直噴汽油車燃燒甲醇汽油的非法規(guī)排放特性*

梁 賓，葛蘊(yùn)珊，譚建偉，韓秀坤，高力平，郝利君，代培培，葉文韜

(1．北京理工大學(xué)，汽車動力性與排放測試國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 2．北京汽車研究所有限公司，北京 100079)

前言

為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，越來越多的汽車廠商開始采用汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)。其最直接的優(yōu)勢便是能根據(jù)不同工況的需求靈活控制噴油量;若再結(jié)合增壓中冷和稀薄燃燒技術(shù)，可最大限度地改善燃燒狀況，降低油耗［1］。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各國對石油資源的依賴程度不斷加大，對石油資源枯竭和能源安全的擔(dān)憂促使世界各國加大了對替代燃料的研究［2］。由于甲醇物理化學(xué)性質(zhì)與汽油接近，同時又可以從植物、煤炭、天然氣等廣泛的資源中制取，正在受到越來越多的關(guān)注［3］。2009年，國家質(zhì)檢總局與國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合公布了《車用燃料甲醇》(GB/T 23510—2009)和《車用甲醇汽油(M85)》(GB/T 23799—2009)兩個國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推進(jìn)了甲醇汽油在我國的研究。然而，甲醇汽油發(fā)展中的一個突出問題便是對于其燃燒的排氣中含有醛酮類致癌物等非法規(guī)污染物的擔(dān)憂。

以往針對甲醇汽油非法規(guī)污染物排放的研究都是基于采用進(jìn)氣道噴射技術(shù)的發(fā)動機(jī)和汽車，對于采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油車進(jìn)行的研究尚未開展;同時，針對甲醇汽油進(jìn)行的整車排放測試研究較少，測試依據(jù)的工況多為《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》(GB 18352.3—2005)中規(guī)定的冷起動工況［4－5］，尚未依據(jù)城市實(shí)際道路狀況進(jìn)行研究。

本文中針對直噴汽油車，在底盤測功機(jī)上進(jìn)行整車實(shí)驗(yàn)，研究其燃燒M15甲醇汽油的醛酮類污染物與揮發(fā)性有機(jī)物中BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)在法規(guī)工況(NEDC)、模擬北京整體道路通行的北京工況、模擬車流量較大路段通行的低速工況和暢通路段通行的快速工況下的排放特性，并與對應(yīng)工況下燃燒汽油的排放特性進(jìn)行對比。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)車輛與燃油

實(shí)驗(yàn)所用車輛為上海大眾汽車有限公司2011年生產(chǎn)的帕薩特牌轎車，該車采用汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)，排量為1.8L，額定功率為118kW，累計(jì)行駛里程為12 500km。實(shí)驗(yàn)用汽油為滿足國4標(biāo)準(zhǔn)的市售93號汽油，將同時購買的該標(biāo)準(zhǔn)汽油與工業(yè)級甲醇(CH3OH)按體積比配制出M15甲醇汽油。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

1.2.1 法規(guī)工況

法規(guī)工況是指《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》(中國Ⅲ、Ⅳ階段)(GB 18352.3—2005)中Ⅰ型實(shí)驗(yàn)所規(guī)定的測試工況。整個實(shí)驗(yàn)持續(xù)時間為1 180s，由市區(qū)工況和郊區(qū)工況兩部分組成。市區(qū)工況包含4個重復(fù)的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán);每個循環(huán)持續(xù)195s，分15個工況(怠速、加速、勻速、減速等)，最高車速50km/h，平均車速19km/h。郊區(qū)工況持續(xù)400s，分13個工況(怠速、加速、勻速、減速等)，最高車速120km/h，平均車速 62.6km/h［6］。

1.2.2 非法規(guī)工況

非法規(guī)工況分3種:模擬北京市整體道路通行狀況的北京工況、模擬車流量較大狀況下的低速工況和模擬市區(qū)交通良好狀態(tài)的快速工況。這3種工況是由中國汽車技術(shù)研究中心、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)和北京汽車研究所有限公司在共同承擔(dān)的北京市科委和北京市環(huán)保局的“建立北京市流動源排放因子模型”項(xiàng)目中，采用文獻(xiàn)［7］中的方法研發(fā)的。表1為3種非法規(guī)工況與法規(guī)工況特征參數(shù)的對比，其中平均速度為包含怠速段的車速平均值，平均行駛速度為不包含怠速段的車速平均值。從北京工況和法規(guī)工況的對比可以看出，北京工況的平均速度與最高車速都有所下降。

表1 非法規(guī)工況與法規(guī)工況特征參數(shù)的對比

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與采樣

車輛首先使用汽油，正式實(shí)驗(yàn)前，在底盤測功機(jī)上按照法規(guī)工況運(yùn)轉(zhuǎn)一次市區(qū)工況和兩次郊區(qū)工況進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，然后在溫度為20～30℃的實(shí)驗(yàn)室中靜置16h后進(jìn)行法規(guī)工況的冷起動實(shí)驗(yàn)，然后依次進(jìn)行熱起動狀態(tài)下法規(guī)工況、北京工況、低速工況和快速工況的實(shí)驗(yàn)。車輛換油后，依據(jù)同樣的順序完成5個實(shí)驗(yàn)。

測試與采樣系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)用底盤測功機(jī)為日本Ono Sokki公司生產(chǎn)的型號為PECD 9400型40英寸單鼓、直流電力測功機(jī)，車輛尾氣先經(jīng)日本Horiba公司生產(chǎn)的CVS－7400T型CVS系統(tǒng)稀釋后再由采樣管采樣。采樣點(diǎn)分兩處，一處是新鮮空氣進(jìn)口處，用于采集背景空氣;另一處為CVS系統(tǒng)之后，用于采集樣氣。醛酮類污染物和揮發(fā)性有機(jī)物的采樣分別使用填充有2，4-DNPH(美國Supelco公司)和Tenax TA(Markes公司)的吸附管;吸附管后的采樣泵是恒流量采樣泵，由美國SKC公司生產(chǎn)，型號是AirChek2000，醛酮類污染物和揮發(fā)性有機(jī)物的采樣流量分別為1 200和750mL/min;吸附管和采樣泵之間串聯(lián)皂膜流量計(jì)，用于校準(zhǔn)和控制流量，確保采樣流量的穩(wěn)定。

1．4 分析設(shè)備與方法

揮發(fā)性有機(jī)物的分析采用二次熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀，其中二次熱脫附儀為英國Marks公司生產(chǎn)的UNITY，氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀是美國Agilent公司生產(chǎn)的6890N/5975C。儀器參數(shù)見表2。

表2 二次熱脫附-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀測試參數(shù)

醛酮類污染物樣品的脫附采用固相萃取方法，脫附過程:將2，4-DNPH采樣管置于固相萃取器(美國Supelco公司生產(chǎn))上，用3mL乙腈(色譜純，美國J＆K Scientific公司生產(chǎn))進(jìn)行樣品洗脫，使用0.45μm微孔濾膜(美國Agilent公司生產(chǎn))過濾后的洗脫液用乙腈定容至5mL，使用超聲波清洗器除去洗脫液中的氣泡，最后采用美國 Agilent公司的1200LC型高效液相色譜儀進(jìn)行分析，分析參數(shù)見表3。

表3 高效液相色譜儀分析參數(shù)

醛酮類污染物和揮發(fā)性有機(jī)物的分析方法分別參考美國 EPA 的標(biāo)準(zhǔn)方法 TO-11A［8］和 TO-17［9］，采用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析，揮發(fā)性有機(jī)物的混合標(biāo)液含苯、甲苯、對二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯、乙苯、苯乙烯、乙酸正丁酯、正十一烷等9種揮發(fā)性有機(jī)物(環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所)，醛酮類污染物的混合標(biāo)液含甲醛-DNPH、乙醛-DNPH、丙烯醛-DNPH、丙酮-DNPH、丙醛-DNPH、丁烯醛-DNPH、2-丁酮-DNPH、甲基丙烯醛-DNPH、丁醛-DNPH、苯甲醛-DNPH、戊醛-DNPH、甲基苯甲醛-DNPH、環(huán)己酮-DNPH、己醛-DNPH等14種醛酮類化合物的衍生物(美國Supelco公司)。通過分析混合標(biāo)液，擬合出污染物含量與峰面積的關(guān)系曲線，依據(jù)曲線，將樣品中各組分的峰面積對其含量進(jìn)行回歸，定量分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 醛酮類污染物排放對比

測試車輛在法規(guī)工況下分別進(jìn)行冷起動和熱起動實(shí)驗(yàn)，燃用汽油和M15甲醇汽油，醛酮類污染物的測試結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，燃用甲醇汽油后的醛酮總量相比燃用汽油時均有所增加，在冷車和熱車狀態(tài)下，增加的百分比分別為47.1%和46.8%。甲醛、乙醛、丙烯醛+丙酮和丙醛在4次實(shí)驗(yàn)中均被檢出，4種污染物之和占醛酮總量的百分比在汽油冷起動、M15冷起動、汽油熱起動和M15熱起動 4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中分別為 94%、84%、100%和95%。通過對這4種污染物(在下文中稱主要醛酮污染物)的總量進(jìn)行對比，燃用甲醇汽油比燃用汽油在冷車和熱車下分別增加31.6%和38.7%。就甲醛而言，燃用M15比汽油在冷車和熱車狀態(tài)下分別增加39.6%和53.1%。測試車輛在熱起動狀態(tài)下的排放結(jié)果相對于冷起動而言有較大幅度的降低。燃用汽油時，醛酮總量、主要醛酮污染物和甲醛的降低率分別為－40.4%、－36.7%和－39.6%;燃用M15時，相應(yīng)的降低率分別為－40.5%、－33.3%和－33.8%。通過與本實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)上燃用汽油和M15甲醇汽油的醛酮污染物測試結(jié)果進(jìn)行對比［10］，冷起動狀態(tài)下，燃用M15甲醇汽油的醛酮總量、主要醛酮污染物和甲醛排放在兩種車型上均高于燃用汽油時的排放。

表4 法規(guī)工況冷起動和熱起動狀態(tài)下醛酮類污染物的對比 mg/km

測試車輛燃用汽油和M15，在3種非法規(guī)工況下進(jìn)行熱起動實(shí)驗(yàn)的醛酮類污染物排放結(jié)果如表5所示。從表中可以看出，當(dāng)車輛燃用M15甲醇汽油時，與汽油相比，在3種工況下，甲醛的排放量均增加，在北京工況、低速工況和快速工況增加的百分比分別為26.2%、20.7%和9.5%。燃用M15甲醇汽油后，醛酮總量和主要醛酮污染物在北京工況和低速工況下分別增加 73.3%、60.0%和 57.1%、48.0%;但在快速工況下，汽油和M15甲醇汽油的醛酮總量和主要醛酮污染物兩項(xiàng)指標(biāo)卻一致。通過以上對比可以發(fā)現(xiàn)，燃用M15甲醇汽油和汽油時，醛酮污染物在低速狀態(tài)下差別比較明顯，在較高速度段，差別較小。

表5 3種非法規(guī)工況熱起動狀態(tài)下醛酮類污染物的對比 mg/kg

圖2是熱起動狀態(tài)下，測試車輛燃用汽油和M15在4種工況下醛酮污染物總量、主要醛酮污染物和甲醛的對比圖，從圖中可以明顯看出，汽油和M15在4種工況下的變化趨勢相同，低速工況排出的污染物最多，快速工況最少。

2.2 揮發(fā)性有機(jī)物排放對比

揮發(fā)性有機(jī)物中，苯(benzene)、甲苯(toluene)、乙苯(ethylbenzene)和二甲苯(xylenes)統(tǒng)稱為BTEX。這類化合物具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，容易進(jìn)入大氣，參與光化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)臭氧生成，加劇光化學(xué)煙霧的形成，對人類的神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)有較大的危害。中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)、《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)和《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)都將BTEX列為污染參數(shù)和環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目。在BTEX的來源中，機(jī)動車尾氣是一個重要的污染源［11］。測試車輛燃用汽油和M15甲醇汽油，在法規(guī)工況下進(jìn)行冷起動和熱起動實(shí)驗(yàn)的BTEX排放結(jié)果如表6所示。與冷起動相比，BTEX總量在熱起動狀態(tài)下有較大幅度地降低，汽油和M15甲醇汽油的降低率分別為79.5%和79.0%。從兩種燃料在同一種起動狀態(tài)下的對比來看，燃用M15甲醇汽油排放的BTEX總量均較低，冷起動狀態(tài)和熱起動狀態(tài)下的降低率分別為49.1%和47.9%。通過與本實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)上燃用汽油和M15甲醇汽油的BTEX排放測試結(jié)果進(jìn)行對比［10］，冷起動狀態(tài)下，燃用M15甲醇汽油的BTEX排放在兩種車型上均低于燃用汽油時的排放。

表6 法規(guī)工況冷起動和熱起動狀態(tài)下BTEX排放量的對比 mg/km

測試車輛燃用汽油和M15甲醇汽油，在3種非法規(guī)工況下進(jìn)行熱起動實(shí)驗(yàn)的揮發(fā)性有機(jī)物排放結(jié)果如表7所示。從中可以計(jì)算出，在3種工況下，燃燒M15甲醇汽油的BTEX排放總量均低于燃燒汽油的結(jié)果。在北京工況、低速工況和快速工況，減少的百分比分別為53.1%、41.8%和51.5%。

圖3是測試車輛在熱起動狀態(tài)下4種工況的BTEX排放總量對比圖，從圖中可明顯看出，燃用汽油和M15甲醇汽油時，BTEX排放總量的最低值都出現(xiàn)在快速工況。

表7 3種非法規(guī)工況熱起動狀態(tài)下BTEX排放量的對比 mg/kg

3 結(jié)論

(1)在法規(guī)工況下，無論是汽油還是M15甲醇汽油，與冷起動實(shí)驗(yàn)相比，熱起動實(shí)驗(yàn)下所排放的醛酮總量、主要醛酮污染物以及揮發(fā)性有機(jī)物中的BTEX總量均降低。

(2)在4種工況的5項(xiàng)對比實(shí)驗(yàn)中，燃用M15甲醇汽油的甲醛排放量均超過相同工況下燃用汽油的排放量。在冷起動法規(guī)工況、熱起動法規(guī)工況、熱起動北京工況、熱起動低速工況和熱起動快速工況下分別增加 39.6%、53.1%、26.2%、20.7% 和9.5%。

(3)4種熱起動工況中，對兩種燃油，快速工況下排放的醛酮總量、主要醛酮污染物、甲醛以及揮發(fā)性有機(jī)物中的BTEX總量都最低。

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