李 穎 王占生 楊忠平 李春曉 王薏涵 陳 曦

(1.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司;2.北京中油愛索節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司)

0 引 言

汽柴油是城市交通、生產(chǎn)建設(shè)和運輸不可或缺的動力來源，而汽柴油燃燒排放的二次氣溶膠是誘發(fā)霧霾天氣的最主要來源之一，其中柴油在燃燒過程中二次氣溶膠排放量明顯大于汽油，對霧霾天氣的誘發(fā)貢獻更突出[1]。為了改善空氣質(zhì)量，2019年起在全國范圍內(nèi)開始逐步實施國六排放標準。國六排放標準較國V排放標準污染物排放限值大幅降低，對國六油品性能提出更高要求。國六汽柴油在減少產(chǎn)生污染物質(zhì)的同時相應(yīng)減少了燃油中的主要燃燒組分，烯芳烴總量由75%降到50%，導(dǎo)致燃油在發(fā)動機內(nèi)燃燒的溫度和速度等發(fā)生變化，實際使用中表現(xiàn)為油耗增加。如何進一步提高發(fā)動機燃油燃燒性能，在符合國六排放標準的同時獲得更低的油耗和較好的動力性能，是關(guān)系民生的重要問題。

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國機動車環(huán)境管理年報》[2]的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2018年1月1日，國Ⅲ標準的柴油車1 012.1萬輛，占柴油貨車總量的51.7%；國Ⅳ標準的柴油車802.4萬輛，占41.0%；國Ⅴ及以上標準的柴油車106.2萬輛，占5.4%，我國路上在運柴油車大多仍為國Ⅳ及以前排放標準。另一方面，自2019年1月1日起，我國全面停售國Ⅴ及以前水平的汽柴油，開始銷售國六階段車用汽柴油。因此，當前以及未來一段時間內(nèi)，“老機燒新油”的現(xiàn)象將不可避免，評估路上在運柴油車的污染排放情況具有十分重要的意義。

提高柴油發(fā)動機燃料的燃燒質(zhì)量以減少尾氣污染的方法很多，目前，使用柴油添加劑是最有效和最經(jīng)濟的方法之一。使用柴油添加劑既不用改動發(fā)動機結(jié)構(gòu)，也不用增加設(shè)備，就可以提高燃油的燃燒性能，減少有害物質(zhì)排放[3]。常規(guī)柴油添加劑可以達到促進燃燒、清除沉積物、降低尾氣排放等效果[4]，少數(shù)柴油添加劑已在改善發(fā)動機動力性能、降低油耗等方面有所突破。

本文以某型號柴油添加劑為例，選擇國Ⅴ標準的中型車用柴油機，燃用國六標準的車用柴油開展臺架試驗，研究柴油添加劑對發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和排放的影響。

1 試驗方案

柴油機臺架試驗委托中國汽車技術(shù)研究中心(北京卡達克汽車檢測技術(shù)中心有限公司)進行，發(fā)動機型號：4J28TC3，額定功率81 kW。發(fā)動機通過聯(lián)軸器與電力測功機相連，通過測功機測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率，同時借助流量計測量燃油與空氣流量。在發(fā)動機排氣管上安裝采樣裝置，分別使用氣體分析儀、顆粒采集儀等設(shè)備測量發(fā)動機排氣中的CO、THC、NOX和PM。其中，使用不分光紅外(NDIR)測量CO濃度，氫火焰離子(FID)測量THC，化學發(fā)光(CLD)測量NOX，使用部分流等比例稀釋配合濾膜采集顆粒物，通過精密天平稱重計算顆粒質(zhì)量PM，使用冷凝粒子計數(shù)器測量顆粒數(shù)目PN。

對于柴油機的動力性和經(jīng)濟性，分別通過速度特性試驗與負荷特性試驗考察。速度特性需保持油門位置不變，通過改變測功機扭矩使發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)；負荷特性需保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，通過改變油門位置使發(fā)動機在不同功率下運轉(zhuǎn)。

參照GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》中柴油機排氣污染物測量方法，分別使用穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(ESC)和瞬態(tài)測試循環(huán)(ETC)開展研究。ESC循環(huán)需測量13個規(guī)定工況點的柴油機排放，加權(quán)平均后計算得到單位排放，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(ESC)原理

ETC循環(huán)需按照規(guī)定轉(zhuǎn)速、扭矩連續(xù)運行1 800 s，如圖2所示。試驗中以至少1 Hz的頻率測量柴油機排放濃度，以完整試驗的累積值計算得到單位排放。

圖2 瞬態(tài)測試循環(huán)(ETC)原理

考慮到后處理裝置對柴油機減排的關(guān)鍵影響，且添加劑對后處理裝置的影響尚不明確，試驗中在后處理前后均測量氣態(tài)污染物，以便更全面評估添加劑的作用。但由于濾膜采集顆粒物的方法不能獲得瞬態(tài)數(shù)據(jù)，僅在后處理裝置后測量顆粒排放。

2 結(jié)果分析

2.1 控制排氣污染物排放

穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)測試排放結(jié)果分別見表1、表2，控制排氣污染物排放結(jié)果平均變化率見表3。

表1 穩(wěn)態(tài)測試排放結(jié)果 g/(kW·h)

表2 瞬態(tài)測試排放結(jié)果 g/(kW·h)

表3 控制排氣污染物排放結(jié)果平均變化率 %

通過試驗數(shù)據(jù)可知，基準油即國六標準柴油，在國Ⅴ標準柴油發(fā)動機上燃燒，排氣污染物限值達到排放標準。

加入兩種柴油添加劑的油品ETC排放結(jié)果都達標；加入1號柴油添加劑的油品ESC排放結(jié)果NOX項目超標；加入2號柴油添加劑的控制排氣污染物排放結(jié)果平均變化率顯示，CO、THC和NOX排放數(shù)值有明顯下降，說明2號柴油添加劑對CO、THC和NOX有較好的抑制作用。

總體而言，柴油添加劑能夠降低柴油機排放的CO和THC等不完全燃燒產(chǎn)物，但對NOX和PM存在負面影響。從原理上分析，加入柴油添加劑后促進CO、THC數(shù)值降低，說明燃料充分燃燒了；因充分燃燒，升高了缸內(nèi)溫度，柴油機內(nèi)局部富氧區(qū)域可能產(chǎn)生比原來更多的NOX；而柴油機內(nèi)局部缺氧區(qū)域則可能產(chǎn)生比原來更多的PM。

相關(guān)研究表明，在平均車速較低的城市工況下，NOX排放往往能達到限值的2～3倍左右，遠遠高于排放限值。其原因是城市行駛多為低速、低功率工況，排氣溫度較低，而現(xiàn)有選擇性催化還原系統(tǒng)(Selective Catalyst Reduction，SCR)在溫度低于280℃時轉(zhuǎn)化效率會嚴重降低，在低于200℃時會停止工作，從而造成實際NOX排放嚴重超標[5]。

2.2 動力性——總功率增加率

通過對比加劑前后發(fā)動機最大扭矩和功率的變化，評估添加劑對柴油機動力性的影響，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)動機最大扭矩和功率曲線

由圖3可見，加劑后柴油機的扭矩和功率都得到了提升。其中2號劑的扭矩提升幅度更為明顯。

1號劑在不同轉(zhuǎn)速下，總功率增加率如表4所示。2號劑在不同轉(zhuǎn)速下，總功率增加率如表5所示。

表4 1號劑總功率變化

表5 2號劑總功率變化

由以上數(shù)據(jù)可知，1號劑的動力性略有增加，增幅不明顯；2號劑的動力性，在2 000，2 600，2 800 r/min時總功率增加率≥2%，增幅較明顯。

2.3 燃油經(jīng)濟性——臺架節(jié)油率

油耗率，或稱比油耗(BSFC)是衡量柴油機油耗水平的關(guān)鍵參數(shù)，通常由負荷特性試驗測得。圖4(a)是轉(zhuǎn)速為1 940 r/min時不同扭矩時柴油機的油耗率，圖4(b)是轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時不同扭矩時柴油機的油耗率。

圖4 發(fā)動機比油耗曲線

由圖4可見，添加劑使柴油機在較低扭矩時的油耗率略微降低，且在50～100 Nm的范圍內(nèi)具有較為明顯的節(jié)油效果。其中1號劑在中低轉(zhuǎn)速時節(jié)油效果較好；2號劑在中高轉(zhuǎn)速時節(jié)油效果較好。實際車輛行駛時，柴油機大多數(shù)時間都在中等轉(zhuǎn)速運行，因此添加劑可在車輛常用工況下降低油耗。

為簡明清晰說明添加劑的效果，首先定義尾氣主要成分變化率，由試驗數(shù)據(jù)按式(1)計算：

(1)

變化率為負值，說明加劑后某成分減少；變化率為正值，說明加劑后某成分增加。

圖5、圖6分別為CO2和CO的變化率。圖中冷暖色代表不同水平的變化率，具體數(shù)值參見圖右側(cè)的標尺。黑色圓點為典型車輛在市區(qū)行駛時發(fā)動機轉(zhuǎn)速扭矩的統(tǒng)計值。

圖5 CO2變化率

圖6 CO變化率

由圖5可見，在車輛常用工況分布的范圍內(nèi)，加劑后CO2排放量均有不同程度的下降。由圖6可見，加劑后CO在常用工況范圍內(nèi)顯著降低，降幅約為100%～150%，說明加劑后燃燒更加充分，具有節(jié)油減排的效果。由于CO2排放量跟油耗正相關(guān)，因此說明加劑后在市區(qū)工況運行時可獲得0.5%～2%的節(jié)油效果。

2.4 噴嘴清潔度——空氣流量損失率

噴油器是柴油機中制造精度要求最高的零部件，其流通性能是影響柴油機各項指標的關(guān)鍵因素，通過小尺寸噴孔和高噴射壓力的配合，得到細小的液滴以期加速油氣混合。噴孔處因溫度較低，殘留的柴油發(fā)生緩慢氧化，易出現(xiàn)沉積物，造成噴孔流通性能降低，柴油霧化不良，最終表現(xiàn)為柴油機的各項性能下降。為了評價燃料，特別是添加劑對噴嘴結(jié)焦的抑制作用，需使用標準柴油機在發(fā)動機臺架上開展試驗，在柴油機試驗前后測量噴嘴針閥在不同升程時的氣體流動損失，以確定燃油的結(jié)焦傾向或添加劑的抗結(jié)焦作用。

本試驗委托中石化石油化工科學研究院進行，發(fā)動機型號：PSA XUD9 A/L非直噴柴油發(fā)動機。試驗柴油：基準油DF-3。

試驗前將清潔的經(jīng)過流量測量的噴嘴安裝在發(fā)動機上，試驗在4個階段循環(huán)工況下運行10 h 3 min，試驗結(jié)束后再次測量噴嘴空氣流量。試驗前、后噴嘴空氣流量的變化即反映了試驗后噴嘴的結(jié)焦程度。測得數(shù)據(jù)見表6。

表6 空氣流量損失率

通過試驗結(jié)果可知，加入1號柴油添加劑，柴油機的噴嘴空氣流量損失率在59.69%～77.11%；加入2號柴油添加劑，柴油機的噴嘴空氣流量損失率在17.73%～35.38%。流量損失平均值越小，噴嘴的結(jié)焦程度越低。加入2號劑的流量損失最低，說明柴油添加劑有較好的抑制噴嘴結(jié)焦堵塞的作用。

3 結(jié) 論

1)選擇滿足國Ⅴ排放標準的中型車用柴油機，燃用國六標準的車用柴油開展臺架試驗，反映了“老機燒新油”的現(xiàn)象，研究結(jié)果表明“老機燒新油”可以達到現(xiàn)有排放限值要求，符合國家對機動車污染物排放的環(huán)保要求。

2)本項目試驗結(jié)果顯示柴油添加劑對不同污染物排放數(shù)值的影響不同，添加劑能夠降低柴油機排放的CO和THC等不完全燃燒產(chǎn)物，但對NOX和PM存在負面影響，從原理上分析，加入柴油添加劑后促進CO、THC數(shù)值降低，說明燃料充分燃燒了，因充分燃燒，升高了缸內(nèi)溫度，柴油機內(nèi)局部富氧區(qū)域可能產(chǎn)生比原來更多的NOX；而柴油機內(nèi)局部缺氧區(qū)域則可能產(chǎn)生比原來更多的PM。試驗結(jié)果表明，加入本項目試驗用柴油添加劑的機動車污染物排放數(shù)值總體符合當前GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》排放標準。

3)加入柴油添加劑可顯著降低柴油機噴嘴沉積物，有較好的抑制噴嘴結(jié)焦堵塞的性能，有利于抑制柴油機的性能老化。

4)柴油添加劑有較明顯的提升動力性能和降低油耗的效果。