柴油轿车燃用不同替代燃料的排放特性研究

2024年3月4日发(作者：2022款长安逸动真实口碑)

?设计?计算?研究?　柴油轿车燃用不同替代燃料的排放特性研究★　胡志远　李　金　李文书　谭丕强　楼狄明　（同济大学）　【摘要】对某款满足国Ⅳ排放要求的柴油轿车分别燃用国Ⅱ柴油、体积混合比分别为１０％的国Ⅱ柴油一生物柴油　（Ｂｌ０）和国Ⅱ柴油一天然气制油混合燃料（Ｇ１０），以及沪Ⅳ柴油的排放特性进行了试验研究。结果表明，与国Ⅱ柴油比　较，燃用Ｂ１０的柴油轿车ＣＯ、ＰＭ和ＣＯ：排放降低，ＮＯ　和ＨＣ＋ＮＯ　排放略有增加；燃用Ｇ１０的柴油轿车ＣＯ、Ｎ　、　ＨＣ＋ＮＯｘ、ＰＭ和ＣＯ　排放降低；燃用沪Ⅳ柴油的柴油轿车ＣＯ、ＮＯ　、ＨＣ＋ＮＯ　和ＰＭ排放降低，ＣＯ　排放与国Ⅱ柴油相　当。　主题词：轿车柴油替代燃料排放特性　中图分类号：Ｕ４６４．１７２文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２０１１）０５—００２３—０３　Ｓｔｕｄｙ　０ｎ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｃａｒ　Ｆｕｅｌｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｄｉｉｅｒｅｎｔ　ｆＡｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　Ｆｕｅｌｓ　Ｈｕ　Ｚｈｉｙｕａｎ，Ｌｉ　Ｊｉｎ，Ｌｉ　Ｗｅｎｓｈｕ，Ｔａｎ　Ｐｉｑｉａｎｇ，Ｌｏｕ　Ｄｉｍｉｎｇ　（Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｄｉｅｓｅｌ　ｃａｒ　ｍｅｅｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎａ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ＩＶ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｕｅｌｅｄ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ　ｗｉｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ＩＩ　ｄｉｅｓｅｌ，ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ　ｗｉｔｈ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　１０％（ｃａｌｌｅｄ　Ｂ１０），ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ＩＩ　ｄｉｅｓｅｌ　ａｎｄ　ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ，ｇａｓ　ｔｏ　ｌｉｑｕｉｄ（ＧＴＬ）ｂｌｅｎｄｅｄ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ＩＩ　ｄｉｅｓｅｌ（ｃａｌｌｅｄ　Ｇ１０），ａｎｄ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　ＩＶ　ｄｉｅｓｅｌ　ａｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ＩＩ　ｄｉｅｓｅｌ，ＣＯ，ＰＭ　ａｎｄ　ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｂ　１０　ｆｕｅｌｅｄ　ｄｉｅｓｅｌ　ｃａｒ　ａｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ，ｗｈｅｒｅａｓ　ｔｈｅ　Ｎ　ａｎｄ　ＨＣ＋ＮＯ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ；ＣＯ，ＮＯ　，ＨＣ＋Ｎ０　ＰＭ　ａｎｄ　ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｇ１０　ｆｕｅｌｅｄ　ｄｉｅｓｅｌ　ｃａｒ　ａｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ；ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｏｆ　ＣＯ，ＮＯ　，ＨＣ＋ＮＯ　ａｎｄ　ＰＭ　ｏｆ　ｄｉｅｓｅｌ　ｃａｒ　ｆｕｅｌｅｄ　ｂｙ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　ＩＶ　ｄｉｅｓｅｌ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｍｐａｒａｂｌｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ＩＩ　ｄｉｅｓｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｉ　Ｃａｒ，Ｄｉｅｓｅｌ，Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ｆｕｅｌ，Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　１前言　生物柴油具有十六烷值高、硫含量低、润滑性　好、可再生性好等特点【ｌＪ。与石化柴油比较，发动机　燃用生物柴油燃料后，除Ｎ　略有升高外，ＰＭ、ＣＯ、　ＨＣ、ＣＯ：排放降低嗍。合成燃料是由天然气、煤或生物　质通过费托工艺生产的一种无色无味、基本不含硫　和芳香烃、十六烷值高达７５—８Ｏ的新型液态燃料嘲。　天然气制合成油（ｇａｓ　ｔｏ　ｌｉｑｕｉｄ，ＧＴＬ）是合成燃料中技　术较为成熟、成本相对较低并已经进入大规模产业化　和市场推广的燃料【３Ｊ。与石化柴油比较，发动机使用　本文对某国产柴油轿车分别燃用国Ⅱ柴油、体　积混合比为１０％（９０％为国Ⅱ柴油．１０％为生物柴油，　简称为Ｂ１０）的国Ⅱ柴油一生物柴油混合燃料、体积　混合比为ｌ０％（９０％为国Ⅱ柴油，１０％为天然气制油　（Ｇａｓ　ｔｏ　Ｌｉｑｕｉｄ，ＧＴＬ），简称为Ｇ１０的国Ⅱ柴油一天　然气制油混合燃料，以及沪Ⅳ柴油进行排放试验研　究，系统考察了生物柴油、天然气制油对柴油轿车排　放的降低效果。　２试验样车及试验方案　试验样车为某国产ＴＤＩ　１．９Ｌ柴油轿车，发动机　ＧＴＬ燃料后ＰＭ、ＮＯ　、ＣＯ、ＨＣ、ＣＯ２排放降低　。因此，　在柴油中混入一定比例的生物柴油或天然气制合成　为水冷直列四缸四气门、双顶置凸轮轴、电控高压共　轨直喷涡轮增压柴油机，并配备废气再循环系统和　尾气氧化催化转换器。该柴油轿车主要技术参数见表　１所列。不同燃油的主要理化性能指标见表２所列。　油，可在一定程度上改善目前市场上的柴油品质，降　低柴油轿车的排放。　＋基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）项目（２００８ＡＡ１１Ａ１６９）。　２０１１年第５期　一２３—　

?设计?计算?研究?　表１柴油轿车主要技术参数　发动机额定功率（转速）＆Ｗ（ｒ／ａｒｉｎ）　９３（４　０００）　发动机额定扭矩（转速）／Ｎ?ｍ（ｒ／ａｒｉｎ）　２７１（２０００）　压缩比　１７．５　最高车速／ｋｉｎ?ｈ　１９Ｏ　变速器型式　６挡手动变速器　排放　国Ⅳ　表２试验燃料的理化指标　项目　国Ⅱ柴油　Ｂ１Ｏ　Ｇ１０　沪Ⅳ柴油　密度（２０ｃｃ）／ｇ?Ｌ　８３９．９　８４６．８　８３５．２　８２４．１　粘度（２０ｃｃ）／ｍｍ　?Ｓ　４．５９７　４．６９７　４．４５６　４．２８６　硫含量　０．１６１　Ｏ．１４５　０．１４３　０．００３　芳烃含量　３０．０　２７－３　２７－２　２３＿３　初馏点温度／℃　１８７．１　１９９．２　１７５．９　１７２．１　９０％回收温度／℃　３３８．１　３４３．１　３２９．４　３３２．４　终馏点温度／℃　３５９．５　３６３．７　３６２．７　３６３．１　１０％蒸余物残炭　＜０．１　＜０．１　＜０．１　＜０．１　十六烷值　５１．２　５２．４　５２．９　５８．６　Ｃ含量　８６．２４　８６．９３　８５．７８　８４．６０　Ｈ含量　１２．９５　１２－３５　１３．４４　１４．２８　０含量　０．５７　试验系统主要包括一ｌ０～４５℃环境模拟舱、　ＳＣＨＥＮＣＫ汽车底盘测功机、ＨＯＲＩＢＡ全流ＣＶＳ采　样和ＭＥＸＡ一７０００系列排放采样分析系统、超微量　天平。测试设备的主要技术参数见表３所列。　表３排放测试系统主要技术参数　设备　参数　数值　环境舱　温度范围／℃　一１０－＋４５　最高车速／ｋｍ?ｈ　２００　底盘测功机　最大牵引力，Ｎ　６　５００　最大轴荷／ｋｇ　２　０００　ＨＣ×１０＿６　０－５　０００　ＣＯ×１０－６　０—１　０００　排放分析仪　ＣＯＪ％　０－２５　ＮＯ　×１０－６　０—１　０００￣１０　分析精度　±１　超微量天平　量程／ｍｇ　０￣５　０００　分析精度／ｍｇ　０．００１　排放测试依据《轻型汽车污染物排放限值及测　量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（ＧＢ１８３５２－３—２００５）Ｉ型　试验ＮＥＤＣ循环进行。整个测试共持续１　１８０　Ｓ，由１　部（城区行驶循环ＥＣＥ）和２部（城郊行驶循环ＥＵ．　ＤＣ）组成。其中，ｌ部由４个市区运转循环单元组　成，每个市区循环单元包含怠速、加速、匀速、减速等　一２４—　１５个工况，平均车速为１９　ｋｍ／ｈ，有效行驶时间为１９５　Ｓ，理论行驶距离为１　０１３　ｋｍ；２部由１个市郊运转　循环组成。该市郊循环包含１３个工况，平均车速为　６２．６　ｋｍ／ｈ，有效行驶时间为４００　Ｓ，理论行驶距离为　６．９５５　ｋｍ，最高车速为１２０　ｋｍ／ｈ。　３试验结果与分析　该柴油轿车燃用国Ⅱ柴油、Ｂ１０、Ｇ１０及沪Ⅳ柴　油的ＣＯ、ＮＯ　、ＨＣ＋ＮＯ　、ＰＭ、ＣＯ　排放测试结果见表　４所列。　表４柴油轿车污染物排放试验结果　排放物　Ｃ０　ＮＯ　ＨＣ＋Ｎ０　ＰＭ　ＣＯ２　国Ⅱ柴油　０．２７７　０．２７９　０．３２２　０．０４５　１７８　Ｇ１０　０．２６９　０．２６６　０．３０３　０．０３１　ｌ７７　Ｂ１０　０．２７５　０．２８６　０．３２６　０．０３５　１７５　沪Ⅳ柴油　０．２６９　０．２ｌ５　０．２５５　０．０１９　１７８　国Ⅱ标准限值　１　０．９　０．１　国Ⅲ标准限值　０．６４　０．５　０．５６　０．０５　国Ⅳ标准限值　０．５　０．２５　Ｏ３　０．０２５　由表４可以看出，该柴油轿车燃用国Ⅱ柴油、　Ｂ１０、Ｇ１０、沪Ⅳ柴油后的ＣＯ排放满足国Ⅳ排放标　准限值。与国Ⅱ柴油比较，该柴油轿车燃用Ｂ１０、　Ｇ１０、沪Ⅳ柴油的ＣＯ排放分别降低３％、０．７％和３％。　ＣＯ是碳或烃类燃烧的中间产物和不完全燃烧的产　物之一，产生的原因包括可燃混合气温度过低、可燃　混合气局部缺氧等。生物柴油是含氧燃料，不但增　加了燃烧时氧的供给，而且使ＣＯ　被还原为ＣＯ的　机会降低。ＧＴＬ的馏出温度较低，蒸发过程进行较　快，产生过浓区可能性较小，产生的ＣＯ排放较低。　同时，ＧＴＬ、生物柴油的十六烷值高，着火性能好，能　进一步改善燃烧及降低ＣＯ排放。　由表４可见，该柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油的ＮＯ　排放满足国Ⅳ排放标准限值；燃用国Ⅱ柴油、Ｇ１０、　Ｂ１０后的ＮＯ　排放超过国Ⅳ排放标准限值，但满足　国Ⅲ排放标准限值。与国Ⅱ柴油比较，该柴油轿车　燃用Ｇ１０、沪Ⅳ柴油的ＮＯ　排放分别降低５％和　２３％，燃用Ｂ１０的ＮＯ　排放增加约２％。生物柴油富　氧，对ＮＯ　形成作用明显，使得ＮＯ　排放升高嘲。预　混合燃烧是产生ＮＯ　的主要阶段，由于ＧＴＬ相对于　传统柴油具有十六烷值高、滞燃期短的特点，燃烧时　具有预混合燃烧比例减少，扩散燃烧比例增大的特　点，因此可以降低柴油机的ＮＯ　排放。　（下转第５５页）　汽车技术　

?材料?工艺?设备?　品出现严重飞边情况。这也验证了Ｍｏｌｄｆｌｏｗ分析　对成型工艺提出建议及优化方案。特别在新产品设　中，当注射速率提高时，注射压力可适当降低，但锁　计前期应用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ分析技术，从结构到材料都可　模力较高，反映到制品真正成型时，较大的锁模力会　通过模拟分析达到预测、分析、优化、验证的作用，从　引起制品边缘甚至在浇口附近出现严重飞边的现象。　而达到缩短开发周期、减少开发成本、提高一次成功　逐渐调整并使最大注射压力比原现生产用最大　率的开发目的。　注射压力提高１３％ｆｌ￣，制品的飞边现象明显减小，并　参　考　文　献　且无欠料现象。　丛穆，江梅．ＣＡＥ技术在塑料仪表板成型性分析中的应用　研究．中国汽车工程学会论文，２００７．　５结束语　２　江梅．丛穆，王国梅．塑料ＣＡＥ模拟分析技术在汽车塑料　产品上的应用．第１１届国际太平洋地区汽车工程会议论　通过运用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ技术，在汽车注塑件材料更　文．２００１．　改前对材料与结构的成型性进行预测分析，不仅能　（责任编辑文楫）　够提前预测更改后可能出现的质量问题，同时也能　修改稿收到日期为２０１０年１２月３０日。　（上接第２４页）　Ｂ１０有利于降低柴油轿车温室气体ＣＯ　排放。　由表４可见，该柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油的ＨＣ＋　ＮＯ　排放满足国Ⅳ排放标准限值；燃用国Ⅱ柴油、　４结束语　Ｇ１０、Ｂ１０后的ＨＣ＋ＮＯ　排放超过国Ⅳ排放标准限　ａ．满足国Ⅳ排放标准的某国产柴油轿车燃用　值，但满足国Ⅲ排放标准限值。与国Ⅱ柴油比较，该　沪Ⅳ柴油后，其ＣＯ、ＮＯ　、ＨＣ＋ＮＯ　、ＰＭ排放均满足　柴油轿车燃用Ｇ１０、沪Ⅳ柴油的ＨＣ＋ＮＯ　排放分别　国Ⅳ标准排放限值。　降低６％和２１％，燃用ＢＩＯ的ＨＣ＋ＮＯ　排放增加约　ｂ．该柴油轿车燃用国Ⅱ柴油、ＢＩＯ、Ｇ１０的Ｃ０　１％。直喷式柴油机的ＨＣ排放来源于油束的过浓　满足国Ⅳ排放标准限值，ＮＯ　、ＨＣ＋ＮＯ　排放接近国　区、过稀区以及油束碰壁激冷区。一般芳香烃含量　Ⅳ排放标准限值，ＰＭ排放超过国Ⅳ排放标准限值，　越少，滞燃期越短，ＨＣ排放越低嘲。同时，十六烷值　但满足国Ⅲ排放标准限值。　较高时，燃油着火性能好，滞燃期短，未燃碳氢和裂　Ｃ．燃用Ｇ１０可在一定程度上降低该柴油轿车的　解碳氢均较少，有利于减少ＨＣ排放。与柴油比较，　ＣＯ、ＮＯ　、ＨＣ＋ＮＯ　、ＰＭ排放；燃用Ｂ１０可在一定程度　ＧＴＬ的馏出温度较低，蒸发过程进行较快，产生过浓　上降低该柴油轿车的ＣＯ、ＰＭ和ＣＯ　排放。　区和油束碰壁激冷区的可能性较小，ＨＣ排放较低，　ｄ．燃用Ｇ１０和ＢＩＯ可在一定程度上降低柴油　其ＨＣ＋ＮＯ　排放降低。生物柴油中芳香烃含量很少，　轿车的温室气体ＣＯ：排放。　十六烷值较高。ＨＣ排放较低，但由于该柴油轿车燃　参考　文　献　用Ｂ１０的ＮＯ　排放升高，导致其ＨＣ＋ＮＯ　排放也稍　１覃军，刘海峰，尧命发，等．柴油机掺烧不同比例生物柴油　有增加。　的试验研究．燃烧科学与技术，２００７，１３（４）：３３５～３４０．　由表４可见．该柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油的ＰＭ　２　Ｋｎｏｔｔｅｎｂｅｈ　Ｃ．Ｍｏｓｓｇａｓ“ｇａｓ－ｔｏ－ｌｉｑｕｉｄ”ｄｉｅｓｅｌ　ｆｕｅｌｓ—ａｎ　排放满足国Ⅳ排放标准限值；燃用国Ⅱ柴油、Ｇ１０、　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ　ｆｒｉｅｎｄｌｙ　ｏｐｔｉｏｎ．Ｃａｔａｌｙｓｉｓ　Ｔｏｄａｙ，２００２　７　１（３－　Ｂ１Ｏ后的ＰＭ排放超过国Ⅳ排放标准限值，但满足　４）：４３７－４４５．　３　Ｈｅｎｇ　Ｈ　Ｃ．Ｓｕｈａｉｌｉ　Ｉ．Ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｏｆ　ｇａｓ　ｔｏ　ｌｉｑｕｉｄｓ　ａｓ　ａ　ｇａｓ　国Ⅲ排放标准限值。与国Ⅱ柴油比较，该柴油轿车　ｍｏｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｏｎ，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｇａｓ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００４　燃用Ｇ１０、Ｂ１０、沪Ⅳ柴油的ＰＭ排放分别降低３２％、　（１３）：６３　２３％和５９％。低硫含量、低密度、高十六烷值有助于　４武涛，张武高，方俊华，等．增压柴油机燃用天然气合成油　降低燃料的ＰＭ排放。ＧＴＬ、生物柴油的芳烃含量较　排放特性的研究．内燃机学报，２００６，２４（６）：４８９～４９３．　低，燃料在燃烧过程中减少了高温裂解组分，能够改　５梅德清，孙平，袁银南，等．柴油机燃用生物柴油的排放特　善燃料燃烧，使得ＰＭ排放降低。同时，ＧＴＬ、生物柴　性研究．内燃机学报，２００６，２４（４）：３３１—３３５．　油和沪Ⅳ柴油的硫含量较低，使得ＰＭ排放降低。　６袁银南，江清阳，孙平，王忠．柴油机燃用生物柴油的排放　由表４可见，与燃用国Ⅱ柴油相比，该柴油轿车　特性研究．内燃机学报，２００３，２１（６）：４２３—４２７．　燃用Ｇ１０、Ｂ１０的ＣＯ２排放分别降低１％和１．７％，燃　（责任编辑学林）　修改稿收到日期为２０１１年１月２２日。　用沪Ⅳ柴油的ＣＯ　排放与国Ⅱ柴油相当。燃用Ｇ１０、　２０１１年第５期