丁醇燃料對(duì)柴油車污染物排放影響的試驗(yàn)研究

常靜，張克松，王剛，喬意

(山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357)

汽車保有量的不斷增長(zhǎng)，加劇了全球性的石油危機(jī)和大氣污染，石油匱乏已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國(guó)的能源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，因此發(fā)展內(nèi)燃機(jī)替代燃料已是當(dāng)務(wù)之急[1-4]。丁醇是一種高能量生物燃料，其特點(diǎn)：能量密度分別比甲醇和乙醇高出82.5%、49%，達(dá)到汽油的91.3%[5]；蒸氣壓力低，氣化潛熱小，親水性差，更易于與汽油、柴油混合，可大比例調(diào)入汽、柴油中[6-10]；含氧量較大，可以改善柴油機(jī)在燃燒過程中的局部缺氧問題[11-13]；丁醇腐蝕性小，不必改變?cè)邪l(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，適合在現(xiàn)有的燃料供應(yīng)系統(tǒng)中使用[14-16]；丁醇與源自石油煉制的運(yùn)輸燃料相比，具有顯著的環(huán)境效益[17]。因此，發(fā)展丁醇燃料的前景比其它生物燃料更為樂觀[18-19]。但目前的研究對(duì)丁醇燃料的排放特性結(jié)論不一，且大多數(shù)試驗(yàn)研究?jī)H停留在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)或數(shù)值模擬中[20-23]，本文將丁醇以不同比例加入柴油中進(jìn)行整車排放試驗(yàn)，分析具有不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的丁醇-柴油混合燃料對(duì)柴油車排放的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)組成

試驗(yàn)設(shè)備包括：江鈴皮卡柴油車、AVL底盤測(cè)功機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)、軸流風(fēng)機(jī)、排氣取樣系統(tǒng)、排氣分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理終端等。試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)為JX493ZQ5C型、直列四缸、增壓中冷柴油機(jī)，主要參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)車輛停放于底盤測(cè)功機(jī)上，驅(qū)動(dòng)輪與轉(zhuǎn)鼓表面接觸，低速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓，調(diào)節(jié)車身方向使其與轉(zhuǎn)鼓滾筒軸線垂直，將車輛轉(zhuǎn)向輪固定，試驗(yàn)時(shí)汽車的驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒則帶動(dòng)底盤測(cè)功機(jī)的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，通過控制電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)，從而模擬汽車在實(shí)際道路上受到的阻力。

軸流通風(fēng)機(jī)放于車身正前方，在計(jì)算機(jī)控制下其轉(zhuǎn)速隨車速的變化而變化，從而模擬汽車在行駛時(shí)迎面風(fēng)的冷卻作用。

表1 試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

車況顯示屏位于試驗(yàn)車輛左前方，方便駕駛員及時(shí)了解汽車車速的變化情況，以提高操作精度，減少誤差。

排氣取樣系統(tǒng)對(duì)排氣進(jìn)行搜集，采用定容取樣系統(tǒng)將汽車排氣在特定條件下用空氣連續(xù)稀釋，計(jì)量稀釋排氣物的總?cè)莘e，且按一定的容積比將汽車排放的氣體搜集到氣袋中，為以后的分析做好準(zhǔn)備。

排氣分析系統(tǒng)對(duì)廢氣進(jìn)行分析，其中，一氧化碳(CO)與二氧化碳(CO2)采用不分光紅外線吸收型分析儀分析，碳?xì)浠衔?HC)用氫火焰離子化學(xué)分析法分析，氮氧化物(NOx)用化學(xué)發(fā)光分析儀分析。因?yàn)椴裼蜋C(jī)中碳?xì)浠衔锎蟛糠譃楦叻肿踊衔?，高溫時(shí)容易冷凝，為防止高沸點(diǎn)HC發(fā)生凝結(jié)，將采樣管路加熱至190 ℃左右，用加熱式氫離子化分析儀測(cè)量，然后通過積分進(jìn)行求值。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控試驗(yàn)進(jìn)程，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)開始前，使用燒杯和量筒，將正丁醇和柴油按照不同的體積比配制成均勻的混合燃料，混合燃料中丁醇的體積分?jǐn)?shù)分別為0、10%、20%、40%，分別記為B0、B10、B20、B40。

本次試驗(yàn)是常溫下冷啟動(dòng)的排氣污染物測(cè)試，試驗(yàn)前車輛需在20～30 ℃的室溫下停放12 h以上，不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的燃料試驗(yàn)需間隔8 h以上。車輛啟動(dòng)后，根據(jù)文獻(xiàn)[24]的要求，試驗(yàn)車輛按照新歐洲測(cè)試循環(huán)NEDC工況進(jìn)行試驗(yàn)，由1個(gè)市區(qū)運(yùn)行大循環(huán)(包括4個(gè)小循環(huán))和一個(gè)郊區(qū)運(yùn)行循環(huán)組成，共需1 180 s完成一個(gè)完整的試驗(yàn)循環(huán)。分析不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的丁醇—柴油混合燃料的NOx、CO、HC的排放情況，同時(shí)分析CO2的生成情況。

圖1 實(shí)際車速與設(shè)定車速對(duì)比

數(shù)據(jù)處理終端對(duì)監(jiān)測(cè)到的各類氣態(tài)污染物瞬時(shí)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行記錄、分析并形成動(dòng)態(tài)圖形。系統(tǒng)根據(jù)稀釋后的氣體流量、行駛里程等數(shù)據(jù)分析得出車輛全程污染物排放量均值。試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)過程中的實(shí)際車速與設(shè)定的NEDC工況對(duì)比如圖1所示，由圖1可以看出實(shí)際車速與設(shè)定車速基本吻合。

2 排放分析

通過車輛全程運(yùn)行瞬態(tài)排放曲線、冷啟動(dòng)工況的排放曲線、市區(qū)與郊區(qū)運(yùn)行的循環(huán)排放曲線(含加速、減速、勻速、怠速工況)分析不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的燃料在不同工況下各氣態(tài)污染物的排放情況。

2.1 NOx的排放

B0、B10、B20、B40燃油在不同工況下，NOx的排放情況如圖2～5所示。由圖2～5可以看出：

1)在每一個(gè)加速階段，因噴油量增加，燃燒溫度上升，4種燃料的NOx排放升高；在減速階段，噴油量減少，燃燒溫度降低，4種燃料的NOx排放下降，勻速階段NOx排放介于二者之間。

2)冷啟動(dòng)工況過后的市區(qū)循環(huán)工況相比于郊區(qū)循環(huán)工況NOx排放減少；NOx體積分?jǐn)?shù)峰值(80×10-6)位于郊區(qū)階段的加速區(qū)域；從全程N(yùn)Ox排放來看，郊區(qū)高速階段所占比例最大，達(dá)50%以上。

圖2 全程瞬時(shí)NOx排放曲線

圖3 冷啟動(dòng)工況NOx排放曲線

圖4 市區(qū)循環(huán)工況NOx排放曲線

圖5 郊區(qū)循環(huán)工況NOx排放曲線

為了量化分析不同丁醇體積分?jǐn)?shù)燃料的排放差異，根據(jù)稀釋后的氣體流量、行駛里程等參數(shù)，并經(jīng)修正后計(jì)算得出每個(gè)階段的排放量。表2為計(jì)算所得不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的丁醇-柴油混合燃料市區(qū)運(yùn)行循環(huán)階段、郊區(qū)運(yùn)行循環(huán)階段以及全程運(yùn)行階段的NOx排放量均值。

表2 NOx排放量 g/km

由表2可以看出：

1)4種燃料市區(qū)NOx的排放量均大于同種燃料的郊區(qū)排放，原因可能是由于試驗(yàn)?zāi)M的市區(qū)工況考慮了道路的擁堵，且怠速工況所占比例較大。怠速時(shí)車速為零，發(fā)動(dòng)機(jī)不對(duì)外做功，因此以g/km計(jì)量的排放量較大。

2)無論從市區(qū)、郊區(qū)還是全程運(yùn)行工況來看，使用含有丁醇的燃料均會(huì)增加NOx排放量，隨著丁醇體積分?jǐn)?shù)的增加，NOx排放呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。究其原因：B10、B20、B40燃料中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.08%、4.18%、8.43%，使燃燒趨向于富氧條件，促進(jìn)了NOx的生成；另一方面，丁醇的汽化潛熱較高，蒸發(fā)時(shí)吸收的熱量多，造成缸內(nèi)溫度下降，抑制了NOx的生成。因此，當(dāng)混合燃料中丁醇的體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，燃料中增加的氧元素是影響NOx生成的主要因素，而當(dāng)燃料中丁醇的體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，蒸發(fā)吸熱則是主要因素。

2.2 CO的排放

不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的燃料、不同工況下CO的排放情況如圖6～9所示。

圖6 全程瞬時(shí)CO排放曲線

圖7 冷啟動(dòng)工況CO排放曲線

圖8 市區(qū)循環(huán)CO排放曲線

圖9 郊區(qū)循環(huán)CO排放曲線

從圖6～9可以看出：

1)4種燃料的CO排放體積分?jǐn)?shù)峰值均出現(xiàn)在冷啟動(dòng)階段的前幾秒，直至郊區(qū)高速階段CO排放的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。原因?yàn)椋豪鋯?dòng)階段，氣缸內(nèi)溫度較低，混合氣局部缺氧、霧化效果差，不完全燃燒現(xiàn)象較嚴(yán)重，加劇了CO的生成。

2)市區(qū)循環(huán)階段CO的排放遠(yuǎn)高于郊區(qū)循環(huán)階段，且第一個(gè)市區(qū)小循環(huán)CO排放總量占全程循環(huán)總量的80%左右，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，氣缸溫度升高， CO排放則會(huì)隨之降低。

4種燃料市區(qū)運(yùn)行循環(huán)階段、郊區(qū)運(yùn)行循環(huán)階段以及全程運(yùn)行階段CO的排放量均值如表3所示。

表3 CO排放量 g/km

由表3可以看出：

1)市區(qū)的CO排放量遠(yuǎn)大于同種燃料的郊區(qū)排放，市區(qū)排放量為郊區(qū)的4倍左右，這與前述的市區(qū)模擬工況的特殊性以及冷啟動(dòng)階段CO生成快速增加、CO市區(qū)排放所占比例較大有關(guān)。

2)市區(qū)與全程運(yùn)行工況使用B0燃料時(shí)CO的排放量均為最小，郊區(qū)運(yùn)行工況使用B10燃料時(shí)CO的排放量最小，相比使用B0燃料郊區(qū)工況減少排放8.2%；市區(qū)與全程運(yùn)行工況使用B20燃料時(shí)CO的排放量最大；郊區(qū)運(yùn)行工況使用B40燃料時(shí)CO的排放量最大，是使用B0燃料時(shí)的1.1倍左右，使用B10、B20燃料的CO的排放量與使用B40燃料時(shí)接近。因此同一試驗(yàn)運(yùn)行工況下，混合燃料中丁醇的體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO的排放影響不大。

2.3 HC化合物的排放

不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的燃料、不同工況下HC的排放情況如圖10～13所示。

圖10 全程瞬時(shí)HC排放曲線

圖11 冷啟動(dòng)工況HC排放曲線

圖12 市區(qū)循環(huán)工況HC排放曲線

圖13 郊區(qū)循環(huán)工況HC排放曲線

由圖10～13可以看出：

1)4種燃料HC化合物排放的整體趨勢(shì)無較大差別，均在冷啟動(dòng)階段的前幾秒達(dá)到排放峰值60×10-6，由于冷啟動(dòng)時(shí)溫度低，缸內(nèi)缺火，壁面火焰淬熄現(xiàn)象頻發(fā)，因此冷啟動(dòng)前期產(chǎn)生大量的HC化合物，待發(fā)動(dòng)機(jī)溫度上升后HC化合物排放慢慢趨于穩(wěn)定。

2)在每個(gè)加速階段特別是市區(qū)循環(huán)的加速階段，HC化合物排放量都有所增加，這是由于混合氣的濃度、燃燒溫度以及反應(yīng)時(shí)間等均會(huì)影響HC化合物的排放。在汽車加速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增加，導(dǎo)致噴油量增加，進(jìn)入氣缸的混合氣過濃，又由于轉(zhuǎn)速增加，油氣混合時(shí)間變短，燃料燃燒不充分，進(jìn)而導(dǎo)致HC化合物排放量有所增加。

3)市區(qū)第一個(gè)小循環(huán)階段的HC化合物排放量約占全程排放量的65%以上，這是因?yàn)榇穗A段氣缸內(nèi)溫度較低，燃料霧化不好，增大了局部熄火面積，進(jìn)而導(dǎo)致HC排放量升高，但隨著氣缸內(nèi)溫度的升高，燃油霧化得到改善，HC化合物排放則隨之降低。

4)柴油中加入較大比例丁醇后會(huì)使HC化合物排放量有所升高，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣、壓縮過程中，氣缸壁面上的潤(rùn)滑油油膜以及活塞頂部、氣缸壁面和進(jìn)、排氣門上的積炭都會(huì)吸附未燃燒的混合氣，進(jìn)而會(huì)降低HC化合物的排放；但是在氣缸縫隙中的沉積物減小了縫隙進(jìn)而促進(jìn)了淬熄現(xiàn)象的產(chǎn)生，這又使得HC化合物排放量升高，綜合兩者相互作用，淬熄現(xiàn)象造成的影響較大時(shí)，便會(huì)使得HC化合物的排放升高。

4種不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的燃料在市區(qū)運(yùn)行循環(huán)階段、郊區(qū)運(yùn)行循環(huán)階段以及全程運(yùn)行階段的HC排放如表4所示。

表4 HC排放量 g/km

由表4可以看出：

1)4種燃料市區(qū)HC排放量均大于同種燃料的郊區(qū)排放，市區(qū)排放量為郊區(qū)的4倍左右，這與前述的市區(qū)模擬工況特性以及冷啟動(dòng)階段HC劇增并達(dá)到峰值有關(guān)。

2)所有工況下，使用B10燃料時(shí)HC的排放量均最小，相比純柴油時(shí)市區(qū)、郊區(qū)、全程運(yùn)行工況分別減少18.1%、21.6%、19.1%。

3)市區(qū)運(yùn)行工況使用B0燃料時(shí)，HC的排放量最大，郊區(qū)及全程運(yùn)行工況使用B40燃料時(shí)，HC的排放量均為最大值，究其原因：B40中丁醇所占比例較高，而丁醇揮發(fā)性較強(qiáng)，汽化潛熱較高，造成燃料噴入氣缸時(shí)吸熱量增大，故會(huì)增加壁面淬熄，且B40十六烷值較低，著火性能差，因此造成HC排放量有所上升。

值得注意的是，3種運(yùn)行工況下B0、B20、B40的HC排放量均相差不太大。

2.4 CO2的排放

汽車的CO2排放量主要取決于混合氣中C原子的多少。不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的燃料，CO2在不同工況下的生成情況如圖14～17所示。

由圖14～17可以看出：

1)燃料中丁醇的體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2生成量的整體排放無較大影響。

2)4種燃料CO2的排放的體積分?jǐn)?shù)在郊區(qū)加速階段達(dá)到峰值，郊區(qū)循環(huán)階段的排放量占整個(gè)循環(huán)工況的50%左右；從各工況來看，加速階段CO2排放急速增加，減速階段CO2排放急速減少，怠速工況及勻速工況時(shí)CO2排放也較少。

2)4種燃料在市區(qū)運(yùn)行循環(huán)階段、郊區(qū)運(yùn)行循環(huán)階段以及全程階段的CO2生成見表5。

圖14 全程瞬時(shí)CO2排放曲線

圖15 冷啟動(dòng)工況CO2排放曲線

圖16 市區(qū)循環(huán)CO2排放曲線

圖17 郊區(qū)循環(huán)工況CO2排放曲線

g/km

由表5可以看出：

1)4種燃料市區(qū)的CO2排放量均大于同種燃料的郊區(qū)排放。

2)市區(qū)與全程運(yùn)行工況使用B0時(shí)CO2的排放量均最小，郊區(qū)運(yùn)行工況使用B10時(shí)CO2的排放量最小，相比使用B0時(shí)的郊區(qū)工況減少排放0.31%。市區(qū)與全程運(yùn)行工況使用B10時(shí)CO2的排放量最大，使用B20時(shí)次之；郊區(qū)運(yùn)行工況使用B20時(shí)CO2的排放量最大，但與使用B0、B40相比，均相差甚微，即4種燃料CO2的排放差距很小，可以認(rèn)為燃料中丁醇的體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2的生成影響甚微。

3 結(jié)論

1)在不需要其他助溶劑的情況下，柴油與丁醇可以很好的混合，這對(duì)于丁醇的推廣有重要意義。

2)不同丁醇體積分?jǐn)?shù)的混合燃料市區(qū)運(yùn)行時(shí)氣態(tài)污染物的排放量大于同種燃料的郊區(qū)排放；同一試驗(yàn)運(yùn)行工況下，燃料中丁醇的體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO、CO2排放幾乎沒有太大影響。

3)所有試驗(yàn)運(yùn)行工況使用含有丁醇的燃料均會(huì)增加NOx排放量，但整體波動(dòng)不大。隨著丁醇添加比例的增加，NOx排放量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

4)市區(qū)、郊區(qū)、全程運(yùn)行工況使用B10時(shí)HC的排放量均為最小，相比使用B0時(shí)分別減少18.1%、21.6%、19.1%；所有試驗(yàn)運(yùn)行工況使用B0、B20、B40時(shí)的HC的排放量均相差不大。

5)柴油車排放受多重因素影響，試驗(yàn)條件、試驗(yàn)誤差、人為誤差、車齡、車況等均會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此在柴油中加入丁醇時(shí)，應(yīng)視車輛是經(jīng)常運(yùn)行在郊區(qū)還是市區(qū)以及車輛的實(shí)際車況，考慮主要影響因素在整個(gè)循環(huán)中所占的比例，有針對(duì)性地進(jìn)行丁醇的添加。本文沒有考慮丁醇對(duì)柴油雜質(zhì)產(chǎn)生的溶解作用等，需要后續(xù)進(jìn)一步研究。