。可以看出，基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的顆粒物小于市售柴油產(chǎn)生的顆粒物。市售柴油十六烷值高，會使滯燃期變短，更快生成過氧化物。另外市售柴油粘度相對較高，會使霧化性能變差，加之滯燃期較短，預(yù)混燃燒占比相對較小，著火時與空氣混合均勻程度不如基準(zhǔn)柴油的程度，烷烴分解生成游離碳后形成碳煙的程度加劇，最終導(dǎo)致顆粒物生成量的增加。

3 加權(quán)方式與最終比排放值

根據(jù)GB15097-2016，每種試驗(yàn)循環(huán)的最終氣體比排放量是將各工況的值通過加權(quán)計(jì)算得出。其中恒速工況有五工況（D2）和四工況（E2）兩種循環(huán)，其負(fù)荷與加權(quán)系數(shù)關(guān)系見表2。

本次試驗(yàn)按D2循環(huán)進(jìn)行，最終燃用基準(zhǔn)柴油和市售柴油的氣體比排放量見表3;如將排放測試數(shù)據(jù)按E2循環(huán)加權(quán)計(jì)算，最終氣體比排放量見表4。

通過表3和表4對比可以看出：按D2循環(huán)計(jì)算基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的CO、HC和NOx比排放值均高于市售柴油，但按E2循環(huán)計(jì)算市售柴油產(chǎn)生的HC比排放量高于基準(zhǔn)柴油。說明由于所取工況號和各工況加權(quán)系數(shù)不同，導(dǎo)致用相同氣體排放數(shù)據(jù)計(jì)算得出的最終比排放量的大小關(guān)系也不完全一樣。

4 結(jié)論

通過燃用兩種不同燃油來對比柴油機(jī)污染物排放量的試驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）燃用市售柴油和基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生CO、HC和NOx的排放量隨負(fù)荷變化而增減的規(guī)律完相同。

（2）此柴油機(jī)在50%負(fù)荷時，燃用市售柴油和基準(zhǔn)柴油產(chǎn)生的CO、HC和NOx排放幾乎相同。當(dāng)負(fù)荷增加時HC和NOx排放差異值擴(kuò)大，CO差異值幾乎不變;當(dāng)負(fù)荷減小時，CO、HC和NOx差異值均擴(kuò)大。

（3）此柴油機(jī)燃用市售柴油較基準(zhǔn)柴油在10%負(fù)荷時CO排放量增多，在75%和100%負(fù)荷時HC排放量增多;在100%負(fù)荷時NOx排放量增多。這些與現(xiàn)在大多數(shù)研究結(jié)果不同，可能與兩種燃油中芳烴含量有關(guān)，還需進(jìn)一步研究。

（4）此次試驗(yàn)測出兩種油產(chǎn)生各氣體污染物的數(shù)據(jù)，按不同循環(huán)計(jì)算得出的比排放量，會因各循環(huán)的工況數(shù)和加權(quán)系數(shù)不同影響其最終比排放量大小關(guān)系不一致。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周松，肖又洪，朱元清.內(nèi)燃機(jī)排放與污染物控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010

[2] Mitsuo Tamanouchi， Hiroki Morihisa， Shigehisa Yamada， Jihei lida， Takanobu Sasaki， and Harufusa Sue. Effects of Fuel Properties on Exhaust Emissions for Diesel Engines With and Without Oxidation Catalyst and High Pressure Injection [C].SAE 970758

[3] M. Signer， P. Heinze， R.Mercogliano， H. J. Stein. European Programme on Emissions，F(xiàn)uels and Engine Technologies （EPEFE）-Heavy Duty Diesel Study[C].SAE 961074

[4] Andrew C. Matheaus， Gary D. Neely and Thomas W. Ryan III， Rafal A. Sobotowski， John C. Wall and Christine H. Hobbs， Glenn W. Passavant， Thomas J. Bond.EPA HDEWG Program-Engine Tests Results[C].SAE 2000-01-1858

[5] 何學(xué)良，詹永厚，李疏松.內(nèi)燃機(jī)燃料[M].北京：中國石化出版社，2004